电子技术项目教程07静态工作点及动态性能的测试

1、电子技术项目教程主 编：徐超明 李 珍副主编：姚华青 王平康12.2 共射放大电路静态工作点及动态性能的测试2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2.2.2 共射基本放大电路的静态分析2.2.3 分压式偏置放大电路2.2.4 共射放大电路的动态分析实训2-5：分压式偏置放大电路静态工作点的测试实训2-6：分压式偏置放大电路动态性能指标的测试实训2-7：共射极基本放大电路静态工作点及动态性能指标的仿真测试实训任务2.2 共射放大电路静态工作点及动态性能的测试2022/7/72实训任务2.2 共射放大电路静态工作点及动态性能的测试 所谓“放大”，是指将一个微弱的电信号，通过某种装置，得到一个

2、波形与该微弱信号相同、但幅值却大很多的信号输出。这个装置就是晶体管放大电路。“放大”作用的实质是电路对电流、电压或能量的控制作用。扬声器负载输入信号源扩音器中放大电路的组成为放大器提供能量的直流电源RS+US放大电路+u0i0话筒送来的微弱音频信号2022/7/73ui放大电路微弱输入小信号uiu0幅度大大增强的输出信号u0 放大电路的放大作用，实质是把直流电源UCC的能量转移给输出信号。输入信号作用则是控制这种转移，使放大电路输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。“能量转换和控制” 放大电路的核心元件是晶体管，因此，放大电路若要实现对输入小信号的放大作用，必须首先保证晶体管工作在放大区。

3、晶体管工作在放大区的外部偏置条件是：其发射结正向偏置、集电结反向偏置。此条件是通过外接直流电源，并配以合适的偏置电路来实现的。实训任务2.2 共射放大电路静态工作点及动态性能的测试2022/7/74基本放大电路三种组态 u0 uibce u0 uibec u0 uibec共射组态放大电路共集电组态放大电路共基组态放大电路 无论放大电路的组态如何，其目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后，输出时其信号幅度显著增强（可能是电流，可能是电压，或者两者兼有，即能量的放大）。 必须清楚：幅度得到增强的输出信号，其能量并非来自于晶体管，而是由放大电路中的直流电源提供的。晶体管只是实现了对能量的控制，使之

4、转换成信号能量，并传递给负载。实训任务2.2 共射放大电路静态工作点及动态性能的测试2022/7/75 共发射极放大电路是电子技术中应用最为广泛的放大电路形式，其电路组成的一般形式为：3DG6管RBVBBC1+RCVCCC2+放大电路的核心元件晶体管耦合电容基极电阻基极电源集电极电阻集电极电源耦合电容双电源组成的共发射极基本放大电路。2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理1电路组成2022/7/76 实际应用中，共射放大电路通常采用单电源供电，各部分的作用分别如下：晶体管在放大电路中起以小控大的能量控制作用向放大电路提供能量，并保证晶体管工作在放大区 基极偏置电阻的作用是为放大电路提供合

5、适的静态工作点。有极性电解电容的作用是隔离直流和让输入交流信号顺利通过。有极性电解电容的作用是隔离直流和让放大的交流信号顺利输出。RC的作用是将放大的集电极电流转换成晶体管的输出电压。3DG6管RBC1+RCC2+VCC2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2022/7/77单电源共射极电路 电流的方向： 对NPN型三极管基极电流iB、集电极电流iC流入电极为正，发射极电流iE流出电极为正.电压、电流等符号的规定（1）直流分量：大写字母， 大写下标。如IB。（2）交流分量：小写字母， 小写下标。如ib （3）瞬时值：小写字母， 大写下标。如iB。 iB IB ib（4）交流有效值：大写字

6、母， 小写下标。如Ib （基极交流电流有效值）。（5）交流峰值 ：有效值符号加小写 m下标。如Ibm。3DG6管RBC1+RCC2+VCC2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2放大器中电流电压符号使用规定2022/7/78显然，放大电路内部各电流、电压都是交直流共存的。3DG6RBC1+RCC2+VCCcebuiu0ibiCuCEiBIB基极固定偏置电流放大后的集电极电流 iC通过RC将放大的电流转换为放大的晶体管电压输出。uCE经C2滤掉了直流成分后的输出电压信号电流和基极固定偏流的叠加uit0输入交流信号电流iBt0IBiCt0ICuCEt0ICRCu0t0反相！输入信号电压3.

