调试和制作稳定静态工作点电路的技巧

晶体三极管是一个热敏器件，而通常电子产品的环境温度是变化的，如果对放大电路的稳定性要求较高，就要克服温度变化产生的影响。设置使静态工作点稳定的偏置电路，是克服温度变化造成放大电路不稳定工作的有效方法。

（1）了解分压偏置放大电路稳定静态工作点的原理。

（2）测试分压偏置放大电路静态工作点，并与理论推导进行比较，掌握电路器件参数对静态工作点的影响。

（3）测试分压偏置放大电路的动态指标，即电压放大倍数、输入电阻、输出电阻，并分析动态指标与电路器件参数的关系。

任务要求

按测试要求完成所有测试内容，并对测试数据进行比较分析。

测试环境

双直流稳压电源一台，双踪示波器一台，信号源一台，万用表一只，面包板一块，电阻、三极管等元器件若干。

测试电路

测试电路如图2-23所示，VT 为三极管9013。

图2-23　分压式射级偏置放大电路

测试步骤

（1）按图2-23在面包板上接好电路。

（2）调节Rp，使VE=2V，用万用表测量Rp的阻值，Rp= ________（Rp阻值不可再调节）。并按照表2-2测量并计算各静态工作点，将结果填入表2-2中。

表2-2　各静态工作点的测量值

（3）接入f=1kHz、uimax=1mV 的正弦交流信号，用示波器观察ui和uo的波形。在信号频率不变的情况下，按表2-3中的数值，改变ui的幅值，观察并记录uo。将结果填入表2-3中。

表2-3　测量结果

提示

当输入信号较小时，一般采用加衰减的方法，图2-23中电阻R1（5.1kΩ）和电阻R2（51Ω）组成衰减器。例如，在us端输入100mV 经衰减后ui端输出1mV。当ui为1mV、2mV、3mV 时，采用衰减输入法；当ui为4mV、5mV 时，可直接输入，也可用衰减输入法。

（4）保持步骤（2），接入f=1kHz、ui=2mV 的正弦交流信号，放大电路不接负载（RL=∞）和接入负载RL（5.1kΩ），改变RC数值的情况下测量，并将计算结果填入表2-4中。

表2-4　测量结果

（5）输入电阻测量：在输入端串接5.1kΩ 电阻，如图2-24 所示，输入电阻测量（即将图2-23中的51Ω 的电阻去掉），接入f=1kHz、幅值为100mV 的正弦波信号us，用示波器观察输入ui波形，并将所测数据及计算结果填入表2-5中。

图2-24　输入电阻测量

表2-5　测量数据及计算结果

图2-25　输出电阻测量

表2-6　测量数据及计算结果

结论：输出电阻的大小与集电极电阻RC________________（有关/无关）。

合理的、稳定的静态工作点是三极管放大电路能够正常工作的基础。在设计电路时通过调整电路参数，总可以确定一个合适的静态工作点，使放大电路正常工作，不产生失真。但在实际工作中，可以发现随着三极管工作时间的延长或其他因素的影响，输出信号会出现失真。

一、静态工作点稳定的必要性

通过前述任务的实施可以看出，静态工作点不但决定了电路是否会产生失真，而且还影响着电压放大倍数、输入电阻等动态参数。实际上，电源电压的波动、元件的老化及因温度变化所引起晶体管参数的变化，都会造成静态工作点的不稳定，从而使动态参数不稳定，有时电路甚至无法正常工作。在引起Q 点不稳定的诸多因素中，温度对晶体管参数的影响是最为主要的。

当环境温度升高时，晶体管的电流放大系数β 将增大，穿透电流ICEO将增大，当b-e间电压不变时基极电流也将增大，这一切集中地表现为温度升高时集电极电流明显增大；在共射放大电路中晶体管的管压降UCE将减小，Q 点将沿直流负载线上移，向饱和区变化；反之，当温度降低时，Q 点将沿直流负载线下移，向截止区变化。图2-26中，实线为晶体管在20℃时的输出特性曲线，虚线为40℃时的输出特性曲线。由于温度升高，静态工作点从Q 移到Q′，从而工作点向饱和区移动，因此电路可能产生饱和失真，使放大电路工作不正常。

图2-26　晶体管在不同环境温度下的输出特性曲线

二、稳定静态工作点的电路

（一）电路的组成及工作点稳定的原理

显然，要想使静态工作点重新回到原来位置，只要在温度升高时适当地减小基极电流IB即可。由此可知，所谓稳定Q 点，是指在环境温度变化时静态集电极电流ICQ和管压降UCEQ基本不变，即Q 点在晶体管输出特性坐标平面中的位置基本不变。因此，必然依靠IBQ的变化来抵消ICQ和UCEQ的变化，常用引入直流负反馈或温度补偿的方法使IBQ在温度变化时产生与ICQ相反的变化。

典型的稳定静态工作点电路如图2-27所示，因发射极接了一个设计电阻Re，该电路称为分压式射极偏置电路。图2-27（a）所示为直接耦合方式，图2-27（b）所示为阻容耦合方式。它们具有相同的直流通路，如图2-27（c）所示。

图2-27　稳定静态工作点电路

为了使静态工作点稳定，必须使UBQ基本不变。电路中，当Rb1和Rb2选定后，若满足I1≫IBQ，则B 点电位将仅决定于Rb1与Rb2对VCC的分压，而与环境温度无关，即当温度变化时，UBQ基本不变。

