任务3 放大器的静态工作点

活动3 静态工作点的稳定

学习目标

1．掌握分压式偏置放大器稳定静态工作点的原理。

2．会用万用表测量三极管的静态工作点。

建议学时

4学时

知识准备

放大电路的多项重要技术指标均与静态工作点的位置密切相关，它不仅关系到波形失真，而且对电压增益也有重大影响。所以在设计后调试放大电路时，为获得较好的性能，必须首先设置一个合适的静态工作点，除此之外，稳定的静态工作点也是保证晶体管工作在放大区必不可少的条件之一。

影响放大器静态工作点稳定的因素有很多，如电源电压的变化、电路参数的变化、三极管的老化等。三极管是一种对温度十分敏感的元件。所以在诸多因素中，温度因素最为重要。

一、放大电路静态工作点

1．静态工作点的概述

在没有加输入信号时，放大电路中各处的电压、电流都是直流量，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态时，在直流电源VCC的作用下，三极管的基极回路和集电极回路均存在直流电压，这些直流电流和电压在三极管的输入、输出特性上各自对应一个点，称为静态工作点。静态工作点处的基极电流、基极与发射极之间的电压分别用符号IBQ、UBEQ表示，集电极电流与发射极之间的电压则用ICQ、UCEQ表示。静态工作点能说明晶体管的工作状态，如放大状态、截止状态、饱和状态等。

2．静态工作点不合适对电路的影响

正确设置静态工作点，是放大器实现不失真放大的必要条件。静态工作点的位置必须设置适当，如果设置不当，则放大电路的输出波形容易产生明显的非线性失真。静态工作点设置过低，在输入信号的负半周，工作点进入截止区，发生截止失真；若静态工作点设置过高，在信号输入的正半周，工作点进入饱和区，出现饱和失真。对于单级共射放大器，当放大电路产生截止失真时，输出电压的波形出现顶部失真；当放大电路产生饱和失真时，输出电压的波形出现底部失真。

二、固定偏置电路

设置静态工作点的电路称为放大器的偏置电路。放大器静态工作点稳定问题的研究，需要以具体电路进行分析，下图所示即为固定偏置基本放大器。在这个电路中C1、C2为耦合电容，Rb为基极偏流电阻，电源VCC同时给发射结和集电结提供合适的偏置，只要VCC和Rb固定，则基极电流IB固定，即晶体管的静态工作点就固定了，这种电路称为固定偏置电路。

三、电路各个元件的作用

1．晶体管T

晶体管是放大电路中的放大元件，利用它的电流放大作用，在集电极电路获得放大了的电流，该电流受输入信号的控制。如果从能量观点来看，输入信号的能量较小，而输出的能量较大，但这不是说放大电路把输入的能量放大了。根据能量守恒定律，能量不能放大。输出的较大能量来自电源。换句话说，能量较小的输入信号通过晶体管的控制作用，控制电源所供给的能量，以在输出端获得一个能量较大的信号，这就是放大作用的实质。晶体管是一个控制元件。

2．集电极电源VCC

电源VCC除为输出信号提供能量外，它还保证集电结处于反向偏置，以使晶体管起到放大作用。VCC一般为几伏到几十伏。

3．基极电阻Rb

使发射结处于正向偏置，使放大电路获得合适的工作点。Rb的阻值一般为几十千欧到几百千欧。

4．集电极负载电阻Rc

集电极负载电阻简称集电极电阻，它主要是将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。Rc的阻值一般为几千欧到几十千欧。

5．耦合电容C1和C2

它们一方面起到隔直作用，C1用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路，而C2则用来隔断放大电路与负载之间的直流通路，使三者之间无直接联系，互不影响。另一方面又起到交流耦合作用，保证交流信号畅通无阻地经过放大电路，形成信号源、放大电路和负载三者之间的交流通路。通常要求耦合电容上的交流压降小到可以忽略不计时，耦合电容对交流信号可视作短路。因此电容值要取得较大，对交流信号频率其容抗近似为0。C1和C2的电容值一般为几微法到几十微法。

活动实施

如何才能解决稳定静态工作点的问题呢？从上面的分析可以看到，引起工作点波动的外因是环境温度的变化，内因则是三极管本身所具有的温度特性，所以要解决这个问题，也不外乎从内因和外因两方面来想办法。

从外因来解决，就是要保持放大电路的工作温度恒定，如将放大电路置于恒温槽中。可以想象这种办法要付出的代价是很高的，仅在特殊要求的场合才采用。从内因来解决，就是从放大电路本身想办法，在允许温度变化的前提下，尽量保持静态工作点的稳定。这种办法被证明是可取的、经济的。下面主要介绍从内因来解决稳定静态工作点的方法。从内因着手稳定静态工作点的常用方法主要有负反馈法和参数补偿法两种。

