三極管放大電路靜態(tài)工作點

三極管一般放大電路


C1,C2為耦合電容,耦合就是起信號的傳遞作用,電容器能將信號信號從前級耦合到后級,是因為電容兩端的電壓不能突變,在輸入端輸入交流信號后,因兩端的電壓不能突變因,輸出端的電壓會跟隨輸入端輸入的交流信號一起變化,從而將信號從輸入端耦合到輸出端。但有一點要說明的是,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?簡單來說,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。為什么是通過電阻來供電?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),簡單來說,判別工作于何種工作狀態(tài)可以根據(jù)Uce的大小來判別,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)就是說三極管基本上不工作,Ic電流較小(大約為零),所以R2由于沒有電流流過,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,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Uce接近于電源電壓的一半。若測Uce偏向VCC,則三極管趨向于載止?fàn)顟B(tài),若測Uce偏向0V,則三極管趨向于飽和狀態(tài)。
理解靜態(tài)工作點的設(shè)置目的和方法
放大電路,就是將輸入信號放大后輸出,(一般有電壓放大,電流放大和功率放大幾種,這個不在這討論內(nèi))。先說我們要放大的信號,以正弦交流信號為例說。在分析過程中,可以只考慮到信號大小變化是有正有負(fù),其它不說。上面提到在圖1放大電路電路中,靜態(tài)工作點的設(shè)置為Uce接近于電源電壓的一半,為什么?
這是為了使信號正負(fù)能有對稱的變化空間,在沒有信號輸入的時候,即信號輸入為0,假設(shè)Uce為電源電壓的一半,我們當(dāng)它為一水平線,作為一個參考點。當(dāng)輸入信號增大時,則Ib增大,Ic電流增大,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之增大,Uce=VCC-U2,會變小。U2最大理論上能達(dá)到等于VCC,則Uce最小會達(dá)到0V,這是說,在輸入信增加時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到0V.
同理,當(dāng)輸入信號減小時,則Ib減小,Ic電流減小,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之減小,Uce=VCC-U2,會變大。在輸入信減小時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到VCC。這樣,在輸入信號一定范圍內(nèi)發(fā)生正負(fù)變化時,Uce以1/2VCC為準(zhǔn)的話就有一個對稱的正負(fù)變化范圍,所以一般圖1靜態(tài)工作點的設(shè)置為Uce接近于電源電壓的一半。
要把Uce設(shè)計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。
這里要先知道幾個東西,第一個是我們常說的Ic、Ib,它們是三極管的集電極電流和基極電流,它們有一個關(guān)系是Ic=β×Ib,但我們初學(xué)的時候,老師很明顯的沒有告訴我們,Ic、Ib是多大才合適?這個問題比較難答,因為牽涉的東西比較的多,但一般來說,對于小功率管,一般設(shè)Ic在零點幾毫安到幾毫安,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來計算,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,所以若按上面計算來做,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的變化對輸出靜態(tài)工作點IC和VCE幾乎沒有什么影響，我們在下面的分析中可以驗證這一點。      對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。對于學(xué)習(xí)來說，仔細(xì)揣摩和比較這兩種方法，可以增強(qiáng)你對模擬電路關(guān)于什么時候可以作簡化的直覺。
（1） 近似分析法● 輸入靜態(tài)工作點：
      我們將分壓偏置的共射放大電路重畫于下，在直流分析（靜態(tài)分析）時，可將動態(tài)輸入電壓vi視為0。

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

      而E點電壓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就無法再計算了。好在近似分析法中，即使我們不計算IB，也不影響后面的“輸出靜態(tài)工作點”的計算。
● 輸出靜態(tài)工作點：
      由于在近似分析法中，IB已經(jīng)近似為0，就不能用IC=β IB這個公式來計算IC了。我們需要用別的方法來計算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：

      我們再近似認(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仍簡化為0.7V）

圖3-6.09
      對于上面的電路圖，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：
● 硬核計算：
      對于上圖，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：

      在上面這個方程組中，僅含有VB和IB兩個未知變量。耐心一點、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IC和VCE，這里就不再重復(fù)寫了。
● 電路等效化簡后計算：
      上面的方程組，看上去好像不算太復(fù)雜，但其實真的算起來，還是有一點工作量的（至少我用了三大張紙）。而且在解方程時把各個量顛來倒去地抄寫，很容易出錯。所以，一般在做電路計算時，會先考慮一下電路能不能化簡，把電路盡量化簡成等效的最簡單形式，這樣最終列出的方程就會比較簡單，解起來也不太會出錯。
      電路等效化簡最常用的方法就是：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，對上面的圖3-6.09進(jìn)行等效化簡：
      對于輸入端的分析，從三極管的基極（B點）向左看，可以將B點左側(cè)的外部電路視為一個戴維南等效電路，如下圖所示：

圖3-6.10
      對于上面做完戴維南等效的最右圖，列寫輸入側(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算法要簡單很多？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
      計算戴維南等效電壓VTH時，可將右側(cè)視為開路：

      計算戴維南等效電阻RTH時，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：

      驗證：VCE > VCEsat，說明BJT工作于放大區(qū)的假設(shè)正確。
（2）精確分析法：
      先計算戴維南等效電壓和電阻：

      再將其代入IB計算式：

      假設(shè)BJT工作于放大區(qū)：

      驗證：VCE > VCEsat，說明BJT工作于放大區(qū)的假設(shè)正確。
      比較：從上面兩種方法計算得到的IC和VCE來看，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電路進(jìn)行大致評估計算的，而且近似分析法不需要用到β參數(shù)，說明分壓偏置電路的靜態(tài)工作點基本不受β影響。
（3） 飽和條件      當(dāng)VCECEsat時，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。因此，我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat，

      當(dāng)IC>ICsat時，晶體管進(jìn)入飽和。