蔡文君（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710014）

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放大電路參數(shù)對靜態(tài)工作點(diǎn)影響及仿真測試

蔡文君
（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710014）

摘 要：三極管有合適的的靜態(tài)工作點(diǎn)Q是保證放大電路正常工作的關(guān)鍵。因此，重點(diǎn)分析了三極管放大電路的電路參數(shù)對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響，并對分析結(jié)果進(jìn)行了仿真測試。

關(guān)鍵詞：放大電路；電路參數(shù)；靜態(tài)工作點(diǎn)

單管放大電路是構(gòu)成各類放大器和多級放大器的基本單元電路。放大電路性能指標(biāo)由靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)構(gòu)成。放大電路輸入端未加交流信號時(shí)，電路的工作狀態(tài)稱為直流狀態(tài)，簡稱靜態(tài)。靜態(tài)性能指標(biāo)IBQ，ICQ，UBEQ，UCEQ，稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，與電路參數(shù)UCC，Rc,Rb,β確定聯(lián)系緊密。當(dāng)放大電路輸入信號不為零時(shí)，電路的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。此時(shí)電路中各極的電壓、電流都是由直流量和交流量疊加而成。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)位置適當(dāng)時(shí)，輸出信號將隨輸入信號相應(yīng)變化，無線性失真。若Q點(diǎn)位置偏高，由于在輸入信號正半周的部分時(shí)間內(nèi)三極管工作于飽和狀態(tài)，使輸出電壓出現(xiàn)飽和失真；若Q點(diǎn)位置偏低，由于在輸入信號負(fù)半周的部分時(shí)間內(nèi)三極管工作于截止?fàn)顟B(tài)，使輸出電壓出現(xiàn)截止失真[1]。因此，Q點(diǎn)設(shè)置的是否合適，將直接影響到動(dòng)態(tài)時(shí)輸出信號是否失真。

1 靜態(tài)工作點(diǎn)

在圖1（a）的放大電路工作時(shí)，估算靜態(tài)工作點(diǎn)的電流和電壓。

放大電路輸入端加上信號ui時(shí)，三極管的輸出信號uCE和iC，既要滿足三極管的輸出特性，又要滿足uCE=UCC-iCRc方程。將uCE=UCC-iCRc用直流負(fù)載線MN表示，其斜率為

，如圖1(b)所示。因此，靜態(tài)工作點(diǎn)Q是輸出特性曲線和直流負(fù)載線的交點(diǎn)。

2 電路參數(shù)對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響分析

要想輸出信號不失真，電路參數(shù)的設(shè)置，就要使得信號的整個(gè)周期工作在晶體管放大區(qū)，即設(shè)置Q在放大區(qū)中間區(qū)域。否則Q點(diǎn)過高或過低都將容易產(chǎn)生非線性失真，電路參數(shù)Rb,Rc,Ucc,β對靜態(tài)工作點(diǎn)Q影響分析如下：

2.1 Rb對Q的影響

其它電路參數(shù)不變，直流負(fù)載線MN不變。

當(dāng)Rb減小增大→ICQ增大→UCEQ=UCC-ICQRC減小，在三極管輸出特性曲線上表現(xiàn)出Q點(diǎn)沿負(fù)載線上移，靠近飽和區(qū)，易出現(xiàn)飽和失真, 如圖2（a）中的Q”。過大的ICQ會造成三極管的β變小，放大能力下降，因此Rb不能太小，以保證集電極電流ICQ不得超過其最大允許電流ICM。

當(dāng)Rb增大→減小→ICQ減小→UCEQ=UCC-ICQRC增大，在三極管輸出特性曲線上表現(xiàn)出Q點(diǎn)沿負(fù)載線下移，靠近截止區(qū)，因此容易出現(xiàn)截止失真，如圖2（a）中的Q’。

2.2 Rc對Q的影響

其它電路參數(shù)不變，Rb不變→不變→ICQ不變，直流負(fù)載線MN斜率發(fā)生變化。

當(dāng)Rc減小→UCEQ=UCC-ICQRC增大，直流負(fù)載線MN變陡，斜率變大，Q點(diǎn)沿輸出特性曲線向右方移動(dòng)，如圖2（b）中的Q”，使得動(dòng)態(tài)工作范圍增大。但限制了輸入的交流信號的正半周信號的最大幅度（Umi

當(dāng)Rc增大→UCEQ=UCC-ICQRC減小，負(fù)載線MN變平坦，斜率變小，Q點(diǎn)沿輸出特性曲線左移，向飽和區(qū)移動(dòng)，如圖2（b）中的Q’，易產(chǎn)生飽和失真。

