静态工作点与放大电路性能的关系

毛战华　张爱英

摘 要： 以单管共射放大电路为例，讨论放大电路中静态工作点与动态参数、输出波形的关系，得出调整静态工作点和动态参数的可行办法，有利于理解和掌握模拟放大电路的原理与实质。

关键词： 放大电路； 静态工作点； 失真； 电压放大倍数

中图分类号： TN702?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0142?03

0 引 言

在模拟电子技术基础课程中，放大电路是最基本的电路。分析放大电路就是求解静态工作点和各项动态参数[1]，对放大电路的分析，应遵循“先静态，后动态”的原则，只有静态工作点合适，动态分析才有意义，放大电路才可能有较好的输出波形[1]。在此，以单管共射放大电路为例来阐述静态工作点与放大电路输出波形和动态参数的关系。

1 静态工作点

放大电路的核心元件是晶体管（或场效应管）。当输入信号为零，即静态时，晶体管或场效应管各电极间的电压和电流称为静态工作点，即[Q]点。利用Multisim电路仿真软件搭建单管共射放大电路[2]，如图1所示。对该电路来说，[Q]点为静态时晶体管基极电流[IBQ、]集电极电流[ICQ，]b-e间电压[UBEQ]和管压降[UCEQ。]

对于一个放大电路，只有在输入信号的任意时刻晶体管都工作在放大区或场效应管都工作在恒流区，输出信号才不会失真。为此放大电路必须设置合适的静态工作点[Q，]使有输入信号作用时产生的交流分量驮载在静态时的直流分量之上，保证晶体管在输入信号变化的过程中始终工作在放大区[1]。

如图1所示电路，静态工作点求取表达式为：

[IBQ=VCC-UBEQRb1+Rb2] （1）

[ICQ=βIBQ] （2）

[UCEQ=VCC-ICQ?RC] （3）

理论上，可以通过调节[Rb2，][RC]或更换晶体三极管的方法实现静态工作点的设置与调整。

图1 单管共射放大电路

静态工作点的图解求取，如图2所示。图2（a）中，放大电路输入回路负载线[UBE=VCC-iB（Rb1+Rb2）]与晶体管输入特性曲线交于[Q]点，确定出[IBQ]和[UBEQ；]图2（b）中，输出回路直流负载线[uCE=VCC-iCRC]与晶体管输出特性曲线交于[Q]点，确定出[ICQ]和[UCEQ。]

图2 图解法求解静态工作点

2 [Q]点与放大电路动态参数的关系

对图 1所示电路电压放大倍数：

[Au=-β（RC∥RL）rbe] （4）

输入电阻：

[Ri=Rb∥rbe] （5）

输出电阻：

[Ro=RC] （6）

式中：[rbe=rbb+（1+β）26IEQ，][IEQ]为晶体管的静态发射极电流，从理论上看，也可以通过调节[Rb2，][RC]或更换三极管来改变放大电路的动态参数。同时，应该注意到，放大电路的[Au，][Ri]均与静态工作点有关。因此，改变静态工作点时，要顾及到对动态参数的影响；同样，调整动态参数时，也要顾及到静态工作点，保证电路输出不失真。

下面分析这三种方法是否合理且行之有效。为简单起见，设电路某一参数变化时，其余参数不变。

（1） 减小[Rb2]时，根据式（1）～式（3）和图2可知，[IBQ]增大，[ICQ]增大，[UCEQ]减小，[Q]点升高，沿直流负载线上移，向饱和区靠近，输出易出现饱和失真；而根据[rbe=rbb+（1+β）26IEQ，][rbe]是减小的， 由式（4），式（5）得[Au]增大，放大能力提高，[Ri]减小，从信号源索取电流增大。增大[Rb2]时的情况相反。因此，靠调节基极电阻改变[Q]点和动态参数的办法是行之有效的，但要同时关注调节过程中[Q]点和动态参数的变化，既满足动态参数的要求，输出波形又不失真，不能顾此失彼。

（2） 增大[RC]时，根据式（3）和图2可知，虽然[ICQ]不变，但[UCEQ]减小，[Q]点向饱和区靠近，输出易出现饱和失真；[RC]增大，[Au]增大，放大能力提高，[Ro=RC，]输出电阻增大，使电路带负载能力变弱。因此，靠调节[RC]改变[Q]点和动态参数的办法实际上是不可取的。

（3） 更换大[β]值的晶体管。通常，晶体管基区电阻[rbb?（1+β）26IEQ，]且[β?1，]得：

[Au≈-ICQ（RC∥RL）26]

说明换大[β]值的晶体管对[Au]改变不明显，但[Ri]变大（信号电压损失变小），因为在[IEQ]不变情况下，[β]值大的管子其[rbe]也大；同时在[IBQ]不变情况下，增大[β]会增大[ICQ，]使[Q]点沿直流负载线上移，易出现饱和失真。因此，靠更换晶体管的方法可以用于改变[Q]点和输入电阻参数，在这过程中同样要二者兼顾。

3 [Q]点对输出波形非线性失真的影响

当放大电路工作时，晶体管进入饱和区或截止区，使输出波形失去了输入波形的形状，产生失真，这种失真是由于晶体管的非线性造成的，称为非线性失真[3]。

当静态工作点[Q]点合适，输出为不失真波形；当静态工作点[Q]过低，离截止区较近，在输入信号负半周靠近峰值的某段时间，晶体管处于截止状态，输出电压产生顶部失真，即截止失真。当[Q]点过高，离饱和区较近，在输入信号正半周靠近峰值的某段时间，晶体管处在饱和区，输出波形产生底部失真，即饱和失真。

