C6.0:晶体管放大器的原理与应用(基极偏置篇)

  将晶体管Q点偏置在负载线中点附近后，如果将一个小的交流信号耦合到基极上，便会产生一个交流的集电极电压，交流集电极电压与交流基极电压波形相似，但是幅度要大了很多，即交流集电极电压是对交流基极电压的放大。

  本篇学习基极偏置放大器，虽然基极偏置放大器不能用于大批量电子产品，但是可以利用它的基本原理来学习放大器的思路，所以具有理论指导意义。

   学习放大器，首当其冲要了解耦合电容，因为耦合电容的作用，才能在不影响放大器Q点稳定工作的时候叠加一个需要放大的交流小信号。

  

  如上图，就是耦合电容的连接方式，由于电容阻抗与频率呈反比，所以电容能够有效阻断直流电压，并且传输交流电压，当频率足够高的时候，容性电抗远小于电阻，几乎全部的交流电压都加载了电阻上，这种情况下使用电容，称为耦合电容。

  因为耦合电容将交流信号耦合或传输到了电阻上，所以交流信号耦合进入放大器的时候，不会影响放大器Q点，这一点很重要。

  而要想耦合电容正常工作，必须了解耦合电容的本质特点，它的电抗值在交流源最低频率下必须远小于电阻值，比如交流源频率是20~20kHz之间变化，那么最坏的情况就是20Hz，所以设计的时候，电容电抗值在20Hz时远小于电阻值，则视为交流电路。

  多小才算足够小？

答：Xc < 0.1R的条件即可，即在最小工作频率下，电抗应小于0.1R，满足10：1的条件时，上图电路可以等效为下图电路。

  

  公式为： Z = √（R² + Xc²）

  最坏的情况下带入公式得，Z = √（R² + （0.1R）²） = 1.005R，最低频率下，阻抗值与R值相差不超过0.5％，所以上图和最上图的电流差，仅仅0.5％的电流误差，所以10：1的准则，近似可以认为耦合电容是交流短路的。

  而且由于直流电压频率为0，所以耦合电容的电抗在零频处为无穷大，因此有两个近似结论：

  1.对直流分析，电容开路。

  2.对交流分析，电容短路。

  除非特殊情况下，绝大部分电路遵循10：1准则，都可以按照这两个近似结论来讨论。

  如果R = 2kΩ，频率范围为20Hz~20kHz，为了较好耦合效果，电容容值选择如何计算？

答：Xc < 0.1R,也就是Xc < 200Ω

  Xc = 1 / （2ΠfC） ，所以C = 1 / （2ΠfXc） = 39.8uF(阻抗计算公式的容值单位是F，注意换算)

  

  而上图所示为基极偏置电路，前文学过计算内容，所以简单说一下，基极直流电压0.7V，由于30V远大于0.7V，所以可以忽略0.7V压降，等效30V，所以基极电流等于30V除以1MΩ，IB = 30uA

  电流增益为100，集电极电流为IC = 3mA。

  Q点电压（集电极对地电压）： VC = 30V - （3mA * 5kΩ） = 15V

  而下图则是增加了耦合电容，来构成放大器电路。

  

  首先是将耦合电容接在交流源和基极之间，根据耦合电容对直流开路，所以电容和交流源存在，并不改变基极直流电流，同样在集电极和100kΩ的负载电阻之间接入的耦合电容也是不影响集电极直流电压，耦合电容主要是防止交流源和负载电阻对Q点的影响。

  由于交流源电压为100uV，耦合电容对交流短路，所以所有的交流电压都加在了基极和地之间，该电压产生的基极交流电流叠加在原来的基极直流电流上，或者说总的基极电流包含直流分量和交流分量。

  而交流分量叠加在直流分量上，在正半周，基极交流电流与30uA基极直流电流相加，负半周则是相减，由于晶体管的电流增益，所以基极交流电流使集电极电流被放大，集电极电流的直流分量为3mA，其上叠加了集电极交流电流，这个被放大的集电极电流流过集电极电阻，在该电阻上产生变化电压，电源电压减去该电压，得到了集电极电压。

  集电极电压也是交流分量叠加在直流分量上，即在15V直流电平上以正弦波变化，该交流电压波形与输入电压反相，两者差180°。

  原因在于当基极交流电流正半周的时候，集电极电流增大，所以集电极电阻上的电压增加，电阻压降增加，对应集电极对地电压就降低，同理当负半周的时候，则集电极对地电压增大。

  本质上就是利用了公式里：VC = VCC - (IC * RC)，利用了这个公式里IC的变化（通过基极交流电流的变化来改变IC变化，紫色字体为核心），进而产生变化的VC，就是利用了放大电流的特性，来放大交流小电压。

  而基极电流变化来源于基极电压的变化，即电阻两端的压差变化，就是交流电压源产生小的正弦电压，电压耦合到基极，叠加在直流0.7V基极电压上，基极电压变化让基极电流、集电极电流、Q点电压都发生正弦变化，集电极总电压是一个叠加在集电极直流电压15V上的反相正弦波。

  输出耦合电容的作用是什么？

答：它对直流开路，所以阻断了所有集电极电压的直流分量，而它又对交流短路，所以集电极电压的交流分量耦合到了负载电阻上，所以负载电压均值为0V的纯交流信号。

  之前学晶体管电流增益引申出βdc，而放大器里的电压放大，自然要有电压增益的公式：

  即交流输出电压与交流输入电压 的比，Av = Vout / Vin

  如果交流负载电压为50mV，交流输入电压为100uV，则电压增益为 Av = 50mV / 100uV = 500

  所以交流输出电压是交流输入电压的500倍。

  需要注意的是，世界上第一个晶体管高保真音频放大器系统在1955年诞生。

  

  注：以上仅个人观点，如有错误，恳请批评指正