余 平，方 杰，吳從兵，楊 婷

(1.皖西學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院，安徽六安 237000；2.皖西學(xué)院智能照明與顯示技術(shù)工程中心，安徽六安 237000)

在模擬電子技術(shù)中，最常見(jiàn)和最實(shí)用的放大電路的偏置是基極分壓式射極偏置電路，它能夠穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，克服電源電壓波動(dòng)、元件參數(shù)的分散性、元件的老化、環(huán)境溫度變化等對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。但對(duì)此類放大電路的失真分析，特別是對(duì)PNP管放大電路失真的理論和軟件分析都極為少見(jiàn)。本文針對(duì)NPN管和PNP管放大電路，從理論和軟件角度進(jìn)行分析和驗(yàn)證。當(dāng)發(fā)生飽和失真時(shí)，NPN管為底部失真，PNP管為頂部失真；當(dāng)發(fā)生截止失真時(shí)，NPN管為頂部失真，PNP管為底部失真。

1 理論分析

NPN放大電路基極電壓是由Rb11和Rb12分壓取得的，所以稱為分壓偏置。發(fā)射極中電阻Re11有直流負(fù)反饋?zhàn)饔茫珻3稱交流旁路電容，對(duì)交流是短路的，如圖1(a)所示。由于采取了上面兩個(gè)措施，使電路工作穩(wěn)定性能提高。

圖1 共射放大電路

靜態(tài)工作點(diǎn)的高低與電源電壓Vcc1及基極電阻Rb11、Rb12，集電極電阻Rc1等有關(guān)。Vcc1、Rc1通常是不可改變的，因此，可以通過(guò)改變Rb11、Rb12來(lái)調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。NPN放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的參數(shù)如下：

(1)

(2)

PNP放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的參數(shù)如下：

(3)

(4)

對(duì)于三極管放大電路，必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，保證三極管工作在線性區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的不失真放大。通常，靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整在放大器交流負(fù)載線的中點(diǎn)，以使輸出波形動(dòng)態(tài)范圍最大。

放大電路的輸出特性曲線如圖2所示。對(duì)NPN管放大電路，當(dāng)交流負(fù)載線和輸出特性曲線相交于Q1點(diǎn)時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)位于負(fù)載線的中點(diǎn)，位置設(shè)置合理，輸出波形動(dòng)態(tài)范圍較大，不易發(fā)生失真。由表達(dá)式(1)(2)可以看出，當(dāng)減小Rb11時(shí)，放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)變高，如Q1′，此時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)接近飽和區(qū)，當(dāng)輸入端輸入一定幅度的正弦波時(shí)，工作在Q1′的放大電路輸出波形負(fù)半周首先出現(xiàn)失真，即削底失真，NPN放大電路發(fā)生了飽和失真。同理，當(dāng)增大Rb11時(shí)，放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)變低，如Q1″，接近截止區(qū)。當(dāng)輸入端輸入一定幅度的正弦波時(shí)，工作在Q1″的放大電路輸出波形發(fā)生正半周失真，即削頂失真，此時(shí)，NPN放大電路發(fā)生了截止失真。

對(duì)于PNP管放大電路，由于其電源VCC2是負(fù)值，故放大電路的iC和uCE均為負(fù)，交流負(fù)載線和輸出特性曲線相交于Q2點(diǎn)，如圖2所示，此時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)位置設(shè)置合理，輸出波形動(dòng)態(tài)范圍較大，不易發(fā)生失真。由表達(dá)式(3)(4)可以看出，當(dāng)減小Rb21時(shí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)變高，如Q2″，此時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)接近飽和區(qū)，當(dāng)輸入端輸入一定幅度的正弦波時(shí)，工作在Q2″放大電路輸出波形正半周首先出現(xiàn)失真，即削頂失真，NPN放大電路發(fā)生了飽和失真。同理，當(dāng)增大Rb21時(shí)，放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)變低，如Q2′，接近截止區(qū)。當(dāng)輸入端輸入一定幅度的正弦波時(shí)，工作在Q1′的放大電路輸出波形發(fā)生負(fù)半周失真，即削底失真，此時(shí)，NPN放大電路發(fā)生了截止失真。

圖2 放大電路的輸出特性曲線

圖3 無(wú)失真時(shí)放大電路輸出波形

2 軟件仿真

利用Multisim軟件搭建電路，在輸入端接入信號(hào)源，輸入的信號(hào)為10mV/1KHz的正弦波，電路參數(shù)見(jiàn)圖1，輸出端分別接虛擬示波器，此時(shí)電路正常放大無(wú)失真時(shí)，NPN和PNP放大電路的輸出如圖3所示。

2.1 飽和失真

如果改變基極偏置電路，使NPN放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)變高，從表達(dá)式(2)可以看出，減小Rb11可使靜態(tài)工作點(diǎn)接近飽和區(qū)。同時(shí)增大輸入信號(hào)幅度，則輸出端信號(hào)出現(xiàn)飽和失真，此時(shí)可取Rb11=30KΩ，Vi=50mV，NPN放大電路輸出波形表現(xiàn)為底部失真，即飽和失真，如圖4所示。

對(duì)于PNP放大電路，從表達(dá)式(4)可以看出，減小Rb21可使靜態(tài)工作點(diǎn)接近飽和區(qū)，同時(shí)增大輸入信號(hào)幅度，則輸出端信號(hào)出現(xiàn)飽和失真，此時(shí)可取Rb21=17KΩ，Vi=100mV，輸出波形表現(xiàn)為頂部失真，即飽和失真，如圖4所示。

2.2 截止失真

對(duì)于NPN放大電路，從表達(dá)式(2)可以看出，增大Rb11可使靜態(tài)工作點(diǎn)接近截止區(qū)。同時(shí)增大輸入信號(hào)幅度，則輸出端信號(hào)出現(xiàn)截止失真，此時(shí)可取Rb11=70KΩ，Vi=50mV，NPN放大電路表現(xiàn)為頂部失真，即截止失真。同理，對(duì)于PNP放大電路，從表達(dá)式(4)可以看出，增大Rb21可使靜態(tài)工作點(diǎn)接近截止區(qū)，同時(shí)增大輸入信號(hào)幅度，則輸出端信號(hào)出現(xiàn)截止失真，此時(shí)可取Rb21=80KΩ，Vi=200mV，輸出波形表現(xiàn)為底部失真，即截止失真，如圖5所示。

圖4 飽和失真

圖5 截止失真

3 結(jié)語(yǔ)

采用理論和Multisim軟件對(duì)NPN和PNP基極分壓式偏置電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，靜態(tài)工作點(diǎn)Q的理論分析和軟件測(cè)試結(jié)果吻合。發(fā)生飽和失真時(shí)，NPN和PNP放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)都偏高，靠近飽和區(qū)。發(fā)生截止失真時(shí)，NPN和PNP放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)都偏低，靠近截止區(qū)。PNP和NPN管放大電路的輸出波形發(fā)生失真情況完全相反。當(dāng)發(fā)生飽和失真時(shí)，NPN管組成的放大電路表現(xiàn)為削底失真，而PNP管組成放大電路則表現(xiàn)為削頂失真。當(dāng)發(fā)生截止失真時(shí)，NPN管放大電路為削頂失真，PNP管為削底失真。通過(guò)電路的仿真能夠使學(xué)生掌握電路參數(shù)的改變對(duì)Q點(diǎn)和電路輸出波形的影響。

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