晶體管低頻放大器詳述

各種類型低頻放大器，主要特點是，工作頻率范圍寬，放大信號的中心頻率從幾十赫至幾百千赫；這類放大器通常處于低頻多級放大器的前幾級，故稱前置放大器，它的輸入信號幅度很小，約幾到幾十毫伏或甚至更小，所以屬于小信號放大器。

1、分類

由于放大器的用途十分廣泛，為了適用不同領(lǐng)域要求，其種類甚多，表5.2-1為放大器分類表。

表5.2-1  放大器分類表

2、主要性能參數(shù)

在分析放大器性能時，通常把具體放大畫成等效方框圖，如圖5.2-1所示。放大器性能參數(shù)示于表5.2-2。

圖5.2-1  放大器等效方框圖

表5.-2-2  放大器性能參數(shù)

3、偏置穩(wěn)定電路

晶體管放大器的線性放大特性與靜態(tài)工作點的位置及其穩(wěn)定性有密切關(guān)系，而靜態(tài)工作點又是由偏置電路決定的，所以穩(wěn)定偏置電路是放大器的重要方面，當(dāng)溫度等外界因素變化時，嚴(yán)格地講，幾乎所有的晶體管參數(shù)都要發(fā)生變化，特別是對電流放大系數(shù)B、集基極反向飽和電流ICBO及基--射極門限電壓UBEO的影響更為顯著。這三個參數(shù)隨著溫度的變化稱為溫度漂移，即分別是B的溫度漂移、ICBO的溫度漂移和UBEO的溫度漂移，詳細(xì)分析見參考文獻(xiàn)（5）。溫度漂移最終表現(xiàn)在IC的變化上，因此穩(wěn)偏置電路應(yīng)使IC保持不變，穩(wěn)定的原理常采用負(fù)反饋原理和補償原理。表5.2-3示出常用的幾種偏置電路。

4、基本分析方法

晶體管低頻小信號放大器是在晶體三極管各電極靜態(tài)工作電壓、電流正確設(shè)置的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對輸入信號的線性放大。因此對放大器分析分為兩方面，一是直流分析，就是根據(jù)電子器件和電路元件參數(shù)，求出放大器的直流電壓和電流，即輸入端直流電流IBQ（輸入直流電壓VBEQ通常視為數(shù)一硅管為0.7V，鍺管約為0.2V）和輸出端直流電壓UCEQ、直流電流ICQ，這三個量對應(yīng)輸出特性曲線上一個點稱為直流（或靜態(tài)）工作點；另一是交流分析（或稱動態(tài)分析），即在輸入信號作用下求出靜態(tài)工作點上迭加的各極信號電壓和電流，并在此基礎(chǔ)上計算放大性能指示。

（1）直流分析 由于晶體管是非線性器件，精確地進(jìn)行直流分析是比較復(fù)雜的。目前工程上多采用圖解法和近似估算法，兩種方法都建立在確定放大器直流道路的基本上，以下簡要的說明近似估算法（圖解法略）。

在近似估算時，常把晶體管的UBE近似看成已知的常數(shù)，如果已知晶體管的B、ICBO和電路的元件參數(shù)，則根據(jù)放大器的直流通路和晶體管的直流電流傳輸方程，可以估算出放大器的靜態(tài)工作點。圖5.2-3示出固定偏置共發(fā)放大器的直流通路。

圖5.2-3固定偏置共發(fā)放大器的直流通路

靜態(tài)工作點的表示式為

（2）交流分析 放大器建立穩(wěn)定偏置電路之后，便可進(jìn)行交流分析，首先根據(jù)實際放大電路畫出有信號流通的交流通路。晶體三極管在小信號作用下的分析有圖解法和微變等效電路兩種方法。圖解法是利用晶體管輸入和輸出特性曲線，通過傻羔分析放大器的性能，它能直觀、全面地表明三極管放大的工作過程，并能計算放大器的一些指標(biāo)。但這種方法比較適合大信號分析，當(dāng)輸入信號足夠小時會引起較大誤差，所以工程上用的最多是微變等效電路分析法。

晶體管三極管小信號等效電路，根據(jù)推導(dǎo)方法不同分為兩類：一是對晶體管物理結(jié)構(gòu)及放大過程進(jìn)行模擬而導(dǎo)出的等效電路，其中應(yīng)用最廣泛是混合X型等效電路；二是從四端網(wǎng)絡(luò)觀點導(dǎo)出的等效電路，應(yīng)用最廣泛的是H參數(shù)電路。表5.2-4示出共發(fā)射極組態(tài)晶體三極管的兩種等效電路和參數(shù)。

