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放大电路参数对静态工作点影响及仿真测试
作者：蔡文君
来源：《山东工业技术》2016年第02期
摘 要：三极管有合适的的静态工作点Q是保证放大电路正常工作的关键。因此，重点分析了三极管放大电路的电路参数对静态工作点的影响，并对分析结果进行了仿真测试。 关键词：放大电路；电路参数；静态工作点 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.163
单管放大电路是构成各类放大器和多级放大器的基本单元电路。放大电路性能指标由静态性能指标和动态性能指标构成。放大电路输入端未加交流信号时，电路的工作状态称为直流状态，简称静态。静态性能指标IBQ，ICQ，UBEQ，UCEQ，称为放大电路的静态工作点Q，与电路参数UCC，Rc，Rb，β确定联系紧密。当放大电路输入信号不为零时，电路的工作状态称为动态。此时电路中各极的电压、电流都是由直流量和交流量叠加而成。当静态工作点位置适当时，输出信号将随输入信号相应变化，无线性失真。若Q点位置偏高，由于在输入信号正半周的部分时间内三极管工作于饱和状态，使输出电压出现饱和失真；若Q点位置偏低，由于在输入信号负半周的部分时间内三极管工作于截止状态，使输出电压出现截止失真[1]。因此，Q点设置的是否合适，将直接影响到动态时输出信号是否失真。 1 静态工作点
在图1（a）的放大电路工作时，估算静态工作点的电流和电压。 ICQ=βIBQ
UCEQ=UCC-ICQRC
放大电路输入端加上信号ui时，三极管的输出信号uCE和iC，既要满足三极管的输出特性，又要满足uCE=UCC-iCRc方程。将uCE=UCC-iCRc用直流负载线MN表示，其斜率为，如图1（b）所示。因此，静态工作点Q是输出特性曲线和直流负载线的交点。 2 电路参数对静态工作点的影响分析
要想输出信号不失真，电路参数的设置，就要使得信号的整个周期工作在晶体管放大区，即设置Q在放大区中间区域。否则Q点过高或过低都将容易产生非线性失真，电路参数Rb，Rc，Ucc，β对静态工作点Q影响分析如下： 2.1 Rb对Q的影响
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其它电路参数不变，直流负载线MN不变。
当Rb减小→增大→ICQ增大→UCEQ=UCC-ICQRC减小，在三极管输出特性曲线上表现出Q点沿负载线上移，靠近饱和区，易出现饱和失真， 如图2（a）中的Q”。过大的ICQ会造成三极管的β变小，放大能力下降，因此Rb不能太小，以保证集电极电流ICQ不得超过其最大允许电流ICM。
当Rb增大→减小→ICQ减小→UCEQ=UCC-ICQRC增大，在三极管输出特性曲线上表现出Q点沿负载线下移，靠近截止区，因此容易出现截止失真，如图2（a）中的Q’。 2.2 Rc对Q的影响
其它电路参数不变，Rb不变→不变→ICQ不变，直流负载线MN斜率发生变化。 当Rc减小→UCEQ=UCC-ICQRC增大，直流负载线MN变陡，斜率变大，Q点沿输出特性曲线向右方移动，如图2（b）中的Q”，使得动态工作范围增大。但限制了输入的交流信号的正半周信号的最大幅度（Umi
当Rc增大→UCEQ=UCC-ICQRC减小，负载线MN变平坦，斜率变小，Q点沿输出特性曲线左移，向饱和区移动，如图2（b）中的Q’，易产生饱和失真。 2.3 UCC对Q的影响
其它电路参数不变，直流负载线MN斜率不变。
当UCC减小，Rb不变→减小→ICQ减小→减小，Q点向左下方移动，如图2（c）中的Q”，三极管更加安全，但动态工作范围减小。
当UCC增大，Rb不变→增大→ICQ增大→增大，Q点向右上方移动，如图2（c）中的Q’。使得动态工作范围增大，此时ICQ，UCEQ同时增大，使得三极管静态功耗增大较快，因而应防止静态工作点超出三极管安全工作区的范围。 2.4 β对Q的影响
其它电路参数不变，直流负载线MN不变。
减小β，三极管输出特性曲线下移，如虚线所示。此时直流负载线MN不变，IBQ不变，但ICQ=βIBQ减小，UCEQ=UCC-ICQRC增大。故Q点将沿直流负载线下移，如图2（d）中的Q”，Q”点靠近截止区，易产生截止失真。
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增大β，三极管输出特性曲线上移，如虚线所示。此时直流负载线MN不变，IBQ不变，但ICQ增大，UCEQ=UCC-ICQRC减小。故Q点将沿直流负载线上移，如图2（d）中的Q’，Q’点靠近饱和区，易产生饱和失真。 3 仿真测试
利用Mulitisim 10 创建仿真电路[2][3]，如图3（a） 3.1 Rb变化仿真测试
由仿真实验验证，如表1，Rb的取值逐渐增大，三极管工作状态由饱和→放大→截止。 说明：在某个电流区域是差不多的，但在ICQ不同时，是有变化的，有时变化还可能很大，这些都可以相应的从晶体管特性曲线上看出来的。所以，在同一个晶体管上，β不是固定的，只是在某个电流区域中很接近。对一般的晶体管来说，β值有随电流增大的趋势。 3.2 Rc变化仿真测试
由仿真实验验证，如表2，Rc的取值逐渐增大，三极管工作状态由放大→饱和。 3.3 Ucc变化仿真测试
由仿真实验验证，如表3，Ucc的取值逐渐增大时，ICQ，UCEQ同时增大，使得三极管静态功耗增大较快，因而应防止静态工作点超出三极管安全工作区的范围。 3.4 β变化仿真测试数据
温度升高，β增大。三极管2N2222A工作温度范围是-65℃～200℃，利用mulitisim软件仿真分析方法中的温度扫描分析，将温度设置-50℃上升到150℃，，取5个温度点，分别仿真分析静态工作点IBQ，ICQ，UCEQ。如图3（b）所示：
由仿真分析结构可以得出，随着温度的上升，ICQ在增大，UCEQ在减小。使静态工作点Q由截止区→放大区→饱和区移动变化。 4 结论
综上所述，电路参数设置的不合适，会使得静态工作点偏离放大区中间区域过多。若Q设置过高，可以采用增大Rb、减小UCC、降低β等措施；若Q设置过低，可减小Rb、增大UCC、提高β等措施；若Q设置靠近饱和区，可减小Rc。实际调试中，主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点。当然也需要将参数综合考虑，根据失真情况及输出范围的要求，合理选择