Lecture 5-6 Amplifiers 放大器
章节目录
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- 5-1 放大器直流分析 DC Analysis
- 5-2 晶体管交流模型 AC Transistor Models
- 5-3 共射放大器 Common-Emitter Amplifier
- 6-1 共集放大器 Common-Collector Amplifier
- 6-2 共基放大器 Common-Base Amplifier
- 6-3 电流增益、功率增益与多级增益 Current, Power and Multistage Gain
- 6-4 例题 Exercises
- Summary
5-1 放大器直流分析 DC Analysis
放大器分析通常分两步：先求直流偏置，再求交流小信号响应。直流偏置决定晶体管是否工作在放大区，也决定小信号模型里的参数。
对 BJT 共射放大器，直流分析时：
- 耦合电容和旁路电容视为开路；
- 信号源和负载电阻被隔离；
- 只保留偏置网络、晶体管、集电极电阻和发射极电阻。
直流额定值 DC Ratings
BJT 直流分析还要检查器件额定值，常见限制有
若增大
5-1-1 戴维南等效 Thevenin Equivalent
分压偏置网络可以从基极看进去做戴维南等效。
若上拉电阻为
对 npn 晶体管，基极-发射极回路满足
且
所以
再由
求出静态电流。
若分压网络足够 stiff，也可以先用近似法：
再取
课件例题中由近似法得到
若
5-1-2 静态工作点 Q-Point
静态工作点由直流集电极电流
如果
5-2 晶体管交流模型 AC Transistor Models
交流分析只保留静态工作点附近的微小变化。因此把晶体管换成小信号模型会更清楚。
5-2-1 r 参数 r Parameters
课程中主要使用 r 参数模型。常用参数包括：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| 从发射极看进去的小信号电阻 | |
| 基极内部小信号电阻 | |
| 集电极小信号电阻 | |
| 从基极看进去的等效输入电阻 | |
| 集电极受控电流源 |
一般分析中，
小信号发射极电阻可由直流发射极电流估算：
其中
5-2-2 h 参数 h Parameters
数据手册常给 h 参数，因为它们容易测量。课程中只需要掌握它们和 r 参数的关系：
| h 参数 | 常见含义 | r 参数近似 |
|---|---|---|
| 共射输入电阻 | ||
| 共射电流增益 | ||
| 共基输入电阻 | ||
| 共基电流增益 |
更完整的换算关系可写为
5-3 共射放大器 Common-Emitter Amplifier
共射放大器的输入加在基极，输出从集电极取出，发射极对交流信号通常接地。
5-3-1 相位反转 Phase Inversion
共射放大器的输出与输入相差
当基极电压上升时，基极电流增加，集电极电流也增加。集电极电流增加会让
5-3-2 交流等效 AC Equivalent
做交流等效时：
- 耦合电容和旁路电容按短路处理；
- 直流电源按交流地处理；
- 晶体管换成 r 参数小信号模型。
直流电源之所以是交流地，是因为理想直流源内阻近似为零，交流电压不能在其两端形成变化。
5-3-3 输入电阻与基极信号 Input Resistance and Base Signal
若发射极被旁路电容短路到交流地，则从基极看进去的输入电阻为
总输入电阻还要与偏置电阻并联：
如果信号源有内阻
输入衰减也可写成
5-3-4 电压增益 Voltage Gain
电压增益定义为
发射极被有效旁路时，共射放大器从基极到集电极的电压增益近似为
负号表示相位反转。
如果考虑信号源内阻造成的输入衰减，则总电压增益为
也就是
5-3-5 旁路电容与负载效应 Bypass Capacitor and Loading
发射极旁路电容的作用是让发射极在交流上接地，从而获得最大电压增益。
