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第3章 晶体三极管及其放大电路

源，C2是防止直流电流流到负载中。而对于交流信号，起到耦合作用，对于中频段的输入信号，视为短路，即交流信号可以顺利通过C1和C2，耦合电容一般取电容量较大的电解电容。对于NPN管和PNP管，要注意电容极性的正确连接，应该将电容的正极连在直流电位较高的一端。 3. 基本放大电路中电压和电流的表示方法 由于放大电路中既有需要放大的交流信号ui，又有为放大电路提供能量的直流电源

uBEubeUBE0uBE=UBEt0UCC，所以三极管的各极电压和电流中都是

直流分量与交流分量共存，如图3-13所示，以uBE?UBE?ube为例，画出了uBE的组成，其中

Ubem0ubett图3-13 发射结电压波形uBE － 发射结电压的瞬时值，它即包含直流分量也包含交流分量；

UBE － 发射结的直流电压，也是uBE中的直流分量，它是由直流电源UCC产生的； ube － 发射结的交流电压，也是uBE中的交流分量，它是由输入电压ui产生的； Ubem－ 发射结交流电压的幅值；

Ube －发射结交流电压的有效值。

同理，对于基极电流iB?IB?ib、集电极电流iC?IC?ic和集射极电压uCE?UCE?uce是表示它们的瞬时值，即包含直流值，也包含交流值。而IB、IC和UCE表示直流分量，ib、ic和uce表示交流分量。

3.2. 3共发射极放大电路的分析

三极管放大电路的分析包括直流(静态)分析和交流 (动态)分析，其分析方法有图解法和微变等效分析法。图解法主要用于大信号放大器分析，微变等效分析法用于低频小信号放大器的动态分析。

3.2.3.1 图解法

当放大器在大信号条件下工作时，难以用电路分析的方法对放大器进行分析，通常采用图解法分析。

1. 直流通路和交流通路

如前所示，三极管的各极电压和电流中都是直流分量与交流分量共存，因此，三极管放大电路中的电流通路也分为直流通路和交流通路。

当ui?0时，放大电路处于静态，直流电路流经的通路称为放大电路的直流通路。通过直流通路为放大电路提供直流偏置，建立合适的静态工作点。画直流通路时应令交流信号源为零(交流电压源短路，交流电流源开路)，保留其内阻；相关电容器开路，电感短路。

当ui?0时，放大电路处于动态工作状态，交流电流流经的通路称为放大器的交流通路。画交

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＋Ucc+12VRb300kRc3.6kT＋Ucc+C2+Rb300kC1+Rs3.6kRcIC++us-+ui-(a)RLuo5.1kIBT+UCE--UBE-(b)图3-14 共射极基本放大电路(a) 基本放大电路(b)直流通路第3章 晶体三极管及其放大电路

流通路时，令直流电源为零(直流电压源短路，直流电流源开路)，保留其内阻；令电抗很小的大容量电容和小电感短路；令电抗很大的小容量电容和大电感开路；保留电抗不可忽略的电容或电感。

2．静态分析

对于图3-14a的共发射极放大电路，由于三极管T的各极间的电压和各极电流都是交流量与直流量叠加。在ui?0时，放大电路只有直流电源作用，放大电路的这种状态称为静态，对直流通路的分析称为静态分析。

由于三极管是非线性组件，所以可用作图的方法求得Q点的值。其步骤为：

（1）给定晶体三极管的输入特性和输出特性，由放大电路的直流通路求得IB和UBE的方程，并在输入特性上作出这条直线。根据图3-14b由KVL得

UCC?IBRb?UBE

则 IB??UBEUCC? RbRbUCC，在纵轴上得到一点A，如图3-15a所示；令IB＝0，Rb这是一条直线，令UBE＝0，求得IB?求得UBE＝UCC，则在横轴上得到一点B（B点未画出）。连接AB两点，与晶体管输入特性相交于Q点，求得对应的IB和UBE。

（2）由直流通路得到直流负载线IC ＝f（UCE），并在晶体管的输出特性上作出这条直线。根据图3-14b由KVL得

UCE?UCC?ICRC (3-25)

iB/μAUCCARbiC/mA1RbMUU则 IC??CE?CC

RCRC式(3-25)表示一条直线，令UCE＝0，求得

?Q2IBQICuBE/VQ80?1RC6040iB?20μAQ1UIC?CC，与纵轴相交于M点；令IC＝0，

Rc求得UCE＝UCC，则在横轴上得到N点。连接M、N两点，与三极管输出特性相交于多

0UBE(a)0UCE(b)UCCN0uCE/V图3-15 图解法分析静态工作点点，其中与IB对应的点就是所求放大电路的静态工作点Q(IB ,UCE，IC)，如图3-15b所示，则可求得相应的IC和UCE的值。这条直线的斜率为1Rc，故称为直流负载线。

