晶體管放大器

晶體管放大器能放大交流輸入信號，該信號會在某個最大正值和對應(yīng)的負值之間交替變化。因此，需要通過某種方式對共射極放大器電路結(jié)構(gòu)進行 “預(yù)設(shè)”，使雙極結(jié)型晶體管（BJT）能在這兩個最大值（或峰值）之間工作。這一過程通過一種名為偏置的技術(shù)實現(xiàn)。

在放大器設(shè)計中，偏置至關(guān)重要：它為晶體管放大器設(shè)定了接收信號所需的合適工作狀態(tài)，從而減少輸出信號的失真。

此外，在放大器的輸出特性曲線上繪制一條靜態(tài)（或直流）負載線，就能看到晶體管從完全 “導(dǎo)通” 到完全 “截止” 的所有可能工作點，進而確定放大器的靜態(tài)工作點（即 Q 點）。

任何小信號放大器的目標，都是在盡可能減小輸出信號失真的前提下放大全部輸入信號。換句話說，輸出信號必須是輸入信號的精確復(fù)現(xiàn)，只是幅度更大（被放大）。

要使晶體管作為放大器工作時失真度較低，必須合理選擇靜態(tài)工作點（Q 點）。實際上，Q 點就是放大器的直流工作點，通過合適的偏置電路，可將其設(shè)置在負載線上的任意位置。

Q 點的最佳位置應(yīng)盡可能接近負載線的中心，這樣就能實現(xiàn)甲類（Class A）放大器工作模式，即滿足(V_{ce} = frac{1}{2}V_{cc})。請參考下圖所示的共射極放大器電路。

共射極放大器電路

上圖所示的單級共射極放大器電路采用了一種常用的偏置方式 ——分壓式偏置。這種偏置結(jié)構(gòu)使用兩個電阻構(gòu)成跨電源的分壓網(wǎng)絡(luò)，其中心點為晶體管提供所需的基極偏置電壓。分壓式偏置在雙極型晶體管放大器電路設(shè)計中應(yīng)用廣泛。

這種晶體管偏置方法能將基極偏置電壓穩(wěn)定在固定水平，大幅削弱電流放大系數(shù)（β）變化帶來的影響，從而實現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。

靜態(tài)基極電壓（(V_b)）由兩個電阻(R_1)、(R_2)和電源電壓(V_{cc})構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)決定（電流會流經(jīng)這兩個電阻）。

總電阻(R_T)等于(R_1 + R_2)，因此流經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)的電流(i = frac{V_{cc}}{R_T})。電阻(R_1)和(R_2)連接點產(chǎn)生的電壓，會將基極電壓（(V_b)）穩(wěn)定在低于電源電壓的某個值。

共射極放大器電路中的分壓網(wǎng)絡(luò)會按電阻比例對電源電壓進行分壓?；鶚O偏置參考電壓可通過以下簡單的分壓公式輕松計算：

晶體管偏置電壓

當(dāng)晶體管完全 “導(dǎo)通”（飽和狀態(tài)）時，(V_{ce} = 0)，此時電源電壓（(V_{cc})）也決定了集電極最大電流（(I_c)）。晶體管的基極電流（(I_b)）可由集電極電流（(I_c)）和直流電流放大系數(shù)（β）計算得出。

共射極放大器的放大系數(shù)（β）

雙極型晶體管的 β 值（在廠商數(shù)據(jù)手冊中有時也用(h_{FE})表示），定義了晶體管在共射極組態(tài)下的正向電流放大能力。β 值是晶體管制造過程中內(nèi)置的電參數(shù)，由于它是集電極電流（(I_c)）與基極電流（(I_b)）的固定比值，因此沒有單位。這意味著基極電流的微小變化，會導(dǎo)致流經(jīng)晶體管的集電極電流發(fā)生顯著變化。

關(guān)于 β 值，還有一點需要注意：即使是型號和規(guī)格完全相同的晶體管，其 β 值也可能存在較大差異。例如，BC107 型 NPN 雙極型晶體管的直流電流放大系數(shù)（β 值）范圍為 110 至 450（數(shù)據(jù)手冊標注值）。

也就是說，一個 BC107 晶體管的 β 值可能為 110，而另一個同型號晶體管的 β 值可能為 450，但它們都被標注為 BC107 型 NPN 晶體管。原因在于，β 值是晶體管制造結(jié)構(gòu)固有的特性，而非由其工作狀態(tài)決定。

