深入解析基本放大電路（第二講）_原理、應(yīng)用及電路設(shè)計(jì)詳解一、引言在電子技術(shù)領(lǐng)域，基本放大電路是構(gòu)建各種復(fù)雜電子系統(tǒng)的基石。在第一講中，我們對(duì)基本放大電路有了初步的認(rèn)識(shí)，了解了其基本概念和一些簡(jiǎn)單的分類。本講將深入探討基本放大電路的原理、應(yīng)用以及電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程，旨在幫助讀者更全面、深入地掌握這一重要的電子技術(shù)知識(shí)。二、基本放大電路原理剖析（一）放大的本質(zhì)放大電路的核心功能是將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載或進(jìn)行后續(xù)的處理。從本質(zhì)上來(lái)說，放大并不是創(chuàng)造能量，而是利用有源元件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等）的控制作用，將直流電源的能量轉(zhuǎn)化為與輸入信號(hào)變化規(guī)律相同的交流能量輸出。以晶體管為例，它可以通過基極電流的微小變化來(lái)控制集電極電流的較大變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大。（二）常見放大電路的工作原理1.共發(fā)射極放大電路共發(fā)射極放大電路是最常用的基本放大電路之一。其電路結(jié)構(gòu)包含三極管、偏置電阻、耦合電容等元件。三極管的發(fā)射極作為輸入和輸出的公共端。-靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置：為了使三極管工作在放大區(qū)，需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。通過偏置電阻給三極管的基極提供一個(gè)合適的直流電壓，從而確定基極電流、集電極電流和集電極-發(fā)射極電壓。例如，當(dāng)電源電壓為$V_{CC}$，基極偏置電阻為$R_{B}$時(shí)，基極電流$I_{B}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{B}}$（$V_{BE}$為三極管基極-發(fā)射極的導(dǎo)通電壓）。-動(dòng)態(tài)分析：當(dāng)有交流信號(hào)輸入時(shí)，交流信號(hào)通過耦合電容疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)上。輸入信號(hào)的變化會(huì)引起基極電流的變化，根據(jù)三極管的電流放大作用，集電極電流會(huì)有更大的變化。集電極電流的變化會(huì)在集電極電阻$R_{C}$上產(chǎn)生電壓降的變化，從而在輸出端得到放大的交流信號(hào)。其電壓放大倍數(shù)$A_{V}=-\frac{\betaR_{L}'}{r_{be}}$（$\beta$為三極管的電流放大系數(shù)，$R_{L}'$為等效負(fù)載電阻，$r_{be}$為三極管的輸入電阻）。2.共集電極放大電路共集電極放大電路也稱為射極跟隨器。其發(fā)射極接有負(fù)載電阻，集電極作為公共端。-靜態(tài)工作點(diǎn)：同樣需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)保證三極管工作在放大區(qū)?；鶚O偏置電阻和發(fā)射極電阻共同決定了靜態(tài)電流和電壓。-動(dòng)態(tài)分析：輸入信號(hào)加在基極和集電極之間，輸出信號(hào)從發(fā)射極取出。由于發(fā)射極電壓跟隨基極電壓變化，所以電壓放大倍數(shù)近似為1，但具有電流放大作用。其輸入電阻大，輸出電阻小，常用于阻抗匹配和信號(hào)隔離。3.共基極放大電路共基極放大電路中，基極作為公共端。-靜態(tài)工作點(diǎn)：通過合適的偏置電路設(shè)置三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。-動(dòng)態(tài)分析：輸入信號(hào)從發(fā)射極輸入，輸出信號(hào)從集電極輸出。它具有較高的電壓放大倍數(shù)和較寬的頻帶，但其輸入電阻較小，常用于高頻放大電路。三、基本放大電路的應(yīng)用領(lǐng)域（一）音頻放大在音頻系統(tǒng)中，基本放大電路用于將音頻信號(hào)源（如麥克風(fēng)、CD播放器等）輸出的微弱音頻信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。例如，在小型音響設(shè)備中，共發(fā)射極放大電路可以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行電壓放大，然后通過功率放大電路進(jìn)一步放大功率，使揚(yáng)聲器能夠發(fā)出足夠響亮的聲音。（二）射頻放大在無(wú)線通信系統(tǒng)中，射頻信號(hào)非常微弱，需要進(jìn)行放大才能進(jìn)行后續(xù)的處理和傳輸。共基極放大電路由于其高頻特性良好，常用于射頻放大。例如，在手機(jī)的射頻前端電路中，射頻信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器（一種特殊的放大電路）進(jìn)行放大，以提高信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量。（三）傳感器信號(hào)放大許多傳感器（如壓力傳感器、溫度傳感器等）輸出的信號(hào)非常微弱，需要通過放大電路進(jìn)行放大。