对“模拟电子技术”中静态工作点的教学探讨

2013-08-23任秀芳陈世夏王翠珍

电气电子教学学报 2013年2期

任秀芳，陈世夏，王翠珍

(海军航空工程学院青岛校区，山东青岛 266041)

静态工作点的概念几乎贯穿整个“模拟电子技术”教学的始终，是本课程的教学重点，也是教学难点。教学实践表明，要想使学生深入理解静态工作点的概念，需要在教学过程中，细细剖析，步步深入。同时，注意知识点之间的联系及理论与实践的结合，在前期教学中打好基础，在后期教学中深化理解。

1 静态工作点的前期教学内容

晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正向偏置且集电结反向偏置［1］。在实际电路中的做法是:给晶体管各电极施加合适的直流偏置电压，使各电极具备合适的直流偏置电流。否则晶体管就没有电流放大作用。在“模拟电子技术”课程后面所学的放大电路中，要想使电路正常工作，都必须通过一定的方法，使它具备这一偏置条件。

从晶体管的输出特性曲线上可以看出，晶体管有三个工作区域:截止区、放大区和饱和区。放大电路必须使信号在整个变化范围内都处于放大区。要想理解静态工作点的概念，必须先掌握晶体管的特性曲线。为了帮助学生理解晶体管的特性曲线，我们可以通过晶体管图示仪显示特性曲线，将抽象转变为具体。

2 基本放大电路中静态工作点

2.1 什么是静态工作点

当输入信号为零时，晶体管的基极电流IB、集电极电流IC、基—发极的电压UBE和集—发极管压降UCE统称为静态工作点参数。这四个物理量为什么被称作静态工作点呢?我们可以结合图1所示的晶体管的输入特性曲线或输出特性曲线来讲解，这些物理量所对应的正是曲线上的一个个点。因为这四个物理量是直流量，故称其为静态工作点Q。

图1 晶体管放大器的静态工作点

2.2 静态工作点的必要性

为什么要设置合适的静态工作点?为了使放大电路不失真地放大信号，应该保证输入信号在整个变化范围内，工作点始终处于放大区。合适的静态工作点是放大电路正常放大信号的前提。如果图2所示的共发射极放大电路没有基极偏置电阻Rb，则晶体管静态时便处于截止状态。当加入输入电压ui时，若其峰值小于B-E间的开启电压Uon，则晶体管在信号的整个周期内截止，故没有输出电压。如果ui的幅值足够大，晶体管也只可能在信号正半周大于Uon的时间段内导通，输出波形必然会失真。因此，设置合适的静态工作点非常必要。

2.3 静态工作点的求法

要想知道静态工作点是否合适，就需要把握住静态工作点的求解方法。常用的有估算法和图解法。学生只有学好模拟电路中常用的这两种重要方法，才能学好模拟电路。

(1)估算法求静态工作点

估算法就是通过对直流通路列方程，采用工程上近似计算的方法求解静态工作点Q的参数。以图2所示的共射放大电路为例，由于基极偏量电流IBQ=(VCC－UBEQ)/Rb≈VCC/Rb，集电极静态电流ICQ=βIBQ，由此可知:VCC=ICRC+UCEQ，于是可得静态工作点电压为

如果学生对基尔霍夫电压定律掌握得较好，用估算法求静态工作点是比较容易的。为了鼓励学生大胆采用估算法，教师要对他们多加引导:工程中的估算即方便又足够精确。在重点分析典型电路的前提下，可以引导学生多做练习，使学生熟练掌握住这种方法。

(2)图解法求静态工作点

图解法就是根据如图3所示的晶体管的输出特性曲线，用作图的方法求解静态工作点。其具体步骤是:①用估算法求出基极电流IBQ;②根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线;③作直流负载线;④确定静态工作点Q，并求出UCEQ和ICQ的数值。

图2 共发射极放大电路

图3 图解法求静态工作点

2.4 静态工作点的稳定

放大电路要想正常工作，静态工作点Q必须要稳定。在引起Q点不稳定的诸多因素中，温度对晶体管参数的影响是最主要的。为稳定电路的静态工作点，可以采用分压偏置方式。放大电路分压偏置的静态工作点比较稳定的主要原因是在电路中引入了直流电流负反馈。我们可以引导有兴趣的学生，查阅相关文献［2］和［3］了解其它稳定静态工作点的措施。

2.5 静态工作点的调试与检测

通过前面的分析，学生可以从理论上对静态工作点有所理解。为了增加学生的感性认识，我们可以通过搭建实验电路并利用示波器观察其输出波形，利用万用表直接检测电路中静态工作点所对应的四个物理量。调节基极偏置电阻的大小，可以取得合适的静态工作点。可以发现静态工作点合适时，输出信号的波形正常且幅度较大。当静态工作点过高时，出现输出电压波形底部失真的饱和失真，当静态工作点过低时，出现输出电压波形顶部失真的截止失真。若有条件，最好能随堂为学生做演示实验。通过实验可使学生深刻认识到:放大电路要想正常工作，必须建立合适的静态工作点。