第21讲 三极管放大电路的静态分析

电工学（少学时）
主讲：王辉
成都大学 工业制造学院
第 9 章 基本放大电路 9.3 放大电路的静态分析---图解法
已知：UCC=12V,β=100,RC=2kΩ, RB=370kΩ，求静态工作点.
这个例题就是单电源的放大作用，得到的主要数据如上图所示。这 个数据后面我们要用到。这个就是静态计算的估算法。
iB也是直流和交流共存的，静态值IB 叠加了一个信号的交流量ib， ib变化 同样引起iC的变化。
uCE是静态值UCE叠加了一个信号的 交流量uce， uCE既有直流也有交流， 电流经过电容，直流被隔断，交流被 输出，就得到uo 注：uo和ui的输出相位不同！！！
总结 （2）uo和ui的相位相反
解释：uCE=UCC-iCRC
晶体管的输入特性
Q对应的IB是30μA,Q1对应的是40μA，Q2对应的是20μA. 显然当输入信号Ui以0.02交变的时候，静态工作点在Q1到Q2之间变 化，对应的IB就从30μA变化到40μA，再返回到20 μA，最后再返回 到30 μA。电流的变化范围就从40μA到20μA动态变化。
我们怎么表示它们按照正弦随时间变化的规律呢？纵轴是20、30、 40，横轴是时间t。静态IB是图中30所对应的直线，在这个基础上叠 加了变化量ib，通过分析我们知道，它的最大值是10μA,因此我们就 可以画出ib的波形，也就是让这个波形沿时间轴展开。
放大电路在加入了被放大信号以后，晶体管电路就是一个交直流共 存的电路。它的各个极的电流和极间电压，就既包含有直流分量又 包含有交流分量。我们为了今后分析的方便，我们把各个电压、电 流的表示方法列成下表：
直流分量：大写字母+大写下标 交流分量：小写字母+小写下标 交流分量的有效值：大写字母+小写下标 交流分量的最大值：大写字母+小写下标+m 总的电流既包含直流也包含交流：小写字母+大写下标 所表示的关系式：总量=静态值+交流分量的瞬时值 下面我们开始讲动态分析。
晶体管的输出特性曲线 这是一个特性曲线组。每条特性曲线的不同就是IB不同，可以看出 IB从10到50μA所对应的输出特性曲线。我们上面举的那个例题，哪 一个是对应的静态工作点呢？？IB=30μA，显然静态工作点应该对 应IB=30μA所对应的这条输出特性曲线上。
那么怎么来确定这一点呢？就晶体管的特性来讲，IC和UCE应该满 足输出特性曲线的要求，具体来说就是30μA所对应的这条输出特性 曲线，这是第一个要满足的。对于整个电路来看，各部分电压之间 应该符合KVL,我们由KVL可以列出：
（3）通过电路，可以求得电压放大倍数 数值上等于输出电压的有效值与输入电压的有效值的比值，还等于 输出信号的幅值与输入信号的幅值的比值。
总结
这样我们就得到了这个电路的电压放大倍数为100. 用图解法求解电路的动态分析就讲到这里，接下来我们讲一下非线 性失真。
非线性失真：由特性曲线的非线性所引起的失真。
晶体管的输出特性曲线 1. 确定静态工作点Q（要满足输出特性曲线+KVL所对应的直流负 载线）
2.Q点在纵轴上的3mA对应的是IC的静态值，在横轴上的6V对应的 是UCE的静态值。
动态分析加入了交流信号，交流信号产生了哪些变化呢？我们在输 入特性曲线上进行图解分析可以知道在IB=30μA的静态值上，增加 了一个变化分量。这个变化分量的变化范围是多少呢？
下面我们开始学习静态分析的第二种方法-----图解法
图解法就是利用三极管的输入特性和输出特性用作图的方法确定静 态工作点，计算出IB、IC和UCE的数值。
若我们三极管的输入输出特性都是已知的，通常都可以通过查询产 品的目录得到，以下就是我们三极管的输入特性：
晶体管的输入特性
为了确定静态工作点，我们还要估算基极电流。我们还是以刚才的 例题分析，可以知道基极电流时30μA，那么我们在纵轴上IB= 30μA 这一点，作平行于横轴的虚线，它交于输入特性于一点Q,这一点就 是输入特性曲线上的静态工作点。过Q点作垂线，对应到横轴上一 点，这一点所对应的电压就是这个时候晶体管发射极的正向电压 UBE。这个UBE大约是在0.7V左右。
