理實虛三維一體攻克分壓偏置共射放大電路分析

摘" 要：分壓偏置共射放大電路是一個非常典型的穩定靜態工作點的模擬電路，在實際生活中的電子設備如收音機中有著廣泛應用。為設計功能合理的電路，該文采取理論分析、虛擬仿真和實驗測量3個維度的方法分別對該電路的靜態和電壓放大倍數進行分析。通過這3個維度的深入對比分析，攻克難關1，電流串聯負反饋如何通過增加基極偏置電阻和發射極電阻穩定靜態工作點；攻克難關2，在確定三極管靜態工作穩定的前提下，動態性能指標電壓放大倍數的大小與集電極電阻和負載的大小取值有必然的聯系。從靜態和動態2個角度徹底攻克分壓偏置共射放大這一重難點電路的分析。

關鍵詞：分壓偏置；共射放大；理論分析；虛擬仿真；實驗測試

中圖分類號：TM13" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-00７２-0４

Abstract： The voltage division bias common emitter amplifier is a typical analog circuit with stable static operating point. It is widely used in electronic equipment such as radio in real life. In order to design circuits with reasonable functions， this paper analyzes the static state and voltage amplification of the circuit by theoretical analysis， virtual simulation and experimental measurement. Through the in-depth comparison and analysis of these three dimensions， the first difficulty was overcome： by adding base bias resistance and emitter resistance， the current series negative feedback was introduced to stabilize the static operating point; second， on the premise that the static operation of the triode is stable， the value of the voltage amplification factor of the dynamic performance index is inevitably related to the value of collector resistance and load. From the static and dynamic point of view， we thoroughly overcome the analysis of the common emitter amplifier circuit with voltage division bias.

Keywords： voltage division bias; common emitter amplifier; theoretical analysis; virtual simulation; experimental test

天津中德應用技術大學是一所應用技術型本科院校，重基礎，強實踐。其注重理論分析能力的基礎上，還要強調對于實際電路的設計與應用能力。虛擬仿真設計分析可以非常方便地將抽象的理論模型轉化為可視化的結果[1]。本文以典型分壓偏置共射放大電路為例，從理論、虛擬仿真和實驗測試3個維度詳細對其靜態工作點的理論分析估算、仿真分析其參數和實驗測量3個極對地的電位及動態主要性能指標之一的電壓放大倍數的理論估算分析、仿真觀察波形、實驗測量其輸入輸出電壓的變化結果進行對比分析，從而可以很容易設計一款實現某種功能且滿足特定指標的電路。

1" 理論分析

電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻為放大電路的主要動態性能指標，其大小與靜態工作點的大小密切相關。合適的靜態工作點是晶體三極管處于正常放大工作狀態的前提和保證。但在實際的工作過程中，溫度的變化、電路中元件的老化及電源電壓波動等諸多因素，都能影響到晶體三極管的靜態工作點，影響到動態參數，進而影響到放大電路的基本性能。

將分壓偏置共射放大實驗電路圖中的電流表去掉，滑動變阻器Rw取值為40 k？贅便成為典型的穩定靜態工作點的放大電路原理圖。該電路增加偏置電阻RB2能夠很好地穩定基級點電位，從而穩定晶體三極管的靜態工作點，穩定放大電路基本性能。

1.1" 靜態分析

靜態工作點，也即動態輸入信號為零，只有直流電源工作的通路。根據電容隔直通交特點，將電路中的C1、C2、CE斷開，畫出其直流通路。

三極管的性能隨著溫度的變化而變化，從而引起靜態工作點發生變化，影響放大電路的正常工作。分壓偏置放大共射放大電路穩定Q點的工作原理如下。

根據動態輸入信號為0，電容隔直通交，可以畫出直流通路。而基極B點的電位根據KCL定律可以得到I1=I2+IB。工程假設思想，當RB1和RB2選擇合適，滿足I2gt;gt;IB時，則有UB≈[RB1/（RB1+RB2）]UCC，式中RB1和RB2和VCC都是固定的，不隨溫度變化，所以基極點的電位基本固定不變。

通過RE引入負反饋電路，限制IC的變化，使靜態工作點保持穩定。工作過程：隨著溫度的升高，IC增大，IE增大，UE增大，所以UBE減小，導致IB減小，進而IC減小，實現工作點的穩定[2]。

