电子技术基础项目化教程课件 项目四 分立元器件放大电路的设计 4.2.2 晶体管电路的基本分析方法

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利用晶体管外接电源、电阻等电路元件，可实现各种功能电路。对一个放大电路进行定量分析，无外乎做两个方面的工作，第一：直流分析；第二：交流分析，计算放大电路在加入交流信号后的放大倍数，输入电阻，输出电阻等性能指标。直流分析和交流分析均可以采用图解分析法，但在工程应用中作直流分析时，一般采用工程近似法，作交流分析时，如外接的交流信号足够小，可以采用小信号等效电路分析，大信号输入时只能采用图解分析方法。下页上页首页4.2.2晶体管电路的基本分析方法

只研究在直流电源作用下，电路中各直流量的大小称为直流分析（又叫静态分析），其对应的电压和电流都是直流量，由此确定晶体管各级电压和电流称为静态工作点。

（1）图解法

图解法是通过在晶体管的特性曲线上作图从而获得电路的直流量而进行分析的一种方法。其特点是直观，物理意义清楚。下页上页首页1．直流分析

1）由输入回路确定直流负载线

我们把图4-2(b)的基本放大电路的直流通路画成如图4-7(a)所示的电路，图4-7(b)表示晶体管的输入特性曲线，它描绘了晶体管内

与

之间的关系。由输入回路列方程图4-7输入回路的直流负载线

它是一个直线方程。令iB=0，则uBE=VCC，得A点坐标为(VCC，0)；令uBE=0，则

，得B点坐标为(0，

)，因此作出直线AB，可见，直线的斜率为

。该直线与输入特性曲线相交于Q点，那Q点对应的坐标为(UBEQ、IBQ)。下页上页首页

2）由输出回路确定直流负载线

由图4-2(b)所示电路输出回路得直流通路，如图4-8(a)所示，输出特性曲线如图4-8(b)所示。下页上页首页图4-8输出回路的直流负载线由输出回路列方程：

下页上页首页

它也是一个直线方程。令iC=0，则uCE=VCC，得M点坐标为(VCC，0)；令uCE=0，则

，得N点坐标为(0，

)，因此作出直线MN，可见，直线的斜率为

。该直线与输入特性曲线相交于Q点，那Q点对应的坐标为(UCEQ、ICQ)。

静态工作点Q有四个数据，即UBEQ、IBQ

、UCEQ和ICQ。由图(b)可见，当VCC>>UCEQ时，IBQ在较大范围变化时，UBEQ变化不大。只要是硅管，UBEQ就在

左右，这样Q点的基极电流IBQ，可按下式直接求得，而不必作出输入回路的直流负载线。下页上页首页

例4-2图4-9是放大电路中晶体管的输出特性曲线。已知RB=280KΩ，RC=3KΩ，VCC=12V，试用图解法确定其静态工作点。

解：

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令iC=0，得uCE=12V，则

。令uCE=0，得iC＝4ｍA，则

。在图2-26所示得坐标系中，找到M、N两点，连接起来所得的直流负载线与IB＝40μA这条输出特性曲线的交点即为Q点，对应的UCEQ＝6V、ICQ

＝2ｍA。

另外，通过作图还可以根据参数确定晶体管是否进入截止区和饱和区，但作图比较麻烦，一般都采用近似估算法确定是否进入截止区和饱和区。晶体管截止时，iB=0、iC=0＝0、uCE＝VCC，晶体管的三个可视为开路，可用图4-10(a)所示开关S断开来等效。下页上页首页图4-10晶体管的开关等效电路晶体管饱和导通时，uCE＝0、

，晶体管C、E电极可视为短路，可用图4-10(b)所示开关S来等效。下页上页首页图4-10晶体管的开关等效电路下页上页首页

也可以采用近似估算的方法确定晶体管在饱和区还是放大区。在晶体管饱和区和放大区分界处流过集电极的电流称为临界饱和电流，并用ICS表示，即再根据可得维持临界饱和电流ICS所需的最小基极电流IBS为这就是说，若晶体管饱和，基极电流必须满足

（2）近似分析法

在晶体管的输入回路中，由晶体管的输入特性可知，uBE大于导通电压后，uBE很小的变化将会引起iB很大的变化，因此晶体管导通后输入特性具有恒压特性，所以晶体管的输入电流近似等于式中，UBE(on)为晶体管的导通电压，硅管近似为0.7V。对于晶体管的输出回路可得下页上页首页

当放大电路加入交流信号后，为了确定叠加在静态工作点上的各交流量而进行的分析，称为交流分析（或称为动态分析）,此时各级的电压和电流既有直流量，又有交流量。如果放大电路外接的交流信号足够小，采用小信号等效分析法（或称为小信号微变等效电路分析法），大信号输入时，只能够采用图解分析法。2.交流分析下页上页首页

