從設(shè)計(jì)的角度掌握穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的單管放大電路

李學(xué)楠

摘 要：一般模擬電路教材多重視對(duì)成熟電路的分析，而忽略成熟電路的設(shè)計(jì)過程。本文對(duì)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的單管放大電路敘述了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程，并運(yùn)用multisim仿真驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)過程中靈活運(yùn)用理論知識(shí)，以求達(dá)成活學(xué)活用的目的。為電子專業(yè)的學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方法提供一點(diǎn)啟迪。

關(guān)鍵詞：模擬電路;穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn);單管放大電路

在傳統(tǒng)大中專模擬電路課程林林總總的絕大多數(shù)教材中，一個(gè)個(gè)具備特定功能的電路以各種成熟的形式展現(xiàn)在讀者面前。教材的講解內(nèi)容一般以一定篇幅對(duì)成熟電路進(jìn)行定性分析，而后其定量分析部分多以推導(dǎo)出諸如靜態(tài)工作點(diǎn)，輸入電阻，輸出電阻，放大倍數(shù)等公式為主。至于實(shí)驗(yàn)部分，也多以給定某確定參數(shù)的電路，讓學(xué)習(xí)者利用儀器儀表對(duì)電路性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量記錄，然后與公式計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)。往往經(jīng)過實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)習(xí)者對(duì)電路真正的理解還是很模糊。我們知道，一個(gè)電路之所以能起到其所具備的功能，其每一個(gè)元件的參數(shù)都要經(jīng)過精心計(jì)算選取才能達(dá)成既定目的。在電子電路結(jié)構(gòu)完全相同的情況下，參數(shù)略有不同，所呈現(xiàn)的效果往往與既定性能指標(biāo)天差地遠(yuǎn)。所以，完成公式推導(dǎo)式的理論學(xué)習(xí)，以及數(shù)據(jù)測(cè)量式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還不能標(biāo)志著學(xué)習(xí)者真正掌握某一個(gè)電路。學(xué)習(xí)者掌握某一個(gè)電路的真正標(biāo)準(zhǔn)是：提出合理的性能指標(biāo)，然后根據(jù)此性能指標(biāo)設(shè)計(jì)出電路。設(shè)計(jì)一般的基礎(chǔ)電路大體分四個(gè)階段：（1）提出合理的性能指標(biāo)，并確定核心元件及基本參數(shù)框架。（2）進(jìn)行理論推導(dǎo)，手算出符合設(shè)計(jì)要求的精確元件參數(shù)。（3）進(jìn)行仿真分析調(diào)試，權(quán)衡地修改參數(shù)。（4）選取真實(shí)元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

下面，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的單管放大電路。這個(gè)電路是模擬電路教材中的一個(gè)較難掌握的經(jīng)典電路，其結(jié)構(gòu)廣為電子學(xué)習(xí)者熟知，如圖1。

1 提出性能指標(biāo)、確定電源、三極管型號(hào)、集電極電流、以及管壓降

本例中，我們以設(shè)計(jì)一個(gè)電壓放大20倍的電路為目標(biāo)，所有設(shè)計(jì)圍繞著這個(gè)指標(biāo)而展開。其它指標(biāo)暫不予考慮。電子電路在直流電源提供能量的前提下工作，一般雙極性晶體管使用的電源為5V-18V。直流電源越大，設(shè)計(jì)范圍越寬裕，我們選取12V的直流電源。因?yàn)橹皇且?0倍的電壓放大，所以哪一只三極管都可以工作。我們選取SC1815NPN型小信號(hào)晶體管。首先，為能保證放大的信號(hào)最大程度上避免飽和和截止失真，晶體管的管壓降VCE應(yīng)取在電源電壓的中值，即VCE=6V。其次，晶體管為能夠準(zhǔn)確計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)，必須明確具體的共射直流放大倍數(shù)β。由于β在確定溫度下是一個(gè)取決于集電極電流的范圍，故應(yīng)先設(shè)計(jì)明確的。一般來說，集電極電流的范圍在幾毫安到幾十毫安的級(jí)別。結(jié)合與VCE的乘積應(yīng)小于晶體管耗散功率的前提。本例我們可在此范圍選擇IC=2mA。在此基礎(chǔ)上可利用BJT特性圖示儀測(cè)量此下的β值和rbe。如果沒有此儀器，亦可搭建最基本的放大電路來測(cè)量。本例中，筆者利用基本共射放大電路測(cè)得當(dāng)為2mA時(shí)，基極電流為15.6uA，故計(jì)算得β=126。至此，我們已經(jīng)有了參數(shù)框架，如下表。

