共射放大电路静态工作点的估算

知识储备

三极管对信号实现放大作用时在电路中可有3种不同的连接方式（或称3种组态），即共（发）射极、共集电极和共基极接法，这3种接法分别以发射极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的交流公共端，而构成不同组态的放大电路如图2.3所示。

图2.3　放大电路中三极管的3种连接方式

（a）共（发）射极电路；（b）共集电极电路；（c）共基极电路

1.共（发）射放大电路简介

由于共（发）射极接法应用最广，下面首先以共（发）射极接法的放大电路为例，探讨放大电路的组成、工作原理及分析方法。

共（发）射极基本放大电路的组成如图2.4所示，由于发射极作为输入回路和输出回路的交流公共端，所以称为共射电路，本电路采用的是NPN管。为保证放大电路能够不失真地放大交流信号，放大电路的组成应遵循以下原则。

1）保证三极管工作在放大区

在图2.4中，直流电源UBB和基极偏置电阻Rb为了保证三极管发射结正偏，直流电源VCC和集电极电阻Rc为了保证三极管集电结反偏，此时VCC应大于UBB。为了简化电路，一般选取VCC=UBB，如图2.4所示，此时为保证三极管集电结反偏，基极偏置电阻Rb（一般为几十千欧至几百千欧）应远大于集电极电阻Rc（一般为几千欧至几十千欧）。

在图2.5中，直流电源VCC除了为三极管正常工作在放大区提供合适的偏置外，还提供信号放大所需要的能量。电阻Rb决定基极偏置电流IB的大小，称为基极偏置电阻，调整Rb可以得到合适的基极偏置电流。集电极电阻Rc能够将集电极电流的变化转换为集电极电压的变化。

图2.4　共（发）射极放大电路

图2.5　共（发）射极放大电路的简化画法

2）保证信号有效的传输

在图2.5中，电容C1、C2为耦合电容，起隔直、通交的作用，即隔断放大电路与信号源、放大电路与负载之间的直流通路，沟通交流信号源、放大电路、负载三者之间的交流通路。耦合电容一般采用有极性的电解电容，使用时注意正负极性。

放大电路由直流电源提供偏置，保证三极管正常工作在放大区，电路中存在一组直流分量。放大电路要放大的是交流信号，电路中存在一组交流分量，即电路中交、直流分量并存。

3）放大电路中电压、电流的方向及符号规定

（1）电压、电流正方向的规定。

为了便于分析，规定电压的正方向都以输入输出回路的公共端为负，其他各点均为正；电流方向以三极管各电极电流的实际方向为正方向，如图2.5所示。

（2）电压、电流符号的规定。

为了便于讨论，对于图2.5所示的放大电路，在交流信号ui的作用下，可以得到图2.6所示的三极管集电极电流波形，对其表示的符号作以下规定（见表2.1）。

① 如图2.6（a）所示波形，用大写字母和大写下标表示直流分量。如IC表示集电极的直流电流。

图2.6　共（发）射极放大电路三极管集电极电流波形

② 如图2.6（b）所示波形，用小写字母和小写下标表示交流分量。如ic表示集电极的交流电流。

③ 如图2.6（c）所示波形，是直流分量和交流分量之和，即交流叠加在直流上，用小写字母和大写下标表示总变化量。如iC表示集电极电流总的瞬时值，其数值为iC=IC+ic。

④ 用大写字母和小写下标表示交流有效值。如Ic表示集电极正弦交流电流的有效值。

表2.1　电压、电流符号的规定

2.共射放大电路的静态分析

在对一个放大电路进行定量分析时，首先进行静态分析，即分析未加输入信号时的工作状态，此时电路中只存在直流分量，利用直流成分的通路，即直流通路估算放大电路的静态参数。然后进行动态分析，即分析加上交流输入信号后电路的工作状态，估算放大电路的各项动态性能指标。加上交流输入信号后电路增加了交流分量，利用交流成分的通路，即交流通路分析交流分量。由于放大电路中存在着电抗性元件，所以直流成分的通路和交流成分的通路是不同的。首先通过下面的测试分析基本共射放大电路的静态工作情况。

1）直流通路及静态工作点

直流通路是指当输入信号ui=0时，电路在直流电源VCC的作用下，直流电流所流过的路径。在画直流通路时，将电路中的电容开路，电感短路。图2.5所对应的直流通路如图2.7（a）所示。

