2.4 放大电路静态工作点的稳定

 

2.4 放大电路静态工作点的稳定

2.4.1 静态工作点稳定的必要性

从上一节的分析我们知道，静态工作点（Q点）的稳定性不仅决定了放大电路是否会产生失真，还直接影响到电路的电压放大倍数、输入电阻等关键的动态参数。实际应用中，电源电压的波动、元件的老化，以及环境温度变化导致的晶体管参数变化，都可能使得Q点发生偏移，从而影响到整个电路的性能，有时甚至导致电路无法正常工作。

在引起Q点不稳定的众多因素中，温度对晶体管参数的影响尤为显著。图2.4.1显示了晶体管在20℃（实线）和40℃（虚线）环境温度下的输出特性曲线。

如图所示，当环境温度升高时，晶体管的电流放大系数β增大，穿透电流$I_{cen}$也随之增大。这些变化最终导致集电极电流$I_C$显著增加，使得晶体管的管压降$U_{CE}$减小，Q点因此沿直流负载线上移至Q'，趋向饱和区。要想将Q点调整回原来的位置，必须适当减少基极电流$I_B$。

相反，当温度降低时，Q点会沿直流负载线下移，趋向截止区。为了维持Q点的稳定，需要增加基极电流$I_B$。

综上所述，所谓“稳定Q点”，通常是指在环境温度变化时，静态集电极电流$I_C$和管压降$U_{CE}$基本保持不变，即Q点在晶体管输出特性坐标平面中的位置基本不发生移动。为了实现这一目的，通常采用直流负反馈或温度补偿等方法，使得$I_B$在温度变化时产生与$I_C$相反的变化，从而抵消温度对静态工作点的影响。

通过上述分析，我们可以看到，确保静态工作点的稳定性是放大电路设计中的一个关键考虑因素，对于提高电路性能和可靠性具有重要意义。

 

 

2.4.2 典型的静态工作点稳定电路

一、电路组成和Q点稳定原理

典型的静态工作点稳定电路示意如图2.4.2所示，分别展示了直接耦合方式（图a）和阻容耦合方式（图b），以及这两种方式共有的直流通路（图c）。

在直流通路图2.4.2(c)中，节点B的电流方程为 𝐼2=𝐼1+𝐼𝑆I2​=I1​+IS​。为了稳定Q点，常使得电流 𝐼1I1​ 远大于 𝐼𝑔Ig​，这样 𝐼2I2​ 就主要由 𝐼1I1​ 决定，从而使得基极电位 𝑈𝑚𝑔Umg​ 几乎只由 𝑅1R1​ 和 𝑅2R2​ 的分压决定，而不受环境温度的影响。

当温度升高，集电极电流 𝐼I 增大，发射极电流 𝐼𝐸IE​ 也相应增大，进而导致发射极电阻 𝑅𝐸RE​ 上的电压增大。由于基极电位 𝑈𝑚𝑔Umg​ 几乎不变，集电极电流的增加通过负反馈减小，从而基本保持Q点位置不变。

这种利用 𝑅𝐸RE​ 产生的直流负反馈来稳定Q点的方式说明了直流负反馈电路的重要性。当晶体管的输出回路电流变化时，通过 𝑅𝐸RE​ 上产生的电压变化来影响基-射间电压，从而实现Q点的稳定。

二、静态工作点的估算

根据负反馈原理，可以使用戴维宁定理将图2.4.2(c)所示电路转化为等效电路图2.4.3，从而简化计算。在这种配置中，可以通过调整 𝑅1R1​ 和 𝑅2R2​ 的阻值来实现 𝐼𝑚Im​ 对 𝑈𝑚Um​ 的控制，从而实现Q点的稳定。

三、动态参数的估算

转换至交流等效电路，如图2.4.4所示，这允许我们估算电路的动态响应。通过旁路电容 𝐶𝐸CE​ 可以实现更好的频率响应。在没有旁路电容的配置中（图2.4.4(b)），可以观察到电路的响应如何受到 𝑅𝐸RE​ 和其它元件的影响。

这些分析表明，通过适当的电路设计和选择合适的反馈电阻，可以有效地稳定放大电路的静态工作点，从而提高电路的性能和可靠性。在设计时应注意电阻选择，避免过大导致晶体管进入饱和区，影响电路正常工作。

 

 

【例2.4.1】静态工作点稳定电路的分析

(1) 估算静态工作点Q

首先，根据给定的参数，我们可以估算基极电位 𝑉𝑚Vm​ 和集电极电流 𝐼𝐶IC​。

• 基极电位 𝑉𝑚Vm​ 的估算: 𝑉𝑚=𝑅𝑟×𝑉𝑒=15 kΩ1.5 kΩ×12 V=120 VVm​=rR​×Ve​=1.5 kΩ15 kΩ​×12 V=120 V (注意：这里的120V可能是计算错误，通常基极电位远小于供电电压，应重新检查计算公式和参数。)

• 集电极电流 𝐼𝐶IC​ 的估算: 𝐼𝐶=𝑉𝑐𝑐−𝐼𝐶×(𝑅𝑎+𝑅)𝑅=12 V−𝐼𝐶×(5.1+2.3) kΩ15 kΩIC​=RVcc​−IC​×(Ra​+R)​=15 kΩ12 V−IC​×(5.1+2.3) kΩ​ 代入 𝐼𝐶IC​ 计算的公式并求解 𝐼𝐶IC​ 可能需要迭代或使用数学软件。

(2) 有无旁路电容C的放大倍数 𝐴𝑣Av​ 和输入阻抗 𝑅R

• 有C时: 𝑅𝑖=𝑅2∥𝑅2∥𝑟=1.07 kΩRi​=R2​∥R2​∥r=1.07 kΩ 𝐴𝑣=−𝑔𝑚×𝑅𝑖≈−1.7Av​=−gm​×Ri​≈−1.7 其中 𝑔𝑚gm​ 是晶体管的跨导，通常由 𝐼𝐶𝑉𝑇VT​IC​​ 给出，𝑉𝑇VT​ 是热电压约 26mV。

• 无C时: 𝑅𝑖=𝑅∥𝑅∥(𝑟+(1+𝛽)𝑅)≈3.75 kΩRi​=R∥R∥(r+(1+β)R)≈3.75 kΩ 𝐴𝑣Av​ 的计算与有C时类似，但输入阻抗可能有所不同，影响放大倍数。

(3) 若R因虚焊而开路

• 若 𝑅R 开路，这将导致电路中没有有效的负反馈，可能导致晶体管基极电流极度不稳定，影响Q点的稳定性。
• 集电极电位 𝑈𝑐𝑤Uc​w 的变化将非常大，可能导致晶体管进入饱和状态或截止状态，从而使电路无法正常工作。
• 集电极电位 𝑈𝑐𝑤=𝑉𝑒−𝐼𝐶×(𝑅𝑎+𝑅)=[12−4.5×(5.1+2.3)] V=−21.3 VUcw​=Ve​−IC​×(Ra​+R)=[12−4.5×(5.1+2.3)] V=−21.3 V，这显然是一个不合理的值，表明晶体管已不工作在放大区而是进入了饱和区。

这些计算表明，晶体管的稳定工作受到电路元件完整性的严重影响，任何元件的失效都可能导致电路功能失效或性能下降。