图解法分析与静态工作点估算

1.静态工作的图解分析

基本共射极放大电路如图2.3.4所示，用虚线把电路分成三部分：输入回路、BJT、输出回路。

图2.3.4　基本共射极放大电路

静态时，令图中us=0，即得该电路的直流通路。在输入回路中，静态电流IB和电压UBE既应在BJT的输入特性曲线上，又应满足外电路（由VEE、Rb组成）的回路方程uBE=VBB-iBRb。显然，由此回路方程可作出一条斜率为-1/Rb的直线，称其为输入直流负载线。为此，可在BJT的输入特性曲线图上作出这条输入直流负载线，即在横坐标轴上取一点（VBB，0），在纵坐标轴上取一点（0，VBB/Rb），并连接这两点成直线，如图2.3.5（a）所示。该直流负载线与输入特性曲线的交点就是所求的静态工作点Q（Quiescent），其横坐标值为UBEQ，纵坐标值为IBQ。

与输入回路相似，在输出回路中，静态电流IC和电压UCE既应在iB=IBQ的那条输出特性曲线上，又应满足外电路（由VCC、Rc组成）的回路方程uCE=VCC-iCRc。该方程也是一条直线，称为输出直流负载线，其斜率为-1/Rc。在BJT的输出特性曲线图上作出这条直线，即连接横坐标轴上的点（VCC，0）和纵坐标轴上的点（0，VCC/Rc）成直线，如图2.3.5（b）所示。该直线与曲线的交点就是要求的静态工作点Q，其横坐标值为UCEQ，纵坐标值为ICQ。

图2.3.5　静态工作点的图解分析

所以，静态工作点指的是点Q（IBQ， UBEQ）和Q（ICQ， UCEQ）。常将上述四个直流电量写成IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。

在BJT的放大电路中设置合适的静态工作点同样是必不可少的。因为将输入信号进行不失真地放大才有实际意义。为此，电路中的BJT必须始终工作在放大区域。如果没有直流电压和电流，图2.3.4中的VBB=0，当输入电压us的幅值小于发射结的开启电压Uth（硅管0.5 V、锗管0.1 V）时，则在输入信号的整个周期内BJT始终是截止的，因而输出电压没有变化量。即使输入电压幅值足够大，BJT也只能在输入信号正半周大于Uth的时间内导通，这必然使输出电压出现严重失真。

2.静态工作点的估算

BJT放大电路的静态工作点也可由它的直流通路用近似估算的方法求得。静态工作点的估算，是将b-e间电压UBEQ取一个固定数值（即认为b-e间等效为直流恒压源），假设晶体管在静态时工作在放大状态，集电极电流ICQ=βIBQ，然后利用ICQ求出静态管压降UCEQ，最后验证是否工作在放大区。

例2.3.2　设图2.3.6（a）所示电路中的VBB=4 V，VCC=12 V，Rb=220 kΩ，Rc=5.1 kΩ，β=80，UBEQ=0.7 V。试求该电路中的电流IBQ、ICQ、UCEQ并说明BJT的工作状态。

解：（1）将us短路，画出图2.3.6（a）的直流通路，如图2.3.6（b）所示。

（2）由基极-发射极回路求IBQ：

（3）假设BJT工作在放大区，由BJT的电流分配关系求得：

图2.3.6　例2.3.2电路图

（4）由集电极-发射极回路求UCEQ：

由UBEQ=0.7 V，UCEQ≈5.9 V知，该电路中的BJT发射结正偏、集电结反偏，工作于放大区，假设成立。

3.动态工作情况的图解分析

动态图解分析能够直观地显示出在输入信号作用下，BJT放大电路中各电压及电流波形的幅值大小和相位关系，可较全面地了解电路的动态工作情况。动态图解分析是在静态分析的基础上进行的，其步骤如下。

（1）根据us的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出uBE、iB的波形。

设图2.3.7中的输入信号us=Usmsinωt。在VBB及us共同作用下，输入回路方程变为uBE=VBB+us-iBRb，相应的输入负载线是一组斜率为且随us变化而平行移动的直线。图2.3.8（a）中虚线①②是us=±Usm时的输入负载线。根据它们与输入特性曲线的相交点的移动，便可画出uBE和iB的波形。

（2）根据iB的变化范围在输出特性曲线图上画出iC和uCE的波形。

由图2.3.8（a）可见，加上输入信号us后，在静态工作点的基础上，基极电流iB将随us的变化规律在iB1和iB2之间变化。而从图2.3.8（b）可知，加上输入信号后，输出回路的方程仍为uCE=VCC-iCRc，即输出负载线不变。因此，由iB的变化范围及输出负载线可共同确定iC和uCE的变化范围，即在Q′和Q′之间，由此便可画出iC及uCE的波形，如图2.3.8（b）所示。uCE中的交流量uce就是输出电压uo，它是与us同频率的正弦波，但二者的相位相反，这是共射极放大电路的一个重要特点。

图2.3.7　基本共射极放大电路

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图2.3.8　动态工作情况的图解分析

由以上分析可知，只要在BJT放大电路中设置合适的静态工作点，并在输入回路加上一个能量较小的信号，利用发射结正向电压对各极电流的控制作用，就能将直流电源提供的能量按输入信号的变化规律转换为所需要的形式供给负载。因此，再次证明了放大作用实质上是放大器件的控制作用，放大器是一种能量控制部件。

4.静态工作点对波形失真的影响

要使BJT放大电路能够不失真地放大输入信号，则必须设置合适的静态工作点Q。对于小信号线性放大电路来说，为保证在交流信号的整个周期内，BJT都处于放大区域内（不能进入截止区和饱和区）。