由于基極 - 發(fā)射極結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，發(fā)射極電壓（(V_e)）與基極電壓（(V_b)）之間會相差一個結(jié)電壓降。若已知發(fā)射極電阻兩端的電壓，利用歐姆定律可輕松計算出發(fā)射極電流（(I_e)）。集電極電流（(I_c)）與發(fā)射極電流（(I_e)）數(shù)值幾乎相等，因此可近似估算(I_c)。

共射極放大器示例 1

某共射極放大器電路的負載電阻(R_L)為 1.2kΩ，電源電壓為 12V。假設(shè)(V_{ce} = 0)，計算晶體管完全 “導(dǎo)通”（飽和狀態(tài)）時流經(jīng)負載電阻的最大集電極電流（(I_c)）。

同時，若發(fā)射極電阻(R_E)兩端的電壓降為 1V，求(R_E)的阻值。并假設(shè)使用標準 NPN 硅晶體管，計算電路中其他所有電阻的阻值。

由此可在特性曲線的集電極電流縱軸上確定 “A 點”，該點對應(yīng)(V_{ce} = 0)的狀態(tài)。當(dāng)晶體管完全 “截止” 時，由于沒有電流流經(jīng)(R_E)和(R_L)，這兩個電阻兩端均無電壓降，此時晶體管兩端的電壓(V_{ce})等于電源電壓(V_{cc})，由此可在特性曲線的橫軸上確定 “B 點”。

通常，放大器的靜態(tài) Q 點對應(yīng)基極無輸入信號的狀態(tài)，因此集電極電壓應(yīng)處于負載線上 “0V” 與 “電源電壓(V_{cc})” 的中點附近（即(V_{cc}/2)）。因此，放大器 Q 點處的集電極電流可表示為：

這條靜態(tài)直流負載線對應(yīng)一個直線方程，其斜率為(-1/(R_L + R_E))，與縱軸（(I_c)軸）的交點為(V_{cc}/(R_L + R_E))。Q 點在直流負載線上的實際位置，由基極電流的平均值（(I_b)）決定。

由于晶體管的集電極電流(I_c)也等于晶體管的直流放大系數(shù)（β）與基極電流（(I_b)）的乘積（即(β times I_b)），假設(shè)晶體管的 β 值為 100（小功率信號晶體管的合理平均值），則流入晶體管的基極電流(I_b)可計算為：

實際應(yīng)用中，通常不會使用獨立的基極偏置電源，而是通過一個降壓電阻(R_1)，從主電源軌（(V_{cc})）為基極提供偏置電壓。選擇電阻(R_1)和(R_2)的阻值，可使靜態(tài)基極電流達到 45.8μA（或四舍五入為 46μA）。

為避免基極電流對流經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)的電流產(chǎn)生影響（即避免分壓網(wǎng)絡(luò)被基極電流 “加載”），分壓網(wǎng)絡(luò)的電流需遠大于實際基極電流(I_b)。

經(jīng)驗法則是：流經(jīng)電阻(R_2)的電流至少應(yīng)為基極電流(I_b)的 10 倍。對于硅晶體管，基極 - 發(fā)射極電壓(V_{be})固定為 0.7V，因此電阻(R_2)的阻值可計算為：

若流經(jīng)(R_2)的電流為基極電流(I_b)的 10 倍，則分壓網(wǎng)絡(luò)中流經(jīng)(R_1)的電流應(yīng)為基極電流(I_b)的 11 倍（即(I_{R2} + I_b)）。

因此，電阻(R_1)兩端的電壓等于(V_{cc} - 1.7V)（其中 1.7V 為(V_{RE})與硅晶體管的(V_{be})（0.7V）之和），即 10.3V。由此可計算(R_1)的阻值：

利用歐姆定律可輕松計算發(fā)射極電阻(R_E)的阻值。流經(jīng)(R_E)的電流是基極電流(I_b)與集電極電流(I_c)之和，即：

電阻(R_E)連接在晶體管的發(fā)射極與地之間，前文已說明其兩端的電壓降為 1V。因此，發(fā)射極電阻(R_E)的阻值可計算為：

對于上述示例，選擇公差為 5% 的 E24 系列標準電阻，其優(yōu)選阻值如下：

據(jù)此，可將前文所示的共射極放大器電路補充完整，標注出各元件的計算阻值。

放大器的耦合電容

在共射極放大器電路中，電容(C_1)和(C_2)用作耦合電容，用于將交流信號與直流偏置電壓分離。這樣可確保電路的偏置狀態(tài)（為保證電路正常工作而設(shè)定）不受后續(xù)放大器級的影響 —— 因為電容僅允許交流信號通過，會阻斷所有直流成分。隨后，輸出交流信號會疊加在后續(xù)放大級的偏置電壓上。此外，發(fā)射極支路中還會串聯(lián)一個旁路電容(C_E)。

