放大器静态工放作点的探究

吴海江

摘要：静态工作点是《电子技术基础》学科中最重要的概念之一，本文就静态工作点的概念、放大器设置静态工作点的重要性、静态工作点不稳定对放大器的影响、造成放大器静态工作点不稳定的主要因素和稳定静态工作点措施等问题提出几点肤浅认识，望各位同行给予点评。

关键词：静态工作点；放大器；影响；设置；稳定

静态工作点是《电子技术基础》学科中最重要的概念之一，对静态工作点的概念、放大器为什么要设置合适的静态工作点、静态工作点不稳定对放大器的影响、造成静态工作点不稳定的原因、稳定静态工作点的过程等问题理解得是否透彻，将直接影响到本学科的教学效果。下面根据本人多年的教学经验，就上述静态工作点的概念等一系列问题，谈谈自己的拙见。

一、静态工作点的概念

什么是静态工作点？

放大器无信号输入时的直流工作状态叫做静态。

这时三极管各极的直流电流和各极间的直流电压的值在三极管输入输出特性曲线上所确定的点，称为静态工作点，用Q表示，即VBEQ、IBQ、ICQ和VCEQ。当VBE为某一定值时，由VBEQ、IBQ在三极管输入特性曲线上可确定Q点，三极管输入特性曲线上的Q点和VBEQ、IBQ及参考量VCE是一一对应的。当IB 一定时，由VCEQ、ICQ在三极管输出特性曲线上可确定Q点，三极管输出特性曲线上的Q点和ICQ、VCEQ及参考量IB是一一对应的。VBEQ、IBQ、ICQ和VCEQ是保证三极管工作在何种状态的重要参数。

二、放大器设置静态工作点的重要性及静态工作点的调整方法

1.设置静态工作点的重要性

一个放大器的静态工作点Q设置的是否合适，是放大

器能否正常工作的重要条件。下面以基本放在器为例分三种情况进行分析：（1）、当静态工作点为零时（基本放大器去掉Rb回路），在输入信号正半周期间，三极管发射结因正偏而导通，输入电流ib随vi变化。在信号负半周，发射结因反偏而截止，ib=0，即负半周信号不能进入三极管，放大器只能放大输入信号的正半周（并且信号电压只有在大于发射结死区电压时，才能产生基极电流ib）。（2）、若静态工作点Q过高（基本放大器Rb过小），信号的正半周可能进入饱和区，造成输出电压波形负半周被部分削除，产生饱和失真。（3）、若静态工作点Q在过低（基本放大器Rb过大），则信号的负半周可能进入截止区，造成输出电压波形正半周被部分切除，产生截止失真。以上三种情况都是晶体管的工作状态离开线性放大区进入非线性区造成的，因此叫做非线性失真。为了获得幅度大而不失真的交流输出信号，放大器的静态工作点Q应选在交流负载线的中点处。

2.静态工作点的调整方法

对基本放大器而言，静态工作点，IBQ=（VCC﹣VBEQ）/Rb， ICQ=βIBQ，VCEQ=VCC﹣ICQRC。当VCC、RC一定时，若产生饱和失真，可适当增大Rb，使IBQ减小， ICQ减小，最终使Q点退出饱和区。若产生截止失真，可适当减小Rb，使IBQ增大，ICQ增大，最终使Q点退出截止区。对分压偏置放大器而言，静态工作点ICQ≈（VBQ-VBEQ）/Re，其中VBQ=vccRb2/（Rb1+Rb2），IBQ=ICQ/β， VCEQ≈VCC﹣ICQ（RC+Re）。当VCC、RC、Rb2不变时，若产生饱和失真，可适当增大Rb1，使VBQ减小，ICQ减小，最终使Q点退出饱和区。若产生截止失真，可适当减小Rb1，使VBQ增大，ICQ增大，最终使Q点退出截止区。

三、静态工作点不稳定对放大器的影响

从前面分析已经得知，要使放大器能正常工作，必须选择合适的静态工作点。但是由于电路外部因素的改变，造成静态工作点也随之娈化，从而使放大器的质量变差。下面就因静态工作点不稳定对放大器造成的影响分析如下：

1.静态工作点变化对放大器波形的影响

静态工作点设置的不合适，会使放大器产生非线性失真，但由于静态工作点不稳定，即使静态工作点设置的合适，也会使放大器产生非线性失真。当静态工作点向下波动接近截止区时，输出电流波形的负半周被部分削割，产生截止失真。当静态工作点向上波动接近饱和区时，输出电流波形的正半周被部分削割，产生饱和失真。

2.静态工作点变化对电压放大倍数Au的影响

静态工作点升高时，使静态电流增大，即IC增大，根据公式：rbe =300Ω+（1+β）26/IE ，公式中的IE就是靜态发射极电流，它近似等于集电极电流IC。由此可知。当IC增加时，将使三极管的rbe减小。前面的那个300欧，为rbb′，低频小功率三极管正常工作时约等于300欧。又电压放大倍数Au=（βRL′）/rbe，这样一来可以看出：提高工作点电流IC，rbe减小，Au将会明显提高。同时，提高静态工作电流，β也会增大。也将导致Au增大。相反，静态工作点降低，使工作点电流IC减小，rbe增大，Au将会明显降低。