例如，壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)可能只有幾毫伏，通過基本放大電路將其放大到合適的幅度，以便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理。四、基本放大電路的設(shè)計(jì)詳解（一）設(shè)計(jì)步驟1.確定設(shè)計(jì)指標(biāo)首先需要明確放大電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、頻率響應(yīng)等。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)音頻放大電路，要求電壓放大倍數(shù)為100，輸入電阻不小于10kΩ，輸出電阻不大于1kΩ。2.選擇合適的電路形式根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的基本放大電路形式。如果需要較高的電壓放大倍數(shù)，可選擇共發(fā)射極放大電路；如果需要進(jìn)行阻抗匹配，可選擇共集電極放大電路；如果用于高頻放大，可選擇共基極放大電路。3.選擇有源元件根據(jù)電路的要求選擇合適的有源元件，如三極管或場(chǎng)效應(yīng)管。需要考慮元件的參數(shù)，如電流放大系數(shù)、耐壓值、頻率特性等。例如，對(duì)于高頻放大電路，應(yīng)選擇特征頻率較高的三極管。4.計(jì)算元件參數(shù)-偏置電阻的計(jì)算：根據(jù)所選的有源元件和靜態(tài)工作點(diǎn)的要求，計(jì)算偏置電阻的阻值。例如，在共發(fā)射極放大電路中，根據(jù)電源電壓、三極管的$V_{BE}$和所需的基極電流，計(jì)算基極偏置電阻的阻值。-負(fù)載電阻的計(jì)算：根據(jù)電壓放大倍數(shù)和輸出電阻的要求，計(jì)算負(fù)載電阻的阻值。例如，根據(jù)共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)公式$A_{V}=-\frac{\betaR_{L}'}{r_{be}}$，已知放大倍數(shù)、$\beta$和$r_{be}$，可以計(jì)算出$R_{L}'$，進(jìn)而確定集電極電阻和負(fù)載電阻的阻值。-耦合電容的選擇：耦合電容的作用是隔直流通交流，其電容值應(yīng)根據(jù)信號(hào)的頻率和電路的要求進(jìn)行選擇。一般來(lái)說，對(duì)于低頻信號(hào)，需要選擇較大的電容值；對(duì)于高頻信號(hào)，電容值可以相對(duì)較小。5.仿真和優(yōu)化使用電子電路仿真軟件（如Multisim、LTspice等）對(duì)設(shè)計(jì)的放大電路進(jìn)行仿真。通過仿真可以驗(yàn)證電路是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，如電壓放大倍數(shù)、頻率響應(yīng)等。如果不滿足要求，需要對(duì)元件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（二）設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)一個(gè)共發(fā)射極放大電路，要求電壓放大倍數(shù)$A_{V}=50$，輸入電阻$R_{i}\geq5k\Omega$，輸出電阻$R_{o}\leq5k\Omega$，電源電壓$V_{CC}=12V$。-選擇三極管：選擇$β=100$的三極管。-確定靜態(tài)工作點(diǎn)：取$I_{CQ}=1mA$，$V_{CEQ}=6V$。-計(jì)算偏置電阻：根據(jù)$I_{CQ}$和$β$，可得$I_{BQ}=\frac{I_{CQ}}{\beta}=10\muA$。由$V_{CC}=I_{BQ}R_{B}+V_{BE}$，取$V_{BE}=0.7V$，可得$R_{B}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{I_{BQ}}=\frac{12-0.7}{10\times10^{-6}}=1.13M\Omega$。為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，采用分壓式偏置電路，重新計(jì)算偏置電阻。-計(jì)算集電極電阻：根據(jù)$V_{CC}=I_{CQ}R_{C}+V_{CEQ}$，可得$R_{C}=\frac{V_{CC}-V_{CEQ}}{I_{CQ}}=\frac{12-6}{1\times10^{-3}}=6k\Omega$。-計(jì)算輸入電阻和輸出電阻：輸入電阻$R_{i}=R_{B1}\parallelR_{B2}\parallelr_{be}$，$r_{be}=r_{bb'}+(1+\beta)\frac{26mV}{I_{EQ}}$，輸出電阻$R_{o}=R_{C}$。通過調(diào)整元件參數(shù)，使輸入電阻和輸出電阻滿足設(shè)計(jì)要求。-仿真和優(yōu)化：使用Multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，觀察電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻是否滿足要求。如果不滿足，調(diào)整偏置電阻和集電極電阻的阻值，直到達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。五、總結(jié)本講深入解析了基本放大電路的原理、應(yīng)用及電路設(shè)計(jì)。通過對(duì)共發(fā)射極、共集電極和共基極三種常見放大電路的