第三阶段：基本放大电路

>d  **目标**：掌握单级放大电路的分析与设计，理解三极管的放大原理，学会计算增益和阻抗。

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### **1. 共射极放大电路（最常用）**
**1.1 电路结构与作用**  
- **元件组成**  
  - 三极管（NPN型）、基极偏置电阻（R1/R2）、集电极电阻（Rc）、发射极电阻（Re）、输入/输出耦合电容（C1/C2）。  
  - **电容的作用**：隔离直流通路，仅允许交流信号通过。  
- **核心原理**  
  - 三极管工作在**放大区**（发射结正偏，集电结反偏），基极电流的小幅变化会引发集电极电流的大幅变化。

**1.2 静态工作点（Q点）设置**  
- **Q点的意义**：在无信号输入时，确定三极管的直流工作状态（\( I_B \)、\( I_C \)、\( V_{CE} \)），避免信号失真。  
- **关键计算步骤**：  
  1. **基极偏置电压**（分压式偏置）：  
     - \( V_B = \frac{R2}{R1+R2} \times V_{CC} \) （近似值）  
  2. **发射极电压**：  
     - \( V_E = V_B - V_{BE} \) （硅管 \( V_{BE} ≈ 0.7V \)）  
  3. **发射极电流**：  
     - \( I_E = V_E / R_e \)  
  4. **集电极电流**：  
     - \( I_C ≈ I_E \)（忽略基极电流）  
  5. **集电极电压**：  
     - \( V_C = V_{CC} - I_C \times R_c \)  
  6. **集射极电压**：  
     - \( V_{CE} = V_C - V_E \)

**难点解析**：  
- **Q点为何要设置在放大区中间**？  
  - 防止交流信号引起的电压变化超出三极管的线性范围，避免**饱和失真**（\( V_{CE} \)过小）或**截止失真**（\( I_C \)接近0）。  
- **Re电阻的作用**：稳定Q点（负反馈），防止温度变化导致工作点漂移。

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### **2. 小信号等效模型与交流分析**（需重点突破）  
**2.1 三极管的小信号模型**  
- **简化模型**：  
  - 三极管等效为一个**受控电流源**（\( β \times i_b \)），忽略非线性特性（仅对交流信号有效）。  
- **交流等效电路**：  
  - 将所有电容视为短路（高频容抗低），直流电源视为短路（交流地）。

**2.2 关键参数计算**  
1. **电压增益（Av）**：  
   - \( A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} = -g_m \times R_c \parallel R_L \)（负号表示反相）  
   - **跨导\( g_m \)**：  
     - \( g_m = I_C / V_T \)（\( V_T ≈ 26mV \) 热电压，25℃时）  
2. **输入阻抗（Z_in）**：  
   - \( Z_{in} ≈ R1 \parallel R2 \parallel (β \times r_e) \)（\( r_e = V_T / I_E \)）  
3. **输出阻抗（Z_out）**：  
   - \( Z_{out} ≈ R_c \)

**难点解析**：  
- **为何输入阻抗与β相关**？  
  - 基极电流输入时，等效阻抗为 \( β \times r_e \)，体现了三极管的电流放大能力。  
- **电压增益负号的意义**：  
  - 输出信号与输入信号相位相反（共射极电路的特性）。

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### **3. 共集电极电路（射极跟随器）**  
**3.1 电路特点**  
- 信号从发射极输出，电压增益接近1（\( A_v ≈ 1 \)），电流增益大。  
- **输入阻抗高**：适合连接高阻抗信号源。  
- **输出阻抗低**：适合驱动低阻抗负载。

**3.2 应用场景**  
- **阻抗匹配**：作为缓冲级，防止前级电路被负载影响。  
- **示例**：将高阻抗麦克风信号传递给低阻抗音频放大器输入级。

**难点解析**：  
- **为何电压增益≈1**？  
  - 输出电压 \( V_{out} = V_{in} - V_{BE} \)（近似跟随输入信号，牺牲电压增益换取阻抗匹配）。

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### **4. 差分放大电路（运算放大器的基础）**  
**4.1 核心结构**  
- 两个对称的三极管（Q1/Q2），共享发射极电阻（Re）或电流源。  
- 双端输入（Vin+、Vin-）、双端输出（Vo+、Vo-）。

**4.2 特性与优点**  
- **抑制共模信号**（如温度漂移、电源噪声）。  
- **放大差模信号**（如传感器微小电压差）。  
- **共模抑制比（CMRR）** 衡量性能优劣（越大越好）。

**难点解析**：  
- **如何抑制共模信号**？  
  - 对称的电路结构使共模信号在输出端相减抵消（理想情况下输出为零）。  
- **为何用电流源代替Re**？  
  - 电流源动态电阻极大，增强共模抑制能力。

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### **本阶段常见问题总结**  
1. **静态工作点如何影响信号放大**？  
   - Q点过高（靠近饱和区）→ 信号上半周被削波（饱和失真）。  
   - Q点过低（靠近截止区）→ 信号下半周被削波（截止失真）。  
2. **发射极旁路电容（Ce）的作用**？  
   - 短路Re的交流阻抗，消除Re对交流信号的负反馈（提高增益）。  
3. **如何选择Rc和Re的阻值**？  
   - Rc决定增益和输出阻抗，Re提供直流负反馈（稳定Q点）。

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### **实验与仿真建议**  
1. **动手搭建共射极放大电路**：  
   - 使用NPN三极管（如2N3904）、分压偏置电路，用示波器观察输入/输出波形，调整Rc/Re看增益变化。  
2. **LTspice仿真步骤**：  
   - 搭建电路，添加交流信号源，进行瞬态分析（时域波形）和AC扫描（频率响应）。  
3. **示波器测量技巧**：  
   - 通过波形失真（平顶或底部消失）判断Q点是否合理。

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通过这一阶段的学习，你将掌握三极管的放大机制，学会用理论指导电路设计，并理解实际应用中常见问题的根源。下一步将进入反馈、频率响应等更复杂系统的学习！