基本放大电路的静态分析

静态分析是指输入信号ui=0时放大电路中各电压、电流的情况。

由于静态下电路中各处的电压、电流都是不变的直流量，因此，电容C1、C2相当于开路，其等效的直流通路如图2.7所示。

1.放大电路静态分析的估算法

静态下，晶体管各电极的电流和各电极间的电压分别用IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ表示，这些数据在描述放大电路特性的曲线中所对应的点称为静态工作点，用 “Q”表示。

由图2.7可求出固定偏置电阻共发射极放大电路的静态工作点Q为

图2.7　放大电路的等效直流通路

【例2.1】 已知图2.3所示电路中UCC=10V，RB=250kΩ，RC=3kΩ，β=50，试求该放大电路的静态工作点Q。

解 画出电路静态时的直流通路如图2.7所示。利用式（2.1）可求得

得静态工作点为

图2.8　设置静态工作点的必要性分析

问题提出：为什么要设置静态工作点？

分析：如果不设置静态工作点，当传输的信号是交变的正弦量时，信号中小于和等于晶体管死区电压的部分就不可能通过晶体管进行放大，由此造成传输信号的严重失真，如图2.8所示。

为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。

2.用图解法确定静态工作点

利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法称为图解法。

图解法是分析非线性电路的一种基本方法，它能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。图解法求解静态工作点的步骤一般为：

（1）按已选好的管子型号在手册中查找或从晶体管图示仪上描绘出管子的输入、输出特性。

（2）画出直流负载线。在输出特性曲线上找出IC=0和UCE=0的两个特殊点，把这两点分别作为横轴和纵轴的截距，连接两点即可得到电路线性部分的直流负载线。

（3）由电路的直流负载线与晶体管输出特性两部分伏安特性的交点，可确定静态工作点Q，如图2.9所示。

具体图解法求解步骤如下：

首先可由电子手册或晶体管图示仪中查出相应管子的输出特性曲线，绘制出来。在输出特性曲线上令IC=0，得出UCE=UCC-ICRC=UCC的一个特殊点；再令UCE=0，得出IC=UCC/RC的另一个特殊点，用直线将两点相连即得到直流负载线。

图2.9　图解法确定静态工作点Q

选择IBQ=40μA，则直流负载线与IBQ=40μA的交点Q就是静态工作点，Q在横轴及纵轴上的投影分别为UCEQ和ICQ。

由图2.9可见，IB的大小直接影响静态工作点的位置。因此，在给定的UCC和RC不变的情况下，静态工作点的合适与否取决于基极偏流IB。

当IB比较大时（如60μA），静态工作点由Q点沿直流负载线上移至Q1点，显然Q1点的位置距离饱和区较近，因此易使信号正半周进入到晶体管的饱和区而造成饱和失真。当IB较小时（如20μA），静态工作点由Q点沿直流负载线下移至Q2点，由于Q2点距离截止区较近，因此易使信号负半周进入晶体管的截止区而造成截止失真。

显然，静态工作点设置得不合适，就会发生传输过程中的饱和失真和截止失真，这将直接影响信号的传输和放大质量。另外，晶体管的输入特性曲线是非线性的，若不设置静态工作点，当信号输入时，基极电流将从曲线的原点处开始变化，受曲线弯曲部分的影响，基极电流波形将发生畸变而造成输出波形失真。为防止这种失真，必须设置一个静态工作点，预先供给一个静态基极电流。合适的静态工作点是放大电路保证传输质量的必要条件。

静态工作点的设置原则为：保证输入信号不失真地放大和输出。

除基极电流对静态工作点的影响外，影响静态工作点的因素还有电压波动、晶体管老化和温度的变化等。其中温度变化对静态工作点的影响最大。当环境温度发生变化时，几乎所有的晶体管参数都要随之改变。这些改变都会引起晶体管集电极电流IC的变化：温度升高时，晶体管内部的载流子运动加剧，IC增大，从而导致静态工作点位置沿直流负载线上移，造成放大电路的饱和失真。如图2.10中虚线所示。

图2.10　温度对静态工作点Q的影响

上述分析说明固定偏置电阻的单管发射电压放大器电路存在很大的缺点：当晶体管所处工作环境温度升高时，晶体管内部载流子运动加剧，温度T↑→Q↑→IC↑→UCE↓→VC↓，若VC＜VB时，集电结也将正偏，电路发生饱和失真。

为保证信号传输过程中不受温度的影响，需要对固定偏置电阻的共发射极放大电路进行改造。实用中一般采用分压式偏置的共发射极放大电路，该电路可以通过反馈环节有效地抑制温度对静态工作点的影响。其电路如图2.11所示。

这种分压式偏置的共发射极基本放大电路与固定偏置电阻的基本放大电路相比，基极由一个固定偏置电阻改接为两个分压式偏置电阻，这种设置需要满足I1≈I2的小信号条件。

在满足I1≈I2≫IB的小信号条件下，当温度发生变化时，虽然也要引起IC的变化，但对基极电位没有多大影响。在实际模拟电子线路中，设计流过RB1和RB2支路的电流远大于基极电流IB，因此可近似把RB1和RB2视为串联，串联电阻可以分压，根据分压公式可确定基极电位为

