靜態(tài)工作點(diǎn)與放大電路性能的關(guān)系

毛戰(zhàn)華　張愛英

摘 要： 以單管共射放大電路為例，討論放大電路中靜態(tài)工作點(diǎn)與動(dòng)態(tài)參數(shù)、輸出波形的關(guān)系，得出調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的可行辦法，有利于理解和掌握模擬放大電路的原理與實(shí)質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 放大電路； 靜態(tài)工作點(diǎn)； 失真； 電壓放大倍數(shù)

中圖分類號(hào)： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）09?0142?03

0 引 言

在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中，放大電路是最基本的電路。分析放大電路就是求解靜態(tài)工作點(diǎn)和各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)[1]，對(duì)放大電路的分析，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)”的原則，只有靜態(tài)工作點(diǎn)合適，動(dòng)態(tài)分析才有意義，放大電路才可能有較好的輸出波形[1]。在此，以單管共射放大電路為例來闡述靜態(tài)工作點(diǎn)與放大電路輸出波形和動(dòng)態(tài)參數(shù)的關(guān)系。

1 靜態(tài)工作點(diǎn)

放大電路的核心元件是晶體管（或場(chǎng)效應(yīng)管）。當(dāng)輸入信號(hào)為零，即靜態(tài)時(shí)，晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管各電極間的電壓和電流稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，即[Q]點(diǎn)。利用Multisim電路仿真軟件搭建單管共射放大電路[2]，如圖1所示。對(duì)該電路來說，[Q]點(diǎn)為靜態(tài)時(shí)晶體管基極電流[IBQ、]集電極電流[ICQ，]b-e間電壓[UBEQ]和管壓降[UCEQ。]

對(duì)于一個(gè)放大電路，只有在輸入信號(hào)的任意時(shí)刻晶體管都工作在放大區(qū)或場(chǎng)效應(yīng)管都工作在恒流區(qū)，輸出信號(hào)才不會(huì)失真。為此放大電路必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)[Q，]使有輸入信號(hào)作用時(shí)產(chǎn)生的交流分量馱載在靜態(tài)時(shí)的直流分量之上，保證晶體管在輸入信號(hào)變化的過程中始終工作在放大區(qū)[1]。

如圖1所示電路，靜態(tài)工作點(diǎn)求取表達(dá)式為：

[IBQ=VCC-UBEQRb1+Rb2] （1）

[ICQ=βIBQ] （2）

[UCEQ=VCC-ICQ?RC] （3）

理論上，可以通過調(diào)節(jié)[Rb2，][RC]或更換晶體三極管的方法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與調(diào)整。

圖1 單管共射放大電路

靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解求取，如圖2所示。圖2（a）中，放大電路輸入回路負(fù)載線[UBE=VCC-iB（Rb1+Rb2）]與晶體管輸入特性曲線交于[Q]點(diǎn)，確定出[IBQ]和[UBEQ；]圖2（b）中，輸出回路直流負(fù)載線[uCE=VCC-iCRC]與晶體管輸出特性曲線交于[Q]點(diǎn)，確定出[ICQ]和[UCEQ。]

圖2 圖解法求解靜態(tài)工作點(diǎn)

2 [Q]點(diǎn)與放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)的關(guān)系

對(duì)圖 1所示電路電壓放大倍數(shù)：

[Au=-β（RC∥RL）rbe] （4）

輸入電阻：

[Ri=Rb∥rbe] （5）

輸出電阻：

[Ro=RC] （6）

式中：[rbe=rbb+（1+β）26IEQ，][IEQ]為晶體管的靜態(tài)發(fā)射極電流，從理論上看，也可以通過調(diào)節(jié)[Rb2，][RC]或更換三極管來改變放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)。同時(shí)，應(yīng)該注意到，放大電路的[Au，][Ri]均與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。因此，改變靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，要顧及到對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響；同樣，調(diào)整動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，也要顧及到靜態(tài)工作點(diǎn)，保證電路輸出不失真。

下面分析這三種方法是否合理且行之有效。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)電路某一參數(shù)變化時(shí)，其余參數(shù)不變。