2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

已經(jīng)確定，下面要確定。由于穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的電路之核心要義在于能夠使得基極電位基本取決于RB1和RB2的分壓，故要求，其中RTH為電源、RB1和RB2構(gòu)成的一端口網(wǎng)絡(luò)的戴維南等效電阻。在此基礎(chǔ)上，我們做如下考慮：

（1）上述意味著在已定而又不能太小時(shí)，勢(shì)必要使上的壓降不能太小。

（2）基極電位也不能過高或過低。這主要是因?yàn)閂BE具有負(fù)的溫度特性，設(shè)計(jì)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的主要意義即在于對(duì)抗此溫度特性，這也要求上電壓不能太小，至少?zèng)Q不可小于1V。另一方面是那樣意味著兩個(gè)基極電阻的并聯(lián)值變小，進(jìn)而使輸入電阻變小，而我們希望電壓放大電路的輸入電阻盡可能大。

（3）由于管壓降占6V，所以RC與RE共占據(jù)6V。

所以，綜合以上考慮，可以設(shè)計(jì)基極電位占據(jù)12V電源電壓的至少1/3。所以我們考慮讓占據(jù)4V，占據(jù)2V。這樣，基極電位約為4.47V。（sc1815的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降約為0.47V）。依據(jù)此設(shè)想，。而RTH應(yīng)小于等于，故我們連立方程組：

解得：。

接下來我們應(yīng)在E24系列阻值中權(quán)衡選取真實(shí)阻值元件，可取R2=36k，而R1可拆分成阻值范圍為100k的可調(diào)電位器Rw與13k的電阻的串聯(lián)，這樣可以在實(shí)際電路中使靜態(tài)工作點(diǎn)充分可調(diào)，以達(dá)成精準(zhǔn)效果。如果選擇更高精度的E96系列電阻，會(huì)有更精確的選擇余地。接下來，我們要考慮動(dòng)態(tài)時(shí)放大倍數(shù)對(duì)參數(shù)的影響。

由模電理論，放大倍數(shù)其中，而RE1是交流通路中的發(fā)射極電阻。我們可首先計(jì)算，繼而可計(jì)算。（注意：放大倍數(shù)帶負(fù)號(hào)是表達(dá)反相之意，在計(jì)算RE1時(shí)應(yīng)忽略此負(fù)號(hào)）由于之前我們?cè)谥绷魍飞弦延?jì)算，故此時(shí)應(yīng)將拆分為，。其中用大電容旁路。在E24系列上可選擇，。

另外，關(guān)于耦合電容與旁路電容的選取，可根據(jù)信號(hào)源頻率，和容抗公式合理選取，本例擬定選取1kHz的正弦信號(hào)，故易選取耦合電容為10，旁路電容為。

3 進(jìn)行仿真驗(yàn)證

筆者采用業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的Multisim進(jìn)行仿真測(cè)試。注意，設(shè)計(jì)值未必達(dá)到最佳效果，要仿真調(diào)試才行，圖中將RW調(diào)至45k時(shí)效果最佳，如圖1。設(shè)計(jì)者可根據(jù)調(diào)試值再次推算相關(guān)性能指標(biāo)。圖2顯示各個(gè)關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)的仿真值?？梢?，與計(jì)算值極為接近。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)仿真效果完美印證理論推算時(shí)，實(shí)際電路的搭建與測(cè)試往往就會(huì)十分順利。限于篇幅，筆者略去了實(shí)驗(yàn)過程。