7、共射放大电路的工作原理2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2022/7/79 需放大的信号电压 ui通过C1转换为放大电路的输入电流，与基极偏流叠加后加到晶体管的基极，基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流 iC变化；iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化，即： uCE=VCC- iCRC2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理 由上式可看出： 当 iC增大时，uCE就减小，所以 uCE的变化正好与 iC相反，这就是它们反相的原因。 uCE经过C2滤掉了直流成分，耦合到输出端的交流成分即为输出电压 u0。 若电路参数选取适当，u0的幅度将比 ui 幅度大很多，亦

8、即输入的微弱小信号 ui 被放大了，这就是放大电路的工作原理。2022/7/7104.基本放大电路的组成原则 实现放大作用，晶体管须工作在放大状态。（1）直流偏置正确。 外加电源必须保证晶体管的发射结正偏，集电结反偏。并提供合适的静态工作点Q （IBQ、ICQ和UCEQ）。（2）交流通路畅通。 输入电压ui要能引起晶体管的基极电流iB作相应的变化。晶体管集电极电流iC的变化要尽可能的转为电压的变化输出。2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2022/7/711例2-1 下列放大电路能否实现对正弦交流信号的正常放大？2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2022/7/712下列放大电

9、路能否实现对正弦交流信号的正常放大？2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2022/7/7132.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理 4.放大电路的主要性能指标 （1）放大倍数Au、Ai 放大倍数是衡量放大电路对信号放大能力的主要技术参数。电压放大倍数Au 放大电路输出电压与输入电压的比值。 增益：用分贝（dB）表示电压放大倍数。 电压增益=20lg|Au|（dB） 电流放大倍数Ai 放大电路输出电流与输入电流的比值。 2022/7/714（2）输入电阻ri 从放大电路输入端看进去的等效电阻。放大电路的输入电阻 对于一定的信号源电路，输入电阻ri越大，放大电路从信号源得到的输入电压

10、ui就越大，放大电路向信号源索取电流也就越小。uS：信号源电压rS： 信号源内阻2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2022/7/715（3）输出电阻ro从放大电路输出端向左看，相当于存在内阻ro。 图2.5 放大电路的输出电阻 输出电阻ro的大小决定了放大电路的带负载能力。 ro越小，放大电路的带负载能力越强，即放大电路的输出电压uo受负载的影响越小。 2.2.1 共射基本放大电路的组成及工作原理2022/7/7161静态工作点的概念2.2.2 共射基本放大电路的静态分析 输入信号ui=0、只在直流电源VCC作用下电路的状态称“静态”。(三极管输入、输出特性曲线上确定的一个点IBQ、

11、ICQ和UCEQ 、 IQ) 直流分析就是要求出此时的IBQ、ICQ和UCEQ三数值。2022/7/717分析UBE(V)IB0.5V0.7V死区uit0ibt0t1t1t2t3t4t3t2t4 此时ui小于死区的部分将无法得到传输，只有大于死区的部分才能转换成电流ib通过晶体管。由于输入信号大部分无法通过晶体管，ib电流波形与ui波形完全不一样了，造成输入信号输入时的“截止失真”。输入信号电压波形假如不设置静态工作点不设置静态工作点行吗？结论：为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。2022/7/7182. 设置静态工作点的必要性（1）不设置偏置电路 小

12、信号无法放大； 只有当信号输入电压足够大时，顶部超过导通电压，才会产生基极电流，但将产生严重失真。（2）设置合适的工作点2.2.2 共射基本放大电路的静态分析2022/7/719C1+C2+ICUBE放大电路的直流通道UCERBRCVCCcebICQ=IBQUCEQ=VCCICQRCIBQ=RBVCC-UBEQ直流下耦合电容C1、C2相当于开路由直流通道求工作点上的IBQ：IB由图可得由晶体管放大原理可求得ICQ：由图又可求得工作点上UCEQ：式中ICQRC前面的负号表示输出电压与集电极电流IC反相，即与输入电压反相。 静态分析估算法求静态工作点2.2.2 共射基本放大电路的静态分析3静态工作

