放大器静态工作点稳定问题的研究.doc

目 录 摘要与关键词0. 引言11. 放大电路静态工作点11.1 静态工作点不合适对电路的影响12. 固定偏置电路12.1 各个元件的作用22.2 电路的静态分析33. 温度对静态工作点的影响33.1 发射结随温度变化的影响33.2 电流放大系数随温度变化的影响43.3 温度变化对反向饱和电流的影响44. 稳定静态工作点的方法54.1 分压式偏置稳定电路54.1.1 稳定静态工作点的原理54.1.2 静态分析74.1.3 稳定静态工作点的条件74.2 其他工作点稳定电路74.2.1 双管直接耦合偏置电路84.2.2 电压负反馈稳定电路84.2.3 补偿的电路94.2.4 补偿的电路104.2.5 热敏电阻补偿电路105. 结语11参考文献12致谢12放大器静态工作点稳定问题的研究摘 要合适、稳定的静态工作点是三极管处于正常放大工作状态的前提和保证。而且放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻和输出动态范围等性能指标，与静态工作点的位置密切相关。本文正是基于这一点，以偏置电路为例，分析了静态工作点不稳定对放大器性能造成的影响，并进一步提出了相关的解决方法，使放大器性能达到最佳。关键词静态工作点；放大器；偏置电路；稳定性Amplifier quiescent operating point stability problem researchAbstractAppropriate and the stable quiescent operating point is the triode is at the normal enlargement active status the premise and the guarantee. Moreover enlarges performance indices and so on the circuit voltage amplification factor, input resistance, output impedance and output dynamirange, with quiescent operating point position close correlation. This article is precisely based on this point, take the bias circuit as the example, analyzed the quiescent operating point not to stabilize the influence which created to the amplifier performance, and further proposed the related solution, enabled the amplifier performance to achieve best.KeywordsQuiescent operating point; Amplifier; Bias circuit; Stability0 引言放大电路的多项重要技术指标均与静态工作点的位置密切相关，它不仅关系到波形失真，而且对电压增益也有重大影响。所以在设计后调试放大电路时，为获得较好的性能，必须首先设置一个合适的静态工作点，除此之外，稳定的静态工作点也是保证晶体管工作在放大区必不可少的条件之一。现有文献讨论放大电路静态工作点稳定问题时，多以偏置电路为例。这是因为这种电路的结构简单，调试方便，电路在集电极电阻，电源电压确定后改变基极电阻的大小就可以改变静态工作点的位置，且工作点易受外部因素影响，极具代表性。本文也将继续沿用这种惯例，以偏置电路为例，讨论放大器静态工作点稳定问题。影响放大器静态工作点稳定的因素有很多。例如：电源电压的变化，电路参数的变化，管子的老化等等。三极管是一种对温度十分敏感的元件。所以在诸多因素中，温度因素最为重要。本文正是从温度变化对静态工作点的影响入手，着重分析静态工作点随温度变化的原因，进而找出克服这种影响的方案，以确保静态工作点始终处于一个合适、稳定的位置，从而使放大器的工作性能达到最佳。1 放大电路静态工作点在没有加输入信号时，放大电路中各处的电压、电流都是直流量，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态时，在直流电源的作用下，三极管的基极回路和集电极回路均存在直流电压，这些直流电流和电压在三极管的输入、输出特性上各自对应一个点，称为静态工作点。