电工电子静态工作点稳定电路和基本放大电路

电工电子静态工作点稳定电路和基本放大电路

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/LX040924/article/details/144437879

在放大电路的设计中，静态工作点的设定与稳定是确保电路性能的关键步骤。静态工作点（Q点）是指晶体管在无输入信号时，各电极的直流电流和电压保持稳定的状态。本文将详细探讨静态工作点稳定电路的原理、方法及其应用。

一、静态工作点的基本概念

静态工作点是指在没有交流输入信号时，晶体管各电极的直流电流和电压值。对于三极管放大电路，当输入信号为零时，基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电压 VCE 都处于恒定值，此时的电路状态即为静态工作点。

二、温度对静态工作点的影响

温度变化是影响静态工作点稳定性的主要因素之一。温度升高会导致半导体材料的载流子浓度增加，从而影响 IC、IB 和 VBE 的值。例如，温度上升会使 IC 增大，而 VBE 减小，导致静态工作点发生偏移，甚至可能进入饱和区或截止区，严重影响电路性能。

三、静态工作点稳定电路的设计原则

为了应对温度变化带来的影响，可以采用以下设计原则：

1. 负反馈机制：通过引入负反馈来调节基极电流，使其在温度变化时能够自动调整以维持 IC 的稳定。
2. 分压偏置电路：利用电阻网络分配电源电压，使基极电位稳定，从而减少温度对静态工作点的影响。

四、典型的静态工作点稳定电路

1. 分压式偏置电路

分压式偏置电路是常见的静态工作点稳定电路之一。其基本原理是通过两个电阻 R1 和 R2 对电源电压进行分压，提供稳定的基极电位。同时，在射极加入一个电阻 RE，形成直流负反馈，提高电路的稳定性。

• 分压网络：R1 和 R2 构成分压网络，为基极提供稳定的电压。
• 射极电阻 RE：形成负反馈，稳定基极电流。
• 温度补偿：由于 RE 的存在，温度变化引起的 IC 变化会被负反馈机制抵消，保持 IC 的稳定。

假设 β=100，则可以通过以下步骤计算 Q 点：

• 基极电流 IB：
  IB = (VCC - VBE) / (RB + (1 + β)RE)
• 集电极电流 IC：
  IC = βIB
• 发射极电压 VCE：
  VCE = VCC - ICRC

2. 带温度补偿的偏置电路

另一种常见的方法是使用热敏元件，如热敏电阻或二极管，来补偿温度变化对静态工作点的影响。这些元件在温度变化时，其电阻值或电压降会发生相应变化，从而调节基极电流，保持静态工作点的稳定。

• 热敏电阻：随温度升高，电阻值发生变化，调节基极电流。
• 二极管：温度升高时，正向压降减小，调节基极电流。

五、实际应用与测试

在实际应用中，静态工作点的稳定不仅依赖于理论计算，还需要通过实际测试来验证。常用的测试方法包括仿真软件模拟和实验测量。通过搭建电路并使用示波器、万用表等仪器，可以测量实际的 IB、IC 和 VCE，与理论计算值进行对比，确保静态工作点的稳定。

六、总结

静态工作点的稳定对于放大电路的性能至关重要。通过合理的电路设计与参数选择，可以有效应对温度变化和其他外部因素对静态工作点的影响，确保电路在各种工况下都能稳定工作。分压式偏置电路和带温度补偿的偏置电路是两种常见的静态工作点稳定电路，它们各有优缺点，适用于不同的应用场景。

下面是关于静态工作点的例题：

解答步骤：

1. 首先计算基极偏置电阻 RB 的值，RB = RB1 × RB2 / (RB1 + RB2)。
2. 然后计算基极电流 IB = (VCC - UBEQ) / RB。
3. 接着计算集电极电流 IC = βIB。
4. 最后计算发射极电流 IE = IC + IB。

具体数值计算：

1. 计算基极偏置电阻 RB：
   RB = 5kΩ × 15kΩ / (5kΩ + 15kΩ) = 75kΩ / 220kΩ = 3.75kΩ
2. 计算基极电流 IB：
   IB = (12V - 0.7V) / 3.75kΩ = 11.3V / 3.75kΩ ≈ 3.014mA
3. 计算集电极电流 IC：
   IC = βIB = 100 × 3.014mA = 301.4mA
4. 计算发射极电流 IE：
   IE = IC + IB = 301.4mA + 3.014mA = 304.414mA

七、放大电路的基础概念

放大电路的核心作用是将微小的输入信号（如电压、电流或功率）增强到所需的电平，同时尽量保持信号的形状不变。一个典型的放大电路由以下几个基本部分组成：

1. 输入信号源：提供待放大的信号。
2. 放大元件：最常见的是晶体管（如BJT或FET），它们是实际进行信号放大的器件。
3. 偏置网络：为放大元件提供适当的工作点（静态工作点）。
4. 耦合电容：用于隔离直流分量，只传递交流信号。
5. 负载：通常是电阻或扬声器等，用于接收放大后的信号。

