靜態工作點實驗研究與探索

賈哲

太原學院理化系，山西 太原 030032

靜態工作點[1]是一直貫穿著整個放大電路直流工作狀態和交流工作狀態中，只有獲得穩定且合適的 Q 點，才有可能得到理想的輸出的波形.如何設置靜態工作點是研究放大電路的核心，但同時靜態工作點一個抽象的概念，不易理解，所以成為研究的重點和難點.本文先從理論上嚴密論證靜態工作點的自穩定和設置[2]，再充分利用本校實驗室的教學資源，在動態電路中理解合適的靜態工作點有著線性放大作用[3]，偏高或偏低就會出現失真[4].實驗結果充分地證明了合適的 Q點對放大電路起到線性放大作用，達到了較好教學效果.

1 靜態工作點穩定分析

放大電路只接入直流電源時的情況，即電路各處的電壓和電流都是不變的直流，叫做“直流工作狀態”或是“靜態”[5]，電路圖如下圖1所示.

圖1 直流通路圖Fig.1 Direct current circuit

晶體管要具有放大作用，就必須使晶體管處于放大區的偏置條件：除了在制造工藝上，要求位于中間的基區必須做得很薄，而且摻雜濃度低，發射區的濃度遠大于集電區；還需要滿足外部條件發射結正偏，集電結反偏.分壓式偏置直流通路圖中，基極和發射極構成了輸入回路，集電極和發射極構成了輸出回路.

1.1 分析直流通路圖

在直流通路中，當流過偏置電阻RB1和RB2的電流遠大于晶體管的基極電流IB(一般5倍～10倍)，其中RB2為可變電阻，則它的靜態工作點可用下式估算:

(1)

當基極電位VB>>UBE時，

(2)

UCE≈UCC-IC×(RE+RC)

(3)

1.2 分析自動穩定靜態工作點

溫度對三極管輸入特性曲線有著很大影響，輸入特性曲線是描述三極管在管壓降UCE保持不變的前提下，基極電流IB和發射結壓降UBE之間的函數關系，如下圖2所示.

圖2 三極管的輸入特性曲線Fig.2 Input characteristic curve of transistor

當溫度變化較大時，一般溫度升高時，UBE不變時，IB會增大,輸入特性曲線將會左移，從另一個角度看，溫度升高，晶體管放大系數β也會增大，這樣一來，IC勢必會增大，整個晶體管靜態工作點就發生變化.

采用分壓式偏置電路時，基極電位VB只取決于電阻RB2、電阻RB1、電壓UCC的值，其中電阻RB2的阻值可變，從公式1可以看出.基極電而與溫度無關，從這個特性曲線上來看，當溫度升高時，假設溫度從20 ℃上升到75 ℃，IB、IC增加，IE也隨之增加，射極電位VE升高，由于UBE=VB-VE，VB幾乎處于穩定，則UBE減小,這個時候回到圖2 看溫度75 ℃時候輸入特性曲線，UBE下降了，IB也降下來了，則IC也會隨之下降，則從圖中A點回到B點.從定性的角度來分析，靜態工作點相對的自動穩定了.

1.3 設置不同的靜態工作點

電路中RB2的阻值是可變的[6]，調節RB2的阻值就可調節三極管基極電位VB的值，隨之得到不同的集電極電流IC，進而得到不同VE的值，為了避免斷開集電極，所以在測量中，采取先測量VE的值.

同時為了減小誤差，提高測量精度，測量時用內阻較高的直流電壓表，并聯在發射極后，相當于引入了一個電壓串聯負反饋，可以穩定發射極電壓VE.在測量集電極電壓VC時，同時VC的電位相對VE的電位比較大，所以可以使用內阻較高的直流電壓表，并接在集電極直接測量VC.

設置不同的靜態工作點，在本實驗中，通過旋轉旋鈕改變RB2的阻值，先測量VE的值，再測量VC的值，依據下式.得到UCE的值

UCE=VC-VE

(4)

通過調整UCE的大小來來改變Q點的位置.實驗數據如表1.

