放大器靜態(tài)工放作點的探究

吳海江

摘要：靜態(tài)工作點是《電子技術(shù)基礎(chǔ)》學(xué)科中最重要的概念之一，本文就靜態(tài)工作點的概念、放大器設(shè)置靜態(tài)工作點的重要性、靜態(tài)工作點不穩(wěn)定對放大器的影響、造成放大器靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的主要因素和穩(wěn)定靜態(tài)工作點措施等問題提出幾點膚淺認識，望各位同行給予點評。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)工作點；放大器；影響；設(shè)置；穩(wěn)定

靜態(tài)工作點是《電子技術(shù)基礎(chǔ)》學(xué)科中最重要的概念之一，對靜態(tài)工作點的概念、放大器為什么要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點、靜態(tài)工作點不穩(wěn)定對放大器的影響、造成靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的原因、穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程等問題理解得是否透徹，將直接影響到本學(xué)科的教學(xué)效果。下面根據(jù)本人多年的教學(xué)經(jīng)驗，就上述靜態(tài)工作點的概念等一系列問題，談?wù)勛约旱淖疽姟?/p>

一、靜態(tài)工作點的概念

什么是靜態(tài)工作點？

放大器無信號輸入時的直流工作狀態(tài)叫做靜態(tài)。

這時三極管各極的直流電流和各極間的直流電壓的值在三極管輸入輸出特性曲線上所確定的點，稱為靜態(tài)工作點，用Q表示，即VBEQ、IBQ、ICQ和VCEQ。當(dāng)VBE為某一定值時，由VBEQ、IBQ在三極管輸入特性曲線上可確定Q點，三極管輸入特性曲線上的Q點和VBEQ、IBQ及參考量VCE是一一對應(yīng)的。當(dāng)IB 一定時，由VCEQ、ICQ在三極管輸出特性曲線上可確定Q點，三極管輸出特性曲線上的Q點和ICQ、VCEQ及參考量IB是一一對應(yīng)的。VBEQ、IBQ、ICQ和VCEQ是保證三極管工作在何種狀態(tài)的重要參數(shù)。

二、放大器設(shè)置靜態(tài)工作點的重要性及靜態(tài)工作點的調(diào)整方法

1.設(shè)置靜態(tài)工作點的重要性

一個放大器的靜態(tài)工作點Q設(shè)置的是否合適，是放大

器能否正常工作的重要條件。下面以基本放在器為例分三種情況進行分析：（1）、當(dāng)靜態(tài)工作點為零時（基本放大器去掉Rb回路），在輸入信號正半周期間，三極管發(fā)射結(jié)因正偏而導(dǎo)通，輸入電流ib隨vi變化。在信號負半周，發(fā)射結(jié)因反偏而截止，ib=0，即負半周信號不能進入三極管，放大器只能放大輸入信號的正半周（并且信號電壓只有在大于發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓時，才能產(chǎn)生基極電流ib）。（2）、若靜態(tài)工作點Q過高（基本放大器Rb過?。?，信號的正半周可能進入飽和區(qū)，造成輸出電壓波形負半周被部分削除，產(chǎn)生飽和失真。（3）、若靜態(tài)工作點Q在過低（基本放大器Rb過大），則信號的負半周可能進入截止區(qū)，造成輸出電壓波形正半周被部分切除，產(chǎn)生截止失真。以上三種情況都是晶體管的工作狀態(tài)離開線性放大區(qū)進入非線性區(qū)造成的，因此叫做非線性失真。為了獲得幅度大而不失真的交流輸出信號，放大器的靜態(tài)工作點Q應(yīng)選在交流負載線的中點處。