由图3-15b可以看出，IB的大小不同，Q点在直流负载线上的位置也不同，也就是说基极电流IB决定了静态工作点Q的位置，故IB称为偏置电流。而IB的改变是通过Rb实现的，故Rb称为偏置电阻。当Rb增大时，IB减小，静态工作点下移，如图3-15b中的Q1。当Rb减小时，IB增大，静态工作点上移，如图3-15b中的Q2，通常是在Rb支路中串入一可调电阻，以便调节静态工作点在合适的位置。 2．动态分析

在ui?0的情况下对放大电路进行分析，称为放大电

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IcIi??IbT?+Uce?usRs++ui-Ube?RbRcuoRL--图3-16 共射极基本放大电路交流通路第3章 晶体三极管及其放大电路

路的动态分析。

（1）交流通路及交流负载线

只考虑交流信号通过放大电路时的等效电路称为放大电路交流通路。画放大器的交流通路时，令直流电源为零，令耦合电容C1和C2、交流旁路电容和滤波电容(如果有)交流短路。图3-14a所示的放大电路的交流通路如图3-16所示。从图中可以看出，输入交流信号ui和三极管的发射结电压的交流分量ube相等，三极管集射级电压的交流分量uce和输出电压uo相等，即ui＝ube ,

uo＝uce，该放大电路输出回路的瞬时电流为

uiC?IC?ic?IC?ce /RL输出回路的瞬时电压为 uCE?UCE?uce 于是有 iC?IC?uceu?UCE?IC?CE (3-26) ??RLRLiC/mAM80??Rc//RL。上式表明集电极电流的瞬时值iC与集射极式中RL??之间的关系。利用式(3-26)表示的交回路瞬时电压uCE以及RL流负载线方程，可以在三极管输出特性坐标系中画出输出回路的交流负载线。具体做法如下：

从式(3-26)可以看到，当uCE?UCE时，iC?IC，这表明交流负载线一定通过静态工作点Q；利用求截距的方法，令

/iC?0，可得到uCE?UCE?ICRL，可在uCE轴上得到D点，/D点的坐标为(0，UCE?ICRL)，连接Q、D两点并延长到M

1/交流负载线RL1直流负载线?Rc60ICQ40iB?20μA0uCE/V0UCEDUCC图3-17 放大电路的交流、直流负载线?而不是－1Rc，如图3-17所示。 点的直线即为输出回路的交流负载线，其斜率为－1RL应该指出，当RL＝∞，即负载开路情况下，交直流负载线重合。

iB/μA1/RL8060iB/μAUCCRbiC/mAQ1?1QQ1?1?Rc40iC/mA

ibIBRbICuBE0uBE0UomicIC

IBQ2QQ2UCEiB?20μA0t000UbemtuCE/V

UBEUCCuCE/V0t(a)t(b)

图3-18 图解法分析共射极放大器的工作波形(a) 输入信号及波形(b) 输出信号及波形（2）由输入电压ui求得基极电流ib

设ui?Uimsin?tV，当它加到图3-18a的放大电路时，三极管发射结电压是在直流电压UBE的基础上叠加了一个交流量ube。根据放大电路的交流通路可知ube?ui?Uimsin?t，此时发射结

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第3章 晶体三极管及其放大电路

的电压uBE的波形如图3-18所示。由uBE的波形和三极管的输入特性可以作出基极电流iB的波形，如图3-18所示。输入电压ui的变化将产生基极电流的交流分量ib，由于输入电压ui幅度很小，其动态变化范围小，在Q1~Q2段可以看成是线性的，基极电流的交流分量ib也是按正弦规律变化的，即 ib?Ibmsin?t。 （3）由ib求得ic和uce(uo)

当三极管工作在放大区时，集电极电流ic??ib，基极电流的交流分量ib在直流分量IB基础上按正弦规律变化时，集电极电流的交流分量ic也是在直流分量IC的基础上按正弦规律变化。由于集射极电的交流分量为uce＝?icRL，uce也会在直流分量UCE的基础上按正弦规律变化。很显然动态工作点将在交流负载线上的Q1和Q2之间移动，根据动态工作点移动的轨迹可画出ic和uce的波形，如图3-18所示。由图中可以看到集电极电流和集射极电压的交流分量为