13、点的分析方法2022/7/720ICIEIBUBEUCERBRCVCCceb 已知图示电路中VCC=10V，RB=250K，RC=3K，=50，试求该放大电路的静态工作点Q。解IB=40A所以静态工作点Q：IC=2mAUCE=4V例注意：计算中一定要弄明白各量的单位，不允许写错！2.2.2 共射基本放大电路的静态分析IBQ=RBVCC-UBEQRBVCCICQ=IBQ=50X0.04=2mAUCEQ=VCCICQRC2022/7/721 利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法称为图解法。其分析步骤一般为： 用图解法求解静态工作点a.按已选好的管子型号在手册中查找、或从晶体管图示仪上

14、描绘出管子的输入、输出特性如下图所示： uBEiBiCuCE2.2.2 共射基本放大电路的静态分析2022/7/722b.画出直流负载线。此步骤是图解法求静态工作点的关键。 由放大电路的直流通道可得：UCEICIEIBUBERBRCVCCcebUCE=VCCICRC令UCE=0， 可得：IC=VCC/RC令IC=0 可得：UCE=VCCICUCEUCCRCUCC连接两点作出直流负载线c.确定静态工作点只有IBQ对应的交点才是Q点QIBQ直流负载线上交点有多个2.2.2 共射基本放大电路的静态分析2022/7/723固定偏置的放大电路存在很 温度TQ点ICUCEUCICUCEQ 若 温度上升，将

15、造成输出特性曲线上移。静态工作点Q随之上移Q如果UCUB，则集电结就会由反偏变为正偏，当两个PN结均正偏时，电路出现“饱和失真”。分析上述固定偏置共射放大电路有哪些不足？大的不足。例如当晶体管所处环境温度升高时，晶体管内部载流子运动加剧，因此将造成放大电路中的各参量将随之发生变化。为不失真地传输信号，实用中需对上述电路进行改造。分压式偏置的共发射极放大电路可通过反馈环节有效地抑制温度对静态工作点的影响。2.2.2 共射基本放大电路的静态分析2022/7/724RCC2CEC1对固定偏置的放大电路进行改造。cbeRBRE+VCCRB2RB1分压电阻射极反馈电阻射极旁路滤波电容为稳定工作点Q而添加

16、的负反馈环节分压电阻 分压式偏置的共发射极放大电路由于设置了反馈环节，因此当温度升高而造成IC增大时，可自动减小IB，从而抑制了静态工作点由于温度而发生的变化，保持Q点稳定。1.电路组成2.2.3 分压式偏置放大电路2022/7/725一般取IB Q I1静态时：VCC、RB1、RB2确定后，UB基本确定，不受温度影响。温度TIc IE UE UBE=UB- UE IB Ic一般对于硅材料的三极管： I1=（510）IBQ2.2.3 分压式偏置放大电路2.稳定Q点原理2022/7/7263.工作点稳定电路的静态工作点Q的估算2.2.3 分压式偏置放大电路2022/7/727放大电路加入交流输入

17、信号的工作状态称为动态。动态时，放大电路输入的是交流微弱小信号；电路内部各电压、电流都是交直流共存的叠加量；放大电路输出的则是被放大的输入信号。性能指标分析就是要求解有信号输入时放大电路的输入电阻r0、输出电阻ri及电压放大倍数Au等指标。2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/72828通过图解观察放大电路输入和输出波形的变化，可很直观地了解放大电路工作的整个动态过程，得到放大电路的工作区域、失真情况和放大倍数等。2.2.4 共射放大电路的动态分析1.图解法：1）分析动态工作情况根据输入信号ui在输入特性曲线上求出iB 设放大电路ui=0.02sintV，由于耦合电容对交流可看作短路

18、，因此晶体管BE间的总电压是在原有直流电压UBE=0.7V的基础上叠加一交流信号ui，即uBE=UBE+ui=0.7+0.02sint（V），其波形如图中曲线所示。 由图可见，对应于幅值为0.02V的输入电压，iB将在2060A之间变动，即iB=40 +20sint（A），其波形如图中曲线所示。2022/7/7292.2.4 共射放大电路的动态分析1.图解法：根据iB在输出特性曲线上求出ic和uce当iB在2060A之间变动时，动态工作点将沿交流负载线在Q和Q”之间移动。直线段QQ”为动态工作范围。根据动态工作点在直线段QQ”之间变化的轨迹可得到对应的ic和uce的波形。由图可见，iB在206

