三極管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)

三極管一般放大電路


C1,C2為耦合電容,耦合就是起信號(hào)的傳遞作用,電容器能將信號(hào)信號(hào)從前級(jí)耦合到后級(jí),是因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?在輸入端輸入交流信號(hào)后,因兩端的電壓不能突變因,輸出端的電壓會(huì)跟隨輸入端輸入的交流信號(hào)一起變化,從而將信號(hào)從輸入端耦合到輸出端。但有一點(diǎn)要說(shuō)明的是,電容兩端的電壓不能突變,但不是不能變。
R1、R2為三極管V1的直流偏置電阻,什么叫直流偏置?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),做工要吃飯。要求三極管工作,必先要提供一定的工作條件,電子元件一定是要求有電能供應(yīng)的了,否則就不叫電路了。
在電路的工作要求中,第一條件是要求要穩(wěn)定,所以,電源一定要是直流電源,所以叫直流偏置。為什么是通過(guò)電阻來(lái)供電?電阻就象是供水系統(tǒng)中的水龍頭,用調(diào)節(jié)電流大小的。所以,三極管的三種工作 狀態(tài)“:載止、飽和、放大”就由直流偏置決定,在圖1中,也就是由R1、R2來(lái)決定了。
首先,我們要知道如何判別三極管的三種工作狀態(tài),簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),判別工作于何種工作狀態(tài)可以根據(jù)Uce的大小來(lái)判別,Uce接近于電源電壓VCC,則三極管就工作于載止?fàn)顟B(tài),載止?fàn)顟B(tài)就是說(shuō)三極管基本上不工作,Ic電流較小(大約為零),所以R2由于沒(méi)有電流流過(guò),電壓接近0V,所以Uce就接近于電源電壓VCC。
若Uce接近于0V,則三極管工作于飽和狀態(tài),何謂飽和狀態(tài)?就是說(shuō),Ic電流達(dá)到了最大值,就算Ib增大,它也不能再增大了。
以上兩種狀態(tài)我們一般稱為開(kāi)關(guān)狀態(tài),除這兩種外,第三種狀態(tài)就是放大狀態(tài),一般測(cè)Uce接近于電源電壓的一半。若測(cè)Uce偏向VCC,則三極管趨向于載止?fàn)顟B(tài),若測(cè)Uce偏向0V,則三極管趨向于飽和狀態(tài)。
理解靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置目的和方法
放大電路,就是將輸入信號(hào)放大后輸出,(一般有電壓放大,電流放大和功率放大幾種,這個(gè)不在這討論內(nèi))。先說(shuō)我們要放大的信號(hào),以正弦交流信號(hào)為例說(shuō)。在分析過(guò)程中,可以只考慮到信號(hào)大小變化是有正有負(fù),其它不說(shuō)。上面提到在圖1放大電路電路中,靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置為Uce接近于電源電壓的一半,為什么?
這是為了使信號(hào)正負(fù)能有對(duì)稱的變化空間,在沒(méi)有信號(hào)輸入的時(shí)候,即信號(hào)輸入為0,假設(shè)Uce為電源電壓的一半,我們當(dāng)它為一水平線,作為一個(gè)參考點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí),則Ib增大,Ic電流增大,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會(huì)隨之增大,Uce=VCC-U2,會(huì)變小。U2最大理論上能達(dá)到等于VCC,則Uce最小會(huì)達(dá)到0V,這是說(shuō),在輸入信增加時(shí),Uce最大變化是從1/2的VCC變化到0V.
同理,當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí),則Ib減小,Ic電流減小,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會(huì)隨之減小,Uce=VCC-U2,會(huì)變大。在輸入信減小時(shí),Uce最大變化是從1/2的VCC變化到VCC。這樣,在輸入信號(hào)一定范圍內(nèi)發(fā)生正負(fù)變化時(shí),Uce以1/2VCC為準(zhǔn)的話就有一個(gè)對(duì)稱的正負(fù)變化范圍,所以一般圖1靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置為Uce接近于電源電壓的一半。
要把Uce設(shè)計(jì)成接近于電源電壓的一半,這是我們的目的,但如何才能把Uce設(shè)計(jì)成接近于電源電壓的一半?這就是的手段了。
這里要先知道幾個(gè)東西,第一個(gè)是我們常說(shuō)的Ic、Ib,它們是三極管的集電極電流和基極電流,它們有一個(gè)關(guān)系是Ic=β×Ib,但我們初學(xué)的時(shí)候,老師很明顯的沒(méi)有告訴我們,Ic、Ib是多大才合適?這個(gè)問(wèn)題比較難答,因?yàn)闋可娴臇|西比較的多,但一般來(lái)說(shuō),對(duì)于小功率管,一般設(shè)Ic在零點(diǎn)幾毫安到幾毫安,中功率管則在幾毫安到幾十毫安,大功率管則在幾十毫安到幾安。
在圖1中,設(shè)Ic為2mA,則電阻R2的阻值就可以由R=U/I來(lái)計(jì)算,VCC為12V,則1/2VCC為6V,R2的阻值為6V/2mA,為3KΩ。Ic設(shè)定為2毫安,則Ib可由Ib=Ic/β推出,關(guān)健是β的取值了,β一般理論取值100,則Ib=2mA/β=20uA,則R1=(VCC-0.7V)/Ib=11.3V/20uA=56.5KΩ
但實(shí)際上,這種電路受β值的影響大,Ic=β×Ib，U2=Ic×R2，Uce=VCC-U2，Uce偏向VCC,則三極管趨向于載止?fàn)顟B(tài),若測(cè)Uce偏向0V,則三極管趨向于飽和狀態(tài)。小功率管的β值遠(yuǎn)不止100,在150到400之間,或者更高,所以若按上面計(jì)算來(lái)做,電路是有可能處于飽和狀態(tài)。
分壓偏置電路

