共射極放大電路輸出波形研究

余 平，方 杰，吳從兵，楊 婷

(1.皖西學院電氣與光電工程學院，安徽六安 237000；2.皖西學院智能照明與顯示技術(shù)工程中心，安徽六安 237000)

在模擬電子技術(shù)中，最常見和最實用的放大電路的偏置是基極分壓式射極偏置電路，它能夠穩(wěn)定靜態(tài)工作點，克服電源電壓波動、元件參數(shù)的分散性、元件的老化、環(huán)境溫度變化等對靜態(tài)工作點的影響。但對此類放大電路的失真分析，特別是對PNP管放大電路失真的理論和軟件分析都極為少見。本文針對NPN管和PNP管放大電路，從理論和軟件角度進行分析和驗證。當發(fā)生飽和失真時，NPN管為底部失真，PNP管為頂部失真；當發(fā)生截止失真時，NPN管為頂部失真，PNP管為底部失真。

1 理論分析

NPN放大電路基極電壓是由Rb11和Rb12分壓取得的，所以稱為分壓偏置。發(fā)射極中電阻Re11有直流負反饋作用，C3稱交流旁路電容，對交流是短路的，如圖1(a)所示。由于采取了上面兩個措施，使電路工作穩(wěn)定性能提高。

圖1 共射放大電路

靜態(tài)工作點的高低與電源電壓Vcc1及基極電阻Rb11、Rb12，集電極電阻Rc1等有關。Vcc1、Rc1通常是不可改變的，因此，可以通過改變Rb11、Rb12來調(diào)整靜態(tài)工作點。NPN放大電路的靜態(tài)工作點的參數(shù)如下：

(1)

(2)

PNP放大電路的靜態(tài)工作點的參數(shù)如下：

(3)

(4)

對于三極管放大電路，必須設置合適的靜態(tài)工作點，保證三極管工作在線性區(qū)實現(xiàn)對輸入信號的不失真放大。通常，靜態(tài)工作點調(diào)整在放大器交流負載線的中點，以使輸出波形動態(tài)范圍最大。

放大電路的輸出特性曲線如圖2所示。對NPN管放大電路，當交流負載線和輸出特性曲線相交于Q1點時，靜態(tài)工作點位于負載線的中點，位置設置合理，輸出波形動態(tài)范圍較大，不易發(fā)生失真。由表達式(1)(2)可以看出，當減小Rb11時，放大電路靜態(tài)工作點變高，如Q1′，此時靜態(tài)工作點接近飽和區(qū)，當輸入端輸入一定幅度的正弦波時，工作在Q1′的放大電路輸出波形負半周首先出現(xiàn)失真，即削底失真，NPN放大電路發(fā)生了飽和失真。同理，當增大Rb11時，放大電路靜態(tài)工作點變低，如Q1″，接近截止區(qū)。當輸入端輸入一定幅度的正弦波時，工作在Q1″的放大電路輸出波形發(fā)生正半周失真，即削頂失真，此時，NPN放大電路發(fā)生了截止失真。

對于PNP管放大電路，由于其電源VCC2是負值，故放大電路的iC和uCE均為負，交流負載線和輸出特性曲線相交于Q2點，如圖2所示，此時靜態(tài)工作點位置設置合理，輸出波形動態(tài)范圍較大，不易發(fā)生失真。由表達式(3)(4)可以看出，當減小Rb21時放大電路靜態(tài)工作點變高，如Q2″，此時靜態(tài)工作點接近飽和區(qū)，當輸入端輸入一定幅度的正弦波時，工作在Q2″放大電路輸出波形正半周首先出現(xiàn)失真，即削頂失真，NPN放大電路發(fā)生了飽和失真。同理，當增大Rb21時，放大電路靜態(tài)工作點變低，如Q2′，接近截止區(qū)。當輸入端輸入一定幅度的正弦波時，工作在Q1′的放大電路輸出波形發(fā)生負半周失真，即削底失真，此時，NPN放大電路發(fā)生了截止失真。

圖2 放大電路的輸出特性曲線

圖3 無失真時放大電路輸出波形

2 軟件仿真

利用Multisim軟件搭建電路，在輸入端接入信號源，輸入的信號為10mV/1KHz的正弦波，電路參數(shù)見圖1，輸出端分別接虛擬示波器，此時電路正常放大無失真時，NPN和PNP放大電路的輸出如圖3所示。

2.1 飽和失真

如果改變基極偏置電路，使NPN放大電路靜態(tài)工作點變高，從表達式(2)可以看出，減小Rb11可使靜態(tài)工作點接近飽和區(qū)。同時增大輸入信號幅度，則輸出端信號出現(xiàn)飽和失真，此時可取Rb11=30KΩ，Vi=50mV，NPN放大電路輸出波形表現(xiàn)為底部失真，即飽和失真，如圖4所示。

對于PNP放大電路，從表達式(4)可以看出，減小Rb21可使靜態(tài)工作點接近飽和區(qū)，同時增大輸入信號幅度，則輸出端信號出現(xiàn)飽和失真，此時可取Rb21=17KΩ，Vi=100mV，輸出波形表現(xiàn)為頂部失真，即飽和失真，如圖4所示。

2.2 截止失真

對于NPN放大電路，從表達式(2)可以看出，增大Rb11可使靜態(tài)工作點接近截止區(qū)。同時增大輸入信號幅度，則輸出端信號出現(xiàn)截止失真，此時可取Rb11=70KΩ，Vi=50mV，NPN放大電路表現(xiàn)為頂部失真，即截止失真。同理，對于PNP放大電路，從表達式(4)可以看出，增大Rb21可使靜態(tài)工作點接近截止區(qū)，同時增大輸入信號幅度，則輸出端信號出現(xiàn)截止失真，此時可取Rb21=80KΩ，Vi=200mV，輸出波形表現(xiàn)為底部失真，即截止失真，如圖5所示。

圖4 飽和失真

圖5 截止失真

3 結(jié)語

采用理論和Multisim軟件對NPN和PNP基極分壓式偏置電路進行仿真，仿真結(jié)果表明，靜態(tài)工作點Q的理論分析和軟件測試結(jié)果吻合。發(fā)生飽和失真時，NPN和PNP放大電路的靜態(tài)工作點都偏高，靠近飽和區(qū)。發(fā)生截止失真時，NPN和PNP放大電路的靜態(tài)工作點都偏低，靠近截止區(qū)。PNP和NPN管放大電路的輸出波形發(fā)生失真情況完全相反。當發(fā)生飽和失真時，NPN管組成的放大電路表現(xiàn)為削底失真，而PNP管組成放大電路則表現(xiàn)為削頂失真。當發(fā)生截止失真時，NPN管放大電路為削頂失真，PNP管為削底失真。通過電路的仿真能夠使學生掌握電路參數(shù)的改變對Q點和電路輸出波形的影響。

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