19、0A之间变动时，iC在1.12.7mA（1.9 mA0.8 mA）之间变动，变化规律与iB相同，其波形如图中曲线所示；uCE在9.03.0V（6.0 V 3.0V）之间变动，变化规律与iB相反，如图中曲线所示。由此，可得到：iC =1.9+0.8sint（mA），uCE=6.0-3.0 sint（V），uO= -3.0 sint（V）。该放大器的电压放大倍数为其中:负号说明输出信号电压与输入信号电压反相。 2022/7/730输入信号经放大器放大后，输出波形与输入波形不完全一致称为波形失真。由于该失真是由晶体管特性曲线的非线性而引起的，故称为非线性失真。放大电路的非线性失真主要有截止失真和饱和

20、失真两种。2.2.4 共射放大电路的动态分析2）非线形失真2022/7/731（1） 截止失真当放大电路的静态工作点Q选取比较低时，IBQ较小，输入信号的负半周进入截止区而造成的失真称为截止失真。消除截止失真办法：增大IBQ值，抬高Q点。（如减小偏置电阻RB值）2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/73232（2） 饱和失真当放大电路的静态工作点Q选取比较高时，IBQ较大，UCEQ较小，输入信号的正半周进入饱和区而造成的失真称为饱和失真。消除饱和失真办法：减小IBQ值，增大UCEQ值，降低Q点。（如增大偏置电阻RB值）2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/73333 2.微

21、变等效电路分析法条件：Q点附近，输入为微变信号（小信号）处理：三极管的非线性特性近似看为是线性的， 非线性器件三极管转为线性器件进行求解。分压式偏置放大电路 输入回路：be，输入特性曲线uBE-iB输出回路：ce，输出特性曲线uCE-iC-iB2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/73434 （1）三极管的微变等效电路三极管的交流输入电阻rbe 输入端：Q点附近小信号 近似满足线性关系基极与发射极之间用一个交流电阻rbe等效。2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/73535 输出端： 曲线平坦，间隔较均匀。 uCE几乎对iC无影响。三极管的电流放大系数 集电极与发射极之间用

22、一个受控电流源等效。2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/73636结论：当输入为微变信号时，对于交流微变信号，非线性器件三极管可用微变等效电路（线性电路）来代替。这样就把三极管的非线性问题转化为线性问题。三极管的微变等效电路模型2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/73737交流输入电阻rbe有关微变等效电路的几点说明 基极与发射极之间用一个交流电阻rbe等效； 集电极与发射极间用一个受控电流源ib代替。 等效电路成立前提条件：微变信号（小信号）。 受控电流源不能独立存在，方向不能随意假定。 电压、电流量都是交流信号，电路中无直流量。 不能用等效电路求解静态工作点Q的值。

23、2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/738382. 用微变等效电路分析法分析共射放大电路求解步骤 画直流（通路），求Q点。 公式法估算Q点值。 由Q点，定参量。 计算Q点处的参数rbe值。 由交流，画微变。 由交流通路，画出放大电路的微变等效电路。 由微变，求指标。 根据等效电路直接列方程求解Au、Ri、Ro。 注意：NPN和PNP型三极管的微变等效电路一样。找Q点定参量画模型求指标2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/739391. 静态工作点Q的估算（画直流（通路），找Q点）2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/7402. 微变等效电路（定参量，画模型）稳定

24、电路的交流通路及其微变等效电路旁路电容Ce的交流短路作用，电阻Re被短路掉。2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/7413. 动态参数（求指标） （1）电压放大倍数Au（2）输入电阻Ri Ri=RB1RB2rbe （3）输出电阻Ro 负号表示输出电压uo与输入电压ui反相位。2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/742例:放大电路如图1.16所示，已知直流电源VCC=15V，三极管的UBE=0.7V，=50，要求：2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/743（1）画直流通路，求静态工作点UCEQ、IBQ、ICQ。（2）画放大器的微变等效电路。（3）求放大电路电压放

25、大倍数Au、输入电阻ri及输出电阻ro。43例:放大电路如图1.16所示，已知直流电源VCC=15V，三极管的UBE=0.7V，=50，要求：2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/744解：（1）静态工作点直流通路如图所示。=1（mA）= 0.02（mA）=20（A）直流通路=2.7（V） =3（V） 44例:放大电路如图1.16所示，已知直流电源VCC=15V，三极管的UBE=0.7V，=50，要求：2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/745（2）微变等效电路 = 3（V）参数:45例:放大电路如图1.16所示，已知直流电源VCC=15V，三极管的UBE=0.7V，=5