圖3-6.06
      分壓偏置電路的穩(wěn)定性非常完美，放大系數(shù)β的變化對(duì)輸出靜態(tài)工作點(diǎn)IC和VCE幾乎沒(méi)有什么影響，我們?cè)谙旅娴姆治鲋锌梢则?yàn)證這一點(diǎn)。      對(duì)于分壓偏置的輸入端分析，有“近似分析”和“精確分析”兩種方法，一般在實(shí)際工程應(yīng)用中，“近似分析”法基本就夠用了，但是“精確分析”法你也是需要掌握的。對(duì)于學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)，仔細(xì)揣摩和比較這兩種方法，可以增強(qiáng)你對(duì)模擬電路關(guān)于什么時(shí)候可以作簡(jiǎn)化的直覺(jué)。
（1） 近似分析法● 輸入靜態(tài)工作點(diǎn)：
      我們將分壓偏置的共射放大電路重畫(huà)于下，在直流分析（靜態(tài)分析）時(shí)，可將動(dòng)態(tài)輸入電壓vi視為0。

圖3-6.07
      上圖中，由于IB為微安級(jí)，而I1和I2都為毫安級(jí)，因此，可以近似認(rèn)為：I1≈I2。
      作了如上近似后，基極B點(diǎn)的電壓VB就很好算了，就是RB1和RB2對(duì)VCC的分壓：

      而E點(diǎn)電壓VE即為：

      至于IB，由于我們剛才已經(jīng)將IB近似為0了，故這里IB就無(wú)法再計(jì)算了。好在近似分析法中，即使我們不計(jì)算IB，也不影響后面的“輸出靜態(tài)工作點(diǎn)”的計(jì)算。
● 輸出靜態(tài)工作點(diǎn)：
      由于在近似分析法中，IB已經(jīng)近似為0，就不能用IC=β IB這個(gè)公式來(lái)計(jì)算IC了。我們需要用別的方法來(lái)計(jì)算IC，看下圖：

圖3-6.08
      在剛才的輸入分析中，我們已經(jīng)算得VE：

      而IE即為：

      我們?cè)俳�似認(rèn)為：IC≈IE，即可得到：

      然后VCE即為：

（2） 精確分析法      在精確分析法中，不再將IB近似為0，而是列出詳盡的回路方程，然后進(jìn)行數(shù)值解，如下圖所示：（VBE仍簡(jiǎn)化為0.7V）

