晶体管放大器

放大器是一种电路，其输入端接收电子信号，并在输出端产生更大的信号。这通常指的是电压，但也可以是电流、噪声或功率。在本文中，我们将介绍最常见且最实用的电压放大器。这些放大器通常分为音频放大器 (AF) 或射频放大器 (RF)。它们的频率范围决定了它们的性能，而频率范围又决定了要使用的元件类型。

音频放大器是指工作频率在 10Hz 至 30kHz 之间的放大器。无线电放大器的工作频率高于此范围，最高可达数 GHz。

在示例项目中，我们将使用 0-20kHz 范围内的音频放大器，重点关注低噪声和低失真。我们还将使用无线电放大器，频率范围通常为 500kHz 至数十 GHz，两者之间有一个灰色区域，通常用于超声波和视频信号，这两种技术都可以使用。无线电信号或射频放大器是完全不同的放大器类型，我们将在另一篇文章中详细介绍。

1、增益

增益是指放大倍数以及输出信号与输入信号的比率。电压增益通常用于小信号放大器（例如运算放大器）；功率增益用于功率放大器（例如高保真放大器或发射放大器）。我们可能会将增益称为“倍”或“X”，例如 10X，这意味着输出电压是输入电压的十倍。值得一提的是，它们可能具有不同的电阻，这会影响可提供的有用功率。增益也通常以 dB 为单位，其中，
$$20\log \frac{V_{out}}{V_{in}}$$
和功率增益为：
$$10\log \frac{P_{out}}{P_{in}}$$
这意味着10倍的电压增益为20log10或20dB，而100x的电压增益为40dB。

但为什么要这样做呢？在多级系统中，每个放大器的增益可能不同，在射频系统中，甚至衰减也不同。因此，只需将它们相加即可得到系统总增益。

对于功率放大器来说，这一点尤为重要。假设你有一个放大器，输入电阻为 50kΩ，输出电阻为 8Ω，你测量的输入电压为 10V，输出电压也为 10V。你可能会误以为增益为 1。输入功率为
$$V^2/R=10^2/50k=2mW$$
输出功率为
$$10^2/8=12.5W$$
功率增益为
$$10log(12.5/2\ast 10-3)=38dB$$
而电压增益为 0dB。

2、带驻极体麦克风的共射极放大器

设计晶体管放大器并不难。你只需要一些假设，以及一些关于你将要使用的晶体管的数据。晶体管的选择取决于频率范围和功率水平。在这里，我们制作一个小信号音频放大器，可以使用数百种晶体管中的任何一种。因此，我们选择著名的 BC337。

发射极中有一个“隐藏”的电阻 Re。虽然你无法用万用表测量，但它确实存在。Re 的动态值取决于集电极电流 Ic，即 Re = 25/Ic，其中 Ic 的单位是 mA。因此，如果 Ic 为 10mA，则 Re = 2.5Ω。另一个需要了解的重要信息是，晶体管的电流增益可以近似为 Ic/Ib，称为 hfe。对于小型晶体管，hfe 通常为 50 到 1000。在本设计中，晶体管的选择并不重要；几乎任何小信号 NPN 型晶体管都可以。

任何晶体管要工作，都需要偏置。这意味着基极电压要比发射极高 0.6V。除此之外，我们还需要考虑信号余量和输入阻抗。我们在输入端设置的任何电压都会影响输出电压。输出电压是一个直流偏移，我们希望它对我们有利。集电极电阻的选择及其流过的电流将决定这一点。

首先要假设的是该电路将驱动什么——它的输出电阻必须是多少。我们的输出电阻应该至少比下一级低 2 到 5 倍。因此，我们假设下一级的输入电阻为 47kΩ，输出电阻为 10kΩ。我们只需将 R1 设为 110kΩ 即可（这略微简化，但已经足够接近了）。

下一个假设是，我们不希望输出失真，因为其中一个半周期会被削波。我们希望将 Q1 的集电极电压设置为一半。因此，如果 R1 为 10kΩ，其两端的电压为 1/2，即 6V，则流过 R1 的电流为 V/R = 6/10000 = 0.6mA。这就是我们的集电极电流，现在我们可以计算出 re=25/Ic = 42Ω。我们稍后会用到这个值。

为了获得稳定性和良好的偏置效果，我们希望 Q1 的发射极电压约为 1V。这将允许 Q1 基极有一个合理的信号摆幅。因此，为了在已知流过 R2 的电流为 0.6mA 的情况下获得 1V 电压，R2 = V/I = 1/0.6 = 1.6kΩ，我们将其设为 1kΩ。这会稍微改变发射极电压，因此 V=IR = 0.6*1500 = 0.9V。