以上示出的混合X型等效電路和H參數(shù)等效電路是等價的，它們之間可以互相轉(zhuǎn)換。由混合X轉(zhuǎn)換為共射組態(tài)H參數(shù)等效電路的關(guān)系式為：

因混合X模型中，TB'C很大，通?？梢暈殚_路則上述轉(zhuǎn)換可簡化為

經(jīng)簡化之后可以看出，兩種等效電路具有相同形式，不同的僅是壓控電流源BMVB'O變換成流控電流源

5、三種組態(tài)放大器的等效電路及性能指標(biāo)計算

以下給出放大器的微變等效電路和性能指標(biāo)計算，都是在頻區(qū)進(jìn)行的。中頻區(qū)的微變等效電路為純電阻性有源網(wǎng)絡(luò)，因而中頻電壓增益、電流增益及輸入電阻、輸出電阻均為與頻率無關(guān)的實數(shù)。表5.2-5為三種組態(tài)放大器等效電路及性能指標(biāo)計算公式。

6、頻率響應(yīng)

（1）放大器的幅頻特性和相頻特性 上述放大器的微變等效電路和性能，都是在中頻區(qū)進(jìn)行分析的，當(dāng)頻率降低時，耦合電容的容抗增大，使放大器增益降低，因而在低頻區(qū)應(yīng)包含耦合電容的影響；相反，當(dāng)頻率真升高時，器件極間電容的容抗變小，分流作用增大，也使放大器增益降低，因而在高頻區(qū)應(yīng)當(dāng)包含極間電容的影響。所以在寬頻率范圍內(nèi)討論放大器性能時，都變?yōu)轭l率函數(shù)，增益表達(dá)式寫成如下形式

式中增益的幅模A（W）和相角（W）都是頻率的函數(shù)，它們隨頻率的變化關(guān)系分別為幅頻特性和相頻特性，統(tǒng)稱放大器頻率特性或頻率響應(yīng)，表示在圖5.2-2。FLF為3DB帶寬的下限截止頻率，F(xiàn)H為上限截止頻率，通頻帶（或頻帶寬度，簡稱帶寬）為

（2）三種組態(tài)放大器的頻率響應(yīng)

1）共發(fā)射極放大電路的低頻響應(yīng) 當(dāng)忽略偏置電阻RB||RB2和晶體管參數(shù)TB'0、TCO的影響后，阻容耦合分壓式偏置共發(fā)射極放大電路（參閱表5.2-6第一個圖）在低頻的等效電路如圖5.2-4所示。電壓增益函數(shù)

式中AAM為中頻源電壓增益。

2）三種組態(tài)放大器的高頻響應(yīng)

7、級間信號的傳遞方式

實際應(yīng)用中為了得到高增益或是高功率，總是把基本放大電路級聯(lián)成多級放大器，信號通過各級放大到負(fù)載端。前級輸出信號通過一定方式傳遞給下一級稱之耦合，信號源與放大級、級與級、放大級與負(fù)載之間的互相影響必須通過合理設(shè)計耦合方式來解決。耦合方式通常有以下三種。

1）阻容耦合 例如兩級阻容耦合放大器，第一級的負(fù)載電阻便是第二級的輸入電阻，兩級之間通過電容和負(fù)載電阻連接起來的方式稱為阻容耦合。其優(yōu)點隔斷級間的直流通路，各級靜態(tài)工作點是相互獨立、互不影響的，從而給電路設(shè)計、調(diào)整帶來方便，只要信號頻率不太低，足夠大的耦合電容可使信號順利通過，因而阻容耦合放大器應(yīng)用廣泛。但是，對緩慢變化信號。要求耦合電容太大以致無法實現(xiàn)，因而必須采用下面一種耦合方式，即直接耦合方式。

2）直接耦合 在信號源與放大電路的輸入端、放大級各級間、末級放大與負(fù)載間采用導(dǎo)線、電阻、二極管、穩(wěn)壓管等直流電流可以通過的元件來實現(xiàn)信號傳輸?shù)碾娐?，也能放大交變信號，顯然信號能夠順利傳遞，其關(guān)健是各級要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。詳細(xì)情況將在本章第4節(jié)中討論。

3）變壓器耦合 圖5.2-5為變壓器耦合放大器。變壓器作為耦合元件，即通過磁耦合將一次交流信號傳遞到二次。因為變壓器一次、二次直流電路相互獨立，所以V1、V2的靜態(tài)工作點是獨立的，此外還可根據(jù)需要，適當(dāng)選擇一次與二次的匝數(shù)比以實現(xiàn)阻抗變換。

圖5.2-5  變壓器耦合放大器