對于直流偏置狀態(tài)，該電容相當(dāng)于開路元件，因此添加旁路電容不會影響偏置電流和偏置電壓，能保持 Q 點的良好穩(wěn)定性。

然而，在高頻信號下，由于電容的容抗特性，這個并聯(lián)的旁路電容會對發(fā)射極電阻(R_E)形成近似短路。此時，放大器的負載僅為(R_L)加上一個極小的內(nèi)阻，從而使電壓放大倍數(shù)達到最大值。通常，旁路電容(C_E)的容值選擇需滿足：在最低工作信號頻率下，其容抗不超過(R_E)阻值的 1/10。

輸出特性曲線

截至目前，我們已掌握了足夠的知識，可繪制一系列曲線來描述共射極放大器電路中 “集電極電流(I_c)與集電極 - 發(fā)射極電壓(V_{ce})” 的關(guān)系（針對不同基極電流(I_b)值）。

這類曲線被稱為 “輸出特性曲線”，用于展示晶體管在其動態(tài)范圍內(nèi)的工作狀態(tài)。在曲線上繪制一條對應(yīng)負載電阻(R_L)（1.2kΩ）的靜態(tài)（或直流）負載線，即可看到晶體管的所有可能工作點。

當(dāng)晶體管 “截止” 時，(V_{ce})等于電源電壓(V_{cc})，對應(yīng)負載線上的 “B 點”；當(dāng)晶體管完全 “導(dǎo)通”（飽和狀態(tài)）時，集電極電流由負載電阻(R_L)決定，對應(yīng)負載線上的 “A 點”。

前文通過晶體管的直流放大系數(shù)計算得出，使晶體管工作在中點位置所需的基極電流為 45.8μA，該電流在負載線上對應(yīng)的點即為 “Q 點”，代表放大器的靜態(tài)工作點。為簡化計算，我們可將該值近似為 50μA，這對工作點幾乎沒有影響。

負載線上的 Q 點對應(yīng)基極電流的靜態(tài)值(I_b = 45.8μA)（或 46μA）。接下來需確定基極電流的最大和最小峰值擺幅 —— 這兩個擺幅需能使集電極電流(I_c)產(chǎn)生相應(yīng)變化，且不會導(dǎo)致輸出信號失真。

由于負載線會與直流特性曲線上的不同基極電流值相交，我們可在負載線上找到與 Q 點等距的基極電流峰值擺幅對應(yīng)的點，即圖中的 “N 點” 和 “M 點”，它們分別對應(yīng)最小基極電流 20μA 和最大基極電流 80μA。

“N 點” 和 “M 點” 可選擇負載線上任意與 Q 點等距的位置。由此可知，在不導(dǎo)致輸出信號失真的前提下，輸入到基極的理論最大信號幅度為 60μA 峰 - 峰值（即 30μA 峰值）。

若輸入信號使基極電流超出該范圍，晶體管會要么超過 “N 點” 進入 “截止區(qū)”，要么超過 “M 點” 進入 “飽和區(qū)”，最終導(dǎo)致輸出信號出現(xiàn) “削波” 失真。

以 “N 點” 和 “M 點” 為例，可從負載線上推算出集電極電流的瞬時值及對應(yīng)的集電極 - 發(fā)射極電壓值。可見，集電極 - 發(fā)射極電壓與集電極電流呈反相（180° 相位差）關(guān)系。

當(dāng)基極電流(I_b)從 50μA 正向變化到 80μA 時，集電極 - 發(fā)射極電壓（即輸出電壓）會從其靜態(tài)值 5.8V 降至 2.0V。

因此，單級共射極放大器也是一種 “反相放大器”：基極電壓升高會導(dǎo)致輸出電壓(V_{out})降低，基極電壓降低則會導(dǎo)致(V_{out})升高。換句話說，輸出信號與輸入信號之間存在 180° 的相位差。

