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双极型晶体管

电压信号如何放大

在电路的学习中，知道四种受控源：

，其中 k 是电流源控制系数

由此可实现电压信号的放大。

认识双极型晶体管

由半导体工艺制成，其中 P，N 代表 P 型半导体，N 型半导体。从中引出管脚，即电极，如上图所示。be，ce 之间类似于一个 PN 结，单向导通。其方向由箭头方向指明。

基本电流关系

定义流经 b 极的电流 为 ,同理有 ,满足基尔霍夫电流定律：

放大状态时，集电极电流唯一受控于基极电流，与 ce 两端电压无关：

NPN 型晶体管的伏安特性

输入伏安特性

指基极电流 与发射结电压 之间的关系，这种关系也受到 的影响。

在 multisim 中仿真，搭建如图所示电路，直流扫描发射结电压，从 0-1V，增量为 50mv；直流扫描 ，从 0-5V，增量为 1v.

上述结果表明：

输出伏安特性曲线

指在确定的基极电流 的情况下， 与 之间的关系

同样的仿真电路，直流扫描两个电压：

按上述电流关系 与 应该成正比，但当 变化在一定区域内并不满足关系。在两个小电压激励下 甚至还会反向。由此引出了输出伏安特性曲线中的区域划分。

搭建一个放大电路

用晶体管搭建一个电路，实现对一个微小的正弦信号放大。首先给基极一个固定电压，在此基础上叠加一个微小的正弦信号，这个电压作用在输入特性曲线上，产生一个变化电流的波形， 是 倍的 ，然后作用于电阻 上，最终实现放大。

图八中存在上高下矮的问题，在用仿真软件搭建实验电路的过程中，主要问题是怎样才能使图像不变形，因为我不知道怎么让三极管工作在放大区。

下图是随意设置的一些参数，可以看到，十分的不和谐。这与理想状况出入有点大。

静态和信号耦合

静态和动态

根据欧姆定律，在知道器件电压和电流的情况下我们可以算出电阻。电压和电流动态改变，我们可以等效为一个动态电阻，大小为电压改变量与电流改变量的比值。对应到输出特性曲线上，静态电阻等于该点处与原点连线的直线斜率的倒数，动态电阻是切线斜率的倒数。

对于一个晶体管来说，放大系数也有动态静态之分，幸运的是差距不大，一般应用下是假设不变的。

静态工作点

指的是放大电路的电源供电正常，在没有输入信号的状态，在输入输出伏安特性曲线上表现为一个静态的点。该点处的电压电流加下标 Q 来表示。有两个重要原因需要确定静态工作点：

阻容耦合

在上面的仿真电路中，我就试图将直流电压源串联到交流信号源中，但实际情况是无法实现的，这是理想化的——除非它是一个变压器的副边。因为我们日常使用电源都是单端输出，负端是默认接地的，二者不能串联。

因此，给出了以上电路图解决了上述问题，我们来捋一下：

总的来说，直流电源和电阻的作用就是营造一个信号放大的环境，阻容耦合的缺点是不能放大直流信号。除此之外，还有变压器耦合，直接耦合，光电耦合等。

然后我搭了下面的电路：

可以看到：

实现的过程比较繁琐，注意以下之处：

三极管的工作状态

由图得并没有怎么放大。

如何判断三极管工作状态

放大结构：如果三极管实际电流方向和我们期望电流方向一致，即为放大结构。

图解法解静态工作点

静态工作点有三种解法：

对于一个这样的电路：

静态工作点 首先满足电路拓扑结构，即电路方程 ，其次满足三极管的输入特性曲线。二者交点即是静态工作点。同理可得输出的静态工作点。

由图可以看出：激励电压和两个电阻决定了静态工作点工作状态，设计时先获取输入输出特性曲线，便可设计出适合的放大电路。

两部件串联的图解方法

电阻串联二极管

作为图解法的延申，看看这个电路如何用图解法解决

首先要满足电阻的伏安特性曲线 ,其次要满足二极管的伏安特性曲线，更重要的是还要满足二者电压之和等于总电压，画在图上就是电阻的伏安特性曲线镜像旋转，并落在 x 轴等于总电压这个点上，这样就能保证二者电压之和一定。

两晶体管串联

如果你对两个二极管分别进行计算，你将会得出两晶体管集电极电流并不相等的结论。这显然是错误的。

按相同的方法画出输出特性曲线，两个电阻控制基极电流，从而控制图像的形状。总可以找到适合的电阻值，使得 Vout 在 0-10V 之间，也即控制交点的位置。显然，找到这个点比较困难，一次一次试总可以找到。