（1） 減小[Rb2]時(shí)，根據(jù)式（1）～式（3）和圖2可知，[IBQ]增大，[ICQ]增大，[UCEQ]減小，[Q]點(diǎn)升高，沿直流負(fù)載線上移，向飽和區(qū)靠近，輸出易出現(xiàn)飽和失真；而根據(jù)[rbe=rbb+（1+β）26IEQ，][rbe]是減小的， 由式（4），式（5）得[Au]增大，放大能力提高，[Ri]減小，從信號(hào)源索取電流增大。增大[Rb2]時(shí)的情況相反。因此，靠調(diào)節(jié)基極電阻改變[Q]點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的辦法是行之有效的，但要同時(shí)關(guān)注調(diào)節(jié)過程中[Q]點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化，既滿足動(dòng)態(tài)參數(shù)的要求，輸出波形又不失真，不能顧此失彼。

（2） 增大[RC]時(shí)，根據(jù)式（3）和圖2可知，雖然[ICQ]不變，但[UCEQ]減小，[Q]點(diǎn)向飽和區(qū)靠近，輸出易出現(xiàn)飽和失真；[RC]增大，[Au]增大，放大能力提高，[Ro=RC，]輸出電阻增大，使電路帶負(fù)載能力變?nèi)?。因此，靠調(diào)節(jié)[RC]改變[Q]點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的辦法實(shí)際上是不可取的。

（3） 更換大[β]值的晶體管。通常，晶體管基區(qū)電阻[rbb?（1+β）26IEQ，]且[β?1，]得：

[Au≈-ICQ（RC∥RL）26]

說明換大[β]值的晶體管對(duì)[Au]改變不明顯，但[Ri]變大（信號(hào)電壓損失變?。?，因?yàn)樵赱IEQ]不變情況下，[β]值大的管子其[rbe]也大；同時(shí)在[IBQ]不變情況下，增大[β]會(huì)增大[ICQ，]使[Q]點(diǎn)沿直流負(fù)載線上移，易出現(xiàn)飽和失真。因此，靠更換晶體管的方法可以用于改變[Q]點(diǎn)和輸入電阻參數(shù)，在這過程中同樣要二者兼顧。

3 [Q]點(diǎn)對(duì)輸出波形非線性失真的影響

當(dāng)放大電路工作時(shí)，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，使輸出波形失去了輸入波形的形狀，產(chǎn)生失真，這種失真是由于晶體管的非線性造成的，稱為非線性失真[3]。

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)[Q]點(diǎn)合適，輸出為不失真波形；當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)[Q]過低，離截止區(qū)較近，在輸入信號(hào)負(fù)半周靠近峰值的某段時(shí)間，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓產(chǎn)生頂部失真，即截止失真。當(dāng)[Q]點(diǎn)過高，離飽和區(qū)較近，在輸入信號(hào)正半周靠近峰值的某段時(shí)間，晶體管處在飽和區(qū)，輸出波形產(chǎn)生底部失真，即飽和失真。

利用Multisim電路仿真軟件[4?6]，觀察圖1所示單管放大電路[Q]點(diǎn)不合適時(shí)輸出波形的失真現(xiàn)象。為了更好地觀察到失真現(xiàn)象，輸入信號(hào)增至10 mV，此時(shí)輸出波形為最大不失真信號(hào)，設(shè)置電路中可調(diào)電位器[Rb2]按1%比例變化。

（1） 單擊選中電位器[Rb2，]按shift+A鍵[4]，將[Rb2]按百分比減小，[Q]點(diǎn)沿直流負(fù)載線向上移動(dòng)，當(dāng)[Rb2]接入基極的電阻部分比例為11%時(shí)，輸出電壓波形開始產(chǎn)生底部失真，即飽和失真，如圖3所示，上面的波形是輸出波形。[Rb2]越小，失真越明顯。

圖3 飽和失真波形

（2） 單擊選中電位器[Rb2，]按A鍵，將[Rb2]按百分比增大，[Q]點(diǎn)沿直流負(fù)載線向下移動(dòng)，當(dāng)[Rb2]接入基極的電阻部分比例為49%時(shí)，輸出電壓波形開始產(chǎn)生較明顯的頂部失真，即截止失真，如圖4所示，上面的波形是輸出波形。[Rb2]越大，失真越明顯。

圖4 截止失真波形

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，單管共射放大電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)[Rb2，][RC]或更換三極管來改變。靜態(tài)工作點(diǎn)的位置影響放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)，而動(dòng)態(tài)參數(shù)的改變也影響靜態(tài)工作點(diǎn)，無論對(duì)哪方進(jìn)行調(diào)整，都不能顧此失彼，只有這些影響在允許的范圍內(nèi)，選用的方法才是合適的。

注：本文通訊作者為張愛英。

參考文獻(xiàn)

[1] 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 石嘉順.基于Multisim環(huán)境下的電路設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007，24（12）：169?172.

