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  • 哪些属于静态的工作
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    2021-02-14 14:08:44

    静态工作点(Quiescent Operation Point)是指三极管放大电路中,三极管静态工作点就是交流输入信号为零时,电路处于直流工作状态,这些电流、电压的数值可用BJT特性曲线上一个确定的点表示,该点习惯上称为静态工作点Q 。

    设置静态工作点的目的就是要保证在被放大的交流信号加入电路时,不论是正半周还是负半周都能满足发射结正向偏置,集电结反向偏置的三极管放大状态。

    定义

     

    原因

    可以通过改变电路参数来改变静态工作点,这就可以设置静态工作点

    若静态工作点设置的不合适,在对交流信号放大时就可能会出现饱和失真(静态工作点偏高)或截止失真(静态工作点偏低)。 所谓静态工作点,是指当放大电路处于静态时,电路所处的工作状态。在Ic/Uce 图上表现为一个点,即当确定的Vcc、Rb、Rc和晶体管状态下产生的电路工作状态。当其中一项改变时引起Ib变化而引起Q点沿着直流负载线上下移动。

    静态

    当放大电路没有输入信号时的工作状态,因为Vcc、Rb、Rc、和晶体管不变,所以电路中各参数都是不变的。这就是静态。

    静态工作点的作用

     

    1) 确定放大电路的电压和电流的静态值

    2) 选取合适的静态工作点可以防止电路产生非线性失真。保证有较好的放大效果

    静态工作点的确定

     

    静态工作点是直流负载线与晶体管的某条输出特性曲线的交点。随IB的不同而静态工作点沿直流负载线上下移动。

    根据式Uce=Ucc-RcIc,在Ic/Ucc图上画出直流负载线,再画出在IB情况下的晶体管输出特性曲线,交点即静态工作点。

    参数

     

    处于静态工作点时的三个参数

    在放大电路中,当有信号输入时,交流量与直流量共存。将输入信号为零、即直流电源单独作用的时候晶体管的基极电流Ib集电极电流Ic(或 Ie )、管压降 Ube和 c-e 间电压 Uce称之为静态工作点Q,常将Q点记作IBQ、ICQ(或IEQ)、UBEQ、UCEQ。

    静态工作点测量中的误差分析

     

    放大电路最终的目标是获得不失真的输出信号,若波形产生失真,则分析其他的参数无意义.Q 点设置的偏高或者偏低,容易出现饱和失真或截止失真.但 Q 点的偏高或偏低不是绝对的,而是相对输入信号的幅度而言的,如果输入信号幅度很小,即使 Q点设置的偏高或偏低也不一定会出现失真,同样如果输入信号的幅度很大,即使 Q 点设置的很接近中点,也很可能出现失真.因此确切的说,波形的失真是由输入信号的幅度与 Q 点的设置不匹配造成的,即理想的不一定合适、合适的不一定理想”通常为了满足大多数信号的要求,Q 点一般设置在交流负载线的中点位置。 [1] 

    静态工作点测量方法的改进#暂未有过多涉及

     

    从共射放大电路的静态模型可知,在测量基极电压 U B时,由于基极端的等效电阻由三部分组成,第一,基区的体电阻 RB,第二,射极电阻 Re折合到基极端的电阻等于(1+β)Re,第三,基极下偏置电阻 Rb1,其阻值很大.所以基极端等效电阻(几十千欧)比较大,如果直接将万用表并接在基极测量 U B,则会严重的影响测量的准确度.这时我们需采用间接测量方法,由静态模型可知,在三极管输入端导通以后其输入端电阻 RB较小,这样用较大内阻的万用表并接在B-E 极来测量 UBE,其引入的误差会很小,因此我们就可以通过测量 UBE和 UE的值,间接的测量出 U B的值,UB=UBE+UE.

    这样就解决了学生在实验时遇到与理论不相符的问题.在测量发射极电压 E时,从发射极看进去的等效内阻由两部分组成,第一,发射极电阻 Rb1和 Re1,都比较小,第二,基区电阻 RB折合到发射极 RB/(1+β).所以发射极电阻较小,另一方面,由于并接万用表在发射极后,相当于引入了一个电压串联负反馈,可以稳定发射极电压.所以可以使用万用表直接并接测量 UE.在测量集电极电压 UC时,由静态模型可知,R2(几千欧)比较小,同时 UC的电位相对 UE的电位比较大,所以可以使用较大电压档并接在集电极直接测量UC。 [1]

     

    #BJT

    BJT是双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)的缩写,又常称为双载子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件,有PNP和NPN两种组合结构。

    Reference:

    【1】:https://baike.baidu.com/item/%E9%9D%99%E6%80%81%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E7%82%B9/5406086?fr=aladdin 

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    1.温度对静态工作点的影响

    上图所示,实线为晶体管在20摄氏度时的输出特性曲线,虚线为晶体管在40摄氏度的输出特性曲线。从图可知,当温度升高时,晶体管的电流放大系数将增大。Q点沿直流负载线上移。反之亦然。

       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ICQ和管压降UCEQ基本不变。常用引入直流负反馈或温度补偿的方法。

    2.典型的静态工作点稳定电路

    图(a):直接耦合电路 图(b):阻容耦合电路 图(c):相同的直流通路

     

    为了稳定Q点,通常使参数的选取满足

             节点B的电流方程为

              因此I1≈I2,B点电位

     