如果静态工作点Q过高，UBEQ、IBQ过大，则BJT会在交流信号ube正半周的峰值附近的部分时间内进入饱和区，引起iC、uCE及uce的波形失真，如图2.3.9所示。因Q点过高而产生的失真称为饱和失真。

图2.3.9　饱和失真的波形

如果Q点选择过低，UBEQ、IBQ过小，则BJT会在交流信号ube负半周的峰值附近的部分时间内进入截止区，使iB、iC、uCE及uce的波形失真，如图2.3.10所示。因静态工作点Q偏低而产生的失真称为截止失真。

图2.3.10　截止失真的波形

如果Q点的位置设置合理，但输入信号us的幅值过大时，输出信号uo也会产生失真，而且饱和失真和截止失真可能会同时出现，这种失真称为大信号失真。

为了减小或避免BJT放大电路的非线性失真，必须合理地设置其静态工作点Q。当输入信号us较大时，应把Q点设置在输出交流负载线的中点[见图2.3.8（b）中线段Q Q′′的中点）]，这时可得到输出电压的最大动态范围。当us较小时，为了降低电路的功率损耗，在不产生截止失真和保证一定的电压增益的前提下，可把Q点选得低一些。

如果将晶体管的特性理想化，即认为在管压降总量uCE最小值大于饱和管压降UCES（即管子不饱和），且基极电流总量iB的最小值大于0（即管子不截止）的情况下，非线性失真可忽略不计，那么就可以得出放大电路的最大不失真输出电压Uom。对于图2.3.7所示的放大电路，从图2.3.8（b）所示输出特性的图解分析可得最大不失真输出电压的峰值，其方法是以UCEQ为中心，取“VCC-UCEQ”和“UCEQ-UCES”这两段距离中较小的数值，并除以2，则得到其有效值Uom。为了使Uom尽可能大，应将Q点设置在放大区内负载线的中点，即其横坐标值为（VCC+UCES）/2的位置，此时的最大输出电压。

例2.3.3　电路如图2.3.11所示，设UBEQ=0.7 V。（1）试从电路组成上说明它与图2.3.7所示电路的主要区别；（2）画出该电路的直流通路与交流通路；（3）估算静态电流IBQ，并用图解法确定ICQ、UCEQ；（4）写出加上输入信号后电压uBE的表达式；（5）作输出交流负载线。

图2.3.11　例2.3.3的电路图

解：（1）该电路与图2.3.7所示电路在组成上的主要区别如下：

① 图2.3.7所示电路只是一个原理电路，并不实用。因为电路中的正弦信号源没有接地（共同端），实际应用时可能会因干扰而不稳定。而图2.3.11中正弦信号源有一端接共同端。

② 图2.3.11中将基极直流电源与集电极直流电源VCC合并，通过Rb提供基极偏置电流及偏置电压。

③ 图2.3.11的输入与输出回路中各接了一个大电容起连接作用，Cb1连接信号源与放大电路，Cb2连接放大电路与负载，故该电路为阻容耦合共射极放大电路。

（2）直流与交流通路。

由于电容有隔离直流的作用，即对直流相当于开路，因此，信号源us及其内阻Rsi与负载电阻RL对电路的静态工作点Q不产生影响。由此，可画出图2.3.11所示电路的直流通路，如图2.3.12（a）所示。对一定频率范围内的交流信号而言，Cb1、Cb2呈现的容抗很小，可近似认为短路。另外，电源VCC的内阻很小，对交流信号也可视为短路。因此可画出图2.3.11所示电路的交流通路，如图2.3.12（b）所示。

图2.3.12　图2.3.11所示电路的直流通路和交流通路

（3）估算法求IBQ，图解法求ICQ及UCEQ。

由图2.3.12（a）所示直流通路的输入回路求得。由输出回路写出直流负载线方程UCE=VCC-iCRc=12-4iC，并在BJT的输出特性曲线图上作出该直流负载线，它与横坐标轴及纵坐标轴分别相交于M（12 V，0 mA）和N（0V，3 mA）两点，斜率为一1/Rc，如图2.3.13所示。直流负载线与iB=IBQ=40μA的那条输出特性曲线的交点即Q点，其纵坐标值为ICQ=1.5 mA，横坐标值为UCEQ=6 V。

（4）电压uBE的表达式。

由图2.3.13可见，静态（ui=0）时uBE=UCb1=UBEQ，加上us后，由于Cb1对交流相当于短路，所以仍有UCb1=UBEQ，而uBE=UCb1+ui=UBEQ+ui，即电压uBE等于UBEQ上叠加一一个交流分量ui（ube）。

图2.3.13　例2.3.3的图解分析

（5）画输出交流负载线。

图2.3.11中，由于电容C2对直流相当于开路，对交流相当于短路，所以负载电阻RL上只有交流电流io和电压uo，电容C2上只有直流电压UCb2且UCb2=UCEQ。由此可知电压uCE=UCb2+uo=UCEQ+uo。由图2.3.12（b）所示的交流通路可见uo=uce=-ic（Rc//RL）=-icRL′，其中负号表示uce的实际方向与参考方向相反。于是′，显然这是一条直线，是动态时工作点移动的轨迹，称为输出交流负载线。它的一个特点是斜率为′，另一个特点是它必然通过静态工作点Q，因为当正弦信号的瞬时值ui为零时，电路的状态相当于静态。根据这两个特点便可作出交流负载线，即过Q点作一条斜率为′的直线，如图2.3.13中的直线M′N′所示。