任務3 放大器的靜態工作點
活動3 靜態工作點的穩定
學習目標
1．掌握分壓式偏置放大器穩定靜態工作點的原理。
2．會用萬用表測量三極管的靜態工作點。
建議學時
4學時
知識準備
放大電路的多項重要技術指標均與靜態工作點的位置密切相關，它不僅關系到波形失真，而且對電壓增益也有重大影響。所以在設計后調試放大電路時，為獲得較好的性能，必須首先設置一個合適的靜態工作點，除此之外，穩定的靜態工作點也是保證晶體管工作在放大區必不可少的條件之一。
影響放大器靜態工作點穩定的因素有很多，如電源電壓的變化、電路參數的變化、三極管的老化等。三極管是一種對溫度十分敏感的元件。所以在諸多因素中，溫度因素最為重要。
一、放大電路靜態工作點
1．靜態工作點的概述
在沒有加輸入信號時，放大電路中各處的電壓、電流都是直流量，稱為直流工作狀態或靜止狀態，簡稱靜態。靜態時，在直流電源VCC的作用下，三極管的基極回路和集電極回路均存在直流電壓，這些直流電流和電壓在三極管的輸入、輸出特性上各自對應一個點，稱為靜態工作點。靜態工作點處的基極電流、基極與發射極之間的電壓分別用符號IBQ、UBEQ表示，集電極電流與發射極之間的電壓則用ICQ、UCEQ表示。靜態工作點能說明晶體管的工作狀態，如放大狀態、截止狀態、飽和狀態等。
2．靜態工作點不合適對電路的影響
正確設置靜態工作點，是放大器實現不失真放大的必要條件。靜態工作點的位置必須設置適當，如果設置不當，則放大電路的輸出波形容易產生明顯的非線性失真。靜態工作點設置過低，在輸入信號的負半周，工作點進入截止區，發生截止失真；若靜態工作點設置過高，在信號輸入的正半周，工作點進入飽和區，出現飽和失真。對于單級共射放大器，當放大電路產生截止失真時，輸出電壓的波形出現頂部失真；當放大電路產生飽和失真時，輸出電壓的波形出現底部失真。
二、固定偏置電路
設置靜態工作點的電路稱為放大器的偏置電路。放大器靜態工作點穩定問題的研究，需要以具體電路進行分析，下圖所示即為固定偏置基本放大器。在這個電路中C1、C2為耦合電容，Rb為基極偏流電阻，電源VCC同時給發射結和集電結提供合適的偏置，只要VCC和Rb固定，則基極電流IB固定，即晶體管的靜態工作點就固定了，這種電路稱為固定偏置電路。
三、電路各個元件的作用
1．晶體管T
晶體管是放大電路中的放大元件，利用它的電流放大作用，在集電極電路獲得放大了的電流，該電流受輸入信號的控制。如果從能量觀點來看，輸入信號的能量較小，而輸出的能量較大，但這不是說放大電路把輸入的能量放大了。根據能量守恒定律，能量不能放大。輸出的較大能量來自電源。換句話說，能量較小的輸入信號通過晶體管的控制作用，控制電源所供給的能量，以在輸出端獲得一個能量較大的信號，這就是放大作用的實質。晶體管是一個控制元件。
2．集電極電源VCC
電源VCC除為輸出信號提供能量外，它還保證集電結處于反向偏置，以使晶體管起到放大作用。VCC一般為幾伏到幾十伏。
3．基極電阻Rb
使發射結處于正向偏置，使放大電路獲得合適的工作點。Rb的阻值一般為幾十千歐到幾百千歐。
4．集電極負載電阻Rc
集電極負載電阻簡稱集電極電阻，它主要是將集電極電流的變化變換為電壓的變化，以實現電壓放大。Rc的阻值一般為幾千歐到幾十千歐。
5．耦合電容C1和C2
它們一方面起到隔直作用，C1用來隔斷放大電路與信號源之間的直流通路，而C2則用來隔斷放大電路與負載之間的直流通路，使三者之間無直接聯系，互不影響。另一方面又起到交流耦合作用，保證交流信號暢通無阻地經過放大電路，形成信號源、放大電路和負載三者之間的交流通路。通常要求耦合電容上的交流壓降小到可以忽略不計時，耦合電容對交流信號可視作短路。因此電容值要取得較大，對交流信號頻率其容抗近似為0。C1和C2的電容值一般為幾微法到幾十微法。
活動實施
如何才能解決穩定靜態工作點的問題呢？從上面的分析可以看到，引起工作點波動的外因是環境溫度的變化，內因則是三極管本身所具有的溫度特性，所以要解決這個問題，也不外乎從內因和外因兩方面來想辦法。
