靜態工作點與放大電路性能的關系

毛戰華　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工作點與動態參數、輸出波形的關系，得出調整靜態工作點和動態參數的可行辦法，有利于理解和掌握模擬放大電路的原理與實質。

關鍵詞： 放大電路； 靜態工作點； 失真； 電壓放大倍數

中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0142?03

0 引 言

在模擬電子技術基礎課程中，放大電路是最基本的電路。分析放大電路就是求解靜態工作點和各項動態參數[1]，對放大電路的分析，應遵循“先靜態，后動態”的原則，只有靜態工作點合適，動態分析才有意義，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工作點與放大電路輸出波形和動態參數的關系。

1 靜態工作點

放大電路的核心元件是晶體管（或場效應管）。當輸入信號為零，即靜態時，晶體管或場效應管各電極間的電壓和電流稱為靜態工作點，即[Q]點。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。對該電路來說，[Q]點為靜態時晶體管基極電流[IBQ、]集電極電流[ICQ，]b-e間電壓[UBEQ]和管壓降[UCEQ。]

對于一個放大電路，只有在輸入信號的任意時刻晶體管都工作在放大區或場效應管都工作在恒流區，輸出信號才不會失真。為此放大電路必須設置合適的靜態工作點[Q，]使有輸入信號作用時產生的交流分量馱載在靜態時的直流分量之上，保證晶體管在輸入信號變化的過程中始終工作在放大區[1]。

如圖1所示電路，靜態工作點求取表達式為：

[IBQ=VCC-UBEQRb1+Rb2] （1）

[ICQ=βIBQ] （2）

[UCEQ=VCC-ICQ?RC] （3）

理論上，可以通過調節[Rb2，][RC]或更換晶體三極管的方法實現靜態工作點的設置與調整。

圖1 單管共射放大電路

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

圖2 圖解法求解靜態工作點

2 [Q]點與放大電路動態參數的關系

對圖 1所示電路電壓放大倍數：

[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]為晶體管的靜態發射極電流，從理論上看，也可以通過調節[Rb2，][RC]或更換三極管來改變放大電路的動態參數。同時，應該注意到，放大電路的[Au，][Ri]均與靜態工作點有關。因此，改變靜態工作點時，要顧及到對動態參數的影響；同樣，調整動態參數時，也要顧及到靜態工作點，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。為簡單起見，設電路某一參數變化時，其余參數不變。

（1） 減小[Rb2]時，根據式（1）～式（3）和圖2可知，[IBQ]增大，[ICQ]增大，[UCEQ]減小，[Q]點升高，沿直流負載線上移，向飽和區靠近，輸出易出現飽和失真；而根據[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，從信號源索取電流增大。增大[Rb2]時的情況相反。因此，靠調節基極電阻改變[Q]點和動態參數的辦法是行之有效的，但要同時關注調節過程中[Q]點和動態參數的變化，既滿足動態參數的要求，輸出波形又不失真，不能顧此失彼。

（2） 增大[RC]時，根據式（3）和圖2可知，雖然[ICQ]不變，但[UCEQ]減小，[Q]點向飽和區靠近，輸出易出現飽和失真；[RC]增大，[Au]增大，放大能力提高，[Ro=RC，]輸出電阻增大，使電路帶負載能力變弱。因此，靠調節[RC]改變[Q]點和動態參數的辦法實際上是不可取的。

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

[Au≈-ICQ（RC∥RL）26]

說明換大[β]值的晶體管對[Au]改變不明顯，但[Ri]變大（信號電壓損失變小），因為在[IEQ]不變情況下，[β]值大的管子其[rbe]也大；同時在[IBQ]不變情況下，增大[β]會增大[ICQ，]使[Q]點沿直流負載線上移，易出現飽和失真。因此，靠更換晶體管的方法可以用于改變[Q]點和輸入電阻參數，在這過程中同樣要二者兼顧。

3 [Q]點對輸出波形非線性失真的影響

當放大電路工作時，晶體管進入飽和區或截止區，使輸出波形失去了輸入波形的形狀，產生失真，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]。

當靜態工作點[Q]點合適，輸出為不失真波形；當靜態工作點[Q]過低，離截止區較近，在輸入信號負半周靠近峰值的某段時間，晶體管處于截止狀態，輸出電壓產生頂部失真，即截止失真。當[Q]點過高，離飽和區較近，在輸入信號正半周靠近峰值的某段時間，晶體管處在飽和區，輸出波形產生底部失真，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]點不合適時輸出波形的失真現象。為了更好地觀察到失真現象，輸入信號增至10 mV，此時輸出波形為最大不失真信號，設置電路中可調電位器[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]點沿直流負載線向上移動，當[Rb2]接入基極的電阻部分比例為11%時，輸出電壓波形開始產生底部失真，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]點沿直流負載線向下移動，當[Rb2]接入基極的電阻部分比例為49%時，輸出電壓波形開始產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 語

綜上所述，單管共射放大電路中的靜態工作點和動態參數可以通過調節[Rb2，][RC]或更換三極管來改變。靜態工作點的位置影響放大倍數、輸入電阻、輸出電阻等動態參數，而動態參數的改變也影響靜態工作點，無論對哪方進行調整，都不能顧此失彼，只有這些影響在允許的范圍內，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

[1] 華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[8] 王荔芳，余磊，周曉華.放大電路的Multisim10仿真分析[J].現代電子技術，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]點不合適時輸出波形的失真現象。為了更好地觀察到失真現象，輸入信號增至10 mV，此時輸出波形為最大不失真信號，設置電路中可調電位器[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]點沿直流負載線向上移動，當[Rb2]接入基極的電阻部分比例為11%時，輸出電壓波形開始產生底部失真，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]點沿直流負載線向下移動，當[Rb2]接入基極的電阻部分比例為49%時，輸出電壓波形開始產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 語

綜上所述，單管共射放大電路中的靜態工作點和動態參數可以通過調節[Rb2，][RC]或更換三極管來改變。靜態工作點的位置影響放大倍數、輸入電阻、輸出電阻等動態參數，而動態參數的改變也影響靜態工作點，無論對哪方進行調整，都不能顧此失彼，只有這些影響在允許的范圍內，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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利用Multisim電路仿真軟件[4?6]，觀察圖1所示單管放大電路[Q]點不合適時輸出波形的失真現象。為了更好地觀察到失真現象，輸入信號增至10 mV，此時輸出波形為最大不失真信號，設置電路中可調電位器[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]點沿直流負載線向上移動，當[Rb2]接入基極的電阻部分比例為11%時，輸出電壓波形開始產生底部失真，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]點沿直流負載線向下移動，當[Rb2]接入基極的電阻部分比例為49%時，輸出電壓波形開始產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 語

綜上所述，單管共射放大電路中的靜態工作點和動態參數可以通過調節[Rb2，][RC]或更換三極管來改變。靜態工作點的位置影響放大倍數、輸入電阻、輸出電阻等動態參數，而動態參數的改變也影響靜態工作點，無論對哪方進行調整，都不能顧此失彼，只有這些影響在允許的范圍內，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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