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法律晶体管放大器 - 工作原理及应用
晶体管作为放大器
晶体管可以增强弱信号的强度，因此它可以用作电路中的放大器。弱信号施加在发射极-基极结之间，输出则取自连接在集电极电路中的负载两端。
为了获得所需的放大效果，发射极-基极结必须保持正向偏置。为此，除了信号之外，还在输入电路中施加直流电压 VBB。此直流电压称为偏置电压，其幅度足以使发射极-基极结始终保持正向偏置，而与信号的极性无关。
由于输入电路具有低电阻（因为正向偏置），因此信号电压的微小变化会导致发射极电流发生巨大变化。由于晶体管的作用，集电极电流也会发生相同的变化。由于流过高负载电阻 RC 的集电极电流在其两端产生较大的电压降。这样，施加到输入电路的弱信号在输出电路中被放大，因此晶体管充当放大器。
晶体管放大器电路图
晶体管放大器的工作原理
在输入信号的正半周期间，发射极-基极结上的正向偏置增加。因此，来自 N 型发射极的更多电子流过基极到达集电极。这增加了集电极电流。集电极电流的增加导致集电极负载电阻 (RC) 上产生较高的电压降。
在输入信号的负半周期间，发射极-基极结上的正向偏置减小。因此，集电极电流减小。这导致输出电压在相反方向上降低。因此，在负载两端获得放大的输出。
晶体管放大器的实际电路
晶体管放大器中各种电路元件的描述和功能 -
偏置和稳定电路 - 电阻 R1、R2 和 RE 构成放大器的偏置和稳定电路。偏置电路的功能是建立适当的工作点，否则输入信号负半周的一部分可能会在输出端被切除。
输入电容 (Cin) - 使用电解电容将信号源耦合到晶体管基极。此电容仅允许交流信号通过，并将信号源与电阻 R2 隔离。如果不使用此电容，则信号源电阻将与 R2 并联，从而改变偏置。
发射极旁路电容 (CE) - 此电容与 RE 并联使用，为放大的输出交流信号提供低阻抗路径。如果不使用此电容，放大的交流信号将流过 RE，并在其两端产生电压降，从而降低输出电压。
耦合电容 (Cc) - 耦合电容将一个放大级耦合到下一级。如果不使用此电容，则 RC 将与下一级的电阻 R1 并联，并改变下一级的偏置网络。因此，耦合电容 Cc 将一个级的直流与下一级隔离，并且仅允许交流信号通过。
晶体管放大器的性能
输入电阻 - 输入电阻定义为基极-发射极电压变化 (ΔVBE) 与在集电极-发射极电压恒定的情况下对应的基极电流变化 (ΔIB) 之比。
由于输入电路始终处于正向偏置状态，因此输入电阻的值非常小。
$$\mathrm{输入电阻(R_{i})=\frac{ΔV_{BE}}{ΔI_{B}}}$$
输出电阻 - 放大器的输出电阻定义为在基极电流恒定的情况下，集电极-发射极电压变化 (ΔVGE) 与对应的集电极电流变化 (ΔIG) 之比。
晶体管放大器的输出电阻非常大，因为集电极-基极结处于反向偏置状态。
$$\mathrm{输出电阻\:(R_{0})=\frac{ΔV_{GE}}{ΔI_{G}}}$$
有效集电极负载 - 有效集电极负载是交流集电极电流看到的总负载。
$$\mathrm{有效集电极负载 (R_{eff.load})=R_{G}\:||\:R_{0}=\frac{R_{G}×R_{0}}{R_{G}+R_{0}}=\frac{R_{G}×R_{0}}{R_{0}}=R_{G}}$$
$$\mathrm{∵\:R_{G}\:<<<\:R_{0}}$$
电流增益 - 电流增益定义为集电极电流变化 (ΔIG) 与基极电流变化 (ΔIB) 之比。
β 的值在 20 到 500 之间变化。
$$\mathrm{电流增益\:(β)=\frac{ΔI_{G}}{ΔI_{B}}}$$
电压增益 - 它定义为输出电压变化 (ΔVGE) 与输入电压变化 (ΔVBE) 之比。
$$\mathrm{电压增益\:(A_{
u})=\frac{ΔV_{GE}}{ΔV_{BE}}=\frac{ΔI_{G}×R_{eff.load}}{ΔI_{B}×R_{i}}}$$
功率增益 - 它定义为输出信号功率与输入信号功率之比。
$$\mathrm{功率增益(A_{p})=\frac{(ΔI_{G})^2×R_{eff.load}}{(ΔI_{B})^2×R_{i}}=\frac{ΔI_{G}}{ΔI_{B}}×\frac{ΔI_{G}×R_{eff.load}}{ΔI_{B}×R_{i}}}$$
$$\mathrm{A_{p}=电流增益 ×电压增益}$$
数值示例
对于一个晶体管放大器，发射极电流 IE=9 mA，基极输入电流 IB=250 μA，Rc=4.5 kΩ，RE=2.5 kΩ。确定 (i) 电流增益 (ii) 电压增益 (iii) 功率增益。
解答
- 集电极电流
$$\mathrm{I_{C}=I_{E}-I_{B}=9 mA−250 μA=8.75 mA}$$
$$\mathrm{电流增益(β)=\frac{I_{C}}{I_{B}}=\frac{8.75 mA}{250 μA}=35}$$
- 电压增益
$$\mathrm{A_{
u}=\frac{ΔI_{C}×R_{off.load}}{ΔI_{B}×R_{i}}=\frac{R_{C}}{R_{E}}=\frac{4.5 kΩ}{2.5 kΩ}=1.8}$$
- 功率增益
$$\mathrm{A_{p}=A_{i}×A_{
u}=35×1.8=63}$$
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