2.1 放大电路的基本组成和工作原理

放大是模拟电路最重要的一种功能。放大电路（亦称放大器），是一种应用极为广泛的电子电路，在通信、测量仪表等电子设备中，是必不可少的重要组成部分。放大电路的主要功能是将微弱的电信号（电压、电流、功率）进行放大。例如，常见的扩音机就是把微弱的声音变大的放大电路，声音先经过话筒变成微弱的电信号，经过放大器放大成较强的电信号，然后经过扬声器还原成放大了的声音，其原理框图如图2-1所示。

放大电路放大的实质是能量的控制和转换，如图2-2所示，在信号源输入信号的作用下，放大电路将直流电源所提供的能量转换成负载（例如扬声器）所获得的能量，这个能量大于信号源所提供的能量。因此放大电路的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流信号，也可能兼而有之。那么，由谁来控制能量转换呢？答案是有源器件，即晶体管和场效应晶体管等。

2.1.1 共射放大电路的基本组成

放大电路的基本组成器件是放大器件，例如晶体管、场效应晶体管。而所谓基本放大电路，是指由一个放大器件所构成的简单放大电路。共射放大电路是最常用、最基本的单元放大电路，下面以共射放大电路为例，说明其电路组成原则。

图2-3所示电路中，AO为放大电路的输入端，外接需要放大的信号u_i；BO为放大电路的输出端，外接负载，发射极是放大电路输入和输出的公共端，所以该电路是共射基本放大电路。在图2-3中，采用NPN型硅半导体晶体管，U_CC是集电极回路的直流电源（一般从几伏到几十伏），其负端接发射极，正端通过电阻R_C接集电极，以保证集电结为反向偏置；R_C是集电极电阻（一般从几千欧至几十千欧），它的作用是将晶体管的集电极电流i_C的变化转变为集电极电压u_CE的变化；U_BB是基极回路的直流电源，其负端接发射极，正端通过基极电阻R_B接基极，以保证发射结为正向偏置；U_BB通过R_B（一般从几千欧至几百千欧）给基极一个合适的基极电流I_B；电容C₁和C₂称为隔直电容或耦合电容（一般从几微法到几十微法），在电路中的作用是“传送交流，隔离直流”。

在半导体电路中，常把输入电压、输出电压以及直流电源U_CC和U_BB的共同端点（O点）称为“地”，用符号“⊥”表示，并以地端作为参考电位点。这样，电路中各点的电位实际上就是该点与地之间的电压（即电位差），例如，U_CC就是指集电极对地的电压。

2.1.2 共射放大电路的工作原理

利用图解的分析法，在晶体管的输入、输出特性曲线上作图，结合各极的电流和电压波形，阐述共射放大电路的工作原理。

1.静态工作点U_BEQ、I_BQ、I_CQ、U_CEQ

假设晶体管工作在放大区，当输入信号为零（u_i=0）时，放大电路中只有直流信号，放大电路的输入端AO等效为短路。电路为直流电路（静态），晶体管的直流电压和电流对应于输入特性曲线和输出特性曲线上的静态工作点Q为（U_BEQ，I_BQ）和（U_CEQ，I_CQ）。这时，图2-3中，C₁与发射结并联，C₁两端的直流电压U_C1=U_BEQ，极性为左负右正。同理，C₂两端的电压U_C2=U_CEQ，极性为左正右负。

2.输入特性上i_B和u_BE的波形

当输入信号加到输入端AO时，输入的交流电压u_i通过电容C₁加在晶体管的发射结上，假设u_i为正弦波电压，u_i的最大值为U_im，则u_i的表达式为

那么，发射结上的瞬时电压u_BE是在直流电压U_BEQ的基础上叠加正弦交流电压u_i，即

在u_BE的作用下，引起基极瞬时电流i_B的变化i_b，电路瞬时工作点将在Q′和Q″之间变化，如图2-4a所示。因为u_i是小信号，若Q点设置合适，那么i_b和u_i近似为线性关系，可认为i_b也是正弦波。因此

式中，I_bm是基极交流电流i_b的最大值。

3.输出特性上i_C和u_CE的波形

晶体管工作在放大状态时，晶体管集电极电流i_C受基极电流i_B的控制，i_C=βi_B，则有

式中，I_cm是集电极交流电流i_c的最大值。可见，集电极瞬时电流i_C在静态直流电流I_CQ的基础上，叠加了被放大了的交流量i_c。

从图2-3可以看到，放大电路空载时，集电极和发射极之间的电压u_CE为

式（2-5）称为交流负载线方程，它描述了管压降瞬时量u_CE和电流瞬时量i_C之间的关系。画出交流负载线（此时电路空载），如图2-4b所示，当输入信号u_i增大时，i_b和i_c增大，于是i_C增大，u_CE减小，电路瞬态工作点沿着交流负载线上移直至Q′；当u_i减小时，i_c减小，u_CE增大，电路瞬态工作点沿着交流负载线下移直至Q″。可见，u_CE的变化正好与i_C的变化方向相反。因此u_CE是在直流电压U_CEQ基础上叠加一个与u_i变化相反的交流电压u_ce，即