设计经验是：在最低工作频率下，旁路电容的容抗至少比
例如
则
实际选值通常取更大一些，使最低频率处旁路更充分。
若没有旁路电容，发射极电阻会进入交流增益公式：
这会降低增益，但也让增益更稳定，因为它不再只依赖
同一电路在有无旁路电容时差异会很大。课件例题给出的数量级为
若
当
此时增益主要由外部电阻比决定，对
若输出接负载
于是
6-1 共集放大器 Common-Collector Amplifier
共集放大器也叫发射极跟随器。输入加在基极，输出从发射极取出，集电极对交流信号接地。
它的主要特点是：
| 指标 | 结论 |
|---|---|
| 电压增益 | 约等于 1 |
| 相位关系 | 不反相 |
| 输入电阻 | 很高 |
| 电流增益 | 较高 |
| 典型用途 | 缓冲器，减小前级负载效应 |
共集放大器的输入电阻近似为
其中
因为输出取在发射极，所以发射极电阻不能被旁路掉。
其电压增益为
其中
电流增益仍可很高：
因为
6-2 共基放大器 Common-Base Amplifier
共基放大器的输入加在发射极，输出从集电极取出，基极对交流信号接地。
它的主要特点是：
| 指标 | 结论 |
|---|---|
| 电压增益 | 高 |
| 电流增益 | 最大约为 1 |
| 输入电阻 | 很低 |
| 相位关系 | 不反相 |
| 典型用途 | 低源阻抗、高频场景 |
共基放大器电压增益近似为
若接入负载，集电极交流电阻改为
于是
输入电阻近似为
共基放大器没有相位反转，电流增益约为
课件例题给出过一组典型结果：
6-3 电流增益、功率增益与多级增益 Current, Power and Multistage Gain
电流增益定义为
功率增益定义为
如果使用 dB 表示：
多级放大器的总电压增益为各级电压增益相乘：
用 dB 表示时，各级增益直接相加：
6-4 例题 Exercises
PROBLEM L5-E1
某晶体管电路给定
SOLUTION
先求基极电流：
集电极电流为
集电极电阻上的压降为
当
此时功耗为
小于
若基极偏置被移除，晶体管截止，几乎全部
PROBLEM L5-E2
分压偏置共射电路中，
SOLUTION
先做戴维南等效：
基极电流为
因此
所以
PROBLEM L5-E3
共射放大器的直流发射极电流为
SOLUTION
先求小信号发射极电阻：
从基极看进去：
总输入电阻为
基极电压为
PROBLEM L5-E4
若共射放大器中
SOLUTION
交流下集电极等效电阻为
所以
负号表示输出相对输入反相。
PROBLEM L6-E1
某共集放大器中，
SOLUTION
发射极交流等效电阻为
共集放大器从基极看进去：
因此
因此发射极跟随器常用于缓冲级，让前级看到较高输入电阻。
Summary
| 内容 | 结论 |
|---|---|
| 直流分析 | 电容开路，求 |
| 交流分析 | 电容短路，直流源为交流地 |
| 戴维南等效 | |
| 额定值检查 | 同时比较 |
| 小信号发射极电阻 | |
| 共射放大器 | 电压增益高，输出反相 |
| 共射增益 | |
| 无旁路电容 | |
| 共集放大器 | 电压增益约 1，输入电阻高，适合缓冲 |
| 共基放大器 | 输入电阻低，电压增益高，电流增益约 1 |
| 多级增益 | 线性增益相乘，dB 增益相加 |
三种基本 BJT 放大器组态可以按下表快速区分：
| 组态 | 电压增益 | 电流增益 | 输入电阻 | 输出电阻 | 相位关系 | 典型用途与记忆点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 共射 | 高， | 高，约为 | 中等，约 | 较高，主要由集电极电阻决定 | 反相 | 最常用电压放大级；特点是增益高但会反相 |
| 共集 | 约为 | 高，约为 | 很高，约 | 很低 | 同相 | 发射极跟随器；主要用于缓冲和阻抗变换 |
| 共基 | 高， | 约为 | 很低，约 | 较高，主要由集电极电阻决定 | 同相 | 适合低源阻抗与高频场景；特点是低输入电阻、高电压增益 |