2.1 基本放大电路

晶体管是一种具有放大功能的器件， 但单独的晶体管是无法放大信号的，只有给晶体管提供电压，让它导通才具有放大能力。 为晶体管提供导通所需的电压，使晶体管具有放大能力的简单电路通常称为基本放大电路，又称偏置放大电路。常见的基本放大电路有固定偏置放大电路和分压式偏置放大电路。

2.1.1 固定偏置放大电路

固定偏置放大电路是一种最简单的放大电路。固定偏置放大电路如图2-1所示。

图2-1a所示为NPN型晶体管构成的固定偏置放大电路，图2-1b是由PNP型晶体管构成的固定偏置放大电路。它们都由晶体管VT和电阻 R _b 、 R _c 组成， R _b 称为偏置电阻， R _c 称为负载电阻。接通电源后，有电流流过晶体管VT，VT就会导通而具有放大能力。下面来分析图2-1a所示的NPN型晶体管构成的固定偏置放大电路。

1.电流关系

接通电源后，从电源 V _CC 正极流出电流，分作两路：一路电流经电阻 R _b 流入晶体管VT基极，再通过VT内部的发射结从发射极流出；另一路电流经电阻 R _c 流入VT的集电极，再通过VT内部从发射极流出；两路电流从VT的发射极流出后汇合成一路电流，再流到电源的负极。

晶体管的三个极分别有电流流过，其中 流经基极的电流为 I _b ，流经集电极的电流为 I _c ，流经发射极的电流为 I _e 。 I _b 、 I _c 、 I _e 的关系为

I _b + I _c = I _e

I _c = I _b β（β为晶体管VT的放大倍数）

2.电压关系

接通电源后，电源为晶体管各极提供电压，电源正极电压经 R _c 降压后为VT提供集电极电压 U _c ，电源经 R _b 降压后为VT提供基极电压 U _b ，电源负极电压直接加到VT的发射极，发射极电压为 U _e 。电路中 R _b 的阻值较 R _c 的阻值大很多，所以 处于放大状态的NPN型晶体管的三个极的电压关系为

U _c > U _b > U _e

3.晶体管内部两个PN结的状态

图2-1a中的晶体管VT为NPN型晶体管，它内部有两个PN结，集电极和基极之间有一个PN结，称为集电结，发射极和基极之间有一个PN结称为发射结。因为VT的三个极的电压关系是 U _c > U _b > U _e ，所以VT内部两个PN结的状态是：发射结正偏（PN结可相当于一个二极管，P极电压高于N极电压时称为PN结电压正偏），集电结反偏。

综上所述， 晶体管处于放大状态时具有的特点如下：

1） I _b + I _c = I _e ， I _c = I _b β 。

2） U _c > U _b > U _e （NPN型晶体管）。

3）发射结正偏导通，集电结反偏。

4.静态工作点的计算

在图2-1a中， 晶体管VT的 I _b （基极电流）、 I _c （集电极电流）和 U _ce （集电极和发射极之间的电压， U _ce = U _c -U _e ）称为静态工作点。

晶体管VT的静态工作点计算方法如下：

（晶体管处于放大状态时 U _be 为定值，硅管一般取 U _be =0.7V，锗管取 U _be =0.3V）

I _c = βI _b

U _ce = U _c -U _e = U _c -0= U _c = V _CC -U _RC = V _CC -I _c R _c

举例：在图2-1a中， V _CC =12V， R _b =300kΩ， R _c =4kΩ，β=50，求放大电路的静态工作点 I _b 、 I _c 、 U _ce 。

静态工作点计算过程如下

I _c =β I _b =50×37.7×10 ^-6 =1.9×10 ^-3 A=1.9mA

U _ce = V _CC -I _c R _c =（12-1.9×10 ^-3 ×4×10 ³ ）V=4.4V

以上分析的是NPN型晶体管固定偏置放大电路，读者可根据上面的方法来分析图2-1b中的PNP型晶体管固定偏置放大电路。

固定偏置放大电路结构简单，但当晶体管温度上升引起静态工作点发生变化时（如环境温度上升，晶体管内的半导体材料导电能力增强，会使电流 I _b 、 I _c 增大），电路无法使静态工作点恢复正常，从而会导致晶体管工作不稳定，所以固定偏置放大电路一般用在要求不高的电子设备中。