共射極放大器的電壓放大倍數(shù)

共射極放大器的電壓放大倍數(shù)，等于輸入電壓變化量與放大器輸出電壓變化量的比值，即(Delta V_L)（對應(yīng)(V_{out})）與(Delta V_B)（對應(yīng)(V_{in})）的比值。此外，電壓放大倍數(shù)也等于集電極回路中的信號電阻與發(fā)射極回路中的信號電阻的比值，公式如下：

前文提到，隨著交流信號頻率的升高，旁路電容(C_E)的容抗會逐漸減小，最終對發(fā)射極電阻(R_E)形成短路。此時(R_E = 0)，理論上電壓放大倍數(shù)會趨于無窮大。

發(fā)射極內(nèi)阻

然而，雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)存在一個微小的內(nèi)阻，稱為(r'_e)。晶體管的半導(dǎo)體材料會對電流的流動產(chǎn)生內(nèi)在阻力，該阻力通常用一個串聯(lián)在晶體管內(nèi)部的小電阻符號表示。

晶體管數(shù)據(jù)手冊指出，對于小信號雙極型晶體管，該內(nèi)阻的數(shù)值等于(25mV div I_e)（其中 25mV 是發(fā)射極結(jié)區(qū)的內(nèi)在電壓降）。因此，對于上述共射極放大器電路，該內(nèi)阻的阻值可計算為：

該發(fā)射極內(nèi)阻會與外部發(fā)射極電阻(R_E)串聯(lián)，因此晶體管的實際電壓放大倍數(shù)公式需修正為（包含該內(nèi)阻）：

在低頻信號下，發(fā)射極回路的總電阻為(R_E + r'_e)；在高頻信號下，旁路電容會將(R_E)短路，發(fā)射極回路中僅剩內(nèi)阻(r'_e)，此時放大器的電壓放大倍數(shù)達到最大值。

因此，對于上述共射極放大器電路，其在低頻和高頻信號下的電壓放大倍數(shù)分別計算如下：

低頻下的放大器電壓放大倍數(shù)

高頻下的放大器電壓放大倍數(shù)

由此可見，在輸入信號頻率極低時，電容的容抗（(X_C)）較大，外部發(fā)射極電阻(R_E)會對電壓放大倍數(shù)產(chǎn)生影響，使其降低（本示例中降至 5.32）；而當(dāng)輸入信號頻率極高時，電容的容抗會將(R_E)短路（(R_E = 0)），放大器的電壓放大倍數(shù)會顯著提高（本示例中升至 218）。

最后需要注意的是，電壓放大倍數(shù)僅取決于集電極電阻(R_L)和發(fā)射極電阻（(R_E + r'_e)）的阻值，與晶體管的電流放大系數(shù) β（或(h_{FE})）無關(guān)。

綜上，可將上述共射極放大器電路的所有計算值匯總?cè)缦拢?/span>

共射極放大器總結(jié)

綜上，共射極放大器電路的集電極回路中串聯(lián)有一個電阻，流經(jīng)該電阻的電流會產(chǎn)生放大器的輸出電壓。選擇該電阻阻值時，需確保放大器在靜態(tài)工作點（Q 點）處的輸出電壓處于負載線的中點位置。

共射極放大器中，晶體管的基極偏置通過兩個電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。這種偏置方式在雙極型晶體管放大器電路設(shè)計中應(yīng)用廣泛，它能將基極偏置電壓穩(wěn)定在固定水平，大幅削弱電流放大系數(shù) β 變化帶來的影響，從而實現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性。

發(fā)射極支路中可串聯(lián)一個電阻(R_E)，此時電壓放大倍數(shù)為(-R_L/R_E)。即使沒有外部發(fā)射極電阻，放大器的電壓放大倍數(shù)也不會趨于無窮大 —— 因為發(fā)射極支路中存在一個極小的內(nèi)阻(r'_e)，其阻值等于(25mV/I_E)。

在下一篇關(guān)于雙極型晶體管放大器的教程中，我們將介紹結(jié)型場效應(yīng)管放大器（通常簡稱 JFET 放大器）。與雙極型晶體管類似，結(jié)型場效應(yīng)管也可用于單級放大器電路，其工作原理更易于理解。

場效應(yīng)管有多種類型，其中最易理解的是結(jié)型場效應(yīng)管（JFET），它具有極高的輸入阻抗，非常適合用于放大器電路。