信号ui从基极到发射极之间加入，那么这个交流信号就叠加在原来 的静态量UBE的基础上，我们用数学式来表示（字母的大小表示要 注意）：
假设输入信号ui是一个正弦量
也就是说这个电压的最大值是0.02V,接下来我们用图解的方法进行 动态分析。
晶体管的输入特性
Ui是一个峰值为0.02V的正弦电压，以UBE为基础，正半周的时候沿 着正向增加0.02V,然后回到原来的UBE点，到负半周反向变化0.02V， 这时像坐标原点方向变化，再回到UBE这一点。这样在加入输入信 号以后，UBE的动态范围就在两条虚线之间所确定的范围。反映到 输入特性曲线上，就是Q随着输入信号的变化正半周上移到某一点 Q1，负半周下移到Q2，因此UBE的动态变化范围就对应Q1和Q2这个 变化范围。
我们对基本放大电路提出了两点的要求： （1）要放大输入信号（Au高） （2）信号波形不失真
我们以上的分析，由于静态工作点选在了特性曲线的线性部分的中 部，信号输入以后都是在特性曲线的线性部分工作，因此波形基本 上是不失真的。但是如果我们的工作点选择的不合适，就可能使得 信号输入以后，在特性曲线的非线性部分工作，这样就产生了失真。 这种失真我们称之为非线性失真。
下面我们看一下各变量的动态变化范围：
这些动态变化范围在加上时间轴以后，就可以用波形来表示出了它 们的变化规律。显然，iB也是交流和直流共存的，用式子可以表示 为：iB=IB+ib
以上我们在输入特性上分析了iB变化的规律，在输入信号以后， 集电极电流iC,集电极到发射极之间的电压uCE它们的变化规律如何 呢？----我们通过在输出特性上进行图解分析。
小结如下：
我们用这种方式总结表示了输入信号以后，有关电量、电流、电压 的动态变化范围，通过以上分析，我们知道iC也是交流和直流共存 的，用式子表示为：iC=IC+ic
uCE=UCE+uce
总结 （1）放大电路是交直流共存电路，交流量叠加在直流量上。
总结
ui是输入信号，正弦波，加入输入信 号后，就叠加在发射结静态量的基础 上。从而引起了iB的变化。
第 9 章 基本放大电路 9.4 放大电路的动态分析
动态分析就是放大电路加入交流信号ui，被放大信号加入了，这时 被放大电流还有电压都在原来直流静态量的基础上增加了一个变化 量。这时放大电路就处于动态工作情况。我们对放大电路中的变化 量进行分析就是所谓的动态分析。我们从输入端开始分析，如下图 所示：
非线性失真举例：
第二个图是管子的输入特性曲线，我们选择Q作为静态工作点，偏 低。假设输入信号是一个正弦信号，那么它的正半周还可以进入特 性曲线的线性部分，反映到ib还可以看到信号的放大。反映到负半 周，进入特性曲线的弯曲部分，甚至进入死区。反映到ib的波形上， 负半周直接就变平了，信号严重失真。
从整体上电路要满足这个方程，我们如果用图解法求解，就应该画 出这个方程所代表的曲线。通过数学我们知道，这条曲线是一条直 线，我们就在输出特性曲线上画出这条直线。通常最简便的就是通 过截距来画。
它在横轴上的电压UCE=6V，在纵轴上的电流IC=3μA。ห้องสมุดไป่ตู้我们前面 的估算结果是一致的。这样我们用作图的方法确定了静态工作点， 也说明我们前面通过解析估算的IB、IC、UCE是对应了输入和输出特 性曲线上的确定点，就是对应了静态工作点。以上我们通过两种方 法确定了放大器静态工作的情况，下面我们进行动态分析。
IB正半周最大40μA，负半周减小到最小20μA,这时工作点就发生了 变化，偏离了Q而移动。那么它的偏移规律是怎样的呢？
交流信号输入了，IB变化了，静态工作点偏移出去。这个偏移变化 的轨迹一定会沿着直流负载线变化。那么IB在20-40的范围内变化， 这时可以知道IC 的动态变化范围就从2-4之间的交变变化。由于在 放大的这部分是线性变化的，信号交变量 ic也是随时间作正弦规律 变化，跟输入信号的波形是一致的。我们加上一个时间坐标轴，这 样iC的变化规律也可以表示出来了。