功率放大器的静态工作点的计算与测量.docx

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功率放大器的静态工作点的计算与测量

功率放大器的静态工作点的计算与测量（总11页）

晶体管放大器静态工作点的分析

姓名：

刘延勇学号：

20095042008

学院：

物理电子工程学院班级：

09电信

指导教师：

周胜海职称：

副教授

摘　要:

在基本放大电路中,只有在信号的任意时刻晶体管都工作放大区或场效应管都工作在恒流区,输出才不会失真，为此放大电路必须设置合适的静态工作点Q。

面对在几个稳定静态工作点的电路中选择时,如何迅速判定各电路静态工作点稳定性能的优劣,是一个值得弄清的重要问题。

本文给出了求出典型放大器偏置电路的静态工作点的戴维南等效电路,依此等效电路可直接看清电路工作时的物理意义,进一步判定各个放大电路静态工作点稳定性能的优劣。

关键词:

晶体管;放大器;等效电路;静态工作点

TheMethodtoFastValuethePerformanceofStaticStateStabilityforTransistorAmplifiers

Abstract:

WhileforselectingbestonefromseveralcircuitsforDCstability,itisanimportantproblemwhichdeservestounderstandthathowtofastvaluetheperformanceofstaticstatestabilityfortransistoramplifiers.Inthispaper,Theveninequivalentnetworksofrepresentativebiasconfigurationfortransistoramplifiersarederivedindetail.Thephysicalperformancecanbeunderstoodexplicitlyintheequivalentnetworks,andthejudgementofstabilityfunctionsofeverybiascircuitcouldbesimplygained.

KeyWords:

amplifier;biascircuit;transistor;equivalentnetwork

1绪论

所谓静态工作点就是输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些直流电流、电压的数值在三极管

特性曲线上表示为一个确定的点，设置静态工作点的目的就是要保证在被放大的交流信号加入电路时，不论是正半周还是负半周都能满足发射结正向偏置，集电结反向偏置的三极管放大状态。

可以通过改变电路参数来改变静态工作点，这就可以设置静态工作点。

若静态工作点设置的不合适，在对交流信号放大时就可能会出现饱和失真（静态工作点偏高）或截止失真（静态工作点偏低）。

在基本放大电路中,只有在信号的任意时刻晶体管都工作放大区或场效应管都工作在恒流区,输出才不会失真，为此放大电路必须设置合适的静态工作点Q。

晶体管放大器必须具有稳定的静态工作点,才能正确地放大被测信号。

本文给出了求出典型放大器偏置电路的静态工作点的戴维南等效电路,依此等效电路可直接看清电路工作时的物理意义,进一步判定各个放大电路静态工作点稳定性能的优劣[1-3]。

2三种典型的稳定静态工作点的电路

稳定静态工作点的电路有很多种,通常可分为电流负反馈型（图1）、电压负反馈型（又称自偏置）或者二者兼而有之（图2）,以及分压偏置电路（图3）[1-3]。

虽然三种类型偏置电路的稳定性能已经早有结论[4],但是国内教科书上一般仅作定性分析。

对于图1所示的电路,当晶体管放大倍数β上升时,则集电极电流IC也会上升。

IE相应上升致使射极电位VE上升,导致基极—射极电压VBE下降,导致IB下降,会抑制IC的增大,达到了稳定的目的。

对于图2所示电路,β上升会使VB下降,因为VB=VCC-ICRC-IBRB。

相对于图1电路,VBE下降得更大,使静态电流IC更趋向于稳定。

对于图3所示电路,当选择合适参数使得I1=IB时,基极电位VB基本上不受β变化的影响,致使IC和IE也基本保持不变。

通过这种静态工作点稳定性能定性分析,认为图2与图3优于图1,却很难区分图2与图3稳定性能的优劣。

许多教材都对静态工作点稳定性能进行了有益讨论。

例如:

定义指数S（β）=ΔIc/Δβ进行评价[3],或以稳定系数K评定三种偏置电路的稳定性能[4]

笔者认为以S（β）或K来评定,无疑是个好办法,却不能够直接以电路的物理性质迅速做出判断。

为此,本文将以戴维南定理为基础,给出典型放大器偏置电路的·戴维南等效电路,以得到电路的稳定性能快速判定。

[5]

3三种典型晶体管放大器电路的静态工作点的分析

戴维南等效电路的应用十分广泛，因此可采用戴维南等效的方法简化三个电路，然后进行分析。

现以偏置电路中RE两端向外看为考察对象,得到的戴维南等效电路如图4所示。

其中E为等效电源电压,r为等效电源内阻。

则可得通过RE的电流为:

IE=E/（r+RE）

（1）

若以稳定系数K来评定,因IE=（1+1/β）IC,有下面关系:

K=（ΔIC/IC）/（Δβ/β）=（ΔIE/IE）/（Δβ/β）

（2）

针对前面图1至图3所示的放大器偏置电路,下面分别讨论对应的戴维南等效电路。

[6]

图4戴维南电路原理图

3.1图1的戴维南等效电路及分析

现分别将图1发射极开路与短路时,根据戴维南定理求得开路电势E和短路电流IS:

