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1、学电子跟我来 FOLLOW ME 2010 VOL.1062 一、关于放大器的基本概念 1. 什么是放大器？ 通俗地说，放大器的作用就是将微弱的信号 放大。 “微弱”是指其能量极小，为了让信号能够 被显示，或者能推动负载工作，就必须将其能量 “放大” 。但能量怎么能够被放大呢？这不符合能 量守恒定律。所以我们要实现的“放大” ，实质上 只是“控制” ，是用小能量的信号去控制电源驱动 “大能量” ，使它按小信号相同的变化规律，换句 话说，是信息幅度放大。这一过程就像我们将一 张底片放大一样，放大后的照片并不是原来的底 片，不过它的图像信息与原来小照片上的图像信 息是相同的。能放大电流信号的电路叫
2、电流放大 器，能放大电压信号的电路叫电压放大器，放大 器的目的是驱动负载（如喇叭，发射天线等）叫 功率放大器。 2. 放大器是怎么组成的？ 电流放大器就是能够实现小电流输入、大电 流输出的电路。我们自然会想到了三极管。因为 处于放大状态的三极管，三个电极的电流之间存 在某种稳定的比例关系，即 ： , 。如果我们能够想办法将小电 流转化为基极电流IB，那么，就可以得到被放大 的集电极电流IC或发射极电流IE， 只要有三极管， 并给它提供放大的外部条件，就可以实现电流放 大。所以电流放大器可以如图 1 来组成。直流电 源既提供三极管的放大条件，又是受控的能源。 电压放大器就是能够实现小电压输入、大
3、电 压输出的电路。怎样才能实现电压的放大呢？我 们的思路是这样的 ：先将小的电压变化（信号） 转换成小电流变化，利用三极管的电流放大功能 将小电流放大，让放大后的电流通过电阻，在电 阻两端就可以取得较大的输出电压。所以，电压 放大器的核心也是一个处于放大状态的三极管。 电压放大器的结构可以用图 2 来表示。很明显， 这一电路既有电流放大，又有电压放大，实际上 已经实现了对信号能量的“放大” 。因此，我们通 常把小信号电压放大器称作“基本放大电路” 。 图 2 3. 对放大器性能有什么要求？ （1）必须有放大能力。我们把放大能力称作 放大器的“增益” 。对电压的放大能力叫“电压增 益” ，用符号
4、 来表示； 对电流的放大能力叫“电 流增益” ，用符号 来表示 ；对功率的放大能力 叫“功率增益” ，用符号 来表示。我们希望放 大器的增益应该大一些。 （2）增益必须有稳定。增益不但要大，还必 须有稳定性。放大器在长时间的连续工作中它的 增益和其它特性必须保持稳定。因为放大器的工 作环境是变化的，有时甚至是很恶劣的，我们希 望放大器在环境发生变化时它的各项性能不能有 太大的波动，否则就会严重影响工作效果。 （3）放大器的失真要小。所谓失真，是指输 出信号的波形与输入信号的波形相比较发生了较 放大器的构成与工作原理 BC II= BE II)1 ( += 图 1 V A p A 输入小电流 三
5、极管 直流电源 输出大电流 （放大状态） IB IC 作 者 陈 勇 作 者 潘平仲 输入 小电压 小电流 大电流 偏置电流 （放大状态） 电阻电阻 输出 大电压 直流电源 三极管 i A 学电子跟我来 FOLLOW ME 63 C1 Rb IB IC R C Vcc 输入 信号 大的变化，或者说放大后的输出信号从形状上看 不像原来的输入信号，发生畸变了。这是不应该 出现的现象，因为严重的失真让放大失去了本来 的意义。由于三极管的输入特性是非线性的，当 输入信号稍大时，失真就很难避免，这类失真通 常被称作“非线性失真” 。 （4） 放大器的频带要宽。频带也叫“通频带” ， 这是一个很重要的概念
