放大电路基础

什么是放大

放大 — 用小信号控制大信号，输出是输入的线性放大版本。

Vin (小信号) → [放大器] → Vout (大信号, 与 Vin 成比例)

Av (电压增益) = Vout / Vin
Ai (电流增益) = Iout / Iin
Ap (功率增益) = Pout / Pin

增益常用分贝 (dB):
  Av(dB) = 20 × log₁₀(Vout/Vin)
  Ap(dB) = 10 × log₁₀(Pout/Pin)

偏置 (Biasing)

为什么要偏置

放大器需要直流工作点，让信号在器件的线性区摆动。

无偏置:         有偏置:
   ↑ Vout         ↑ Vout
   │  ┌──┐        │    ╱╲
   │  │  │        │   ╱  ╲   ← 完整波形
   │──┘  └──      │──╱    ╲──
   └─ 被削波      └─────────

BJT 分压偏置 (最常用)

         Vcc
          │
          R1
          │
    ┌─────┼── Base
    │     │     Vb = Vcc × R2/(R1+R2)
    R2    Re     Ve = Vb - 0.7V
    │     │     Ic ≈ Ie = Ve/Re
    └─────┼── GND

Re 是关键: 提供负反馈稳定工作点
Ce (并联 Re) 可选: 旁路交流信号提升增益

三种基本组态

共发射极 / 共源极 (CE/CS) — 主力放大器

          Vcc
           │
           Rc
           │
        ┌──┴── Vout  (反相!)
        │
      C │
Vin ─┤├─B   NPN
  Rb   │
       E │
         │
         Re
         │
        GND

特点:
  Av = -gm × Rc  (高增益，反相)
  Rin ≈ Rb ∥ rπ  (中等)
  Rout ≈ Rc       (中等)
用途: 电压放大主力

共集电极 / 共漏极 (CC/CD) — 射极/源极跟随器

特点:
  Av ≈ 1   (不反相)
  Rin 高   (大阻抗隔离)
  Rout 低  (能驱动低阻负载)

"跟随器" = 输出电压跟随输入电压
用途: 缓冲器、阻抗变换、输出级
应用: 电压跟随器是任何需要"看进去阻抗很大、输出阻抗很小"的地方

共基极 / 共栅极 (CB/CG)

特点:
  Av 高
  Rin 很低
  带宽大 (无米勒效应)
用途: 高频放大、电流缓冲

三组态对比

频率响应

带宽限制来源

低频衰减: 耦合电容 (隔直通交)
高频衰减: 寄生电容 (米勒效应)

      Av
      ↑
  Av(mid) ┌──────────┐
          │  平坦区   │
  -3dB ───┼──────────┼───
         ╱            ╲
        ╱   BW带宽     ╲
  ─────┴──────────────┴─────→ f
       fL            fH

BW = fH - fL  (通常 fH >> fL, 所以 BW ≈ fH)

米勒效应

共射极中，Ccb 跨接在输入和输出之间:
  Cin(miller) = Ccb × (1 + |Av|)

电容被放大 (1+|Av|) 倍!
→ 这是高频响应受限的主要原因
→ 共基极没有米勒效应 → 适合高频

负反馈

为什么加反馈

开环: 增益高但不稳定、失真大、带宽窄
闭环: 牺牲增益换取稳定、低失真、宽带宽

闭环增益: Af = A / (1 + Aβ)
  A: 开环增益
  β: 反馈系数

若 Aβ >> 1: Af ≈ 1/β  (增益完全由外部元件决定!)

四种反馈拓扑

失真

谐波失真 (THD): 输入正弦波，输出含谐波
交越失真: 推挽输出级在过零点附近"死区"
削波: 信号超过电源轨 → 截顶
饱和/截止: 晶体管工作点偏离线性区

关键词: 放大器, 偏置, 共射极, 射极跟随器, 增益, 带宽, 米勒效应, 负反馈