晶體管低頻放大器詳述

各種類型低頻放大器，主要特點(diǎn)是，工作頻率范圍寬，放大信號(hào)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(jí)放大器的前幾級(jí)，故稱前置放大器，它的輸入信號(hào)幅度很小，約幾到幾十毫伏或甚至更小，所以屬于小信號(hào)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(shí)，通常把具體放大畫(huà)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(diǎn)的位置及其穩(wěn)定性有密切關(guān)系，而靜態(tài)工作點(diǎn)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(shí)，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(duì)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(gè)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(jiàn)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(bǔ)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(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的線性放大。因此對(duì)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(gè)量對(duì)應(yīng)輸出特性曲線上一個(gè)點(diǎn)稱為直流（或靜態(tài)）工作點(diǎn)；另一是交流分析（或稱動(dòng)態(tài)分析），即在輸入信號(hào)作用下求出靜態(tài)工作點(diǎn)上迭加的各極信號(hào)電壓和電流，并在此基礎(chǔ)上計(jì)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(jiǎn)要的說(shuō)明近似估算法（圖解法略）。

在近似估算時(shí)，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(diǎn)。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(diǎn)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(shí)際放大電路畫(huà)出有信號(hào)流通的交流通路。晶體三極管在小信號(hào)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(guò)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(guò)程，并能計(jì)算放大器的一些指標(biāo)。但這種方法比較適合大信號(hào)分析，當(dāng)輸入信號(hào)足夠小時(shí)會(huì)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(hào)等效電路，根據(jù)推導(dǎo)方法不同分為兩類：一是對(duì)晶體管物理結(jié)構(gòu)及放大過(guò)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(diǎn)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(jià)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，通常可視為開(kāi)路則上述轉(zhuǎn)換可簡(jiǎn)化為

經(jīng)簡(jiǎn)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(jì)算
以下給出放大器的微變等效電路和性能指標(biāo)計(jì)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(wú)關(guān)的實(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，都變?yōu)轭l率函數(shù)，增益表達(dá)式寫(xiě)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(jiǎn)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(gè)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(jí)間信號(hào)的傳遞方式
實(shí)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(jí)聯(lián)成多級(jí)放大器，信號(hào)通過(guò)各級(jí)放大到負(fù)載端。前級(jí)輸出信號(hào)通過(guò)一定方式傳遞給下一級(jí)稱之耦合，信號(hào)源與放大級(jí)、級(jí)與級(jí)、放大級(jí)與負(fù)載之間的互相影響必須通過(guò)合理設(shè)計(jì)耦合方式來(lái)解決。耦合方式通常有以下三種。

1）阻容耦合 例如兩級(jí)阻容耦合放大器，第一級(jí)的負(fù)載電阻便是第二級(jí)的輸入電阻，兩級(jí)之間通過(guò)電容和負(fù)載電阻連接起來(lái)的方式稱為阻容耦合。其優(yōu)點(diǎn)隔斷級(jí)間的直流通路，各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)是相互獨(dú)立、互不影響的，從而給電路設(shè)計(jì)、調(diào)整帶來(lái)方便，只要信號(hào)頻率不太低，足夠大的耦合電容可使信號(hào)順利通過(guò)，因而阻容耦合放大器應(yīng)用廣泛。但是，對(duì)緩慢變化信號(hào)。要求耦合電容太大以致無(wú)法實(shí)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(hào)源與放大電路的輸入端、放大級(jí)各級(jí)間、末級(jí)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(guò)的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)碾娐罚材芊糯蠼蛔冃盘?hào)，顯然信號(hào)能夠順利傳遞，其關(guān)健是各級(jí)要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。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(guò)磁耦合將一次交流信號(hào)傳遞到二次。因?yàn)樽儔浩饕淮巍⒍沃绷麟娐废嗷オ?dú)立，所以V1、V2的靜態(tài)工作點(diǎn)是獨(dú)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(shí)現(xiàn)阻抗變換。

圖5.2-5 變壓器耦合放大器