6、。任何一个放大器，都不 可能对所有频率的信号实现同等的放大。当信号 频率太高或太低时，放大器的放大能力都会明显 下降，即增益变小。一个复杂的信号总是包含了 各种各样的频率，有甚高的，也有甚低的。如果 放大器不能对各种频率信号实现大体同等的放 大，输出信号必然出现严重失真。目前把增益下 降不超过 30% 作为可接受的标准，把这一频率范 围称作“通频带” ，或简称频带。 （5）放大器的输入、输出电阻要合适。放大 器输入端总是跟信号源连接的，而放大器的输出 端总是与负载相连的。 （也可能与后一级放大器相 接，在这里，后一级放大器就是前级的负载）为 了保证信号的有效传递，必须讲究它们之间的配 合，必须
7、对输入、输出电阻提出特定的要求。对 于普通的电压放大器，我们希望输入电阻大一些 以免信号损失，输出电阻小一些足以驱动下一级 电路。 二、基本放大电路的构成与工作原理 1. 放大器的电路构成 现在，以小信号电压放大器为例，来介绍放 大器的电路构成。 电压放大器的核心是处于放大状态的三极 管，假定我们使用的是 NPN 型硅三极管，则可 以如图 3(a) 向它提供放大条件。 图 3（a）VBB给发射结提供正偏 ； VCC给集 电结提供反偏。 如果流经 Rb的电流 Ib适当，使经过放大的 Ic 在 Rc 压降使集电极电压 VcVb，三极管就工 作在放大区域了。但这一电路有明显的缺陷，就 是需要用 VB
8、B和 VCC两组电池，这是很不方便的， 也是不现实的。因此我们设法将两个电源合并使 用，放弃电源 VBB，利用电源 VCC经过电阻 Rb产 生 Ib，给发射结提供正偏，形成如图 3（b）所示 的电路。电阻 Rb称作“偏置电阻” 。这样，放大 器的核心部分就形成了。如果 Rb接在 c-b 之间， 形成电压负反馈，稳定工作点，如图 3（c）所示。 通常在画电路图时，因为直流电源 VCC许多地方 公用，一般可以不画，标 VCC即可，如（c）所示。 需要放大的小电压信号是如何输入而不影响 放大器的直流偏置呢？可以在基极串入一个电容 C1，如图 4 所示，C1 称作“输入耦合电容” 。电 容的一个重要特
9、性就是“隔直通交” ，它能隔断直 流，但允许交流通过。普通信号都是由一系列交 流信号组合而成的，所以小电压信号可以通过耦 合电容到达三极管的基极。 图 4 输入的电压信号到达基极，将使基极电位在 原来确定的直流偏压基础上发生变化，从而使基 极电流随之发生变化。如果输入信号很小，那么 基极电流的变化规律与输入电压的变化规律是基 本相同的。 （即不出现非线性 失真） 基极电流的变化将引起集电极 电流的相应变化，而集电极电 流的变化量是基极电流变化量 的 倍，这就实现了信号电流 的放大。 VBB VCCVCC VCC R b R b R c R c R c R b C1 Rb IB IC R C V
10、cc 输入 信号 VBB VCCVCC VCC R bR RbR RcR R R cR R bR （a） （b） （c） 图 3 电子制作 学电子跟我来 FOLLOW ME 2010 VOL.1064 Vcc Rc Rb RLC1 C2 如何将被放大后的电流信号再转化为电压信 号呢？只需在集电极回路中加入一个电阻 RC即 可，如图 4。变化的集电极电流在电阻两端将产 生变化的电压，这个输出电压含有直流分量和交 流电压。 如何取出放大的交流电压给负载呢？也需要 通过一个隔直流电容，如图 5 中的 C2，它隔断 Vc 的直流部分，只将放大器的输出交流信号送到 负载 RL上。 这样，一个完整的放大电
11、路就出现了，它的 具体电路就如图 5 所示。 图 5 2. 电压放大的基本工作原理 当信号尚未接入时，三极管三个电极的电流、 电压状态称作静态，也叫“静态工作点” 。一般只 需求出集电极电流和集 - 射之间的电压值即可。 需要放大的信号输入后，是叠加在静态工作 点之上的， 使静态电流和电压出现“变化”或“波 动” ，我们就称它为“动态” 。要了解放大器的工 作原理，就要先了解静态，再了解动态。下面以 图 6 电路为例来简要解释放大器是如何实现电压 放大的。 静态 ： 如图 6，假设三极管是硅材料管，而且电流 放大系数已经确定（ ） ，使用 6V 直流电源 供电。 从图中可以看出，发射极电位是参