26、0，要求：2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/746 = 3（V）（3）动态参数输入电阻输出电阻电压放大倍数46例：如图1.19所示，已知60， UBEQ 0.7V。（1）估算Q值和Rbe值；（2）用微分等效电路法求Au、ri 、ro ；（3）若Rb2逐渐增大到无穷，会出现什么情况？2.2.4 共射放大电路的动态分析2022/7/74747实训流程：1按图在实验板上接好线路，并用万用表简单判断板上三极管V的极性和好坏。 2静态工作点的测量用合适的直流毫安表和直流电压表分别测量晶体管的集电极电流IE和管压降UCE。通过调节滑动电阻RP，使UE=2V，并测出 RP阻值，按表2-3测量并

27、计算。实训2-5：分压式偏置放大电路静态工作点的测试UB（V）UBE（V）UE（V）UCE（V）测量值计算值RP = 。表2-3 静态工作点的测量2022/7/748实训流程：3RP变化，对静态工作点的影响（1）调节RP，观察UBE、IB有无明显变化，并记录：UBE （有/无）明显变化；IB （有/无）明显变化。（2） 调节RP，观察UCE、IC有无明显变化。（有/无）明显变化，并记录：UCE （有/无）明显变化；IC （有/无）明显变化。结论：调节RP， （能/不能）改变共射极放大电路的静态工作点。实训2-5：分压式偏置放大电路静态工作点的测试2022/7/749当Ec和交流负载电阻RL确定

28、后，放大器的动态范围取决于静态工作点的位置。为了得到最大的动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。为此，在放大器正常工作下，逐步加大输入信号的电压ui的幅度，用示波器观察放大器的输出电压波形。如果输出的波形同时出现正、负峰被削，则说明静态工作点已在交流负载线的中点；如果是正峰被削掉或者是负峰被削掉，则说明静态工作点不在交流负载线的中点，此时必须调节RP，直到静态工作点最佳为止。当静态工作点调好以后，逐渐增大ui直到输出波形为最大不失真时，测量输出电压uO，则最大动态范围等于 uO。实训2-6：分压式偏置放大电路动态性能指标的测试2022/7/750实训流程：1放大倍数的测量（1）将信号源

29、调到频率为f=1kHz，波形为正弦波，信号幅值为2mV，接到放大器的输入端观察ui和uO波形，放大器不接负载。 （一般采用实验箱上加衰减的办法）（2）在信号频率不变的情况下，逐步加幅值，测uO不失真时的最大值并填入表中。实训2-6：分压式偏置放大电路动态性能指标的测试测量值计算值ui（mV）uO（V）Au表2-4 不同输入信号下的放大倍数2022/7/751实训流程：1放大倍数的测量（3） 保持f=1kHz，幅值为5mV，放大器接入负载RL，并将计算结果填入表2-5中。实训2-6：分压式偏置放大电路动态性能指标的测试给定参数测量值计算值RcRLui（mV）uO（V）Au = uO / ui5.

30、1K5.1K5.1K2K表2-5 负载对放大倍数的影响2022/7/752实训流程：1放大器的输入、输出电阻（1） 输入电阻测量按照定义： 测量放大器的输入电阻一般采用“换算法”。所谓“换算法”测量，即在信号源和放大器之间串接一个已知电阻Rs，如图所示，在放大器正常工作的情况下，分别测出ui、us的值，则：实训2-6：分压式偏置放大电路动态性能指标的测试注意点：1.分别测出电阻两端的对地电压us、ui，求出uRs。电阻Rs的取值；2. 测量之前，毫伏表应该校零，us和ui最好用同一个量程进行测量；3.用示波器监视输出波形，要求在波形不失真的条件下进行上述的测量。测量值计算值us（mV）ui（mV）ri=ui*Rs/(us-ui)表2-6 输入电阻的测量2022/7/753实训流程：1放大器的输入、输出电阻（2）输出电阻测量放大器对于负载来说，就相当于一个等效电压源，这个等效电压源的内阻ro就是放大器的输出电阻。通过测量放大器接入负载前后电压的变化来求出其输出电阻ro。在放大器的正常工作的情况下，首先测量放大器的开路输出电压uo，再测量放大器接入已知负载RL时的输出电压uL 。实训2-6：分压式偏置放大电路动态性能指标的测试测