2.3 UCC對Q的影響

其它電路參數(shù)不變，直流負(fù)載線MN斜率不變。

當(dāng)UCC減小，Rb不變→減小→ICQ減小減小，Q點(diǎn)向左下方移動(dòng)，如圖2（c）中的Q”，三極管更加安全，但動(dòng)態(tài)工作范圍減小。

當(dāng)UCC增大，Rb不變→增大→ICQ增大增大，Q點(diǎn)向右上方移動(dòng)，如圖2（c）中的Q’。使得動(dòng)態(tài)工作范圍增大，此時(shí)ICQ,UCEQ同時(shí)增大，使得三極管靜態(tài)功耗增大較快，因而應(yīng)防止靜態(tài)工作點(diǎn)超出三極管安全工作區(qū)的范圍。

2.4 β對Q的影響

其它電路參數(shù)不變，直流負(fù)載線MN不變。

減小β，三極管輸出特性曲線下移，如虛線所示。此時(shí)直流負(fù)載線MN不變，IBQ不變，但I(xiàn)CQ=βIBQ減小，UCEQ=UCC-ICQRC增大。故Q點(diǎn)將沿直流負(fù)載線下移，如圖2（d）中的Q”，Q”點(diǎn)靠近截止區(qū)，易產(chǎn)生截止失真。

增大β，三極管輸出特性曲線上移，如虛線所示。此時(shí)直流負(fù)載線MN不變，IBQ不變，但I(xiàn)CQ增大，UCEQ=UCC-ICQRC減小。故Q點(diǎn)將沿直流負(fù)載線上移，如圖2（d）中的Q’，Q’點(diǎn)靠近飽和區(qū)，易產(chǎn)生飽和失真。

3 仿真測試

利用Mulitisim 10 創(chuàng)建仿真電路[2][3]，如圖3(a)

3.1 Rb變化仿真測試

表1　Rb變化仿真測試數(shù)據(jù)

由仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如表1，Rb的取值逐漸增大，三極管工作狀態(tài)由飽和→放大→截止。

表2　 Rc變化仿真測試數(shù)據(jù)

3.2 Rc變化仿真測試

由仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如表2，Rc的取值逐漸增大，三極管工作狀態(tài)由放大→飽和。

表3　 Ucc變化仿真測試數(shù)據(jù)

3.3 Ucc變化仿真測試

由仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如表3，Ucc的取值逐漸增大時(shí)，ICQ，UCEQ同時(shí)增大，使得三極管靜態(tài)功耗增大較快，因而應(yīng)防止靜態(tài)工作點(diǎn)超出三極管安全工作區(qū)的范圍。

3.4 β變化仿真測試數(shù)據(jù)

溫度升高，β增大。三極管2N2222A工作溫度范圍是-65℃～200℃，利用mulitisim軟件仿真分析方法中的溫度掃描分析，將溫度設(shè)置-50℃上升到150℃，，取5個(gè)溫度點(diǎn)，分別仿真分析靜態(tài)工作點(diǎn)IBQ，ICQ，UCEQ。如圖3(b)所示：

由仿真分析結(jié)構(gòu)可以得出，隨著溫度的上升，ICQ在增大，UCEQ在減小。使靜態(tài)工作點(diǎn)Q由截止區(qū)→放大區(qū)→飽和區(qū)移動(dòng)變化。

4 結(jié)論

綜上所述，電路參數(shù)設(shè)置的不合適，會使得靜態(tài)工作點(diǎn)偏離放大區(qū)中間區(qū)域過多。若Q設(shè)置過高，可以采用增大Rb、減小UCC、降低β等措施；若Q設(shè)置過低，可減小Rb、增大UCC、提高β等措施；若Q設(shè)置靠近飽和區(qū)，可減小Rc。實(shí)際調(diào)試中，主要通過改變電阻Rb來改變靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)然也需要將參數(shù)綜合考慮，根據(jù)失真情況及輸出范圍的要求，合理選擇或調(diào)整電路參數(shù)確定靜態(tài)工作點(diǎn)。同時(shí)還可以從電路結(jié)構(gòu)上入手，在發(fā)射極串聯(lián)電阻，引入串聯(lián)電流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]張志友.Multisim在電工電子課程教學(xué)中的典型應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(04).

[3]蔡文君.基于Multisim 對《電工基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)的探究[J].科技信息,2009(19).

作者簡介：蔡文君（1974-），女，陜西西安人，碩士，講師 ，主要從事：電路理論教學(xué)研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.163