12、考电位， 所以 伏。此时基 - 射之间的电压，即发 射结的正向偏压是 ，在介绍 PN 结特性时已 经讲过，对于硅材料三极管来说，这个偏压值大 约在 0.7 伏左右。所以基极电流 就被确定了， 它等于流过偏置电阻 的电流，即 基极电流一旦确定，集电极电流也就被确定 了，它总是等于基极电流的 倍。 同时，集 - 射之间的直流电压 也就可 以由计算而得出 ： 若画出三极管基极、 集电极的静态电流和集 - 射间静态电压波形，它们都是确定的直流量，波 形都是一条水平线，如图 7 所示。 动态 ： 加入信号后，放大器各关键点的电压、电流 值会发生相应变化，这种变化就是“动态” ，它是 叠加在静态之上的。
13、50= 0= E U BEQ V BQ I b R )(02. 0 270 7 . 06 mA KR VV I b BEQCC BQ = = = )( 102. 050mAII BQCQ = CEQ V )(4216VRIVV CCQCCCEQ = Vcc Rc Rb RLC1 C2 图 6 0 0 t t VBE ICQ IC 0.7V 1mA 0 0 t t VCEQ VCE IB IBQ 0.02mA 4V 图 7 VCC Rb 270K ICQ IBQ RC RL 6V 6K 2K C2 C C1 B E VCC Rb 270K ICQ IBQ RC RL 6V 6K 2K C2 C
14、C1 B E ui uO VBE IB IBQ VCEQ VCE 0 t t t t t t 0.7V 0 0 0 0 0 Ic Ic Q 输出信号 （a） （b） （c） （d） （e） （f） 图 8 学电子跟我来 FOLLOW ME 65 设输入信号是一微弱的正弦电压， 如图 8（a） 所示。信号通过电容 C1 送到三极管的基极，使 基极电位 发生变化，即在原来 的基础上 叠加了输入信号 ，波形如图 8（b）所示。基 极电流的大小自然随着 的变化而出现相应的 变化，其变化波形如图 6-8（c）所示。 根据三极管电流放大原理，集电极电流将随 基极电流的变化而变化，而且变化的幅度是基极 电流
15、变化的 倍，如图 8（d） 。 变化的集电极电流流过电阻 ，在 两端 将出现幅度较大的变化电压。因为直流电源的电 压是稳定不变的，所以当 两端电压变大时， 值将变小，当 两端电压变小时， 值反而变 大，因此 的波形变化如图 8（e）所示，它 与 波形比较，正好是倒相的关系。 的变化通过输出电容C2送给负载电阻 。 因为电容有“隔直通交”的功能，直流成分 被隔离， 负载 上得到的只是电压变化部分， 如图 8（）所示， 这正是放大器的输出电压波形。 显然，输出电压信号比起输入电压信号已经得到 了放大，只是相位相反。这一变化过程就是放大 器的电压放大过程。 3. 工作点稳定的电压放大器 图 6 所示
16、的放大器可以实现对小电压信号的 放大，但它有一个严重的缺陷静态工作点不 稳定。原因有多方面，主要原因在于 ：放大器工 作一段时间后，三极管因消耗功率使内部发热， 造成集电极静态电流变大，集电极静态电流变大 又使三极管消耗更大功率，结温升得更高。造成 恶性循环使工作点偏离最佳点，工作失真甚至于 完全不能工作。另外图 6 所示的基本放大电路不 是实用的电路， 每更换一只晶体管因 不同， 都 要调整工作点，不适用于工业生产。 图 9 是典型的晶体管放大电路，它能自动调 节静态工作点，保证静态工作电流 的稳定。 B V BEQ V i u BE V C R C R C R C R CE V CE V CE V CE V C I L R L R CEQ V Rc 6V 6K 2K 1