利用Multisim电路仿真软件[4?6]，观察图1所示单管放大电路[Q]点不合适时输出波形的失真现象。为了更好地观察到失真现象，输入信号增至10 mV，此时输出波形为最大不失真信号，设置电路中可调电位器[Rb2]按1%比例变化。

（1） 单击选中电位器[Rb2，]按shift+A键[4]，将[Rb2]按百分比减小，[Q]点沿直流负载线向上移动，当[Rb2]接入基极的电阻部分比例为11%时，输出电压波形开始产生底部失真，即饱和失真，如图3所示，上面的波形是输出波形。[Rb2]越小，失真越明显。

图3 饱和失真波形

（2） 单击选中电位器[Rb2，]按A键，将[Rb2]按百分比增大，[Q]点沿直流负载线向下移动，当[Rb2]接入基极的电阻部分比例为49%时，输出电压波形开始产生较明显的顶部失真，即截止失真，如图4所示，上面的波形是输出波形。[Rb2]越大，失真越明显。

图4 截止失真波形

4 结 语

综上所述，单管共射放大电路中的静态工作点和动态参数可以通过调节[Rb2，][RC]或更换三极管来改变。静态工作点的位置影响放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数，而动态参数的改变也影响静态工作点，无论对哪方进行调整，都不能顾此失彼，只有这些影响在允许的范围内，选用的方法才是合适的。

注：本文通讯作者为张爱英。

参考文献

[1] 华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 石嘉顺.基于Multisim环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真，2007，24（12）：169?172.

[3] 宋学君.模拟电子技术[M].北京：科学出版社，2006.

[4] 张新喜.Multisim 10电路仿真及应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 许晓华.Multisim 10计算机仿真及应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

[6] 曹鸿霞，冒晓莉，张加宏.Multisim 10在单管共射放大电路中的应用[J].现代电子技术，2011，34（14）：169?172.

[7] 罗庚兴，张艳.基于Multisim 10的晶闸管调光电路的设计与仿真分析[J].现代电子技术，2012，35（10）：186?188.

[8] 王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim10仿真分析[J].现代电子技术，2011，34（18）：172?174.

利用Multisim电路仿真软件[4?6]，观察图1所示单管放大电路[Q]点不合适时输出波形的失真现象。为了更好地观察到失真现象，输入信号增至10 mV，此时输出波形为最大不失真信号，设置电路中可调电位器[Rb2]按1%比例变化。

（1） 单击选中电位器[Rb2，]按shift+A键[4]，将[Rb2]按百分比减小，[Q]点沿直流负载线向上移动，当[Rb2]接入基极的电阻部分比例为11%时，输出电压波形开始产生底部失真，即饱和失真，如图3所示，上面的波形是输出波形。[Rb2]越小，失真越明显。

图3 饱和失真波形

（2） 单击选中电位器[Rb2，]按A键，将[Rb2]按百分比增大，[Q]点沿直流负载线向下移动，当[Rb2]接入基极的电阻部分比例为49%时，输出电压波形开始产生较明显的顶部失真，即截止失真，如图4所示，上面的波形是输出波形。[Rb2]越大，失真越明显。

图4 截止失真波形

4 结 语

综上所述，单管共射放大电路中的静态工作点和动态参数可以通过调节[Rb2，][RC]或更换三极管来改变。静态工作点的位置影响放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数，而动态参数的改变也影响静态工作点，无论对哪方进行调整，都不能顾此失彼，只有这些影响在允许的范围内，选用的方法才是合适的。

注：本文通讯作者为张爱英。

参考文献

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[2] 石嘉顺.基于Multisim环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真，2007，24（12）：169?172.

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[8] 王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim10仿真分析[J].现代电子技术，2011，34（18）：172?174.

利用Multisim电路仿真软件[4?6]，观察图1所示单管放大电路[Q]点不合适时输出波形的失真现象。为了更好地观察到失真现象，输入信号增至10 mV，此时输出波形为最大不失真信号，设置电路中可调电位器[Rb2]按1%比例变化。

（1） 单击选中电位器[Rb2，]按shift+A键[4]，将[Rb2]按百分比减小，[Q]点沿直流负载线向上移动，当[Rb2]接入基极的电阻部分比例为11%时，输出电压波形开始产生底部失真，即饱和失真，如图3所示，上面的波形是输出波形。[Rb2]越小，失真越明显。

图3 饱和失真波形

（2） 单击选中电位器[Rb2，]按A键，将[Rb2]按百分比增大，[Q]点沿直流负载线向下移动，当[Rb2]接入基极的电阻部分比例为49%时，输出电压波形开始产生较明显的顶部失真，即截止失真，如图4所示，上面的波形是输出波形。[Rb2]越大，失真越明显。

图4 截止失真波形

4 结 语

综上所述，单管共射放大电路中的静态工作点和动态参数可以通过调节[Rb2，][RC]或更换三极管来改变。静态工作点的位置影响放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数，而动态参数的改变也影响静态工作点，无论对哪方进行调整，都不能顾此失彼，只有这些影响在允许的范围内，选用的方法才是合适的。

注：本文通讯作者为张爱英。

参考文献

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[2] 石嘉顺.基于Multisim环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真，2007，24（12）：169?172.

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[8] 王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim10仿真分析[J].现代电子技术，2011，34（18）：172?174.