式中，U_cem是交流电压u_ce的最大值。

瞬时电压u_CE中的交流分量经电容C₂耦合到放大电路的输出端BO，输出放大电路的输出电压u_o，于是在输出端得到一个被放大了的交流电压u_o，该电压为

如果电路参数选择适当，u_o的幅度将比u_i大得多，从而达到放大的目的。

必须指出，晶体管的放大作用是利用晶体管的基极对集电极的控制作用来实现的，即在输入端加一微小的变化量，通过晶体管的基极小电流去控制流过集电极电路的大电流，在输出端得到一个被放大了的变化量，从而将直流电源U_CC的能量转化为所需要的形式供给负载。因此，放大作用实质上是放大器件的控制作用，放大器是一种能量控制部件，同时还要注意放大作用是针对变化量而言的。

2.1.3 直流通路和交流通路

放大电路有两种输入，一种是来自供电电源的直流输入，为放大电路提供合适的直流偏置，并为放大电路提供能量；另一种是需要被放大的信号输入。所以放大电路既不是纯粹的直流电路也不是纯粹的交流电路，而是一种交直流混合电路，由于电容和电感等电抗元件的存在，直流电流和交流电流所流经的路径不同，为便于分析，下面引入直流通路和交流通路的概念。

1.直流通路和交流通路

直流通路是指仅在直流电源的作用下，直流电流所流经的路径。直流通路的画法是：将电路中的交流信号除源，即电压源短路、电流源开路、保留内阻，电容视为开路，电感视为短路。第1章中的晶体管直流电路就可以看成是晶体管放大电路的直流通路。在直流通路基础上，可进行直流特性分析（静态分析），得到电路的直流参数，即电路的静态工作点。

交流通路是指仅在输入信号源的作用下，交流电流所流经的路径。交流通路的画法是：将电路中的直流电源除源，即恒压源短路、恒流源开路，电容视为短路，电感视为开路。在交流通路的基础上，进行交流特性分析（动态分析），交流特性分析的研究对象是交流通路，目的是得到电路的交流参数，主要包括电压放大倍数、输入电阻和输出电阻参数等。

在晶体管组成的基本放大电路中，以共射放大电路最为常见。典型的单管共射放大电路如图2-5a所示，U_CC为直流电源，u_s为信号源，其内阻为R_S；u_i为放大电路的实际输入电压，u_o为负载上获得的输出电压。电容C₁用于连接信号源与放大电路，电容C₂用于连接放大电路与负载，这种利用电容连接电路的方式称为阻容耦合，C₁、C₂称为耦合电容。电容C_E与发射极电阻R_E并联，称为旁路电容。

当u_i尚未加入时，仅有直流电源U_CC单独作用，u_s视为短路（u_i=0），C₁、C₂视为开路，得到直流通路如图2-5b所示。u_i加入后，针对交流信号而言，U_CC上不产生交流电压降，故U_CC相当于交流接地点；同时设C₁、C₂、C_E对交流信号均可视为短路，于是得到交流通路如图2-5c所示。由交流通路可见，u_i由基极输入，u_o由集电极输出，而发射极是输入、输出回路的公共电极，故称共射放大电路。

注意：交流通路不是实际工作电路，只是为了方便分析问题而画出的假想回路。如果没有直流电源，放大电路是无法正常工作的，交流通路成立的前提是电路已有合适的直流偏置。因此，电路分析时应遵守“先静态、后动态”的原则，静态工作点合适，动态分析才有意义。

2.静态分析

在晶体管放大电路的直流通路中，只要适当选择元器件参数的值，即可将晶体管偏置在放大区。对直流通路进行静态分析，可估算出晶体管的发射结电压降、基极电流、集电极电流和管压降这四个直流参数，合称晶体管的静态工作点Q，分别记作U_BEQ、I_{B Q}、I_CQ和U_CEQ。近似估算中，U_BEQ通常作为已知量，硅管约取0.7 V，锗管约取0.3 V。这部分内容在1.3.3节已经介绍过，且详细分析了晶体管的固定偏置电路，如图1-27a所示，并对其进行了静态分析，求解了静态工作点。

那么对于图2-5b所示的直流通路，当I₁＞＞I_BQ时，认为R_B1和R_B2串联，基极电位可近似为

式中，U_B为电阻R_B1、R_B2对电源电压U_CC的分压，因此该直流通路又称为分压式偏置。在已知U_B的情况下，有集电极静态电流

利用晶体管放大状态下，集电极电流与发射极电流的关系，可得基极静态电流

利用集电极回路可求的集电极静态电流

3.放大电路的组态

晶体管是三端器件，有三个电极：发射极、基极和集电极。用作四端网络时，任何一个电极都可以作为输入和输出端口的公共端，因此，晶体管有三种连接方式，也称三种组态，三种组态的交流通路示意图如图2-6所示。

在图2-6a中，信号从晶体管的基极输入、从集电极输出，发射极是输入、输出回路的公共电极，故称共射组态；图2-6b中，信号从晶体管的基极输入、从发射极输出，集电极是输入、输出回路的公共电极，故称共集组态；图2-6c中，信号从晶体管的发射极输入、从集电极输出，基极是输入、输出回路的公共电极，故称共基组态。三种组态的组成原则和分析方法完全相同，使用时可根据需求合理选用。