淺析單管共射放大電路組成及靜態(tài)工作點的設置

佘登波

中職學校一年級的學生在初次接觸單管共射放大電路時，對于電路的輸入端與輸出端的關系、電路中的各個組成及各元件的作用、電路的一些特性等都難以理解。通過對《電子技術》的學習，學生們知道了放大電路最基本的要求是：一不失真，二要放大。所謂的不失真，就是把信號按照一定的倍數，不走樣的放大出去。也就是說對于輸入信號的每一個點，都應該是一種線性的關系放大。只有在不失真的情況下，放大才是有意義的。下面以單管共射放大電路為例，來談談對單管共射放大電路的理解。

一、電路組成及各元件作用

先來看單管共射放大電路的組成（如圖 1）：在這個電路中，VCC是為放大器提供電壓的直流電源，ui是輸入電壓，uo是輸出電壓。在圖 1 這個電路中，這三個電壓有一個公共“點”，我們稱之為“地”端。也就是說，在這里，無論是研究直流信號，還是研究動態(tài)的信號，都是以這個公共點做為參考點的。所以在電路畫法中，VCC 、ui 、uo 電壓的負極都是指“地”端。在這個電路中，三極管是起放大作用的核心器件，所有器件以及它們參數的選擇，都應該圍繞著三極管的正常工作展開。

下面就對圖 1 中的單管共射放大電路中的各電子元件進行分析。

先來談談對電源電壓+VCC的理解：+VCC一方面通過電阻Rb給三極管的發(fā)射結（也就是 b、e 之間）一個正向電壓，這樣可以使三極管處于一個正向偏置電壓；另一方面它又通過Rc這個電阻將電壓加到了集電極上，如果選取合適的Rb、Rc，那么集電極的電位就可以比基極的電位高。簡言之，+VCC可以保證集電結處在反向偏置。所以+VCC起到了兩個作用：一是使得發(fā)射結處于正向偏置，b、e 之間的電壓大于死區(qū)電壓；另一個則是使集電結處于反向偏置。這也是三極管處于放大作用的兩個外部必備條件。也就是說，+VCC可以提供滿足三極管放大作用的外部必備條件。

再來談談放大電路中電阻的作用：Rb叫做基極回路電阻，它的作用就是和+VCC共同確定一個合適的IB。Rc叫做集電極電阻，在整個電路中，起到非常重要的作用。它把三極管里iC的變化量（也就是ΔiC）或者是一個交流的ic通過Rc電阻轉換成為一個電壓值，也就是說Rc電阻的作用，就是將電流的變化量，轉化成為電壓的變化量。

接著來談談放大電路中電容的作用：C1、C2叫耦合電容，在電子線路里面，把連接叫做耦合，所以耦合電容的意思，也就是連接電容的意思。C1是把信號源和放大器連接起來，它是輸入端的耦合電容；C2是把放大器和負載電阻RL連接起來，是輸出端的耦合電容。這兩個電容，應該選取容量非常大的電容，一方面，由于電容對于直流量呈現出的容抗是無窮大的，所以C1這個電容把信號源和放大器之間的直流信號隔斷，另一方面，當C1容量選取很大的時候，它對于信號的頻率所呈現出來的電抗是非常小的，換一句話說，當有交流信號輸入的時候，C1電容上沒有交流壓降，或者說交流的壓降非常小，是可以忽略的，當然前提是這個電容的容量要非常大。同樣由于C2電容的容量是非常大的，那么當有交流信號的時候，C2的交流壓降可以近似為0，也就是說，當 c、e產生一個變化量的時候，輸出（或者說負載電阻兩端）完全得到這種變化量，因為C2上沒有壓降。因而C1、C2的作用人們通常稱之為“隔直通交”。