动态求解方法

以上学习了三个知识点：

下面我们学习，对于一个输入信号耦合到放大电路中，究竟放大了多少——动态求解方法。这是一种由输入变化量求取输出变化量的方法，区别于直接用公式带，相较来说更简单。其核心是：

例：当 的变化量为 时，求输出 的表达式

当然可以用笨办法写出 作用的表达式和 的表达式，两个输出相减。但用但用动态电路求解方法就简单许多。

由此可得：

双极型晶体管的动态模型——微变等效模型

理论上说，晶体管的高频等效模型包含低频模型，但低频模型更简单，所以拿来介绍。

对于上图电路，建立等效模型即弄清原理用基本元件进行描述，使得输出与原输出等价。

双极型晶体管放大电路的动态分析

动态分析的三个重要指标

动态分析的步骤

动态指标的实验测量法

获得三大动态指标：

放大倍数的实验测量法

输入电阻的实验测量法

一个电路的输入电阻是可能和负载有关的，因此，必要时应注明是否带负载，负载大小是多少。

测量电路如下：

输出电阻的实验测量法

共基极，共集电极放大电路及 PNP 管电路

区分

从放大机理上来看，能够让 变的就是输入端，所以输入一定是 b，e 两极，输出一定在 c，e 两级。这样 b 不输出，c 不输入，就有三种电路

共基极放大电路

为保证有足够的电压增益，一般在基极增加大电容 。

动态等效电路和戴维南等效电路如下：

若信号源内阻为 0，列写节点电压方程有：，用戴维南等效电路有相同的结论。

这说明，共基极放大电路在不考虑信号源内阻的情况下，具有与共射极放大电路大小相同的电压增益 R 是极性力同相放大而共射极电路是反相放大 。

输入电阻：，说明共基极放大电路输入电阻很小

输出电阻和共射极放大电路相同

共集电极放大电路

需要特别指出的是，共射级共基极电路都有如下特点：输入电阻与负载无关，输出电阻与信号源内阻无关。但共集电极电路却不是如此。它的输入电阻与负载大小有关，而输出电阻与信号源内阻有关，在多级电路级联时，需要特别注意 。

PNP 管放大电路

方法一：

方法二：所有求解值都是反的，所有图都从第一象限到第三象限。

大信号情况下的失真分析

当输入信号幅值过大，产生失真，称为大信号失真。其明显的原因是输入信号峰值使晶体管处于饱和区或截止区。第二个原因是由于晶体管输入特性曲线是指数级增长，大信号导致不能用一段直线来描述特性曲线，从而产生变形。

失真电压裕度

在一个晶体管放大电路中，输入为正弦波电压信号，输出所能达到的最大不失真正弦信号的幅度，陈伟失真电压裕度。

当确定了静态工作点 Q（,）,则

静态负载线和动态负载线

对于这样一个电路：

给定 和 ，改变 可以确定一个静态工作点 Q（,），全部静态工作点的集合形成一条直线称之为静态负载线，有：。

当确定静态工作点后，一旦加载输入信号，任一时刻晶体管摆脱 Q 点，形成新的（,）组合，叫做动态工作点，用 q 表示。所有的 q 点形成一条直线，称之为动态负载线，有：。

在下图用绿色线标出，可知上述电路图的两条负载线时重合的。

不重合的静动态负载线

对于较高频率的输入信号， 相当于短路，所以 会分配给 和 ，在上一电路中有

，而在此电路中有 。

这样就导致了失真电压裕度变得更小。

放大电路的综合分析

四个电阻提供静态工作点的好处

下图是共射极放大电路，其中

我们写出静态求解过程：

看见没有， 和 与 几乎无关，这样带来几个好处。

如果不这样设计电路，而纠结于多了两个电阻的成本，显然得不偿失。

三电阻静态电路

静态求解：

这样依然与 无关,但要满足 ，则要 ，即发射极静态电位接近电源电压，晶体管的工作区间就很小，所以这也不好。

单管放大电路的静态工作点选择

静态动态分离，增益改变

有表达式可知，静态动态都走同一样的电路，这就导致二者相互影响，采用差动放大电路可以实现动态和静态分离。另一种方法是利用电容器将而这分离，而上图的 便起到了短路 的作用。

多级放大电路

目的：增大放大倍数，增加输入电阻，减小输出电阻，扩展频率带，增大输出功率等

耦合方式

不同组态放大电路的组合方式

共集电极电路：多用于输入输出级（输入电阻大，输出电阻小）

共射极，共基极电路：多用于中间级（有较大的电压增益）

阻容耦合放大电路求解

将电路改为上图所示，每一级的静态相互独立，依次计算即可。