2.1.2 分压式偏置放大电路

分压式偏置放大电路是一种应用最为广泛的放大电路，这主要是它能有效地克服固定偏置放大电路无法稳定静态工作点的缺点。分压式偏置放大电路如图2-2所示，该电路是由NPN型晶体管构成的分压式偏置放大电路。 R ₁ 为上偏置电阻， R ₂ 为下偏置电阻， R _c 为负载电阻， R _e 为发射极电阻。

1.静态工作点的计算

在电路中，晶体管VT的 I _b 远小于 I ₁ ，基极电压 U _b 基本由 R ₁ 、 R ₂ 分压来确定，即

由于 U _be = U _b -U _e =0.7V，所以晶体管VT的发射极电压为

U _e = U _b -U _be = U _b -0.7V

晶体管VT的集电极电压为

U _c = V _CC -U _Rc = V _CC -I _c R _c

举例：在图2-2中， V _CC =18V， R ₁ =39kΩ， R ₂ =10kΩ， R _c =3kΩ， R _e =2kΩ，β=50，求放大电路的 U _b 、 U _c 、 U _e 和静态工作点 I _b 、 I _c 、 U _ce 。

计算过程如下：

U _e = U _b -U _be =3.67-0.7=2.97V

U _c = V _CC -U _R3 = V _CC -I _c R ₃ =（18-1.5×10 ^-3 ×3×10 ³ ）V=13.5V

U _ce = V _CC -U _R3 -U _R4 = V _CC -I _c R ₃ -I _e R ₄ =（18-1.5×10 ^-3 ×3×10 ³ -1.5×10 ^-3 ×2×10 ³ ）V=10.5V

2.静态工作点的稳定

与固定偏置放大电路相比，分压式偏置放大电路最大的优点是具有稳定静态工作点的功能。分压式偏置放大电路静态工作点稳定过程分析如下：

当环境温度上升时，晶体管内部的半导体材料导电性增强，VT的电流 I _b 、 I _c 增大→流过 R ₄ 的电流 I _e 增大（ I _e = I _b + I _c ，电流 I _b 、 I _c 增大， I _e 就增大）→ R ₄ 两端的电压 U _R4 增大（ U _R4 = I _e R ₄ ， R ₄ 不变， I _e 增大， U _R4 也就增大）→VT的发射极电压 U _e 上升（ U _e = U _R4 ）→VT的发射结两端的电压 U _be 下降（ U _be = U _b -U _e ， U _b 基本不变， U _e 上升， U _be 下降）→ I _b 减小→ I _c 也减小（ I _c = I _b β，β不变， I _b 减小， I _c 也减小）→ I _b 、 I _c 减小到正常值，从而稳定了晶体管的电流 I _b 、 I _c 。

2.1.3 交流放大电路

偏置放大电路具有放大能力，若给偏置放大电路输入交流信号，它就可以对交流信号进行放大，再输出幅度大的交流信号。为了使偏置放大电路以较好的效果放大交流信号，并能与其他电路很好地连接，通常要给偏置放大电路增加一些耦合、隔离和旁路元件，这样的电路通常称为交流放大电路。图2-3所示为一种典型的交流放大电路。

1.直流工作条件

因为晶体管只有在满足了直流工作条件后才具有放大能力，所以分析一个放大电路是否具有放大能力先要分析它能否为晶体管提供直流工作条件。

晶体管要工作在放大状态，需满足的直流工作条件主要有：①有完整的 I _b 、 I _c 、 I _e 途径；②能提供电压 U _c 、 U _b 、 U _e ；③发射结正偏导通，集电结反偏。 这三个条件满足了以后晶体管才具有放大能力。 一般情况下，如果晶体管电流 I _b 、 I _c 、 I _e 在电路中有完整的途径就可认为它具有放大能力， 因此以后在分析晶体管的直流工作条件时，一般分析晶体管的电流 I _b 、 I _c 、 I _e 途径就可以了。