在直流通路中，當流過基極偏置電阻RB1和RB2的電流遠大于晶體管T的輸入基極電流時（一般5～10倍），工程估算法可以估算其靜態工作點，如下式

1.2" 動態參數

分析動態參數可以采取H參數小信號微變等效電路模型[2]。動態參數求解之前必須求出動態電阻rbe，取r′bb=100 ？贅，所以，可以求出動態電阻

接著便可以求出電壓放大倍數：

如果將負載開路，RC減半，可以算出

如果負載開路，RC不變，可以算出

2" 實驗測試

2.1" 測試靜態工作點

靜態測量是指在輸入信號ui=0的情況下測得所有靜態工作點。即將放大器輸入端與地端短接，然后選用量程合適的直流毫安表和直流電壓表，分別測量晶體管的集電極電流IC及各電極對地的電位UB、UC和UE。一般實驗中，為了避免斷開集電極，所以采用測量電壓UE或UC，然后算出IC的方法。

在實際實驗過程中，盡可能選用內阻較高的直流電壓表以減小誤差，提高測量精度。

對實驗電路圖1，選取接通12 V電源，調節Rw，使IC=2 mA（即UE=2 V）。圖2為UB測量結果顯示圖，可以依次用萬用表測量UB、UC和UE及RB2值。

所有靜態工作點的測量結果見表1。

2.2" 測試電壓放大倍數

動態測量是指在放大器輸入端加入頻率為1 kHz的正弦信號ui，測量輸入輸出電壓的變化。首先，調節信號發生器，使其產生電壓幅值為ui=20 mV的正弦交流信號，即有效值Ui=14 mV。將該信號輸入給放大電路輸入端。然后，用雙蹤示波器觀察放大電路輸入輸出電壓uo的波形。在波形不失真的條件下[3-4]，用萬用表測量表2中3種情況下的uo值，并用雙蹤示波器觀察uo和ui的相位關系，記入表2中。

表2nbsp; ui≈20 mV" IC=2.0 mA

通過波形測試結果可知，最大值較小的為輸入信號ui，幅值增大了的波形為輸出uo，可以直觀地看出輸出信號與輸入信號實現反相的放大特性。而且通過以上數據分析可見，電壓放大倍數的大小與集電極電阻和負載的大小有著密切的關系。在rbe一定的條件下，負載開路時，RC減半就會導致電壓放大倍數也相應減半；即使RL不開路但選取和RC一樣的阻值，那么相對于第一組結果來看也是減半，也即和第二組測試結果基本一致。

3" 仿真分析

Multisum是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎的著名的電子設計自動化軟件仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作[5]。其包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。整個仿真過程，模擬真實的實驗電路測試過程。同樣可以在仿真工作界面，找到實際電路中所需的元器件和常用測量儀器，并將其用導線連接起來。通過點擊運行，在常用測量儀器諸如萬用表、示波器和信號發生器等，雙擊可以直觀看到電壓電流值、波形和特性曲線。目前已應用到版本14.0。

3.1" 靜態仿真

首先，打開Multisum14.0界面創建空白工作文件；其次，在工作臺區間按照如圖3所示的直流通路選取對應的元器件并進行合理布局、連線；最后，將所有需要測量靜態工作點的萬用表加入并連接，如圖4所示。

3.2" 電壓放大波形仿真

首先，打開Multisum14.0界面創建空白工作文件；其次，在工作臺區間按照如圖1所示的實驗電路圖選取對應的元器件并進行合理布局、連線；最后，將需要測量電壓放大倍數的信號發射器和示波器儀器加入并連接，如圖5所示。其中，B通道代表測量的輸入信號波形，A通道代表測量的輸出信號波形。

通過觀察仿真波形結果，可以直觀地看到幅值較小的輸入信號和幅值增大且相位反相的輸出信號，很好地實現了反相放大特性。且根據萬用表測得輸入輸出電壓的有效值的數據可以算出其放大倍數約為10。在電路圖一定的條件下，將負載開路時，根據仿真結果可以計算出其放大倍數約為20，如圖6（a）所示；負載開路的同時，RC減半就會導致電壓放大倍數也相應減半，也即為10，如圖6（b）所示。

4" 結論

本文以一個給定動態參數指標的分壓偏置共射放大電路為例，重點分析其靜態和動態性能指標電壓放大倍數。放大電路中每一個電阻的取值均滿足理論分析前提[4]。通過深入對比分析，可以得出以下結論：首先，靜態工作點的理論估算法結果與實際實驗電路中測得的靜態工作點的電位結果、仿真分析萬用表對其仿真測量結果進行對比，三者基本吻合，從多個維度深刻理解其靜態直流通路下參數的實際意義；其次，對比理論、實驗和仿真對其動態主要性能指標——電壓放大倍數的測量結果發現，彼此變化關系基本吻合且驗證了小信號等效模型的有效性。

通過將工程估算法的理論分析、實際搭建電路的實驗測試和Multisum仿真平臺搭建電路的虛擬仿真分析三者有機地結合起來，理實虛三維一體徹底攻克典型的分壓偏置共射放大電路的工作原理。

參考文獻：

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