放大电路静态在固定式偏置放大电路中的分析.pdf

第 卷第期年月杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报J o u r n a l o fY a n g l i n gV o c a t i o n a l&T e c h n i c a lC o l l e g eV o l N o M a r,收稿日期:作者简介:赵 媛(),女,陕西长安人,副教授,工程硕士,主要从事电工基础、电子技术、A u t o C A D等教学与科研工作.D O I:/j c n k i c n /G 放大电路静态在固定式偏置放大电路中的分析赵 媛,郭东平(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 )摘要:论文主要从固定式偏置共射极放大电路静态工作点的分析方法出发,详细介绍了静态工作点分析常用的图解法和解析法,并对两种方法进行了对比,提出了两种方法的适用性和静态工作点选取的一般原则,为电子信息、电气自动化、机电工程、汽车、电力、城轨运营等专业的教学与学习提供了参考.关键词:放大电路;静态分析;图解法;解析法中图分类号:TN 文献标识码:A文章编号:()A n a l y s i sM e t h o do fS t a t i cW o r k i n gP o i n t o fA m p l i f i e rC i r c u i t i nF i x e dB i a sC o mm o nE m i t t e rA m p l i f i e rC i r c u i tZ H A OY u a n,G U OD o n g p i n g(Y a n g l i n gV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,Y a n g l i n g,S h a a n x i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e rm a i n l ys t a r t s f r o mt h ea n a l y s i sm e t h o do f s t a t i cw o r k i n gp o i n to f f i x e db i a sc o mm o ne m i t t e ra m p l i f i e r c i r c u i t,i n t r o d u c e s i nd e t a i l t h eg r a p h i cm e t h o da n da n a l y t i c a lm e t h o dc o mm o n l yu s e di ns t a t i cw o r k i n gp o i n ta n a l y s i s,c o m p a r e st h et w om e t h o d s,a n dp u t s f o r w a r dt h ea p p l i c a b i l i t yo f t h e t w om e t h o d sa n dt h eg e n e r a l p r i n c i p l eo f s t a t i cw o r k i n gp o i n t s e l e c t i o n,w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c e f o r t h e t e a c h i n ga n d l e a r n i n go f e l e c t r o n i c i n f o r m a t i o n,e l e c t r i c a l a u t o m a t i o n,e l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g,a u t o m o b i l e,e l e c t r i cp o w e ra n du r b a nr a i l o p e r a t i o n K e yw o r d s:a m p l i f i c a t i o nc i r c u i t;s t a t i ca n a l y s i s;g r a p h i c a lm e t h o d;a n a l y t i cm e t h o d放大电路是电子技术中的典型电路,广泛应用于各种电子设备中,如日常生活所用的音响设备、视听设备、精密测量仪器、自动控制系统等.收音机和电视机需要将天线接收的微弱电信号处理、放大到一定程度,使扬声器发出声音,或使电视机显示出图像;在自动控制系统中,许多检测仪表利用传感器将温度、压力、流量、液位、转速等非电信号转变成微弱的电信号,再通过放大去驱动显示仪表显示被测量的大小,或者继续放大到一定的输出功率来驱动电磁铁、电动机、液压机构等执行部件以实现自动控制.同时,放大电路又是电子技术教学中后续章节的基础,也是电子技术的重点和核心内容,而放大电路中静态工作点的选择是保证放大电路稳定工作的关键,因此,对放大电路的静态工作点分析是非常必要的.