最后來談談ui和uo：當有ui信號輸入的時候，這個輸入信號就會通過電容給三級管的基極，可是我們也看到了，即使沒有ui信號輸入，這個三極管的基極也是有電流的，這是由于直流電壓VCC的作用。也就是說，ui輸入信號是在一個直流信號的基礎上的一個動態(tài)信號，進而得到了一個變化的iB（稱ΔiB），一個變化的iC（稱ΔiC），變化的iC通過Rc轉換成一個變化的電壓，這個變化的電壓，在C2上沒有壓降，直接送到輸出。這時候，輸出端就可以得到一個uo，輸出電壓uo比輸入電壓ui大得多，這樣我們就達到了電路放大的目的。

通過剛才的分析，可以看到這樣一點，即使輸入的電壓ui=0的時候，三極管還有電流存在，而這個電流是由于VCC的作用而產生的。那么當ui=0的時候，產生了這樣一些直流信號，我們稱之為這個放大電路的靜態(tài)工作點，下面我們來談談設置靜態(tài)工作點的必要性。

二、設置靜態(tài)工作點的必要性

要想知道設置靜態(tài)工作點的必要性，首先必須要知道什么是靜態(tài)工作點。所謂的靜態(tài)工作點，就是當ui=0時，三極管的基極電流IB、集電極電流IC、發(fā)射結電壓UBE、管壓降UCE稱為靜態(tài)工作點。這四個物理量，為了區(qū)別于動態(tài)信號引起的這些物理量的變化，常常將IB寫成IBQ，IC寫成ICQ，UBE寫成UBEQ，UCE寫成UCEQ，這個Q就是靜態(tài)工作點，我們也將這個靜態(tài)工作點稱為Q點。在這四個物理量中，經常認為發(fā)射結電壓UBEQ是已知的。

通過對三極管的輸入特性進行研究，可以看到三極管的輸入特性和二極管的伏安特性有著相同的樣子，它也有一個死區(qū)電壓，而且當三極管的發(fā)射結電壓增大的時候，它的電流也是按照指數曲線來變化的。而由于材料不同，這個死區(qū)電壓的大小是不同的，一般我們認為三級管導通以后，硅管UBEQ為 0.6～0.8V 之間，鍺管UBEQ為 0.1～0.3V 之間，所以在計算中，通常取它們的中間值，硅管UBEQ=0.7V，鍺管UBEQ=0.2V。

為什么要設置靜態(tài)工作點呢？為什么當ui=0的時候，還要讓三極管有一定的直流的IBQ、ICQ，有一定的電壓UBEQ、UCE呢？為了說明這個問題，我們不妨看一下圖 2 所示的電路。這個電路圖與圖 1 相比較，它沒有從VCC到基極b的通路，因此當ui=0的時候，三極管基極電流IBQ=0，由于IBQ=0，那么必然使集電極的電流ICQ=0，從圖中可知，集電極的電流ICQ=0，也就是通過Rc上的電流，所以Rc上的電壓為0，那么這時c、e 之間的電壓就是VCC，即IBQ=0，IBQ=0，則UCEQ=VCC。

若給ui一個正弦的動態(tài)信號，而且電容C1容量足夠大，C1上可以認為沒有交流壓降，這時 b、e 之間的電壓就是所加的正弦電壓。當正弦電壓處于正半軸的時候，三極管 b、e 之間加的是正向電壓，當UBEQ大于死區(qū)電壓時，這時可能產生iB；當正弦電壓處于負半軸的時候，三極管 b、e 之間加的是反向電壓，三極管處于截止狀態(tài)。根據上述分析，可以看到，正弦電壓只有當處于正半軸而且這個賦值要足夠大（大于死區(qū)電壓）的時候，三極管才導通，其余的時候三極管都處于截止狀態(tài)。