静态工作点处的基极电流、基极与发射极之间的电压分别用符号、表示，集电极电流与发射极之间的电压则用、表示。静态工作点能说明晶体管的工作状态，如放大状态，截止状态，饱和状态等等。1.1静态工作点不合适对电路的影响正确设置静态工作点，是放大器实现不失真放大的必要条件。静态工作点的位置必须设置适当，如果设置不当，则放大电路的输出波形容易产生明显的非线性失真。静态工作点设置过低，在输入信号的负半周，工作点进入截止区，发生截止失真；若静态工作点设置过高，在信号输入的正半周，工作点进入饱和区，出现饱和失真。对于单级共射放大器，当放大电路产生截止失真时，输出电压的波形出现顶部失真；当放大电路产生饱和失真时，输出电压的波形出现底部失真。2 固定偏置电路设置静态工作点的电路称为放大器的偏置电路。放大器静态工作点稳定问题的研究，需要以具体电路进行分析，现今相当多的文献都是以固定偏置电路为例分析问题的。在此本文沿用这种惯例。图2-1所示即为固定偏置基本放大器。在这个电路中，为耦合电容，为基极偏流电阻，电源同时给发射结和集电结提供合适的偏置，只要和固定，则基极电流固定，即晶体管的静态工作点就固定了，这种电路称为固定偏置电路。图2-1 固定偏置基本放大器2.1 电路各个元件的作用1、 晶体管T晶体管是放大电路中的放大元件，利用它的电流放大作用，在集电极电路获得放大了的电流，该电流受输入信号的控制。如果从能量观点来看，输入信号的能量较小，而输出的能量较大，但这不是说放大电路把输入的能量放大了。根据能量守恒定律，能量不能放大。输出的较大能量来自电源。换句话说，能量较小的输入信号通过晶体管的控制作用，去控制电源所供给的能量，以在输出端获得一个能量较大的信号，这就是放大作用的实质。晶体管是一个控制元件。2、集电极电源电源除为输出信号提供能量外，它还保证集电结处于反向偏置，以使晶体管起到放大作用。一般为几伏到几十伏。3、 基极电阻使发射结处于正向偏置，使放大电路获得合适的工作点。的阻值一般为几十千欧到几百千欧。4、 集电极负载电阻集电极负载电阻简称集电极电阻，它主要是将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。的阻值一般为几千欧到几十千欧。5、 耦合电容和它们一方面起到隔直作用，用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路，而则用来隔断放大电路与负载之间的直流通路，使三者之间无直接联系，互不影响。另一方面又起到交流耦合作用，保证交流信号畅通无阻地经过放大电路，形成信号源、放大电路和负载三者之间的交流通路。通常要求耦合电容上的交流压降小到可以忽略不计时，耦合电容对交流信号可视作短路。因此电容值要取得较大，对交流信号频率其容抗近似为0。和的电容值一般为几微法到几十微法。2.2 电路的静态分析此电路的静态工作点电流，电压为： （2-1） （2-2） （2-3）式中：基极静态工作点电流发射结电压集电极静态工作点电流电流放大系数集电极-基极之间的反向饱和电流集电结电压这种电路的特点是结构简单，电路在，确定后，改变的大小就可以改变静态工作点Q的位置，且该电路的静态工作点Q易受到外部因素的影响产生变动，具有代表性。但是，由于这种电路偏流是“固定”的，当更换管子或是环境温度变化引起管子参数变化时，电路的工作点往往会移动，甚至移到必须设计能够自动调整工作点位置的偏置电路，以便工作点稳定在合适的位置。3 温度对静态工作点的影响影响静态工作点稳定的因素有很多。例如：电源电压波动，电路参数变化等，但三极管做为一种对温度十分敏感的元件，温度变化无疑是最突出的影响因素。理论和实践表明：温度变化，晶体管有三个参数要发生变化，它们是方向饱和电流，电流放大系数，以及阀值电压。主要表现在以下三个方面：3.1 发射结电压随温度变化的影响从输入特性看，当温度升高时，为得到同样的所需要的值将减小。在单管共射放大电路中，已知，因此，当减小时，将增大。但因一般情况下总是。所以，因减小而引起的增大并不明显。三极管的温度系数约为。即温度每升高，约下降。3.2 电流放大系数随温度变化的影响（康华光，1979）三极管的电流放大系数会随温度的升高而增大，这是因为温度升高后，加快了基区注入载流子的扩散速度，即扩散系数D增大了，这样，在基区电子与空穴的复合数目减小，因而增大。