单级晶体管放大器原理及理论推导

简介: 当放大器电路中只有一个晶体管用于放大微弱信号时,该电路称为单级放大器。然而,实际放大器由许多单级放大器组成,因此电路复杂。因此,这样一个复杂的电路可以方便地拆分成几个单级,并且可以有效地进行分析。

当放大器电路中只有一个晶体管用于放大微弱信号时,该电路称为单级放大器。

然而,实际放大器由许多单级放大器组成,因此电路复杂。因此,这样一个复杂的电路可以方便地拆分成几个单级,并且可以有效地进行分析。

上图显示了一个单级晶体管放大器。

当一个微弱的交流信号施加到晶体管的基极时,一个小的基极电流开始在输入电路中流动。

由于晶体管的作用,一个更大(β 倍于基极电流)的交流电流流过输出电路中的负载 Rc。

由于负载电阻 Rc 的值非常高,因此会产生很大的电压下降。

因此,施加在基极电路中的微弱信号以放大的形式出现在集电极电路中。以这种方式,晶体管充当放大器。

晶体管放大器的实用电路

为了在晶体管放大器中实现放大,我们必须使用与晶体管相关的适当电路。

一个实用的单级晶体管放大器电路如下图所示。

各种电路元件及其功能描述如下:

(i) 偏置电路

电阻R 1、R 2 和R E 提供偏置和稳定。

偏置电路必须建立适当的工作点,否则可能会在输出中切断信号的一部分负半周,您将得到忠实的放大。

(ii) 输入电容 (C in )

一个值为 10 μF 的电解电容器用于将信号耦合到晶体管的基极。

否则,信号源电阻会遇到 R 2 ,因此会改变偏置。

该电容器仅允许交流信号流动,但将信号源与 R 2隔离。

(iii) 发射极旁路电容 (C E )

一个值为 100 μF 的发射极旁路电容器与 R E 并联使用,为放大的交流信号提供低电抗路径。

如果该电容未连接在输出电路中,则放大的交流信号将流过 R E 并导致其两端的电压降,从而降低输出电压。

(iv) 耦合电容 (C C )

值为 10 μF 的耦合电容器用于将一级放大耦合到下一级。

如果不使用,由于 R C 的分流效应,下一级的偏置条件将发生剧烈变化。这是因为 R C 将与下一级放大器电路的偏置电路的电阻 R 1 并联,从而改变下一级的偏置条件。

因此,耦合电容用于将一级直流与下一级隔离,只允许交流信号。

各种电路电流

(i) 基极电流

当基极电路中没有施加信号时,由于偏置电路,直流基极电流 I B也称为零信号基极电流。

当施加交流信号时,交流基极电流i b 在基极电路中流动。

因此,总基极电流 i B 由下式给出:

(ii) 集电极电流

当没有施加信号时,由于偏置电路,直流集电极电流 I C也称为零信号集电极电流。

当施加交流信号时,交流集电极电流 i c也流入集电极电路。

因此,总集电极电流 i C 由下式给出:

(iii) 发射极电流

当没有施加信号时, 由于偏置电路,直流发射极电流 I E流动。

当施加交流信号时,交流发射极电流 i e 也流过。

因此,总发射极电流 i E 由下式给出:

请记住:

现在基极电流通常非常小,因此,我们可以采用近似值:

直流和交流等效电路

为了以简单的方式分析晶体管的动作,分析分为两部分,例如:直流分析和交流分析。

在直流分析中,我们将同时考虑所有直流源并计算出电路中的直流电流电压。

同样,在交流分析中,我们将同时考虑所有交流源并计算出交流电流和电压。

对于这个分析,让我们考虑如图所示的放大器电路。以下 。

(1) 直流等效电路

在晶体管放大器的直流等效电路中,只需考虑直流条件。

所以让我们假设没有信号施加到电路上。

由于直流电流不能通过电容器,因此,所有电容器在直流等效电路中看起来都像是开路。

因此,要画出直流等效电路,对晶体管放大电路应用以下两个步骤:

  1. 使所有交流源归零/移除所有交流源
  2. 打开所有电容

将这两个步骤应用于图 3 所示的电路,我们将得到如图所示的直流等效电路。以下。

现在我们可以很容易地计算出这个电路的直流电流和电压。

(2) 交流等效电路

在晶体管放大器的交流等效电路中,只需要考虑交流条件。

在这种情况下,直流电压并不那么重要,因此可以假设为零。

电容器用于电路中耦合或旁路交流信号。

电容一般取大值,以致对交流信号表现为短路。

因此,要画出交流等效电路,对晶体管放大电路应用以下两个步骤:

  1. 使所有直流源归零/移除所有直流源
  2. 短接所有电容

将这两个步骤应用于图 3 所示的电路,我们将得到如图所示的交流等效电路。以下。

现在我们可以很容易地计算出这个电路的交流电流和电压。

单级晶体管放大器的电压增益

单级晶体管放大器的电压增益是交流输出电压与交流输入信号电压的比值。

因此,为了确定电压增益,您应该只考虑电路中的交流电流和电压。换句话说,您必须考虑晶体管放大器的交流等效电路。

晶体管放大器的交流等效电路如图 1 所示。以下。

就交流信号而言,负载 R C 与 R L并联出现。

因此,交流的有效负载电阻由下式给出:

顺便说一下,功率增益由下式给出:

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