（1）交流通路

对于电容C1、C2（假设电容足够大），其容抗

，其容抗近似为0，可似为短路（隔直通交）；直流电压源VCC的内阻很小，两端的变化量很小（近似为0），可似为短路；对于电感L（假设足够小），其感抗

，其感抗近似为无穷大，近似为开路。因此对于原理图2-18的交流通路为下图4-11所示。下页上页首页图4-11共发射极放大电路的交流通路

（2）图解分析晶体管动态工作时的电压与电流，可以利用晶体管的特性曲线，通过作图来获得。下页上页首页

①交流负载线

交流通路如图4-11所示，因为C2的隔直流作用，所以RL对直流无影响，为了便于理解，先用上面的方法画出直流负载线MN，设工作点为Q，如图4-12所示。图4-12交流负载线

下面讨论交流负载线，在如图4-11所示的交流通路中，有

根据叠加原理，有上面三式联立可得整理得

上式即为交流负载线的特性方程，显然也是直线方程。当

，

时，所以交流负载线与直流负载线都过Q点，其斜率为：下页上页首页

已知点Q和斜率就可作出交流负载线。但斜率做得不是很精确，一般用下面方法做交流负载线。

如图4-12所示，首先作直流负载线MN，确定静态工作点Q；其次过M作斜率为

的辅助线ML；最后过Q点作

平行于ML，所以

的斜率为

，而且过Q点，所以

就是所作的交流负载线。下页上页首页

②交流分析晶体管电路接通直流电源的同时，在输入端加入小信号正弦交流电压，晶体管各级电压、电流将随输入信号的变化而变化，其变化的大小可通过图解求得，如图4-13所示，这样就可以读出电路各交流电压和电流值，从而计算出放大电路得电压与电流放大倍数。下页上页首页下页上页首页图4-13晶体管共发射极放大电路的图解分析

③放大电流的非线性失真和静态工作点的选择

晶体管的非线性表现在输入特性起始的弯曲部分和输出特性间距的不均匀部分，如果输入信号的幅度比较大，将使iB、iC和uCE的正、负半周不对称，产生非线性失真。静态工作点的位置不合适，也会产生严重的失真，输入大信号时尤其严重。如果静态工作点选得过接近截止区，在输入信号的负半周，引起iB、iC和uCE的波形失真，称为截止失真，对于NPN晶体管，截止失真时，输出波形

的波形出现顶部失真，如图4-14(a)所示；下页上页首页

如果静态工作点选得过接近截止区，在输入信号的负半周，引起iB、iC和uCE的波形失真，称为截止失真，对于NPN晶体管，截止失真时，输出波形

的波形出现顶部失真，如图4-14(a)所示；下页上页首页Q点偏低引起的失真

如果静态工作点选得过高，接近饱和区，在输入信号的正半周，引起iB、iC和uCE的波形失真，称为饱和失真，对于NPN晶体管，饱和失真时，输出波形

出现底部失真，如图4-14(b)所示。下页上页首页Q点偏高引起的失真

对于放大电路用PNP晶体管，波形失真刚好相反。静态工作点与RB、RC和VCC均有关，但在实际应用中，一般只通过调整

的大小来改变静态工作点。对一个实际的放大电路，希望它的输出信号能正确反映输入信号的变化，也就是要求波形失真要小，如果出现截止失真，说明IBQ过小，为了减小这种失真，应减小RB，从而增大IBQ；如果出现饱和失真，说明IBQ过高，为了减小这种失真，应增大的RB，从而减小IBQ。下页上页首页

④微变等效电路

用图解法进行交流分析具有直观的优点，但图解法比较麻烦。根据以上讨论可知，放大电路输入小（微弱）信号时即晶体管的电压和电流变化量之间的关系基本上是线性的。这样，晶体管可等效成一个线性网络，这就是微变等效电路，利用微变等效电路（又叫小信号等效电路），可方便的对放大电路进行分析、计算。下页上页首页

在如图1-15(b)所示晶体管输入特性中，当输入交流信号很小时，静态工作点Q附近的一段曲线当作直线，因此，当uCE为常数时，输入电压的变化量ΔuBE与输入电流ΔiB的变化量是一个常数，可用符号rbe来表示，即下页上页首页共发射极电路输入特性曲线

rbe的大小与静态工作点有关，在常温下，rbe在几百殴～几千殴，工程上常用下式来估算：式中，是晶体管的基区体电阻，对于低频小功率管，

一般为

。

应当注意，实验表明IEQ过小或过大时，用式计算rbe将会产生很大的误差。下页上页首页

如图1-15(c)所示，晶体管的输出特性曲