從設計的角度掌握穩定靜態工作點的單管放大電路

李學楠

摘 要：一般模擬電路教材多重視對成熟電路的分析，而忽略成熟電路的設計過程。本文對穩定靜態工作點的單管放大電路敘述了詳細的設計過程，并運用multisim仿真驗證。在設計過程中靈活運用理論知識，以求達成活學活用的目的。為電子專業的學習者的學習方法提供一點啟迪。

關鍵詞：模擬電路;穩定靜態工作點;單管放大電路

在傳統大中專模擬電路課程林林總總的絕大多數教材中，一個個具備特定功能的電路以各種成熟的形式展現在讀者面前。教材的講解內容一般以一定篇幅對成熟電路進行定性分析，而后其定量分析部分多以推導出諸如靜態工作點，輸入電阻，輸出電阻，放大倍數等公式為主。至于實驗部分，也多以給定某確定參數的電路，讓學習者利用儀器儀表對電路性能指標進行測量記錄，然后與公式計算值進行比對。往往經過實驗之后，學習者對電路真正的理解還是很模糊。我們知道，一個電路之所以能起到其所具備的功能，其每一個元件的參數都要經過精心計算選取才能達成既定目的。在電子電路結構完全相同的情況下，參數略有不同，所呈現的效果往往與既定性能指標天差地遠。所以，完成公式推導式的理論學習，以及數據測量式的實驗內容還不能標志著學習者真正掌握某一個電路。學習者掌握某一個電路的真正標準是：提出合理的性能指標，然后根據此性能指標設計出電路。設計一般的基礎電路大體分四個階段：（1）提出合理的性能指標，并確定核心元件及基本參數框架。（2）進行理論推導，手算出符合設計要求的精確元件參數。（3）進行仿真分析調試，權衡地修改參數。（4）選取真實元件進行實驗驗證。

下面，我們設計一個穩定靜態工作點的單管放大電路。這個電路是模擬電路教材中的一個較難掌握的經典電路，其結構廣為電子學習者熟知，如圖1。

1 提出性能指標、確定電源、三極管型號、集電極電流、以及管壓降

本例中，我們以設計一個電壓放大20倍的電路為目標，所有設計圍繞著這個指標而展開。其它指標暫不予考慮。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，設計范圍越寬裕，我們選取12V的直流電源。因為只是要求20倍的電壓放大，所以哪一只三極管都可以工作。我們選取SC1815NPN型小信號晶體管。首先，為能保證放大的信號最大程度上避免飽和和截止失真，晶體管的管壓降VCE應取在電源電壓的中值，即VCE=6V。其次，晶體管為能夠準確計算靜態工作點，必須明確具體的共射直流放大倍數β。由于β在確定溫度下是一個取決于集電極電流的范圍，故應先設計明確的。一般來說，集電極電流的范圍在幾毫安到幾十毫安的級別。結合與VCE的乘積應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。在此基礎上可利用BJT特性圖示儀測量此下的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量。本例中，筆者利用基本共射放大電路測得當為2mA時，基極電流為15.6uA，故計算得β=126。至此，我們已經有了參數框架，如下表。

2 電路參數設計

已經確定，下面要確定。由于穩定靜態工作點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構成的一端口網絡的戴維南等效電阻。在此基礎上，我們做如下考慮：

（1）上述意味著在已定而又不能太小時，勢必要使上的壓降不能太小。

（2）基極電位也不能過高或過低。這主要是因為VBE具有負的溫度特性，設計穩定靜態工作點的主要意義即在于對抗此溫度特性，這也要求上電壓不能太小，至少決不可小于1V。另一方面是那樣意味著兩個基極電阻的并聯值變小，進而使輸入電阻變小，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6V。

所以，綜合以上考慮，可以設計基極電位占據12V電源電壓的至少1/3。所以我們考慮讓占據4V，占據2V。這樣，基極電位約為4.47V。（sc1815的發射結導通壓降約為0.47V）。依據此設想，。而RTH應小于等于，故我們連立方程組：

解得：。

接下來我們應在E24系列阻值中權衡選取真實阻值元件，可取R2=36k，而R1可拆分成阻值范圍為100k的可調電位器Rw與13k的電阻的串聯，這樣可以在實際電路中使靜態工作點充分可調，以達成精準效果。如果選擇更高精度的E96系列電阻，會有更精確的選擇余地。接下來，我們要考慮動態時放大倍數對參數的影響。

由模電理論，放大倍數其中，而RE1是交流通路中的發射極電阻。我們可首先計算，繼而可計算。（注意：放大倍數帶負號是表達反相之意，在計算RE1時應忽略此負號）由于之前我們在直流通路上已計算，故此時應將拆分為，。其中用大電容旁路。在E24系列上可選擇，。

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

3 進行仿真驗證

筆者采用業界應用最為廣泛的Multisim進行仿真測試。注意，設計值未必達到最佳效果，要仿真調試才行，圖中將RW調至45k時效果最佳，如圖1。設計者可根據調試值再次推算相關性能指標。圖2顯示各個關鍵靜態參數的仿真值。可見，與計算值極為接近。

進行實驗驗證，當仿真效果完美印證理論推算時，實際電路的搭建與測試往往就會十分順利。限于篇幅，筆者略去了實驗過程。