图2.7　基本共射放大电路的静态情况

（a）直流通路；（b）静态工作点Q

静态是指交流输入信号ui=0时放大电路的工作状态，此时电路中只有直流分量。在直流电源的作用下，三极管的基极回路和集电极回路均存在着直流电流和直流电压，即IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。这4个数值分别对应于三极管输入输出特性曲线上的一个点“Q”，即输入特性曲线上的点Q（UBEQ，IBQ）、输出特性曲线上的点Q（UCEQ，ICQ），如图2.7（b）所示，习惯上称这个“Q”点为放大电路的静态工作点。为了使放大电路能够正常工作，三极管必须处于放大状态。因此，要求三极管必须具有合适的静态工作点“Q”。当电路中的VCC、Rc、Rb确定以后，IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ也就随之确定了。为了表明对应于“Q”点的各参数IB、UBE、IC、UCE是静态参数，习惯上将其分别记作IBQ、UBEQ、ICQ和UCEQ。

2）放大电路静态工作点的估算

由图2.7（a）所示直流通路可知，直流电源+VCC经基极偏置电阻Rb为三极管发射结提供正向偏置电压，经集电极电阻Rc为三极管集电结提供反向偏置电压。由直流通路得基极静态电流IBQ，即

其中，UBEQ为发射结正向电压。三极管导通时UBEQ的变化很小，可近似认为：硅管UBEQ=0.6～0.8V，通常取0.7V；锗管UBEQ=0.1～0.3V，取0.3V。当VCC＞＞UBEQ时，可以IBQ≈VCC/Rb。根据三极管的电流放大特性，得集电极静态电流ICQ，即

再依据集电极回路可求出集电极-发射极间电压UCEQ，即

上式中UCEQ和ICQ的关系对应于输出特性曲线中过Q点的一条直线，此直线称为直流负载线，如图2.8所示。

图2.8　直流负载线

注意：实际工作中如果UCEQ的值小于1 V，三极管工作在饱和区，上式就不成立了。此时三极管的集电极电流ICQ为饱和电流，用ICS表示，三极管集电极-发射极之间的电压为饱和压降，用UCES表示，则

当三极管处于临界饱和状态时，仍然满足IC=βIB，此时的基极电流称为基极临界饱和电流，用IBS表示，则

在判断三极管的工作状态时，如果IBQ＞IBS，认为三极管处于饱和状态。

图2.5所示的基本共射极放大电路具有电路简单的优点，其基极电流IBQ=（VCC-UBEQ）/Rb是固定的，所以也称此电路为固定偏置式电路。当更换三极管或环境温度变化引起三极管参数变化时，电路的静态工作点会随之变化，甚至可能移到不合适的位置而导致放大电路无法正常工作。固定偏置式放大电路的静态工作点不稳定，直接影响放大电路的工作性能，应采取措施改进电路，以稳定放大电路的静态工作点。

3.带有发射极电阻Re的固定偏置电路

1）电路组成(www.xing528.com)

电路如图2.9所示。

图2.9　带有发射极电阻Re的固定偏置式直流电路

2）静态工作点的估算

根据电路有

该电路与不带Re的固定偏置式电路相比，静态工作点较稳定。其稳定过程请读者自行分析。

自测习题

1.填空

（1）三极管放大电路有3种组态，分别是_________、_________、_________。

（2）共射放大电路中三极管工作在放大区，必须保证发射结_________，集电结_________（正偏/反偏）；耦合电容具有_________特性。

（3）共射放大电路的输入和输出信号相位_________（相同、相反）。

（4）ui=0时的电路状态就称为_______，此时电流流过的路径就称为_________通路（直流、交流）。

（5）画出直流通路的方法是将电容_________，电感_________（短路、开路）。

（6）共射电路中表征放大器中晶体三极管静态工作点的参数有UBEQ、_____、_____和_____。

（7）通常当静态工作点选得偏高或偏低时，就有可能使放大器的工作状态进入______（饱和、截止）区或________（饱和、截止）区，而使输出信号的波形产生失真。

2.判断

（1）共射放大电路中交流、直流信号共存。（　　）

（2）三极管能放大的能量来源于电源。（　　）

3.选择

在实际工作中调整放大器的静态工作点一般是通过改变（　　）。

A. 发射极电阻　B. 基极电阻　C. 三极管的β值

4.分析

（1）如题4（1）图所示，当Rb=300 kΩ，Rc=3 kΩ，β=60，UCC=12 V时。① 画出直流通路；② 估算该电路的静态工作点IBQ、ICQ、ICEQ（忽略UBEQ）。

（2）放大电路如题4（2）图所示，已知β=100，Rb=200 kΩ，Rc=1 kΩ。

求：① 画出直流通路；② 估算电路的静态工作点（忽略UBE）；③ 电容的作用是什么；④ 输出信号和输入信号的相位是同相还是反相？

题4（1）图

题4（2）图

自测习题答案