实验证明，的温度系数分散性很大，即便是同一型号，基本相同的管子，它们的的温度系数也可能相差很远。根据实验结果，温度每升高约，约要增加左右。三极管的输出特性将因的变化而随之变化，当变大时，输出特性曲线族的间距将变宽；当变小时，输出特性曲线族的间距将变窄。这是不难从的定义来理解的，因为小时。意味着同样的变化所引起的的变化小，所以输出特性曲线变密。由于输出特性的变化，当增大时，工作点Q上移，增加；当减小时，工作点Q下移，减小，这样的变化结果都使工作状态发生变化。3.3 温度变化对反向饱和电流的影响当温度升高时，三极管的反向饱和电流将急剧增加，这是因为反向电流是由少数载流子形成的。因此受温度影响比较严重。温度每升高，大致增加一倍。说明将按指数规律上升。综上所述，可得如下结论：（1）具有负的温度特性，和具有正的温度特性。当温度升高时，它们都导致集电极静态工作点电流的增大。这种静态工作点随温度变化的现象称为静态工作点的漂移。（2）固定偏置电路的静态工作点Q的温度稳定性是很差的，静态工作点Q随温度的变化而变动。因此，这种电路在实际工作中很少采用。也有一部分学术著作，进一步分析了温度变化对硅管和锗管造成的不同影响，并进一步得出结论：“硅管的小，受温度的影响可以忽略，因此和的温度影响，对硅管是主要的，但对工作在较高温度下的大功率硅管，的影响就不能忽略。至于锗管，它的大，的温度影响对锗管是主要的。”（康华光，1998）4 稳定静态工作点的方法如何才能解决稳定静态工作点的问题问题呢？从上面的分析可以看到，引起工作点波动的外因是环境温度的变化，内因则是三极管本身所具有的温度特性，所以要解决这个问题，也不外乎从内因和外因两方面来想办法。从外因来解决，就是要保持放大电路的工作温度恒定，例如将放大电路置于恒温槽中（童诗白，1980）。可以想像这种办法要付出的代价是很高的，仅在特殊要求的场合才采用。从内因来解决，就是从放大电路本身想办法，在允许温度变化的前提下，尽量保持静态工作点的稳定。这种办法被证明是可取的，经济的。本文也主要介绍从内因来解决稳定静态工作点的方法。从内因着手稳定静态工作点的方法常用的主要有负反馈法和参数补偿法两种。4.1 分压式偏置稳定电路由上一章节的分析可知，三极管参数、随温度变化对工作点的影响，最终都表现在使静态工作点电流增加。从这一现象出发，在温度变化时，如果能设法使近似维持恒定，问题就可得到解决。例如，我们可以采用两方面的措施：（1） 针对的影响，可设法使基极电流随温度的升高而自动减小。（2） 针对的影响，可设法使发射结的外加电压随温度的增加而自动减小。图4-1是实现上述设想的一种电路，而且是实际中应用很广泛的一种稳定静态工作点的基本放大电路。它被称为“分压式偏置稳定电路”。这个电路稳定工作点的出发点就是从随温度变化这一基本事实出发，利用的变化去牵制，从而使近似维持恒定。 图4-1 分压式偏置稳定电路4.1.1 稳定静态工作点的原理从图4-1发现，它和前面提到的固定偏置电路的区别，在于基极上接上了两个分压电阻和。这样做的指导思想是：先设法使基极对地的电位基本稳定，即不受温度变化的影响，然后在发射极回路串接一个电阻，用它两端的电压来反映的变化并和相比较，如果增加，则比较后所采取的措施应使下降，也将随之下降，其结果将维持基本不变。现分别讨论各部分的工作原理。先看基极回路。在这里基本上由和的分压决定，即： （4-1）这是由于本身比较小，和的数值又取得不大（一般），所以即便是在温度变化时有一点改变，对的影响也不太大。因此我们可以认为是恒定的。假如随温度升高而变大，那么肯定地会变大，则将随之升高。但由于不变，就必须使要比原来减小，于是也将比原来减小，则要相应地减小一些。结果，随温度的增加将大部分被的减小所抵销。这种把输出量（）引回到输入部分（）的措施叫反馈，反馈的结果使输出量变化减弱的形式称为负反馈。这个过程可以简单表述如下：这里是通过的负反馈作用，限制了的改变，所以图4-1所示的电路又被称为电流负反馈式的工作点稳定电路。显然，越大，电路的温度稳定性越好。不过加大以后，也跟着变大。这样以来，为了保持同样的输出电压幅度，势必得加大，这是我们所不希望的。此外，由于的接入，虽然带来了稳定工作点的好处，但是却使电压增益下降了，而且越大，下降就越多。为了解决这个问题，通常在上并联一个大容量（大约几十到几百微法），它对交流接近于短路，因此对交流电流而言可看成是发射极直接接地，所以又称为射极旁路电路。它消除了对交流分量的影响，使电压增益不致下降。4.1.2 静态分析在计算这个电路的静态工作点时，先从计算入手。