现在，基极电压始终比发射极电压高 0.6V，流入发射极的电流为 Icollector/hfe。BC337 的数据手册显示 hfe 为 600。为了安全起见，我们假设 hfe 略低一些，比如 200。因此 Ibase 为 0.6/200 = 0.003mA。为了稳定起见，我们将流过分压器 R3、R4 的电流增大 10 倍，即 0.03mA，因此 R4 两端的电压为 0.9 + 0.6 = 1.5，流过的电流为 0.03，R4 = V/I = 1.5/0.03 = 50kΩ。我们将其设为标准值 47kΩ。这会稍微改变电流，使其变为 1.5/47kΩ = 0.032mA。R3 一端为 12V，另一端为 1.5V。其两端电压变为 12V - 1.5V = 10.5V，因此 R3 = V/I = 10.5/0.032 = 328kΩ。将其标准值设为 330kΩ。R5 与晶体管设计无关。它为驻极体麦克风提供供电电压（驻极体麦克风内部有一个静电电容，耦合到一个小的场效应晶体管 (FET)），通常值为 10kΩ。

现在，我们可以预期增益是多少？增益为 R1/R2+re = 10kΩ/1kΩ5+42 = 6.48Ω。这没什么用，但我们可以通过用电容 C3 交流旁路 R2 来提高增益，只留下 re。直流条件保持不变，但增益现在为 1500/42 = 35。我们必须使 C3 的电抗值在最低频率 40Hz 时等于 R2，因此 C3 = 1/2πfXc = 2.6uF。因此，取其值为 10uF。

剩下的设计是输入和输出电容。C1 很简单。输入电阻是 R3 并联 R4 再并联 R2+re*hfe 的组合，即 (1k5+42)200 = 300kΩ。它比 R4 略小，比如说 40kΩ，但在我们想要放大的最低频率下，它的容抗必须等于 R4。如果我们选择 40Hz，Xc = 1/(2πfC)，则 C = 1/2πfXc = 0.39uF。同理，C2 = 1/2π4010k = 0.4uF。因此，取1uF。

我们设计的下一步是添加一个缓冲晶体管，以增加输出驱动能力，从而驱动小型（高阻抗）扬声器。这被称为射极跟随器。它没有电压增益，但输出阻抗要低得多。我们还将添加一些直流负反馈来“锁定”Q1的偏置。添加反馈的放大器如下图所示：

唯一需要改变的元件是 R3 和 C4；C2 已被 C4 取代。如果没有 C4，扬声器上就会有一个直流偏移。我们需要知道负载的阻抗，也就是扬声器的阻抗。这个简单的电路无法驱动 8Ω 扬声器；你需要一个功率放大器来实现。假设我们使用一个阻抗约为 100Ω 的手机耳机。对于 12V pp 摆幅，其功率约为 1W，这对于这个简单的电路来说是很大的，射极跟随器的静态直流功率应该等于这个功率，这样晶体管中就会有 100mA 的电流，这远远超出了它的能力。我们将降低预期，允许 Q2 中的最大电流为 10mA。由于 Q2 发射极为 6-0.6V = 5.4V，则 R6=5.4/0.01 = 540，即 560Ω。 R3 现在不再连接到 12V，而是连接到 6V，其值变为 (6-1.5)/0.03 = 150K。C4 现在是 1/2π40*100 = 25uF。

最终设计结果

3、结果验证

我们将设计组装到面包板上，看看结果与我们的设计是否匹配。

直流条件（无信号）：

Q1 集电极电压 6.8V，基极电压 1.36V，发射极电压 0.98V，非常接近！

Q2发射极电压6.1V，完美！

信号发生器输入，输出无负载时的交流测试结果：

不带C3，输入电压1.68Vpp时，无失真Vswing为9.6Vpp，增益为5.7。

估算增益为R1/R2 = 10/1.5 = 6.6。

带C3，输入电压50mV时，无失真Vswing为6.7Vpp，增益为6.8/0.05 = 136。

估计增益 10k/42 = 238，这是意料之外的差异吗？这是因为 C3 的串联电阻不为零。

这个小放大器不太适合驱动平均阻抗的扬声器。这里连接了一个 300Ω 的耳机，发现通过使 R6=390Ω 来大幅增加 Q2 的集电极电流，我能够获得 4Vpp 的无失真输出摆幅。

至此，我们完成了一个两级音频放大器的严格组件级设计。如果您遵循这些设计规则，您应该能够设计出自己的放大器。