E=VCC-EBE（3）

IS=（VCC-VBE）（β+1）/RB=E/[RB/（β+1）]（4）

变换后有：

r=E/IS=RB/（β+1）（5）

将上式代入式

（1）,可得图1中的射极电流IE:

IE=E/[RE+RB/（β+1）]（6）

3.2图2的戴维南等效电路及分析

将图2的发射极开路,可得到与式（3）相同的开

路电势：

E=VCC-EBE（7）

如将图2发射极短路（图5）,有

VCC=（IB+IC）RC+IBRB=ISRC+ISβ+1RB+EBE则可得：

IS=E/[RC+RB/（β+1）]（8）

因此,

r=E/IS=RC+RB/（β+1）（9）

可得图2中的射极电流为:

IE=E/（r+RE）=E/[RC+RB/（β+1）+RE]（10）

3.3图3的戴维南等效电路及分析

先将对基极偏置电路进行戴维南变换（图6）。

图中：

E′=VCCRB2/（RB1+RB2）（11）

RB=RB1∥RB2=RB1·RB2/（RB1+RB2）（12）

然后,再计算在射极处的开路电压E与短路电流IS如下:

E=E′-EBE（13）

IS==E（β+1）/R′B（14）

此时,

r=R′B/（β+1）（15）

可得图3的射极电流为

IE=E/（r+RE）=E′-EBE/[R′B/（β+1）+RE]（16）

4放大率β对静态工作点的影响

由以上讨论可知,对于图1,射极端看到的内阻r=RB/（β+1）;对于图2,RB流过的是IB,而RC流过电流IE=（IB+IC）,因而其内阻r=RB/（β+1）+RC;对图3,经过一次戴维南等效后（图6）,R′B流过的是IB,所以其内阻r=R′B/（β+1）。

有了图1至图3的三个戴维南等效电路,就很容易进行比较了。

实际上就是比较这三个电路中的IE,如式（6）、（10）、（15）;或者比较三电路中的等效内阻r,如式（5）,式（9）及式（11）,即比较IE或r对放大率β的依赖程度。

[7]

通常RC、RE为几kΩ,为便于比较,不妨假定图1~3中的VCC、RC、RE、都相同。

为保证IB为稳定于几十μA数量级,图1中的RB为几百kΩ至mΩ数量级。

图2中RB小得多,因为流过RC的电流为（β+1）IB,即相对于基极,RC的等效电阻为（β+1）RC,所以图2中RB可以比图1中的RB小一半以上,甚至小5~6倍（取决于放大率β的值）。

因此,式（9）比式（5）关于β的权重电阻RB要小得多,加之式（9）又有与β无关的RC,也就是说图2稳定性能比图1好得多。

图3的内阻为r=RB/（β+1）（式14）。

若不考虑其它因素（如功耗等）,总是可以选择很小的RB值,甚至可使RB为十几kΩ。

可见它比图2中RB又小得多,因而图3的静态稳定性能有可能做得比图2还要好一些[8]。

5　电压VBE随温度的变化对静态工作点的影响

除了晶体管放大倍数β受温度变化的影响以外,基极与射极之间的电压VBE温度变化的影响,对静态工作点的稳定性也有不可忽视的影响。

对于普遍使用的硅管,VBE随温度的变化规律是[1]:

在室温附近,温度每升高1℃,正向压降减少2~2.5mV,但其伏安特性曲线的形状基本没变,这意味着,只是基-射极的开启电压随着温度发生了变化,而其动态等效电阻没有变。

所以,在前面的推导结果中,VBE随温度变化的影响等价于基极与射极间的导通电压EBE随温度而变,即ΔEBE=ΔVBE。

因为,对于电路图1和图2,有E=VCC-EBE;而对于电路图3,

E=E'-EBE,且E′

所以,仅就关于VBE的稳定而言,电路图1和图2的性能一样,且都优于电路图3。

这里大致估计一下ΔIE/IE的数量级,在实用的电路图3中,一般取E′=（5~10）VBE

=（5~10）×0.7V。

而ΔVBE的最大值为0.1V。

所以,此时的ΔIE/IE最大值为,ΔIE/IE=0.036,即在电路图3中仅由VBE

的变化而引起的最坏情况是集电极或射极电流偏差了3.6%;同理可知,当电路图1和图2处于典型情况VCC=20V时,它们的仅由VBE的变化而导致的射极电流偏差为ΔIE/IE=0.0052。

[9,10]

6结束语

在基本放大电路中,只有在信号的任意时刻晶体管都工作放大区或场效应管都工作在恒流区,输出才不会失真，为此放大电路必须设置合适的静态工作点Q。

晶体管放大器必须具有稳定的静态工作点,才能正确地放大被测信号。

为使放大器静态工作点的稳定而设计的不同的电路,有着不同的稳定性能。

其性能差异主要是由从射极看出去的等效内阻对放大倍数β的依赖程度不同所造成的,依赖越小则稳定性能越好。

若需定量评价,则只要利用射极静态电流IE的表达式。

除了晶体管放大倍数β受温度变化的影响以外,基极与射极之间的电压VBE温度变化的影响,对静态工作点的稳定性也有不可忽视的影响。

参考文献:

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