按照的假定，可以得到： （4-2）而 （4-3）当时，可以近似地认为： （4-4） （4-5）由上式可知和基本上由电压和电阻值决定的,几乎与晶体管的参数无关。4.1.3 稳定静态工作点的条件由式（4-4）可见，只要选取，则，即静态电流几乎与管子参数无关，从而抑制了温度对静态工作点的影响。由上述分析可知，稳定静态工作点的条件是和。稳定条件的具体选择，即要满足稳定条件的要求，又要兼顾电路其他方面的性能。为了稳定，应使，但是太大，既和太小，不仅增加了无益的直流功耗，还会使输入信号分流，造成放大倍数下降。为了稳定，应使，但是如果太大，亦即很大，将分占电源电压太多，致使放大器的动态范围减小。因此，通常选取的稳定条件是： （4-6） （4-7）式中：参考电流（基准电流）硅管的较小，可以选择得小些。也有根据不稳定系数来设计偏置电路各元件的方法，但过于繁琐，在此不再冗述。4.2 其他工作点稳定电路上面的分压式偏置稳定电路是最为常见的稳定静态工作点的方法，另外也有其他一些稳定静态工作点的方法，在这里只做简单的介绍。4.2.1 双管直接耦合偏置电路（南京工学院无线电工程系电子线路编写组，1979）双管直接耦合偏置电路如图4-2所示。 图4-2 双管直接耦合偏置电路这种偏置电路的优点是采用直接耦合，可以避免信号电流通过偏置电路的分流损失，也提高了交流增益；同时，更重要的是，这种偏置电路具有非常良好的偏置温度稳定性，所以得到非常广泛的应用。这种电路也具有偏置的自动调节作用。其调节过程如下：假设温度升高时，第二只三极管的集电极电流和基极电流都增大，结果使得增大，经过电阻和的分压，第一个三极管的基极电压也增加，于是增大，则减小，最后便牵制住了的增加，使得到稳定。同样的自动调节作用也使得到稳定。4.2.2 电压负反馈稳定电路前面的两种电路属于电流负反馈电路。如果把集电极电压的变化量反馈到输入端，以稳定直流工作点，则称为电压负反馈电路。图4-3所示便是电压负反馈稳定电路。图4-3 电压负反馈稳定电路这里基极电阻不是直接到电源，而是接到集电极上，因为： （4-8） （4-9）当温度升高到使增大时，会减小，也会随之减小，使的增加受到制约，从而使静态工作点得到稳定。4.2.3 补偿的电路前面介绍的偏置稳定电路，都是应用直流负反馈的原理来达到直流工作点稳定的。还有另一种稳定直流工作点的方法，称为偏置补偿法。它是应用热敏元件或器件（例如热敏电阻，二极管）来补偿三极管工作点的温度漂移。参看图4-4，在发射极电路上串接了一个二极管，其极性接法正好与三极管的b-e结相反。图4-4 补偿温度漂移的电路由图可见，二极管的偏置由直流电源通过电阻取得，调节或值，都可以调节二极管的工作电压，使之等于。另一方面，由电路图可列出方程： （4-10）而由三极管电流方程式，有： （4-11）因此，可以得出： （4-12）由式可见，如果调节的结果使，并且二极管的材料，型号以及温度特性皆与三极管的b-e结完全相同，则在任何温度时，都能保持，那么，就与无关。这种补偿电路特别适合于随温度变化较为严重（或起主要影响）的场合。例如，硅三极管放大器。4.2.4 补偿的电路如图4-5所示，在基极电路中，用一个二极管代替原来的分压式偏置电路的下偏置电阻。图4-5 补偿温度漂移的电路这是一个低频功率放大电路，级间的耦合方式不是用耦合电容，而是用变压器，所以称为变压器耦合电路。由图可见，二极管处于反向偏置状态，其中的电流就是它的反向饱和电流。偏置电阻中的电流为： （4-13）由于及是不随温度变化的，所以，I近于稳定。另一方面，由于三极管电流方程式 （4-14）所以： （4-15）由式可见，如果二极管的材料，型号以及温度特性与三极管的c-b结完相同，那么后一项将为零，即与无关，而且在任意温度时都满足这个关系。因此，直流工作点电流就是稳定的了，这种补偿电路对与随温度变化较为严重的场合特别适用，例如，锗三极管放大器。4.2.5 热敏电阻补偿电路如图4-6，用一个负温度系数的热敏电阻接在电源与发射极之间。 图4-6 热敏电阻补偿的偏置稳定电路对于发射极电阻较小的电路，其偏置的稳定性是较差的，但是在某些情况下，又不能使用大的电阻，例如，在功率放大器中，由于工作点电流较大，值用得大就使压降增大，使得直流电源电压过高。在这种情况下，可以采用较小的电阻而加进如图4-6所示的热敏电阻。当温度升高时，电阻的阻值减小，电流及同时增大，使得增大，抑制了的增大。电阻的数值及其温度系数选择适当，可使不随温度变化。运用偏置补偿法，如果参数选配合适，可以得到很高的工作稳定性。但为了选择合适的参数，必须