一、分压式偏置稳定电路

由前面的分析可知，三极管参数ICBO、UBE、β随温度变化对工作点的影响，最终都表现在使静态工作点电流IC增加。从这一现象出发，在温度变化时，如果能设法使IC近似维持恒定，问题就可得到解决。例如，可以采用两方面的措施：

（1）针对ICBO的影响，可设法使基极电流IB随温度的升高而自动减小。

（2）针对UBE的影响，可设法使发射结的外加电压随温度的增加而自动减小。

实现上述设想的一种电路，而且是实际中应用很广泛的一种稳定静态工作点的基本放大电路。它被称为“分压式偏置稳定电路”。这个电路稳定工作点的出发点就是从IC随温度变化这一基本事实出发，利用IC的变化去牵制IC，从而使IC近似维持恒定。

1．稳定静态工作点的原理

分压式偏置电路和前面提到的固定偏置电路的区别，在于基极上接上了两个分压电阻Rb1和Rb2。

这样做的指导思想是：先设法使基极对地的电位UB基本稳定，即不受温度变化的影响，然后在发射极回路串接一个电阻Rc，用它两端的电压UE来反映IC的变化，并和UB相比较，如果IC增加，则比较后所采取的措施应使IB下降，IC也将随之下降，其结果将维持IC基本不变。

2．静态分析

在计算这个电路的静态工作点时，先从计算UB入手。按照IR＞＞IB的假定，可以得到

而 当IC＞＞UBE时，可以近似地认为

UCE=VCC—ICRC—IERe≈VCC—IC（Re+Rc）

3．稳定静态工作点的条件

可见，只要选取UB＞＞UBE，则 即静态电流IC几乎与三极管参数无关，从而抑制了温度对静态工作点的影响。由上述分析可知，稳定静态工作点的条件是IREF＞＞IB和UB＞＞UBE。

稳定条件的具体选择，既要满足稳定条件的要求，又要兼顾电路其他方面的性能。为了稳定UB，应使IREF＞＞IB，但是IREF太大，即Rb1和Rb2太小，不仅增加了无益的直流功耗，还会使输入信号分流，造成放大倍数下降。为了稳定IC，应使UB＞＞URE，但是如果UB太大，亦即UE很大，UE将分占电源电压太多，致使放大器的动态范围减小。因此，通常选取的稳定条件为

IREF=（5～10）IB

UB=（5～10）UBE

式中：IREF为参考电流（基准电流）。

硅管的ICBO较小，IREF可以选择得小些。也有根据不稳定系数来设计偏置电路各元件的方法，但过于烦琐，在此不再冗述。

二、其他工作点稳定电路

上面的分压式偏置稳定电路是最为常见的稳定静态工作点的方法，另外还有其他一些方法，在这里只做简单的介绍。

1．双管直接耦合偏置电路

这种偏置电路的优点是：采用直接耦合，可以避免信号电流通过偏置电路的分流损失，即提高了交流增益；同时，更重要的是，这种偏置电路具有非常良好的偏置温度稳定性，所以得到非常广泛的应用。

2．电压负反馈稳定电路

前面的两种电路属于电流负反馈电路。如果把集电极电压的变化量反馈到输入端，以稳定直流工作点，则称为电压负反馈电路。

这里基极电阻不是直接接到电源，而是接到集电极上。

3．补偿UBEQ的电路

前面介绍的偏置稳定电路，都是应用直流负反馈的原理来达到直流工作点稳定的。还有另一种稳定直流工作点的方法，称为偏置补偿法。它是应用热敏元件或器件（如热敏电阻、二极管）来补偿三极管工作点的温度漂移。在发射极电路上串接了一个二极管，其极性接法正好与三极管的BE结相反。

二极管的偏置由直流电源Ed通过电阻Rd取得，调节Rd或Ed值，都可以调节二极管的工作电压UD，使之等于UBEQ。

4．补偿ICBO温度漂移的电路

补偿ICBO温度漂移的电路是一个低频功率放大电路，级间的耦合方式不是用耦合电容，而是用变压器，所以称为变压器耦合电路。

5．热敏电阻补偿的偏置稳定电路

对于发射极电阻Re较小的电路，其偏置的稳定性是较差的，但是在某些情况下，又不能使用大的Rc电阻，电阻RT的数值及其温度系数选择适当，可使ICQ不随温度变化。

运用偏置补偿法，如果参数选配合适，可以得到很高的工作稳定性。但为了选择合适的参数，必须对二极管和热敏电阻逐个进行严格的挑选和实验，远不如负反馈来得简单。因此，只有在很必要的场合才用补偿法。

活动评分标准：

收获和体会：

想一想，写一写认识静态工作点的收获和体会。

评议：

根据静态工作点的实训课题，在听取小组实训成果汇报的基础上，进行评议，填写课题实训情况评议表。