3.静态工作点变化对放大器输入电阻ri的影响

当静态工作点升高时，Ic增大，IE增大，使rbe减小。而固定偏置放大电路的输入电阻ri=Rb// rbe，且Rb远大于rbe；分压偏置放大电路的输入电阻ri=Rb1// Rb2// rbe，且Rb1、Rb2都远大于rbe。由此可见，rbe减小时，放大器的输入电阻ri减小了。相反，当静态工作点降低时，放大器输入电阻ri增大了。

综上所述，当静态工作点不稳定时，不但要使输出波形产生失真，还会使放大器的动态参数Au、ri不稳定。因此，必须稳定放大器的静态工作点。

四、造成放大器静态工作点不稳定的主要因素

从前面的分析可以看出，静态工作点不稳定不但会使电路产生波形失真，而且还影响电压放大倍数、输入电阻等动态参数。那么，造成放大器静态工作点不稳定的因素有哪些呢？实际上，电源电压波动，元件的老化以及因温度变化所引起晶体管参数的变化，都会造成静态工作点的不稳定。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为主要的。晶体管是一个温度敏感器件，当温度变化时，其特性参数（β、ICBO、VBE）的变化比较显著，实验表明：温度每升高1℃，β约增大0.1%左右，VBE 减小（2～2.5）mV，温度每升高10℃，ICBO 约增加一倍。晶体管参数随温度的变化，必然导致放大电路静态工作点发生漂移，这种漂移称为温漂。其理性分析如下：

1.当温度T↑升高时，三极管的集电极反向饱和电流ICBO随温度按指数规律上升，由于穿透电流ICEO是ICBO的1+β倍，所以，ICEO 增加的更大，又因 IC=β IB+ ICEO，所以使IC增加，表现为输出特性曲线向上平移。

2.由于温度的上升，加快了注入基区的多数载流子的运动速度，使基区中电子与空穴复合的机会减少，导致β增大，表现为输出特性曲线之间的距离加大。

3.温度升高时，载流子运动加速，对同样的基极电流IB，发射结导通电压VBE将减小。表现为输入特性曲线向左平移。换句话说，对应于同一个VBE将引起IB的增加。可见，以上各点对静态工作点的影响都集中表现为静态工作电流IC 的增大。即：

由此可见，无论是VBE的减小，还是β、ICBO的增大，都使IC增大，从而使Q点向饱和区移动。以基本放大电路为例，当温度T↑升高、VBE↓、其静态电流IB↑、β↑则IC↑。

五、稳定静态工作点措施

静态工作点的波动，将使放大电路的放大性能变差，为此，必须设法稳定静态工作点。稳定静态工作点的方法经常采用的主要有负反馈法和参数补偿法。

1.利用负反馈电路稳定静态工作点

电路图如下图（a）（b）所示，直流通路如图（c）所示。

稳定静态工作点工作原理如下：由直流通路可知，I1=IBQ+I2，因为I1>>IBQ，所以有I1≈I2，这时基极电压VBQ=vccRb2/（Rb1+Rb2），由此可见，VBQ的大小与三极管的参数无关，只由VCC和Rb1、Rb2的分压决定。当温度变化时，三极管的ICBO、β、VBEQ等参数的变化，导致工作点的偏移。温度升高，ICQ将增大，则IEQ流经Re产生的电压VEQ随之增加，因VBQ是一个稳定值，因而VBEQ=VBQ-VEQ将减小，使基极电流IBQ减小。根据三极管输出特性曲线可知，基极电流IBQ减小，ICQ也必然减小，工作点恢复到原来状态，使其稳定。上述稳定静态工作点的过程可表示为：T↑（β↑）→ICQ↑→IEQ↑→VBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓。

2.利用参数补偿电路稳定静态工作点

利用二极管的反向特性进行温度补偿：如图（a）所示：

工作原理如下：當温度升高，一方面IC增大，另一方面由于二极管的反向电流IR增大， 而IBQ=IRb-IR，IRb=（VCC-VBEQ）/Rb不变，所以IBQ减小，从而ICQ随之减小。当参数合适时，IC可基本不变。使其静态工作点保持稳定。稳定过程简述如下：

利用二极管的正向特性进行温度补偿：如图（b）所示。使用引入直流负反馈和温度补偿两种方法来稳定Q点。高温度升高时，二极管内电流基本不变，因此其压降VD必然减小，使VBQ减小，VBEQ减小，IBQ减小， 从而ICQ随之减小。其稳定静态工作点的过程简述如下：

以上几点是笔者对静态工作点等相关问题的肤浅认识，望各位同行给予点评。

参考文献

[1]束洪春 朱家兴，放大器静态工作点与动态范围关系[J]， 红河学院学报，2007，（02）.

[2]黄师园，放大器静态工作点的认识[J]，新电子，2009，（10）.