    则基极点位几乎仅决定于Rb1于Rb2对Vcc的分压,而与环境温度无关,即当    温度变化时UBQ基本不变。

     

    Q点稳定过程可简写成如下:

       

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    一.温度对于静态工作点的影响

    1.组成放大电路最核心的部分就是晶体管了,而且晶体管是由两个PN结组成。在之前记载过的有关三极管的文章中我们说过:当温度升高的时候,射极发出的自由电子一定会增多。这导致的结果就是Ib、Ic、β、穿透电流Iceq都会升高。因此在放大电路的输出特性曲线上,静态工作点一定会向上发生移动。温度一升高很容易就进入了饱和区。如下图所示:
    在这里插入图片描述
    2.我们想要的就是即使晶体管工作的环境温度升高,依然想让其静态工作点保持在Q点。所谓的Q点稳定,指的就是Icq和Uceq在温度变化的时候基本保持不变,这完全要依靠Ibq的变化得来。

    二.静态工作点稳定的典型电路

    在这里插入图片描述
    1.上图是两种不同类型的基本静态工作点稳定电路,根据直流通路的求解方法,可以得知两个电路的直流通路是相同的。如下所示:
    在这里插入图片描述
    找到此电路的目的只有一个:就是当温度升高,Ic增大的时候,Q点为什么会向着它相反的方向进行变化。
    2.稳定原理:
    为了稳定静态工作点,我们常常需要I1>>Ib,也就是I1≈I2,这样设置的目的就是为了当温度变化的时候我们可以认为Ubq这一点的电位是基本不变的。
    在这里插入图片描述
    在上述Ieq的式子中,如果保证Ubeq受温度影响很小的话,那么Ieq就可以认为是基本不变的了。我们可以假定,Ubeq的值是一个不受温度影响的值Ube与受温度影响的值△Ube的和。如果Ubeq-Ube>>△Ube,这样Ubeq就是趋近于稳定。
    3.电阻Re的作用
    **当温度升高的时候,Icq增大,Ueq也增加,但是Ubq基本保持不变,这样Ube之间的电压就会降低,导致Ib减小,因此Ic也会减小。它的实质是反馈,通过将输出引回到输入进而来影响输入。**Re称为直流负反馈电阻。
    4.典型工作点稳定电路的静态分析
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    5.动态分析
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    当没有旁路电容Ce的时候,这个时候交流等效电路如下图所示:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    两种情况下进行对比可以得出,旁路电容Ce加与不加,对于放大倍数影响非常的大。

    三.稳定静态工作点的方法

    1.引入直流负反馈,上边的典型工作电路就是这样的例子。
    2.温度补偿:利用对温度敏感的元件,在温度变化的时候直接去影响输入。
    在这里插入图片描述
    如果温度升高,Rb1的分压变小,那样Ib也就会随之减小,这样也可以达到稳定静态工作点的方法。我们可以用一个负温度系数的热敏电阻去取代Rb1,或者用正温度系数的热敏电阻去取代Rb2。

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    阻容耦合工作点稳定电路的搭建

    在这里插入图片描述

    注1:XFG1函数发生器:COM接地,+输出函数
    注2:电容大小很重要,涉及时延,影响电压传输特性相位差(详见【记录】放大电路耦合电容的选择)
    注3:人为设置理想三极管 β \beta β为200(设置方式:双击三极管,点击edit model即可修改参数)

    结果分析

    直流静态工作点分析

    在这里插入图片描述
    V B Q V_{BQ} VBQ=1.839V;
    在这里插入图片描述
    V C Q V_{CQ} VCQ=9.078V
    I C Q = V C C − V C Q R c ≈ 0.89 m A I_{CQ}=\frac{V_{CC}-V_{CQ}}{R_c}\approx0.89mA ICQ=RcVCCVCQ0.89mA
    I B Q = I C Q β ≈ 4.4 u A I_{BQ}=\frac{I_{CQ}}{\beta}\approx4.4uA IBQ=βICQ4.4uA
    U C E Q ≈ V C C − I C Q ( R c + R e ) ≈ 8.0 V U_{CEQ}\approx V_{CC}-I_{CQ}(R_c+R_e)\approx8.0V UCEQVCCICQ(Rc+Re)8.0V

    交流小信号分析

    说明:输入信号为幅度2mV,频率10kHz的正弦波信号
    在这里插入图片描述
    观察示波器,输入交流小信号即 u i u_i ui和输出负载上电压相位差 π \pi π
    当输入信号约为-2mV时,输出信号约为134mV,电压放大倍数 A V = U o U i ≈ − 67 A_V=\frac {U_o}{U_i}\approx-67 AV=UiUo67

    理论计算比较:
    画出理想交流等效电路
    r b e = r b b ‘ + r b ‘ e ≈ r b b ‘ + U T I B Q ≈ 5.9 k Ω r_{be}=r_{bb^`}+r_{b^`e}\approx r_{bb^`}+\frac{U_T}{I_{BQ}}\approx5.9k\Omega rbe=rbb+rberbb+IBQUT5.9kΩ
    A V = U o U i = − β i b R c ∣ ∣ R L i b r b e ≈ 67.8 A_V=\frac {U_o}{U_i}=-\frac{\beta i_b R_c || R_L}{i_b r_{be}}\approx67.8 AV=UiUo=ibrbeβibRcRL67.8

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