從外因來解決，就是要保持放大電路的工作溫度恒定，如將放大電路置于恒溫槽中。可以想象這種辦法要付出的代價是很高的，僅在特殊要求的場合才采用。從內因來解決，就是從放大電路本身想辦法，在允許溫度變化的前提下，盡量保持靜態工作點的穩定。這種辦法被證明是可取的、經濟的。下面主要介紹從內因來解決穩定靜態工作點的方法。從內因著手穩定靜態工作點的常用方法主要有負反饋法和參數補償法兩種。
一、分壓式偏置穩定電路
由前面的分析可知，三極管參數ICBO、UBE、β隨溫度變化對工作點的影響，最終都表現在使靜態工作點電流IC增加。從這一現象出發，在溫度變化時，如果能設法使IC近似維持恒定，問題就可得到解決。例如，可以采用兩方面的措施：
（1）針對ICBO的影響，可設法使基極電流IB隨溫度的升高而自動減小。
（2）針對UBE的影響，可設法使發射結的外加電壓隨溫度的增加而自動減小。
實現上述設想的一種電路，而且是實際中應用很廣泛的一種穩定靜態工作點的基本放大電路。它被稱為“分壓式偏置穩定電路”。這個電路穩定工作點的出發點就是從IC隨溫度變化這一基本事實出發，利用IC的變化去牽制IC，從而使IC近似維持恒定。
1．穩定靜態工作點的原理
分壓式偏置電路和前面提到的固定偏置電路的區別，在于基極上接上了兩個分壓電阻Rb1和Rb2。
這樣做的指導思想是：先設法使基極對地的電位UB基本穩定，即不受溫度變化的影響，然后在發射極回路串接一個電阻Rc，用它兩端的電壓UE來反映IC的變化，并和UB相比較，如果IC增加，則比較后所采取的措施應使IB下降，IC也將隨之下降，其結果將維持IC基本不變。
2．靜態分析
在計算這個電路的靜態工作點時，先從計算UB入手。按照IR＞＞IB的假定，可以得到
3．穩定靜態工作點的條件
可見，只要選取UB＞＞UBE，則IC幾乎與三極管參數無關，從而抑制了溫度對靜態工作點的影響。由上述分析可知，穩定靜態工作點的條件是IREF＞＞IB和UB＞＞UBE。
穩定條件的具體選擇，既要滿足穩定條件的要求，又要兼顧電路其他方面的性能。為了穩定UB，應使IREF＞＞IB，但是IREF太大，即Rb1和Rb2太小，不僅增加了無益的直流功耗，還會使輸入信號分流，造成放大倍數下降。為了穩定IC，應使UB＞＞URE，但是如果UB太大，亦即UE很大，UE將分占電源電壓太多，致使放大器的動態范圍減小。因此，通常選取的穩定條件為
IREF=（5～10）IB
UB=（5～10）UBE
式中：IREF為參考電流（基準電流）。
硅管的ICBO較小，IREF可以選擇得小些。也有根據不穩定系數來設計偏置電路各元件的方法，但過于煩瑣，在此不再冗述。
二、其他工作點穩定電路
上面的分壓式偏置穩定電路是最為常見的穩定靜態工作點的方法，另外還有其他一些方法，在這里只做簡單的介紹。
1．雙管直接耦合偏置電路
這種偏置電路的優點是：采用直接耦合，可以避免信號電流通過偏置電路的分流損失，即提高了交流增益；同時，更重要的是，這種偏置電路具有非常良好的偏置溫度穩定性，所以得到非常廣泛的應用。
2．電壓負反饋穩定電路
前面的兩種電路屬于電流負反饋電路。如果把集電極電壓的變化量反饋到輸入端，以穩定直流工作點，則稱為電壓負反饋電路。
這里基極電阻不是直接接到電源，而是接到集電極上。
3．補償UBEQ的電路
前面介紹的偏置穩定電路，都是應用直流負反饋的原理來達到直流工作點穩定的。還有另一種穩定直流工作點的方法，稱為偏置補償法。它是應用熱敏元件或器件（如熱敏電阻、二極管）來補償三極管工作點的溫度漂移。在發射極電路上串接了一個二極管，其極性接法正好與三極管的BE結相反。
二極管的偏置由直流電源Ed通過電阻Rd取得，調節Rd或Ed值，都可以調節二極管的工作電壓UD，使之等于UBEQ。
4．補償ICBO溫度漂移的電路
補償ICBO溫度漂移的電路是一個低頻功率放大電路，級間的耦合方式不是用耦合電容，而是用變壓器，所以稱為變壓器耦合電路。
5．熱敏電阻補償的偏置穩定電路
對于發射極電阻Re較小的電路，其偏置的穩定性是較差的，但是在某些情況下，又不能使用大的Rc電阻，電阻RT的數值及其溫度系數選擇適當，可使ICQ不隨溫度變化。
運用偏置補償法，如果參數選配合適，可以得到很高的工作穩定性。但為了選擇合適的參數，必須對二極管和熱敏電阻逐個進行嚴格的挑選和實驗，遠不如負反饋來得簡單。因此，只有在很必要的場合才用補償法。
活動評分標準：