綜上所述，可以得出這樣一個結論，在圖2電路中，當ui是一個動態(tài)的正弦信號時，三極管的iB電流不是一個正弦波，那么它的iC電流也不可能是一個正弦波，輸出電壓也不可能是正弦波，所以輸出電壓uo肯定失真。一個電路如果產生失真，那么它就談不上放大了。由此我們可以知道：只有在輸入電壓的整個周期內，三極管都工作在放大狀態(tài)，輸出電壓才不會產生失真。所以在放大電路里，首先要研究的一個問題就是怎么才會不失真？在圖 2 的電路中，我們看到不失真是不可能的。

下面來看一下圖3的電路，當ui=0時，有一個直流的信號流過三極管，形成了一個直流回路，產生了IB電流，從而產生了一個βΔIB，也就是IC電流，這樣Rc上就形成了一個壓降，即IcRc，那么 c、e 之間也就得到了一個壓降，即UCE。這個時候，輸入的耦合電容C1的電壓，一端接在基極上，另一端接在“地”上，所以C1的電壓就是UBEQ，同樣的道理，我們也可以得到C2的電壓，它的一端是接在集電極上，另一端是通過RL接在“地”上，因而它兩端的電壓就是 c、e 兩端的直流電壓UCEQ。

當有輸入信號的時候，這時 b、e 兩端的電壓，就是C1的電壓加上動態(tài)的ui，從而在直流的基礎上，疊加上一個交流的ib，如果能夠保證三極管始終工作在放大狀態(tài)，那么就得到了βΔiB，也就是得到了一個動態(tài)的iC，從而Rc上也有一個動態(tài)的壓降，c、e 上也得到了一個動態(tài)的壓降。

從上面分析我們可理解這樣一點，只有在直流信號的基礎上，馱載著一個交流信號，這個三極管才有可能始終放大工作，也就是說，電路才不會產生失真。

通過上面的電路分析我們知道，三極管靜態(tài)工作點的選取直接影響放大電路的性能，Q點太高可能飽和失真，Q點太低容易截止失真，另外合適的工作點可以使最大不失真幅度變得最大。三極管在交流放大電路中，輸入的交流信號是強弱不等的，在交流較弱或信號間隙時，較低的工作點可以滿足需要，當信號比較強時，超過了三極管的動態(tài)電流，這樣輸出就會失真，我們稱為大信號阻塞。因此，需要給三極管一個合適的工作點，理論上是越大越好，但太大會帶來一個問題，就是耗電，這是我們不希望看到的，根據需要，選擇一個電流，這就是靜態(tài)工作點。

再來看一下圖 3 電路靜態(tài)工作點是什么呢？首先由于C1、C2對于直流信號呈現出無窮大的電抗，那么在VCC作用下，C1、C2相當于開路，那么就可以計算出，由VCC作用下三極管的基極電流、集電極電流，以及它的管壓降UCE，我們可以列出它的回路方程。

基極回路方程：VCC=IBQRb+UBEQ

集電極回路方程：VCC=ICQRc+UCEQ

從基極回路方程里，可以看到，VCC、Rb、UBEQ是已知的，因而可以得到IBQ，以及ICQ=βΔIBQ，從集電極回路方程中，可以求出UCEQ。

綜上所述，對于單管放大電路Q點的估算公式為：

IBQ=（VCC-UBEQ）Rb

這是由基極回路方程得到的。

ICQ=βΔIBQ 前提是三極管工作在放大區(qū)域，而且認為三極管是理想的三極管，也就是說三極管的直流的β和它交流的β是相等的，三極管具有理想的輸出特性。

UCEQ=VCC-ICQRc

用這三個方程，就可以解出基本共射放大電路的靜態(tài)工作點。而且在這個電路里，可以看到，IBQ確定合適了，就可以得到合適的ICQ，從輸出回路里，如果Rc選取合適了，就可以得到合適的UCEQ，應該指出Q點的設置，是要VCC和Rb、Rc以及β相互配合才能夠得到一個合適的靜態(tài)工作點的。有了這樣一些基礎知識，就可進一步分析三極管在放大電路里各點的波形是什么樣子，在這里就不展開闡述了。

責任編輯 陳春陽