图2.11　分压式偏置共发射极放大电路

从电路结构来看，基极电位VB与晶体管的参数无关：当温度发生变化时，只要UCC、RB1和RB2固定不变，VB值就是确定的，不会受温度变化的影响。

分压式偏置的共射电压放大器的电路中，在发射极上串入一个反馈电阻RE和一个射极旁路电容CE的并联组合，其目的就是为了稳定静态工作点。

射极反馈电阻RE的数值通常为几十至几千欧，它不但能够对直流信号产生负反馈作用，同样可对交流信号产生负反馈作用，从而造成电压增益下降过多。为了不使交流信号削弱，一般在RE的两端并联一个约为几十微法的较大射极旁路电容CE。CE由于本身的隔直作用对直流静态工作点不产生影响，相当于开路；由于其通交作用对交流放大信号视为短路。因此，对要放大的交流信号而言，RE被CE短路，发射极可看成交流“接地”。

3.分压式共射放大电路静态工作点的估算

估算静态工作点时，一般硅管净输入电压UBE取0.7V，锗管净输入电压UBE取0.3V。分压式偏置的共射放大电路静态工作点的估算法如下：

（1）应用式（2.2）首先求出基极电位VB。

（2）然后应用下式求出静态工作点

【例2.2】 估算图2.11所示电路的静态工作点。已知电路中各参数分别为：UCC=12V，RB1=75kΩ，RB2=25kΩ，RC=2kΩ，RE=1kΩ，β=57.5。

解 首先画出放大电路的直流通路如图2.12所示。(www.xing528.com)

图2.12　分压式偏置共射电压放大器电路的直流通路

由式（2.2）可求得基极电位为

由式（2.3）可求得静态工作点为

由此得出静态工作点Q= {40μA、2.3mA、5.1V}。

静态分析的图解法有助于加深对“放大”作用本质的理解。但直流通路的估算法比图解法简便，所以分析和计算静态工作点时常用近似估算法。

本节重要知识点学习检测

1.影响静态工作点稳定的因素有哪些？其中哪个因素影响最大？如何防范？

2.放大电路中为什么要设置静态工作点？静态工作点不稳定对放大电路有何影响？

3.静态时耦合电容C1、C2两端有无电压？若有，其电压极性和大小如何确定？

4.放大电路的失真包括哪些？失真情况下，集电极电流的波形和输出电压的波形有何不同？消除这些失真一般采取什么措施？

5.试述RE和CE在放大电路中所起的作用。

本节技能训练

实验二 单管共发射极放大电路的研究

单管共发射极电压放大器静态工作点的调试

一、实验目的

（1）了解和初步掌握单管共发射极放大电路静态工作点的调整方法；学习根据测量数据计算电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的方法。

（2）观察静态工作点的变化对电压放大倍数和输出波形的影响。

（3）进一步掌握示波器、信号发生器、电子毫伏表的使用方法。

二、实验主要仪器设备

（1）模拟电子实验台一套。

（2）双踪示波器一台。

（3）其他相关设备及导线。

三、实验原理图简介 （如图2.13所示）

四、实验原理

（1）为了获得最大不失真输出电压，静态工作点应选在交流负载线的中点。为使静态工作点稳定，必须满足小信号条件。

（2）静态工作点可由下列关系式计算

图2.13　单管分压式共射放大实验电路

（3）电压放大倍数、输入、输出电阻计算

式中负号表示输入、输出信号的相位相反。式中的输入、输出电压峰—峰值根据示波器上的波形读出。

五、实验步骤

（1）调节信号发生器，产生一个输出为ui=50mV、f=1000Hz的正弦波，将此正弦信号引入共射放大电路第一级的输入端。

（2）把示波器CH1探头与电路输入端相连，电路与示波器共“地”，均连接在实验电路的“地”端。

（3）调节电子实验台上的直流电源0～18V，使之产生12V直流电压输出，引入到实验电路中的+UCC端子上。

（4）实验电路的输出端子与示波器CH2探头相连。实验台上的数字电压表 （或交流电压表）连接在实验电路中的UBQ处，用以实测UBQ值。

（5）把电键开关打在 “通”的位置，调节RB11，观察示波器屏幕中的输入、输出波形，若静态工作点选择合适，本实验电路中UBQ的数值通常在4V左右。把读出的数据和输入、输出信号波形填写在附表中。

（6）从示波器中读出输入、输出信号的P—P值，由两个P—P值的比值算出放大电路的电压放大位倍数Au。由电路参数计算出放大电路的输入、输出电阻。

（7）调节RB11，观察静态工作点的变化对放大电路输出波形的影响：

1）逆时针旋转RB11，观察示波器上输出波形的变化，当波形失真时，观察波形的削顶情况，记录在表格中。

2）顺时针旋转RB11，观察示波器上输出波形的变化，当波形失真时，观察波形的削顶情况，仍记录在表格中。

（8）根据观察到的两种失真情况，正确判断出哪个为截止失真，哪个是饱和失真。

六、思考题

（1）电路中C1、C2的作用你了解吗？请说一说。

（2）静态工作点偏高或偏低时对电路中的电压放大倍数有无影响？

（3）饱和失真和截止失真是怎样产生的？如果输出波形既出现饱和失真又出现截止失真是否说明静态工作点设置的不合理？为什么？

七、实验原始数据记录 （见表2.2）

表2.2　常用电子仪器使用的测量数据