固定式偏置共发射极放大电路的结构固定式偏置共发射极放大电路,是放大电路的基础,很多复杂的电子电路都是由它组合或演变而成.所以,必须对这种基本放大电路进行深入的分析.图是由N P N型管组成的固定式偏置共发射极放大电路,它是最基本的放大电路.US是信号源,RS是信号源内阻,交流信号Ui从基极回路中输入,输出信号UO取自集电极,发射极作为放大电路的输入回路和输出回路的公共端,所以这种电路称为共发射极放大电路,简称共射电路.三极管有三个电极,其中两个可以作为输入,两个可以作为输出,这样必然有一个电极是公共电极,因此,构成放大器时可以有三种连接方式,也称三种组态.以发射极作为公共电极,称共发射极放大电路;以集电极作为公共电极,称共集电极放大电路;以基极作为公共电极,称共基极放大电路.无论采用哪种接法,都必须满足发射结正偏,集电结反偏,才能保证三极管工作在放大区.图固定偏置共发射极放大电路图中各元器件的作用:()三极管V:是放大电路的核心器件,具有放大电流的作用.()基极偏置电阻RB:为了使放大电路有合适的静态工作点,三极管的基极有合适的偏置电流,一般RB取值为几十K 到几百K.()集电极负载电阻RC:主要是将三极管放大的电流转换为放大的电压,为了使放大电路带负载能力强,一般RC阻值为几百到几K,()直流电源EC:EC的正极经RC接三极管集电极,负极接发射极.主要为整个放大电路提供能源,其次保证三极管工作在放大状态.一般取值为几V到几十V.()电容C和C:通过电解电容C连接信号源与放大电路输入端、电解电容C连接放大电路输出端与负载,利用电容“隔直通交”的作用,使其之间直流分量相互独立,互不影响.在电路中,电解电容取值约为几F到几十F.图解法分析放大电路的静态工作点Q(IB Q、IC Q、UC E Q)所谓静态是指当输入电压Ui等于零时,放大电路中的电流和电压均为不变的直流量,放大电路处于直流工作状态,又称为静态.图解法分析放大电路的静态工作点是在绘制出放大电路的直流通路的基础上,运用三极管的特性曲线,通过作图的方法,直观地分析放大电路的工作情况.绘制直流通路的方法是:将放大电路中的电容器视为开路,因为电容有隔直通交的作用,所以在分析直流分量时,断开交流信号源和负载,其他元件连接方式不变,此时放大电路中只有直流分量,直流流经的路径称之为直流通路.图为放大电路图的直流通路图.应用输入特性曲线确定IB Q由图电路根据基尔霍夫定理或电压电位的概念可在左边支路列出回路电压方程:ECRBIBUB EUB E、IB既满足以上直线方程,又应符合三极管的输入特性曲线,所以用作图的方法在三极管输入特性曲线所在IBUB E直角坐标系上,作出ECRBIBUB Q对应的直线,则该直线与曲线的交点Q,就是输入回路的静态工作点Q,Q点的纵坐标即为IB Q.ECRBIBUB E对应的直线可以应用下面的方法作出:令UB E,则IBEC/RB,在纵轴上找到点M(,EC/RB);又令IB,则UB EEC,在横轴上找到点N(EC,).连接M、N两点,得直线MN,MN与输入特性曲线的交点Q,就是输入回路静态工作点.如图(a)所示.图固定偏置共发射极放大电路的直流通路 应用输出特性曲线确定IC Q及UC E Q同理,由图电路根据基尔霍夫定理或电压电位的概念可在右边支路列出回路电压方程:ECRCICUC EIC和UC E既要满足以上直线方程,又要满足IB IB Q的输出特性曲线,所以直线与曲线的交点就是输出回路静态工作点Q,Q的横坐标、纵坐标分别是UC E Q和IC Q.具体作图过程为:令UC E,ICEC/RC,得H(,EC/RC)点,又令IC,UC EEC,再得L(EC,)点.连接H、L两点得直流负载线,直线HL与IB IB Q的输出特性曲线的交点,就是输出回路静态工作点Q,如图(b)所示.电路参数对静态工作点的影响由以上方法分析静态工作点可知,电路参数RB、RC和EC的改变,都会影响静态工作点Q的变化.直流电源一旦确定就不会再改变,所以RB和RC的变化对放大电路静态工作点是有一定影响的.首先分析当RB不变化的情况,无论RC增大还是减小,图(a)的Q点都不会因为RC的变化而改变,也杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷就是说IB Q不会变化;但是当RC增大,图(b)中的H点将沿纵轴下移,由于RB未变,IB Q不会变化,所以Q点左移,UC E Q减小,IC Q基本不变.反之,RC减小,Q点右移,UC E Q增大,IC Q几乎不变;接下来再分析当RC不变化,RB改变的情况,如果RB增大,图(a)中的M点将沿纵轴下移,IB Q减小,图(b)中的静态工作点Q,将沿直流负载线HL下移,IC Q减小,UC E Q增大.反之,RB减小,则IB Q增大,静态工作点Q将沿HL上移,IC Q增大,UC E Q减小.如果RB增大较多,在三极管输出特性曲线上图(b)静态工作点Q将沿HL下移很多,靠近或进入截止区,造成截止失真;反之,如果RB减小较多,在三极管输出特性曲线上图(b)静态工作点Q将沿HL上移很多,靠近或进入饱和区,造成饱和失真.所以在实际电路调试中,一般选用可调电阻替代RB进行调试,等确定后再根据测试电路调整好后的具体阻值,选择合适的固定电阻替换.从上述分析结果可以看出,RB不变化,RC改变对放大电路静态工作点的影响不大;但是RC不变化,RB改变时,对电路静态工作点的影响很大,因此在电路中选择基极偏置电阻RB是尤为重要的,RB阻值的选取决定了放大电路的稳定性.