共射极放大电路输出波形研究

余 平，方 杰，吴从兵，杨 婷

(1.皖西学院电气与光电工程学院，安徽六安 237000；2.皖西学院智能照明与显示技术工程中心，安徽六安 237000)

在模拟电子技术中，最常见和最实用的放大电路的偏置是基极分压式射极偏置电路，它能够稳定静态工作点，克服电源电压波动、元件参数的分散性、元件的老化、环境温度变化等对静态工作点的影响。但对此类放大电路的失真分析，特别是对PNP管放大电路失真的理论和软件分析都极为少见。本文针对NPN管和PNP管放大电路，从理论和软件角度进行分析和验证。当发生饱和失真时，NPN管为底部失真，PNP管为顶部失真；当发生截止失真时，NPN管为顶部失真，PNP管为底部失真。

1 理论分析

NPN放大电路基极电压是由Rb11和Rb12分压取得的，所以称为分压偏置。发射极中电阻Re11有直流负反馈作用，C3称交流旁路电容，对交流是短路的，如图1(a)所示。由于采取了上面两个措施，使电路工作稳定性能提高。

图1 共射放大电路

静态工作点的高低与电源电压Vcc1及基极电阻Rb11、Rb12，集电极电阻Rc1等有关。Vcc1、Rc1通常是不可改变的，因此，可以通过改变Rb11、Rb12来调整静态工作点。NPN放大电路的静态工作点的参数如下：

(1)

(2)

PNP放大电路的静态工作点的参数如下：

(3)

(4)

对于三极管放大电路，必须设置合适的静态工作点，保证三极管工作在线性区实现对输入信号的不失真放大。通常，静态工作点调整在放大器交流负载线的中点，以使输出波形动态范围最大。

放大电路的输出特性曲线如图2所示。对NPN管放大电路，当交流负载线和输出特性曲线相交于Q1点时，静态工作点位于负载线的中点，位置设置合理，输出波形动态范围较大，不易发生失真。由表达式(1)(2)可以看出，当减小Rb11时，放大电路静态工作点变高，如Q1′，此时静态工作点接近饱和区，当输入端输入一定幅度的正弦波时，工作在Q1′的放大电路输出波形负半周首先出现失真，即削底失真，NPN放大电路发生了饱和失真。同理，当增大Rb11时，放大电路静态工作点变低，如Q1″，接近截止区。当输入端输入一定幅度的正弦波时，工作在Q1″的放大电路输出波形发生正半周失真，即削顶失真，此时，NPN放大电路发生了截止失真。

对于PNP管放大电路，由于其电源VCC2是负值，故放大电路的iC和uCE均为负，交流负载线和输出特性曲线相交于Q2点，如图2所示，此时静态工作点位置设置合理，输出波形动态范围较大，不易发生失真。由表达式(3)(4)可以看出，当减小Rb21时放大电路静态工作点变高，如Q2″，此时静态工作点接近饱和区，当输入端输入一定幅度的正弦波时，工作在Q2″放大电路输出波形正半周首先出现失真，即削顶失真，NPN放大电路发生了饱和失真。同理，当增大Rb21时，放大电路静态工作点变低，如Q2′，接近截止区。当输入端输入一定幅度的正弦波时，工作在Q1′的放大电路输出波形发生负半周失真，即削底失真，此时，NPN放大电路发生了截止失真。

图2 放大电路的输出特性曲线

图3 无失真时放大电路输出波形

2 软件仿真

利用Multisim软件搭建电路，在输入端接入信号源，输入的信号为10mV/1KHz的正弦波，电路参数见图1，输出端分别接虚拟示波器，此时电路正常放大无失真时，NPN和PNP放大电路的输出如图3所示。

2.1 饱和失真

如果改变基极偏置电路，使NPN放大电路静态工作点变高，从表达式(2)可以看出，减小Rb11可使静态工作点接近饱和区。同时增大输入信号幅度，则输出端信号出现饱和失真，此时可取Rb11=30KΩ，Vi=50mV，NPN放大电路输出波形表现为底部失真，即饱和失真，如图4所示。

对于PNP放大电路，从表达式(4)可以看出，减小Rb21可使静态工作点接近饱和区，同时增大输入信号幅度，则输出端信号出现饱和失真，此时可取Rb21=17KΩ，Vi=100mV，输出波形表现为顶部失真，即饱和失真，如图4所示。

2.2 截止失真

对于NPN放大电路，从表达式(2)可以看出，增大Rb11可使静态工作点接近截止区。同时增大输入信号幅度，则输出端信号出现截止失真，此时可取Rb11=70KΩ，Vi=50mV，NPN放大电路表现为顶部失真，即截止失真。同理，对于PNP放大电路，从表达式(4)可以看出，增大Rb21可使静态工作点接近截止区，同时增大输入信号幅度，则输出端信号出现截止失真，此时可取Rb21=80KΩ，Vi=200mV，输出波形表现为底部失真，即截止失真，如图5所示。

图4 饱和失真

图5 截止失真

3 结语

采用理论和Multisim软件对NPN和PNP基极分压式偏置电路进行仿真，仿真结果表明，静态工作点Q的理论分析和软件测试结果吻合。发生饱和失真时，NPN和PNP放大电路的静态工作点都偏高，靠近饱和区。发生截止失真时，NPN和PNP放大电路的静态工作点都偏低，靠近截止区。PNP和NPN管放大电路的输出波形发生失真情况完全相反。当发生饱和失真时，NPN管组成的放大电路表现为削底失真，而PNP管组成放大电路则表现为削顶失真。当发生截止失真时，NPN管放大电路为削顶失真，PNP管为削底失真。通过电路的仿真能够使学生掌握电路参数的改变对Q点和电路输出波形的影响。

[参考文献]

[1]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]牧仁.PNP与NPN管放大电路输出波形失真情况仿真比较[J].现代电子技术,2010(2):164-165.

[3]代素梅,刘照红,钟宁.单管放大电路静态工作点仿真分析[J].测控技术,2014(12):143-146.

[4]康华光,陈大钦.电子技术基础(模拟部分)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[5]聂典,丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社,2009.