/ic?Icmsin?t

/uce?uo＝ ?icRL??Ucemsin?t??Uomsin?t

a. 晶体三极管各极间的电压和电流均为直流和交流的分量，即

uBE?UBE?ube?UBE?ui?UBE?Uimsin?t

iB?IB?ib?IB?Ibmsin?t

iC?IC?ic?IC?Icmsin?t

uCE?UCE?uce?UCE?uo?UCE?Uomsin?t

b. 交流信号的传递过程

由上面的分析可以得出输入交流信号的传递过程为

ui→ib→ic→uce（uo）

c. 输入电压ui和输出电压uo是反相位的，即?a?180?。 d. 电压放大倍数的计算

放大电路的电压放大倍数等于输出电压相量与输入电压相量的比值，即

?UU? Au?o?o??a

?UiUi则由图3-21和3-22可得

??Uo?Uom AuUiUim故通过作图的方法得到放大电路的电压放大倍数的模。 （4）非线性失真

若放大电路的输出电压波形和输入波形形状不同，则放大电路产生了失真。如果放大电路的静态工作点设置得不合适（偏低或偏高），出现了在正弦输入信号ui作用下，静态三极管进入截止区或饱和区，使得输出电压不是正弦波，这种失真称为非线性失真。它包括饱和失真和截止失真两种。 a. 饱和失真

当放大器输入信号幅度足够大时，若静态工作点Q偏高到Q1处， ib不失真，但ic和uce（uo）失真，ic的正半周削顶，而uce（uo）的负半周削顶，如图3-19中波形(1)所示，这种失真为

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第3章 晶体三极管及其放大电路

饱和失真。为了消除饱和失真，对于图3-14a所示共发射极放大电路，应该增大电阻Rb，使IB减小，从而使静态工作点下移放大区域中心。 b. 截止失真

当放大器输入信号幅度足够大时，若静态工作点Q偏低到Q 2处， ib、 ic和uce（uo）都失真，ib、 ic的负半周削顶，而uce（uo）的正半周削顶，如图3-19中波形(2)所示，这种失真为截止失真。为了消除截止失真，对于图3-14a所示共发射极放大电路，应该减小电阻Rb，使IB增大，从而使静态工作点上移到放大区域中心。 c. 双向失真

当静态工作点合适但输入信号幅度过大时，在输入信号的正半周三极管会进入饱和区；而在负半周，三极管进入截止区，于是在输入信号的一个周期内，输出波形正负半周都被切削，输出电压波形近似梯形波，这种情况为双向失真。为了消除双向失真，应减小输入信号的幅度。 5．输出电压不失真的最大幅度

通常所指放大器的动态范围是指不失真时，输出电压uo的峰－峰值Uo(p-p)。由图3-18可

t图3-19 静态工作点对波形的影响iC/mA?1/RL?1RciC/mA(1)IC1IC200Q1(2)Q2iB?0UCCuCE/V0(1)tuCE/V(2)知，当静态工作点合适时，若忽略晶体管的ICEO，那么为使输出不产生截止失真，应满足

?；而为了使输出不产生饱和失真，应满足Ucem2?UCE?UCES。由于三极管饱和电Ucem1?ICRL压UCES很小，故可以忽略其影响，有Ucem2?UCE，则输出电压不失真最大幅度的取值为

Uom(max)?min{Ucem1,Ucem2}。

例3-4 在图3-14a所示得共发射极放大电路中，已知UCC＝12V，Rb＝240kΩ，Rc＝3kΩ，β＝40，UBE＝0.7V，其三极管的输出特性如例3-4图所示，（1）用图解法确定静态工作点，并求IB、IC和UCE的值；（2）若使UCE＝3V，试计算Rb的大小。（3）若使IC＝1.5mA，Rb又应该多大？ 解：（1）由图3-16（b）的直流通路可得直流负载线为

iC/mA410075UUIC??CE?CCRcRc??UCE12?33

321024Q50iB?25μA0当UCE＝0时，IC＝4mA；当IC＝0时，UCE＝12V，在图3-18的输出特性上作出这条直线。

再由直流通路得 IB?681012u/VCE例3-4图UCC?UBE12?0.7??50μA

Rb240?103故直流负载线与IB＝50μA对应的那条输出特性的交点即为静态工作点Q，如例3-4图所示。由图得IC＝2mA，UCE＝6V。

（2）当UCE＝3V时，则由直流通路可得集电极电流为

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