2.靜態(tài)工作點的調(diào)整方法

對基本放大器而言，靜態(tài)工作點，IBQ=（VCC﹣VBEQ）/Rb， ICQ=βIBQ，VCEQ=VCC﹣ICQRC。當(dāng)VCC、RC一定時，若產(chǎn)生飽和失真，可適當(dāng)增大Rb，使IBQ減小， ICQ減小，最終使Q點退出飽和區(qū)。若產(chǎn)生截止失真，可適當(dāng)減小Rb，使IBQ增大，ICQ增大，最終使Q點退出截止區(qū)。對分壓偏置放大器而言，靜態(tài)工作點ICQ≈（VBQ-VBEQ）/Re，其中VBQ=vccRb2/（Rb1+Rb2），IBQ=ICQ/β， VCEQ≈VCC﹣ICQ（RC+Re）。當(dāng)VCC、RC、Rb2不變時，若產(chǎn)生飽和失真，可適當(dāng)增大Rb1，使VBQ減小，ICQ減小，最終使Q點退出飽和區(qū)。若產(chǎn)生截止失真，可適當(dāng)減小Rb1，使VBQ增大，ICQ增大，最終使Q點退出截止區(qū)。

三、靜態(tài)工作點不穩(wěn)定對放大器的影響

從前面分析已經(jīng)得知，要使放大器能正常工作，必須選擇合適的靜態(tài)工作點。但是由于電路外部因素的改變，造成靜態(tài)工作點也隨之孌化，從而使放大器的質(zhì)量變差。下面就因靜態(tài)工作點不穩(wěn)定對放大器造成的影響分析如下：

1.靜態(tài)工作點變化對放大器波形的影響

靜態(tài)工作點設(shè)置的不合適，會使放大器產(chǎn)生非線性失真，但由于靜態(tài)工作點不穩(wěn)定，即使靜態(tài)工作點設(shè)置的合適，也會使放大器產(chǎn)生非線性失真。當(dāng)靜態(tài)工作點向下波動接近截止區(qū)時，輸出電流波形的負半周被部分削割，產(chǎn)生截止失真。當(dāng)靜態(tài)工作點向上波動接近飽和區(qū)時，輸出電流波形的正半周被部分削割，產(chǎn)生飽和失真。

2.靜態(tài)工作點變化對電壓放大倍數(shù)Au的影響

靜態(tài)工作點升高時，使靜態(tài)電流增大，即IC增大，根據(jù)公式：rbe =300Ω+（1+β）26/IE ，公式中的IE就是靜態(tài)發(fā)射極電流，它近似等于集電極電流IC。由此可知。當(dāng)IC增加時，將使三極管的rbe減小。前面的那個300歐，為rbb′，低頻小功率三極管正常工作時約等于300歐。又電壓放大倍數(shù)Au=（βRL′）/rbe，這樣一來可以看出：提高工作點電流IC，rbe減小，Au將會明顯提高。同時，提高靜態(tài)工作電流，β也會增大。也將導(dǎo)致Au增大。相反，靜態(tài)工作點降低，使工作點電流IC減小，rbe增大，Au將會明顯降低。

3.靜態(tài)工作點變化對放大器輸入電阻ri的影響

當(dāng)靜態(tài)工作點升高時，Ic增大，IE增大，使rbe減小。而固定偏置放大電路的輸入電阻ri=Rb// rbe，且Rb遠大于rbe；分壓偏置放大電路的輸入電阻ri=Rb1// Rb2// rbe，且Rb1、Rb2都遠大于rbe。由此可見，rbe減小時，放大器的輸入電阻ri減小了。相反，當(dāng)靜態(tài)工作點降低時，放大器輸入電阻ri增大了。

綜上所述，當(dāng)靜態(tài)工作點不穩(wěn)定時，不但要使輸出波形產(chǎn)生失真，還會使放大器的動態(tài)參數(shù)Au、ri不穩(wěn)定。因此，必須穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點。

四、造成放大器靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的主要因素

從前面的分析可以看出，靜態(tài)工作點不穩(wěn)定不但會使電路產(chǎn)生波形失真，而且還影響電壓放大倍數(shù)、輸入電阻等動態(tài)參數(shù)。那么，造成放大器靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的因素有哪些呢？實際上，電源電壓波動，元件的老化以及因溫度變化所引起晶體管參數(shù)的變化，都會造成靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定。在引起Q點不穩(wěn)定的諸多因素中，溫度對晶體管參數(shù)的影響是最為主要的。晶體管是一個溫度敏感器件，當(dāng)溫度變化時，其特性參數(shù)（β、ICBO、VBE）的變化比較顯著，實驗表明：溫度每升高1℃，β約增大0.1%左右，VBE 減?。?～2.5）mV，溫度每升高10℃，ICBO 約增加一倍。晶體管參數(shù)隨溫度的變化，必然導(dǎo)致放大電路靜態(tài)工作點發(fā)生漂移，這種漂移稱為溫漂。其理性分析如下：