VT的电流 I _b 的途径是：电源 V _CC 正极→电阻 R ₁ →VT的b极→VT的e极；

VT的电流 I _c 的途径是：电源 V _CC 正极→电阻 R ₃ →VT的c极→e极；

VT的电流 I _e 的途径是：VT的e极→ R ₄ →地→电源 V _CC 负极。

电流 I _b 、 I _c 、 I _e 途径也可用如下流程图表示：

从上面的分析可知，晶体管VT的电流 I _b 、 I _c 、 I _e 在电路中有完整的途径，所以VT具有放大能力。试想一下，如果 R ₁ 或 R ₃ 开路，晶体管VT有无放大能力，为什么？

2.交流信号处理过程

满足了直流工作条件后，晶体管具有了放大能力，就可以放大交流信号。 图2-3中的 U _i 为小幅度的交流信号电压，它通过电容 C ₁ 加到晶体管VT的b极。

当交流信号电压 U _i 为正半周时， U _i 极性为上正下负，上正电压经 C ₁ 送到VT的b极，与b极的直流电压（ V _CC 经 R ₁ 提供）叠加，使b极电压上升，VT的电流 I _b 增大，电流 I _c 也增大，流过 R ₃ 的电流 I _c 增大， R ₃ 上的电压 U _R3 也增大（ U _R3 = I _c R ₃ ，因 I _c 增大，故 U _R3 增大），VT集电极电压 U _c 下降（ U _c = V _CC -U _R3 ， U _R3 增大，故 U _c 下降），该下降的电压为放大输出的信号电压，但信号电压被倒相180°，变成负半周信号电压。

当交流信号电压 U _i 为负半周时， U _i 极性为上负下正，上负电压经 C ₁ 送到VT的b极，与b极的直流电压（ V _CC 经 R ₁ 提供）叠加，使b极电压下降，VT的电流 I _b 减小，电流 I _c 也减小，流过 R ₃ 的电流 I _c 减小， R ₃ 上的电压 U _R3 也减小（ U _R3 = I _c R ₃ ，因 I _c 减小，故 U _R3 减小），VT集电极电压 U _c 上升（ U _c = V _CC -U _R3 ， U _R3 减小，故 U _c 上升）。该上升的电压为放大输出的信号电压，但信号电压也被倒相180°，变成正半周信号电压。

也就是说，当交流信号电压正、负半周送到晶体管基极，经晶体管放大后，从集电极输出放大的信号电压，但输出信号电压与输入信号电压相位相反。晶体管集电极输出信号电压再经耦合电容 C ₃ 隔直后送给负载 R _L 。

2.1.4 放大电路的三种基本接法

1.放大电路的一些基本概念

为了让大家更容易地理解放大电路，先来介绍一些放大电路的基本概念。

（1）输入电阻和输出电阻

图2-4所示为放大电路的等效图。

图2-4中的 U ₁ 为信号源电压， R ₁ 为信号源内阻， R _L 为负载。图2-4中间方框内的部分是放大电路的等效图， U ₂ 是放大的信号电压， U _i 为放大电路的输入电压，负载 R _L 两端的电压 U _o 为放大电路的输出电压，流入放大电路的电流 I _i 称为输入电流，从放大电路流出的电流 I _o 称为输出电流。 R _i 为放大电路的输入电阻， R _o 为放大电路的输出电阻。

从减轻输入信号源负担和提高放大电路的输出电压来看，输入电阻 R _i 大一些好， 因为在输入信号源内阻 R ₁ 不变时，输入电阻 R _i 大的话，一方面会使放大电路从信号源吸取的电流 I _i 小，同时可以在放大电路输入端得到比较高的电压 U _i ，这样放大电路放大后输出的电压很高。 如果需要提高放大电路的输出电流 I _o ，输入电阻 R _i 小一些更好， 因为输入电阻小时放大电路输入电流大，放大后输出的电流就比较大。