表1 參數設置Tab.1 Parameter setting

2 線性放大及線性失真

直流電源提供工作電壓，使放大電路建立起放大狀態.同時輸入端接入了交流信號時，電路就出在動態工作狀態.交流通路的微變等效電路如圖3所示.

圖3 微變等效電路Fig.3 Micro-variation equivalent circuit

2.1 輸入電壓ui的接入，引起iB的變化

放大電路的輸入端加入正弦交流電壓ui，晶體管的發射結之間的電壓uBE上就在原來直流UBE的基礎上疊加了一個交流量ui，ui變化一周則靜態工作點Q對應的ib也在原來IB值基礎上將會變化一周，即iB會在一定范圍之間變動.

2.2 輸出電壓 uO變化

因為放大電路的直流負載線是不變化的，放大電路工作點會在負載線上動態范圍內變化.當iB周期性變化時，則ic和uce周期性變化.

當ib變化到最大值，則ic變化到最大值，uce在原來UCE的基礎上減小到最小值；ib變化到最小值，則iC變化到最小值，uce在原來UCE的基礎上增加到最大值；即uce變化一周即為輸出電壓uO.

2.3 線性放大及線性失真

靜態工作點Q設置在負載線的中點附近，使得放大電路具有最大不失真動態范圍的時候，放大電路處于線性放大狀態.輸出電壓uO隨著輸入信號ui增大而增大，此時就是線性放大[7].

同樣，如果輸入信號的幅度很大，即使Q點設置得很接近中點，也很可能出現失真，即為線性失真[8].當輸入電壓ui達到最大不失真時，再增大輸入電壓ui，輸出電壓uO的正負半周同時出現削平現象，就出現線性失真.

本次實驗中，通過改變RB2的阻值，使VE的電壓達到2 V，則UCE的取值為6 V左右，UCE的取值在直流負載特性曲線的中點，即為適中的Q點的位置.逐漸改變輸入電壓ui，輸出電壓uO會產生線性放大和線性失真.實驗數據如表2，實驗波形如圖4所示，下半部分為原波形，上半部分為變化后的波形.

圖4 線性放大及線性失真Fig.4 Linear amplification and linear distortion

3 飽和失真及截止失真

Q點設置的偏高[9]，由于放大器加入交流輸入信號以后，輸入信號負半周的部分時間內三極管工作于飽和狀態，使輸出電壓易產生飽和失真，此時的uO負半周將被削底.Q點設置的偏低，放大器加入交流輸入信號，由于輸入信號正半周的部分時間內三極管工作于截止狀態，易產生截止失真，此時uO的正半周將被削頂，見文獻[3]中圖10.2.8.

本次實驗中，旋轉旋鈕使RB2的阻值減小，使VE的值增大，UCE的取值減小，在直流負載特性曲線的偏上位置即為Q點偏上，輸出電壓uO隨著輸入信號ui增大就容易出現飽和失真；旋轉旋鈕使RB2的阻值增大，使VE的值減小，UCE的取值增大，在直流負載特性曲線的偏下位置即為Q點偏下，輸出電壓uO隨著輸入信號ui增大就容易出現截止失真.實驗數據如表3；實驗波形如圖5所示，下半部分為原波形，上半部分為變化后的波形.

圖5 失真波形Fig.5 Distortion wave

4 結語

本文詳細研究了分壓式偏置電路能有效地穩定靜態工作點，從理論上嚴密論證當溫度升高時穩定靜態工作點；同時通過設置外加交流輸入電壓ui和偏置電阻RB2進行實驗研究，實驗結果很好說明了線性放大，最大不失真輸出及線性失真、飽和失真、截止失真.

本次實驗采用合理的實驗的方法，實驗結果更好地驗證了三級管在放大電路所起放大作用，為進一步的放大電路研究工作提供了理論支撐，及后期的實驗創新項目打下良好基礎；在教學工作中，充分調動了學生們學習的積極性，鍛煉了學生的操作能力，進而提高學生的專業素養,更加有效地傳授知識，使學生們綜合素質進一步提升.