静态工作点实验研究与探索

贾哲

太原学院理化系，山西 太原 030032

静态工作点[1]是一直贯穿着整个放大电路直流工作状态和交流工作状态中，只有获得稳定且合适的 Q 点，才有可能得到理想的输出的波形.如何设置静态工作点是研究放大电路的核心，但同时静态工作点一个抽象的概念，不易理解，所以成为研究的重点和难点.本文先从理论上严密论证静态工作点的自稳定和设置[2]，再充分利用本校实验室的教学资源，在动态电路中理解合适的静态工作点有着线性放大作用[3]，偏高或偏低就会出现失真[4].实验结果充分地证明了合适的 Q点对放大电路起到线性放大作用，达到了较好教学效果.

1 静态工作点稳定分析

放大电路只接入直流电源时的情况，即电路各处的电压和电流都是不变的直流，叫做“直流工作状态”或是“静态”[5]，电路图如下图1所示.

图1 直流通路图Fig.1 Direct current circuit

晶体管要具有放大作用，就必须使晶体管处于放大区的偏置条件：除了在制造工艺上，要求位于中间的基区必须做得很薄，而且掺杂浓度低，发射区的浓度远大于集电区；还需要满足外部条件发射结正偏，集电结反偏.分压式偏置直流通路图中，基极和发射极构成了输入回路，集电极和发射极构成了输出回路.

1.1 分析直流通路图

在直流通路中，当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管的基极电流IB(一般5倍～10倍)，其中RB2为可变电阻，则它的静态工作点可用下式估算:

(1)

当基极电位VB>>UBE时，

(2)

UCE≈UCC-IC×(RE+RC)

(3)

1.2 分析自动稳定静态工作点

温度对三极管输入特性曲线有着很大影响，输入特性曲线是描述三极管在管压降UCE保持不变的前提下，基极电流IB和发射结压降UBE之间的函数关系，如下图2所示.

图2 三极管的输入特性曲线Fig.2 Input characteristic curve of transistor

当温度变化较大时，一般温度升高时，UBE不变时，IB会增大,输入特性曲线将会左移，从另一个角度看，温度升高，晶体管放大系数β也会增大，这样一来，IC势必会增大，整个晶体管静态工作点就发生变化.

采用分压式偏置电路时，基极电位VB只取决于电阻RB2、电阻RB1、电压UCC的值，其中电阻RB2的阻值可变，从公式1可以看出.基极电而与温度无关，从这个特性曲线上来看，当温度升高时，假设温度从20 ℃上升到75 ℃，IB、IC增加，IE也随之增加，射极电位VE升高，由于UBE=VB-VE，VB几乎处于稳定，则UBE减小,这个时候回到图2 看温度75 ℃时候输入特性曲线，UBE下降了，IB也降下来了，则IC也会随之下降，则从图中A点回到B点.从定性的角度来分析，静态工作点相对的自动稳定了.

1.3 设置不同的静态工作点

电路中RB2的阻值是可变的[6]，调节RB2的阻值就可调节三极管基极电位VB的值，随之得到不同的集电极电流IC，进而得到不同VE的值，为了避免断开集电极，所以在测量中，采取先测量VE的值.

同时为了减小误差，提高测量精度，测量时用内阻较高的直流电压表，并联在发射极后，相当于引入了一个电压串联负反馈，可以稳定发射极电压VE.在测量集电极电压VC时，同时VC的电位相对VE的电位比较大，所以可以使用内阻较高的直流电压表，并接在集电极直接测量VC.

设置不同的静态工作点，在本实验中，通过旋转旋钮改变RB2的阻值，先测量VE的值，再测量VC的值，依据下式.得到UCE的值

UCE=VC-VE

(4)

通过调整UCE的大小来来改变Q点的位置.实验数据如表1.

表1 参数设置Tab.1 Parameter setting

2 线性放大及线性失真

直流电源提供工作电压，使放大电路建立起放大状态.同时输入端接入了交流信号时，电路就出在动态工作状态.交流通路的微变等效电路如图3所示.

图3 微变等效电路Fig.3 Micro-variation equivalent circuit

2.1 输入电压ui的接入，引起iB的变化

放大电路的输入端加入正弦交流电压ui，晶体管的发射结之间的电压uBE上就在原来直流UBE的基础上叠加了一个交流量ui，ui变化一周则静态工作点Q对应的ib也在原来IB值基础上将会变化一周，即iB会在一定范围之间变动.

2.2 输出电压 uO变化

因为放大电路的直流负载线是不变化的，放大电路工作点会在负载线上动态范围内变化.当iB周期性变化时，则ic和uce周期性变化.

当ib变化到最大值，则ic变化到最大值，uce在原来UCE的基础上减小到最小值；ib变化到最小值，则iC变化到最小值，uce在原来UCE的基础上增加到最大值；即uce变化一周即为输出电压uO.

2.3 线性放大及线性失真

静态工作点Q设置在负载线的中点附近，使得放大电路具有最大不失真动态范围的时候，放大电路处于线性放大状态.输出电压uO随着输入信号ui增大而增大，此时就是线性放大[7].

同样，如果输入信号的幅度很大，即使Q点设置得很接近中点，也很可能出现失真，即为线性失真[8].当输入电压ui达到最大不失真时，再增大输入电压ui，输出电压uO的正负半周同时出现削平现象，就出现线性失真.

本次实验中，通过改变RB2的阻值，使VE的电压达到2 V，则UCE的取值为6 V左右，UCE的取值在直流负载特性曲线的中点，即为适中的Q点的位置.逐渐改变输入电压ui，输出电压uO会产生线性放大和线性失真.实验数据如表2，实验波形如图4所示，下半部分为原波形，上半部分为变化后的波形.

图4 线性放大及线性失真Fig.4 Linear amplification and linear distortion

3 饱和失真及截止失真

Q点设置的偏高[9]，由于放大器加入交流输入信号以后，输入信号负半周的部分时间内三极管工作于饱和状态，使输出电压易产生饱和失真，此时的uO负半周将被削底.Q点设置的偏低，放大器加入交流输入信号，由于输入信号正半周的部分时间内三极管工作于截止状态，易产生截止失真，此时uO的正半周将被削顶，见文献[3]中图10.2.8.

本次实验中，旋转旋钮使RB2的阻值减小，使VE的值增大，UCE的取值减小，在直流负载特性曲线的偏上位置即为Q点偏上，输出电压uO随着输入信号ui增大就容易出现饱和失真；旋转旋钮使RB2的阻值增大，使VE的值减小，UCE的取值增大，在直流负载特性曲线的偏下位置即为Q点偏下，输出电压uO随着输入信号ui增大就容易出现截止失真.实验数据如表3；实验波形如图5所示，下半部分为原波形，上半部分为变化后的波形.

图5 失真波形Fig.5 Distortion wave

4 结语

本文详细研究了分压式偏置电路能有效地稳定静态工作点，从理论上严密论证当温度升高时稳定静态工作点；同时通过设置外加交流输入电压ui和偏置电阻RB2进行实验研究，实验结果很好说明了线性放大，最大不失真输出及线性失真、饱和失真、截止失真.

本次实验采用合理的实验的方法，实验结果更好地验证了三级管在放大电路所起放大作用，为进一步的放大电路研究工作提供了理论支撑，及后期的实验创新项目打下良好基础；在教学工作中，充分调动了学生们学习的积极性，锻炼了学生的操作能力，进而提高学生的专业素养,更加有效地传授知识，使学生们综合素质进一步提升.