1.當(dāng)溫度T↑升高時，三極管的集電極反向飽和電流ICBO隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，由于穿透電流ICEO是ICBO的1+β倍，所以，ICEO 增加的更大，又因 IC=β IB+ ICEO，所以使IC增加，表現(xiàn)為輸出特性曲線向上平移。

2.由于溫度的上升，加快了注入基區(qū)的多數(shù)載流子的運動速度，使基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機會減少，導(dǎo)致β增大，表現(xiàn)為輸出特性曲線之間的距離加大。

3.溫度升高時，載流子運動加速，對同樣的基極電流IB，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓VBE將減小。表現(xiàn)為輸入特性曲線向左平移。換句話說，對應(yīng)于同一個VBE將引起IB的增加?？梢?，以上各點對靜態(tài)工作點的影響都集中表現(xiàn)為靜態(tài)工作電流IC 的增大。即：

由此可見，無論是VBE的減小，還是β、ICBO的增大，都使IC增大，從而使Q點向飽和區(qū)移動。以基本放大電路為例，當(dāng)溫度T↑升高、VBE↓、其靜態(tài)電流IB↑、β↑則IC↑。

五、穩(wěn)定靜態(tài)工作點措施

靜態(tài)工作點的波動，將使放大電路的放大性能變差，為此，必須設(shè)法穩(wěn)定靜態(tài)工作點。穩(wěn)定靜態(tài)工作點的方法經(jīng)常采用的主要有負反饋法和參數(shù)補償法。

1.利用負反饋電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點

電路圖如下圖（a）（b）所示，直流通路如圖（c）所示。

穩(wěn)定靜態(tài)工作點工作原理如下：由直流通路可知，I1=IBQ+I2，因為I1>>IBQ，所以有I1≈I2，這時基極電壓VBQ=vccRb2/（Rb1+Rb2），由此可見，VBQ的大小與三極管的參數(shù)無關(guān)，只由VCC和Rb1、Rb2的分壓決定。當(dāng)溫度變化時，三極管的ICBO、β、VBEQ等參數(shù)的變化，導(dǎo)致工作點的偏移。溫度升高，ICQ將增大，則IEQ流經(jīng)Re產(chǎn)生的電壓VEQ隨之增加，因VBQ是一個穩(wěn)定值，因而VBEQ=VBQ-VEQ將減小，使基極電流IBQ減小。根據(jù)三極管輸出特性曲線可知，基極電流IBQ減小，ICQ也必然減小，工作點恢復(fù)到原來狀態(tài)，使其穩(wěn)定。上述穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程可表示為：T↑（β↑）→ICQ↑→IEQ↑→VBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓。

2.利用參數(shù)補償電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點

利用二極管的反向特性進行溫度補償：如圖（a）所示：

工作原理如下：當(dāng)溫度升高，一方面IC增大，另一方面由于二極管的反向電流IR增大， 而IBQ=IRb-IR，IRb=（VCC-VBEQ）/Rb不變，所以IBQ減小，從而ICQ隨之減小。當(dāng)參數(shù)合適時，IC可基本不變。使其靜態(tài)工作點保持穩(wěn)定。穩(wěn)定過程簡述如下：

利用二極管的正向特性進行溫度補償：如圖（b）所示。使用引入直流負反饋和溫度補償兩種方法來穩(wěn)定Q點。高溫度升高時，二極管內(nèi)電流基本不變，因此其壓降VD必然減小，使VBQ減小，VBEQ減小，IBQ減小， 從而ICQ隨之減小。其穩(wěn)定靜態(tài)工作點的過程簡述如下：

以上幾點是筆者對靜態(tài)工作點等相關(guān)問題的膚淺認識，望各位同行給予點評。

參考文獻

[1]束洪春 朱家興，放大器靜態(tài)工作點與動態(tài)范圍關(guān)系[J]， 紅河學(xué)院學(xué)報，2007，（02）.

[2]黃師園，放大器靜態(tài)工作點的認識[J]，新電子，2009，（10）.