八、共发射极放大电路

共发射极放大电路是最常见的一种放大电路配置，它具有以下特点：

1. 电流放大：输入信号通过基极-发射极结，控制集电极电流的变化，从而实现电流放大。
2. 电压放大：集电极电阻将集电极电流的变化转化为电压变化，实现电压放大。
3. 反向作用：输出电压与输入电压相位相差180°。
4. 高增益：具有较高的电压和电流增益。
5. 低输入阻抗：适用于信号源内阻较低的场合。
6. 高输出阻抗：需要进一步缓冲才能驱动较低阻抗的负载。

九、射极跟随器（共集电极放大电路）

射极跟随器是一种特殊类型的放大电路，其特点包括：

1. 电压放大倍数接近1：即输出电压与输入电压几乎相等，因此得名“跟随器”。
2. 高输入阻抗：对前级电路影响小，有利于信号的稳定传输。
3. 低输出阻抗：能够很好地驱动后续的负载。
4. 高输入阻抗与低输出阻抗的匹配作用：常用于多级放大电路的中间缓冲级。

十、共基极放大电路

共基极放大电路的特点在于：

1. 高频特性好：适用于高频信号放大。
2. 电流放大系数小于1但接近1：具有一定的电流放大能力。
3. 输入阻抗低：低于输出阻抗，不适合作为多级放大器的输入级。
4. 输出阻抗高：需要进一步缓冲才能有效驱动负载。

十一、场效应管放大电路

场效应管（FET）放大电路与晶体管放大电路类似，但其工作原理基于电场效应控制导电沟道的导电能力。FET放大电路具有以下特点：

1. 输入阻抗极高：可达10^12欧姆或更高。
2. 温度稳定性好：适用于对温度变化敏感的应用。
3. 功耗低：适用于电池供电的便携设备。
4. 制造工艺兼容性好：易于集成到集成电路中。

十二、多级放大电路

在实际应用中，单级放大电路往往无法满足需求，因此需要将多个单级放大电路连接起来形成多级放大电路。多级放大电路的设计需要考虑以下几点：

1. 耦合方式：常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合。
2. 频率响应：确保在整个工作频段内都能提供稳定的放大效果。
3. 稳定性：避免自激振荡等问题。
4. 失真度：尽量减少非线性失真。

十三、负反馈放大电路

为了改善放大电路的性能，通常会引入负反馈。负反馈可以分为多种类型，如电流负反馈、电压负反馈、串联负反馈和并联负反馈。负反馈可以带来以下好处：

1. 提高增益稳定性：减少温度、电源波动等因素对增益的影响。
2. 降低失真：通过负反馈机制减少非线性失真。
3. 展宽频带：提高放大电路的频率响应范围。
4. 改善输入/输出阻抗：根据反馈类型调整输入和输出阻抗。

十四、放大电路结论

放大电路是电子技术中不可或缺的一部分，无论是模拟电路还是数字电路都离不开它。通过合理设计和优化放大电路，我们可以实现高质量的信号处理和传输。希望本文能为您提供有关放大电路的全面了解，并为您的设计和应用提供参考。

下面是关于放大电路的例题：

问题分析和解答步骤：

1. 画出电路的直流通路：在共发射极放大器中，直流通路是指电流从电源到三极管的路径，不包括交流信号的路径。通常包括电源、电阻和三极管。
2. 计算电路的静态工作点：静态工作点包括基极电流 IB、集电极电流 IC 和集电极-发射极电压 UCE。首先，根据 β = IC / IB，可以求出 IB = IC。然后，使用欧姆定律和电路中的电阻值来计算 IC 和 UCE。
3. 若 IC = 0.5mA、UCE = 6V，求 RB 和 Rc 的值：根据 IC 和 UCE，可以使用欧姆定律计算 RC：RC = (VCC - UCE) / IC。对于 RB，需要知道基极偏置电路的具体配置（如分压器或其他形式）来计算其值。
4. 若 RL = 6kΩ，求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻：电压放大倍数 Av 可以通过公式 Av ≈ -βRC∥RL / rπ 计算，其中 rπ 是三极管的输入电阻。输入电阻 Rin 可以通过公式 Rin ≈ βrπ 计算。输出电阻 Rout 可以通过公式 Rout ≈ RC∥RL 计算。

具体数值计算（假设）：

• 假设 VCC = 12V。
• 假设 rπ = 1kΩ（这是一个假设值，实际值可能不同）。

计算过程：

1. 计算 RC：
   RC = (12V - 6V) / 0.5mA = 6V / 0.5mA = 12kΩ
2. 计算 RB：

• 假设使用的是简单的基极偏置电路，RB 的值需要根据 IB 和 VBE 计算。假设 VBE = 0.7V，则：
  IB = IC / β = 0.5mA / 50 = 0.01mA
  RB = (VCC - VBE) / IB = (12V - 0.7V) / 0.01mA = 1130kΩ

3. 计算电压放大倍数 Av：
   Av ≈ -βRC∥RL / rπ = -50 × 12kΩ∥6kΩ / 1kΩ ≈ -50 × 4kΩ / 1kΩ = -200
4. 计算输入电阻 Rin：
   Rin ≈ βrπ = 50 × 1kΩ = 50kΩ
5. 计算输出电阻 Rout：
   Rout ≈ RC∥RL = 12kΩ∥6kΩ = 4kΩ

结论：

• RC = 12kΩ
• RB ≈ 1130kΩ
• 电压放大倍数 Av ≈ -200
• 输入电阻 Rin ≈ 50kΩ
• 输出电阻 Rout ≈ 4kΩ