对于放大电路的输出电阻 R _o 要求越小越好， 因为输出电阻小时，在输出电阻上消耗的电压和电流都很小，负载 R _L 就可以获得比较大的功率，也就是说放大电路输出电阻越小则该放大电路带负载能力越强。

（2）放大倍数和增益

放大电路的放大倍数有以下三种。

1）电压放大倍数。 电压放大倍数是指输出电压 U _o 与输入电压 U _i 的比值，用 A _u 表示。

A _u = U _o / U _i

2）电流放大倍数。 电流放大倍数是指输出电流 I _o 与输入电流 I _i 的比值，用 A _i 表示。

A _i = I _o / I _i

3）功率放大倍数。 功率放大倍数是指输出功率 P _o 与输入功率 P _i 的比值，用 A _p 表示。

A _p = P _o / P _i

在实际应用中， 为了便于计算和表示，常采用放大倍数的对数来表示放大电路的放大能力，这样得到的值称作增益，增益的单位为dB， 增益越大说明电路的放大能力越强。

电压增益为

电流增益为

功率增益为

例如放大电路的电压放大倍数分别为100倍和10000倍时，它的电压增益分别为40dB和80dB。

2.放大电路的三种基本接法

根据晶体管在电路中的连接方式不同，放大电路有三种基本接法：共发射极接法、共基极接法和共集电极接法。 放大电路的三种基本接法如图2-5所示。

放大电路的三种基本接法电路可从下面几个方面来分析：

（1）是否具备放大能力

前面已经讲过， 要判断晶体管电路是否具备放大能力，一般可通过分析电路中晶体管电流 I _b 、 I _c 、 I _e 有无完整的途径来判断，若有完整的途径就说明该放大电路具有放大能力。 图2-5中三种基本接法电路的晶体管电流 I _b 、 I _c 、 I _e 分析如下：

共发射极接法电路中晶体管电流 I _b 、 I _c 、 I _e 的途径：

共基极接法电路中晶体管电流 I _b 、 I _c 、 I _e 的途径：

共集电极接法电路中晶体管电流 I _b 、 I _c 、 I _e 的途径：

从上面的分析可以看出，三种基本接法电路中的晶体管电流 I _b 、 I _c 、 I _e 都有完整的途径，所以它们都具有放大能力。

（2）共用电极形式

一个放大电路应具有输入端和输出端，为了使输入端、输出端的交流信号能有各自的回路，要求输入端和输出端应各有两极，而晶体管只有三个电极，这样就会出现一个电极被输入端、输出端共用。

在分析放大电路时，为了掌握放大电路交流信号的处理情况，需要画出它的交流等效图，在画交流等效图时不考虑直流。 画交流等效图要掌握两点：

1）电源的内阻很小，对于交流信号可视为短路，即对交流信号而言，电源正负极相当于短路，所以画交流等效图时应将电源正负极用导线连起来。

2）电路中的耦合电容和旁路电容容量比较大，对交流信号阻碍很小，也可视为短路，在画交流等效图时大容量的电容可用导线取代。

根据上述原则，可按图2-6所示的方法画出图2-5a中共发射极接法放大电路的交流等效图。

用同样的方法可画出其他两种基本接法放大电路的交流等效图。三种基本接法放大电路的交流等效图如图2-7所示。

在图2-7a所示电路中， 基极是输入端，集电极是输出端，发射极是输入和输出回路的共用电极，这种放大电路称为共发射极放大电路。

在图2-7b所示电路中， 发射极是输入端，集电极是输出端，基极是输入和输出回路的共用电极，这种放大电路称为共基极放大电路。

在图2-7c所示电路中， 基极是输入端，发射极是输出端，集电极是输入和输出回路的共用电极，这种放大电路称为共集电极放大电路。

（3）三种基本接法放大电路的特点

三种基本接法放大电路的特点见表2-1。

2.1.5 电路小制作：朗读助记器（一）

朗读助记器是一种利用声音反馈来增强记忆的电子产品。在朗读时，助记器的话筒将声音转换成电信号，然后对电信号进行放大，最后又将电信号经耳机还原成声音，人耳听到增强的朗读声音可强化朗读内容的记忆。朗读助记器的电路较为复杂，这里将它分成三个部分说明。

