C6.2:小信号、交流电流增益分析

  

  上图是发射结电流-电压特性曲线，会发现当交流电压耦合到晶体管基极的时候，该电流电压将加在发射结上，VBE呈现正弦的变化，如图下面的正弦变化。

  当交流电压增加到正的峰值点的时候，瞬态工作点由Q点移动到了最上面那个点，反之当交流电压减小到负的峰值点的时候，瞬态工作点从Q点移动到了最下面的点，总的来说就是VBE以直流电压为中心的交流电压，如上图所示，交流电压的幅度决定了瞬态工作点偏离Q点的距离，基极的交流电压越大，产生的偏离越大，基极交流电压越小，产生偏离越小。

  而且根据上图所示，可以发现基极的交流电压产生同频的发射极交流电流，比如驱动基极的交流信号源频率为1KHz，则发射极电流频率 也是1KHz，且发射极交流电压波形与基极交流电流波形基本相同，若基极交流电压为正弦，则发射极交流电压也近似正弦。

  由于特性曲线的弯曲，发射极交流电压并不是基极交流电压的完美复制，曲线向上弯曲的时候，发射极交流电流的正半周被拉长，而负半周被压缩，这种在两个半周被拉伸与压缩的现象叫失真，在高精度放大器中，最不喜欢见到失真现象，因为失真意味着语音或音乐的音质会发生改变。

  至于电流失真的物理原因，参考上文C6.1的旁路电容和基极交流电流关系的讨论寻找结果。

  那么如何减少失真？

答：最简单的方法就是让基极交流电压保持在小幅度，这样基极电压峰值降低后，瞬态工作点的移动范围减小，变化幅度减小后，对应曲线的弯曲程度就减小，自然信号足够小的时候，曲线呈现线性特性。

  放大器在小信号下工作很重要，因为对于小信号来说，失真可以忽略，当信号幅度很小时，特性曲线近似为线性，发射极交流电流的变化几乎与基极交流电压的变化成正比，即如果基极交流电压是幅度足够小的正弦波，那么发射极交流电流也是幅度很小的正弦波，它在两个半周的波形没有明显拉伸或压缩。

  对于设计放大器的公式准则，依旧沿用之前的10％准则，发射极总电流包含直流分量和交流分量，IE = IEQ + ie，IE为发射极总电流，IEQ为发射极直流电流，ie为发射极交流电流。

  为了失真减小，ie的峰值必须比IEQ小，小信号工作条件定义为：ie（pp） < 0.1 IEQ

  即发射极交流电流的峰峰值小于发射极直流电流的10％时，称该交流信号为小信号，例如发射极直流电流为10mA，则为了小信号工作条件成立，发射极电流的峰值必须小于1mA。

  满足10％准则的放大器叫小信号放大器，这种放大器应用于收音机或电视接收机的前端，因为天线接收到的信号非常微弱，当信号被耦合到晶体管放大器时，发射极产生的电流变化很小，远小于10％准则所要求的幅度。

  学习完小信号，进而引申出交流电流增益的讨论，前文的电流增益都是指的直流电流增益，定义为：                                                         βdc = IC / IB

  公式中电流为下图Q点的电流，由于IC-IB特性曲线是弯曲的，所以直流电流增益与Q点有关。

  

  交流电流增益等于变化量之比。

  而交流电流增益与直流电流增益不同，它的定义为：β = ic / ib

  即交流电流增益等于集电极交流电流除以基极交流电流，上图中，交流信号只用到Q点两侧曲线很小的部分，因此交流电流增益的值不同于直流电流增益，后者几乎用到整条曲线。

  由图可见，β等于曲线在Q点的斜率，若将晶体管偏置在另一个Q点，则曲线斜率会有所变化，即β会发生改变，所以β取值决定于全部集电极直流电流的总值，

  数据手册里，βdc以hFE表示，β以hfe表示，需要注意大小写下标的区分，两种增益在数值上大概相当，因此初步分析可以用其中一个值去代替另一个。

  至于区分直流量和交流量，采用的标准是大小写区分，直流采用大写，交流采用小写，直流不必多说，而交流则比如ie、ic、ib表示交流电流，ve、vc、vb表示交流电压，vbe、vce、vcb表示节点间交流电压，还有需要单独说明的是大写字母R表示直流电阻，小写字母r表示交流电阻。

  注：以上仅个人观点，如有错误，恳请批评指正