[3] 宋學(xué)君.模擬電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[4] 張新喜.Multisim 10電路仿真及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5] 許曉華.Multisim 10計(jì)算機(jī)仿真及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6] 曹鴻霞，冒曉莉，張加宏.Multisim 10在單管共射放大電路中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（14）：169?172.

[7] 羅庚興，張艷.基于Multisim 10的晶閘管調(diào)光電路的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（10）：186?188.

[8] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim10仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（18）：172?174.

利用Multisim電路仿真軟件[4?6]，觀察圖1所示單管放大電路[Q]點(diǎn)不合適時(shí)輸出波形的失真現(xiàn)象。為了更好地觀察到失真現(xiàn)象，輸入信號(hào)增至10 mV，此時(shí)輸出波形為最大不失真信號(hào)，設(shè)置電路中可調(diào)電位器[Rb2]按1%比例變化。

（1） 單擊選中電位器[Rb2，]按shift+A鍵[4]，將[Rb2]按百分比減小，[Q]點(diǎn)沿直流負(fù)載線向上移動(dòng)，當(dāng)[Rb2]接入基極的電阻部分比例為11%時(shí)，輸出電壓波形開始產(chǎn)生底部失真，即飽和失真，如圖3所示，上面的波形是輸出波形。[Rb2]越小，失真越明顯。

圖3 飽和失真波形

（2） 單擊選中電位器[Rb2，]按A鍵，將[Rb2]按百分比增大，[Q]點(diǎn)沿直流負(fù)載線向下移動(dòng)，當(dāng)[Rb2]接入基極的電阻部分比例為49%時(shí)，輸出電壓波形開始產(chǎn)生較明顯的頂部失真，即截止失真，如圖4所示，上面的波形是輸出波形。[Rb2]越大，失真越明顯。

圖4 截止失真波形

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，單管共射放大電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)[Rb2，][RC]或更換三極管來改變。靜態(tài)工作點(diǎn)的位置影響放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)，而動(dòng)態(tài)參數(shù)的改變也影響靜態(tài)工作點(diǎn)，無論對(duì)哪方進(jìn)行調(diào)整，都不能顧此失彼，只有這些影響在允許的范圍內(nèi)，選用的方法才是合適的。

注：本文通訊作者為張愛英。

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[8] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim10仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（18）：172?174.

利用Multisim電路仿真軟件[4?6]，觀察圖1所示單管放大電路[Q]點(diǎn)不合適時(shí)輸出波形的失真現(xiàn)象。為了更好地觀察到失真現(xiàn)象，輸入信號(hào)增至10 mV，此時(shí)輸出波形為最大不失真信號(hào)，設(shè)置電路中可調(diào)電位器[Rb2]按1%比例變化。

（1） 單擊選中電位器[Rb2，]按shift+A鍵[4]，將[Rb2]按百分比減小，[Q]點(diǎn)沿直流負(fù)載線向上移動(dòng)，當(dāng)[Rb2]接入基極的電阻部分比例為11%時(shí)，輸出電壓波形開始產(chǎn)生底部失真，即飽和失真，如圖3所示，上面的波形是輸出波形。[Rb2]越小，失真越明顯。

圖3 飽和失真波形

（2） 單擊選中電位器[Rb2，]按A鍵，將[Rb2]按百分比增大，[Q]點(diǎn)沿直流負(fù)載線向下移動(dòng)，當(dāng)[Rb2]接入基極的電阻部分比例為49%時(shí)，輸出電壓波形開始產(chǎn)生較明顯的頂部失真，即截止失真，如圖4所示，上面的波形是輸出波形。[Rb2]越大，失真越明顯。

圖4 截止失真波形

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，單管共射放大電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)[Rb2，][RC]或更換三極管來改變。靜態(tài)工作點(diǎn)的位置影響放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)，而動(dòng)態(tài)參數(shù)的改變也影響靜態(tài)工作點(diǎn)，無論對(duì)哪方進(jìn)行調(diào)整，都不能顧此失彼，只有這些影響在允許的范圍內(nèi)，選用的方法才是合適的。

注：本文通訊作者為張愛英。

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