当温度升高时，集电极电流IC增大，发射极电流IE必然相应增大，因而发射极电阻Re上的电压UE（即发射极的电位）随之增大；因为UBQ基本不变，而UBE=UB-UE，所以UBE势必减小，导致基极电流IB减小，IC随之相应减小。结果，IC随温度升高而增大的部分几乎被由于IB减小而减小的部分相抵消，IC将基本不变，UCE也将基本不变，从而Q 点在晶体管输出特性坐标平面上的位置基本不变。可将上述过程简写为

当温度降低时，各物理量向相反方向变化，IC和UCE也将基本不变。

不难看出，在稳定的过程中，Re起着重要作用，当晶体管的输出回路电流IC变化时，通过发射极电阻Re上产生电压的变化来影响b-e间电压，从而使IB向相反方向变化，达到稳定Q 点的目的。这种将输出量（IC）通过一定的方式（利用Re将IC的变化转换成电压的变化）引回到输入回路来影响输入量（UBE）的措施称为反馈。由于反馈的结果使输出量的变化减小，因此称为负反馈；由于反馈出现在直流通路中，因此称为直流负反馈。Re为负反馈电阻。

由此可知，图2-27（c）所示电路稳定Q 点的原因有以下两点。

（1）Re的直流负反馈作用。

（2）在I1≫IBQ的情况下，UBQ在温度变化时基本不变。

所以也将这种电路称为分压式电流负反馈Q 点稳定电路。从理论上讲，Re越大，反馈越强，Q 点越稳定。

（二）静态工作点的估算

静态分析时，先画出直流通路，如图2-27（c）所示，已知I1≫IBQ，

发射级电流为

由于ICQ≈IEQ，管压降为

基极电流为

（三）静态工作点稳定的条件

在上述讨论中，可以总结出实现工作点稳定的两个条件。

（1）只有I1≫IBQ时，才 有UBQ=

图2-28　静态工作点稳定电路直流通路等效电路

其中

列输入回路方程

可得出IEQ，即

（2）UBQ太大时必然导致UEQ太大，使UCE减小，从而减小了放大电路的动态工作范围。因此，UBQ不能选得太大，一般为

（四）动态参数的估算

动态分析首先画出电路的微变等效电路图，如图2-29所示，分别画出了有旁路电容Ce和无旁路电容的情况。参照固定偏置放大电路的分析，可以很容易求得

图2-29　阻容耦合Q 点稳定电路的微变等效电路

倘若没有旁路电容Ce，则由图2-29所示的微变等效电路可知，

所以，

若（1+β）Re≫rbe，且β≫1，则

（五）实例分析与计算

【例2-2】在图2-30所示的电路中，已知VCC=12V，Rb1=5kΩ，Rb2=15kΩ，Re=2.3kΩ，Rc=5.1kΩ，RL=5.1kΩ；晶体管的β=50，rbe=1.5kΩ，UBEQ=0.7V。

（1）估算静态工作点Q。

（2）分别求出有、无Ce两种情况下的Au和Ri。

（3）若Rb1因虚焊而开路，则电路会产生什么现象？(www.xing528.com)

解：（1）求解Q 点。因为（1+β）Re≫Rb，所以

当无Ce时，由于（1+β）（Re≫Rb），且β≫1，因此

当无Ce时，电路的电压放大能力很差，因此在实用电路中常将Re分为两部分，只将其中一部分接旁路电容。

（3）若Rb1开路，则电路如图2-30所示。设电路中晶体管仍工作在放大状态，则基极电流和集电极电流（也约为发射极电流）分别为

图2-30　例2-2电路图

管压降为

UCEQ≈VCC-ICQ（Rc+Re）= [12-4.5×（5.1+2.3）]V=-21.3V

上式表明，原假设不成立，晶体管已经不工作在放大区，而进入饱和区，动态分析已无意义。

若晶体管饱和压降UCES=UBEQ=0.7V，则晶体管的发射极电位和集电极电位分别近似为

UCQ=UEQ+UCES=（3.52+0.7）V=4.22V

三、共基极放大电路的组成与分析

共基极放大电路主要应用于高频电子技术中，在低频电压放大电路中不采用此电路，所以在此只做简单介绍。

（一）共基极放大电路的组成

图2-31（a）所示为共基极基本放大电路，图2-31（b）所示为其另一种画法。

图2-31　共基极基本放大电路

输入电压ui加于发射极和基极之间，输出电压从集电极和基极之间取出，基极为输入和输出回路的公共端，所以称为共基极放大电路。这一点可从图2-32（a）的交流通路中看得更明显。

（二）静态分析

画直流通路，如图2-32所示。与分压式射极偏置电路相同，静态工作点的计算方法同前。

图2-32　共基极基本放大电路的直流通路

（三）动态分析

画共基极放大电路的交流通路和微变等效电路，如图2-33所示。由图2-33（b）所示的微变等效电路可以计算出共基极放大电路的性能指标为

由以上几个动态指标可知，共基极放大电路的电压放大倍数较大，输出和输入电压相位相同；输入电阻较小，输出电阻较大。由于共基极放大电路的输入电流为发射极电流，输出电流为集电极电流，电流放大倍数为β/（1+β），小于1且近似为1，因此共基极电流又称为电流跟随器。

图2-33　共基极放大电路的交流通路及微变等效电路