一但基极偏置电阻RB选择后阻值就会固定,所以这类电路被称之为固定式偏置共发射极放大电路.图图解法求静态工作点解析法分析放大电路的静态工作点图解法能直观地了解放大电路的静态工作情况,但作图麻烦,有一定误差,尤其在分析多级放大电路时更为困难.所以在定量估算放大电路静态分析时,通常采用解析电路法.解析法分析放大电路静态工作点,主要在直流通路中运用基尔霍夫定理和电压电位的概念计算IB Q、IC Q、UC E Q的值.由图可得:根据基尔霍夫定理和电压电位的概念在左边支路可以得出:ECRBIB QUB E Q整理可得:IB Q(ECUB E Q)/RB(UB E Q很小,硅管约为 V,锗管约 V)根据三极管放大特性可得:IC QIB Q同理根据基尔霍夫定理和电压电位的概念在右边路径也可以得出:ECRCIC QUC E Q整理可得:UC E QECRCIC Q由以上分析可以看出,解析法在直流通路中分析放大电路静态工作点运用基尔霍夫定理和电压电位的概念更为快捷、精准,方便放大电路的分析与设计.例:固定式偏置共发射极放大电路,三极管为 D G ,ECV,RC K,试分析()RB K 时,电路的静态工作点;()RB K 时,电路的静态工作点;()RB K 时,电路的静态工作点解:()由于三极管选用的是 D G 为硅管,硅管导通电压为 V,直接代入解析法计算公式中,列写IB Q、IC Q、UC E Q的求解公式:IB Q(ECUB E Q)/RB()/mAIC QIB Q mAUC E QECRCIC Q V电路的静态工作点:IB Q mA,IC Q mA,UC E Q V()同理列写IB Q、IC Q、UC E Q的求解公式:IB Q(ECUB E Q)/RB()/mAIC QIB Q mAUC E QECRCIC Q V电路的静态工作点:IB Q mA,IC Q mA,UC E Q V()同理继续列写IB Q、IC Q、UC E Q的求解公式:IB Q(ECUB E Q)/RB()/第期赵 媛,等:放大电路静态在固定式偏置放大电路中的分析mAIC QIB Q mAUC E QECRCIC Q V电路的静态工作点:IB Q mA,IC Q mA,UC E Q V以上分析可以得出:第()问中求解出的静态工作点Q工作在放大区的中间位置,是合理的;第()问中RB由原来的 K 增大到 K,计算后IB Q值减小较多,IC Q值也会随着IB Q值减小较多,UC E Q增大较多,造成静态工作点Q较大幅度的下降,靠近或进入截止区,这样会使交流作用时集电极电流iC的波形出现“削底”失真、uC E的波形出现“削顶”失真现象,这种失真是由于静态工作点进入截止区引起的,所以称为截止失真,如图所示.第()问中RB由原来的 K 减小到 K,经计算后IB Q增大很多,随之IC Q也增大很多,UC E Q减小很多,这样会使电路的静态工作点Q大幅度上移而靠近或进入饱和区,引起iC波形出现“削顶”失真和uC E波形出现“削底”失真.这种失真是因为工作点进入饱和区造成的,所以称为饱和失真,如图所示.图截止失真图饱和失真综上所述,固定式偏置放大电路中调整放大器的静态工作点最主要的元件依旧是基极偏置电阻RB,RB电阻阻值的选取是放大电路稳定工作的重要前提.同时也是实际放大电路中保证放大电路带负载时交流信号放大不失真的正常输出.一般情况下考虑静态工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位,以保证放大电路获得较大的不失真输出幅度,其次是要有合适的交流负载线.当输入交流信号ui较小时,为使电路中的功率损耗和噪声能够减小,放大电路的静态工作点Q可以设置的偏低一些;在放大电路中为了提高电压放大倍数,电路的静态工作点Q可以设置的稍高一些.结语静态工作点是指三极管放大电路中,交流输入信号为零时,电路处于直流工作状态,称为静态.本文从放大电路两种静态工作点的分析方法中可以看出,图解法分析可以直观的从图形上得出电路的静态工作点,并确定静态工作点Q选取的合理性,但是作图过程比较麻烦,且精确度不高,一般只适用于初步设计中;解析法比较方便快捷,可以快速精确的计算出静态工作点的具体数值,适合放大电路的具体分析与设计,一般用于放大电路的精确分析设计中.静态工作点的设置对放大电路正常工作的稳定性有很大的影响,合理的设置静态工作点是非常重要的,若静态工作点设置的不合理,放大电路在交流信号放大时就可能会出现失真现象.由于三极管是非线性元器件,受温度和光照度影响较大,所以在三极管构成的放大电路中,要稳定静态工作点,通常采取温度补偿法,或在电路中引入直流负反馈,还可以采用分压式偏置共发射极放大电路,这些都可以用来稳定放大电路的静态工作点,使放大电路稳定工作.参考文献:吴雪冰,张林林,杨豪强分压偏置共射极放大电路静态分析的教学探究J高师理科学刊,():岳晓礼谈静态工作点在放大电路中的作用和影响J科技信息,():张 钢电子技术基础M北 京:中国 铁 道出 版社,()陈 宏动态法调整放大电路静态工作点教学模A S S UR E教学模式案例分析J大学物理实验,():邱关源电路M北京:高等教育出版 杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