圖3-6.09
      對(duì)于上面的電路圖，我們可以列出若干方程硬算，也可以借助一些電路等效化簡(jiǎn)方法巧妙地減少手算工作量，兩者結(jié)果是一樣的。下面分別予以介紹：
● 硬核計(jì)算：
      對(duì)于上圖，主要的電流關(guān)系式和主要的電壓關(guān)系式為：

      我們可以分別列出I1、I2、VE的歐姆定律計(jì)算式：

      將它們代入上面的主電流、電壓關(guān)系式可得：

      在上面這個(gè)方程組中，僅含有VB和IB兩個(gè)未知變量。耐心一點(diǎn)、按部就班地一步步推算，是可以解出IB和VB的，IB最終可解得為：

      解出IB后，用IC=β IB的關(guān)系式，可以很方便地求出輸出端的靜態(tài)工作點(diǎn)IC和VCE，這里就不再重復(fù)寫(xiě)了。
● 電路等效化簡(jiǎn)后計(jì)算：
      上面的方程組，看上去好像不算太復(fù)雜，但其實(shí)真的算起來(lái)，還是有一點(diǎn)工作量的（至少我用了三大張紙）。而且在解方程時(shí)把各個(gè)量顛來(lái)倒去地抄寫(xiě)，很容易出錯(cuò)。所以，一般在做電路計(jì)算時(shí)，會(huì)先考慮一下電路能不能化簡(jiǎn)，把電路盡量化簡(jiǎn)成等效的最簡(jiǎn)單形式，這樣最終列出的方程就會(huì)比較簡(jiǎn)單，解起來(lái)也不太會(huì)出錯(cuò)。
      電路等效化簡(jiǎn)最常用的方法就是：戴維南等效電路和諾頓等效電路，我們現(xiàn)在嘗試用戴維南等效電路的方法，對(duì)上面的圖3-6.09進(jìn)行等效化簡(jiǎn)：
      對(duì)于輸入端的分析，從三極管的基極（B點(diǎn)）向左看，可以將B點(diǎn)左側(cè)的外部電路視為一個(gè)戴維南等效電路，如下圖所示：

圖3-6.10
      對(duì)于上面做完戴維南等效的最右圖，列寫(xiě)輸入側(cè)的KVL方程就很容易了：

      解得IB為：

      是不是要比上面的硬核計(jì)算法要簡(jiǎn)單很多？至于戴維南等效電壓VTH和戴維南等效電阻RTH就很好算啦，如下圖所示：

圖3-6.11
      計(jì)算戴維南等效電壓VTH時(shí)，可將右側(cè)視為開(kāi)路：

      計(jì)算戴維南等效電阻RTH時(shí)，可將電壓源VCC視為短路：

      然后再將VTH和RTH代入上面的IB，最終結(jié)果和前面硬算的結(jié)果是一致的。
案例3-6-2：分別用近似分析法和精確分析法，計(jì)算下圖分壓偏置電路的IB, IC, VCE。

圖3-6.a2

解：（1）近似分析法：

      驗(yàn)證：VCE > VCEsat，說(shuō)明BJT工作于放大區(qū)的假設(shè)正確。
（2）精確分析法：
      先計(jì)算戴維南等效電壓和電阻：

      再將其代入IB計(jì)算式：

      假設(shè)BJT工作于放大區(qū)：

      驗(yàn)證：VCE > VCEsat，說(shuō)明BJT工作于放大區(qū)的假設(shè)正確。
      比較：從上面兩種方法計(jì)算得到的IC和VCE來(lái)看，兩種算法的結(jié)果非常接近，故知近似分析法在大部分情況下是可以對(duì)電路進(jìn)行大致評(píng)估計(jì)算的，而且近似分析法不需要用到β參數(shù)，說(shuō)明分壓偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)基本不受β影響。
（3） 飽和條件      當(dāng)VCECEsat時(shí)，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。因此，我們可以算出此時(shí)的集電極飽和電流ICsat，

      當(dāng)IC>ICsat時(shí)，晶體管進(jìn)入飽和。