1.电路原理

图2-8所示为朗读助记器的第一部分电路原理图。

（1）信号处理过程

在朗读时，话筒BM将声音转换成电信号，这种由声音转换成的电信号称为音频信号。音频信号由音量电位器RP ₁ 调节大小后，再通过 C ₁ 送到晶管VT ₁ 基极，音频信号经VT ₁ 放大后从集电极输出，通过 C ₃ 送到耳机插座X ₂ _out，如果将耳机插入X ₂ 插孔，就可以听到自己的朗读声。

（2）直流工作情况

6V直流电源通过接插件X ₄ 送入电路，6V电压经 R ₁₀ 降压后分作三路：第一路经 R ₁ 、插座X ₁ 的内部簧片为话筒提供工作电压，使话筒工作；第二路经 R ₂ 、 R ₃ 分压后为晶体管VT ₁ 提供基极电压；第三路经 R ₄ 为VT ₁ 提供集电极电压。晶体管VT ₁ 提供电压后有电流 I _b 、 I _c 、 I _e 流过，VT ₁ 处于放大状态，可以放大送到基极的信号并从集电极输出。

（3）元器件说明

BM为内置驻极体式话筒，用于将声音转换成音频信号，BM有正、负极之分，不能接错极性。X ₁ 为外接输入插座，当外接音源设备（如收音机、MP3等）时，应将音源设备的输出插头插入该插座，插座内的簧片断开，内置话筒BM被切断，而外部音源设备送来的信号经X ₁ 簧片、RP ₁ 和 C ₁ 送到晶体管VT ₁ 基极进行放大。X ₃ 为扬声器接插件，当使用外接扬声器时，可将扬声器的两根引线与X ₃ 连接。X ₂ 为外接耳机插座，当插入耳机后，插座内的簧片断开，扬声器接插件X ₃ 被切断。

R ₁₀ 、 C ₅ 构成电源退耦电路，用于滤除电源供电中的波动成份，使电路能得到较稳定的供电电压。在电路工作时，6V电源经 R ₁₀ 为晶体管VT ₁ 供电，同时还会对 C ₅ 充电，在 C ₅ 上充得上正下负电压。在静态时，VT ₁ 无信号输入，VT ₁ 导通程度不变（即 I _c 保持不变），流过 R ₁₀ 的电流 I 基本稳定， U _A 电压保持不变，在VT ₁ 有信号输入时，VT ₁ 的电流 I _c 会发生变化，当输入信号幅度大时，VT ₁ 放大时导通程度深，电流 I _c 增大，流过 R ₁₀ 的电流 I 也增大，若没有 C ₅ ，A点电压会因电流 I 的增大而下降（ I 增大， R ₁₀ 上的电压增大），有了 C ₅ 后， C ₅ 会向 R ₄ 放电弥补电流 I _c 增多的部分，无需通过 R ₁₀ 的电流 I 增大，这样A点电压变化很小。同样，如果VT ₁ 的输入信号幅度小时，VT ₁ 放大时导通浅，电流 I _c 减小，若没有 C ₅ ，电流 I 也减小，A点电压会因电流 I 的减小而升高，有了 C ₅ 后，多余的电流 I 会对 C ₅ 充电，这样电流 I 不会因 I _c 的减小而减小，A点电压保持不变。

2.安装与调试

图2-9所示为安装好第一部分电路的朗读助记器。在调试朗读助记器时，需要用到一个0～12V可调电源，该电源的电路及制作参见本书第8章。

万用表选择直流电压档并接到电源的输出端，调节调压电位器，使电源输出电压为6V，再将6V电源接到朗读助记器，并将耳机插入X ₂ _out插孔，如图2-10所示，然后朝话筒讲话，听耳机里能否听到自己的声音，同时调节电位器RP ₁ ，听声音有无变化，由于只有一级放大电路，所以声音比较小。

3.电路检修

下面以“无声”故障为例来说明朗读助记器第一部分电路的检修，“无声”故障检修流程图如图2-11所示。