测量静态工作点工作原理

稳定静态工作点的原理

引言：

稳定静态工作点是电子电路设计中的关键概念，它决定了电路的性能和稳定性。本文将介绍稳定静态工作点的原理及其在电路设计中的应用。

一、静态工作点的定义

静态工作点，又称为Q点，是指电子设备在正常工作状态下的电流、电压值。在直流偏置电路中，静态工作点通常指电子元件的偏置电压和偏置电流。

二、稳定静态工作点的重要性

稳定静态工作点对电路的性能和可靠性有着直接的影响。当电路工作在稳定的静态工作点附近时，才能保证电路具有良好的线性和稳定的放大特性。否则，电路可能会出现失真，引起性能下降或损坏。

三、稳定静态工作点的原理

稳定静态工作点的原理涉及到电子元件的特性及其在电路中的组合应用。

1. 二极管的偏置原理

在直流偏置电路中，使用二极管可以将电路稳定在合适的工作区域。 - 单端供电电路：二极管的偏置原理是通过在电路中引入一个偏置电压来使二极管正常导通或截止，从而实现稳定的静态工作点。

- 双端供电电路：二极管的偏置原理是通过在电路中设置偏置电阻，使得二极管的工作在其正常工作区域内。

2. 晶体管的偏置原理

晶体管是一种利用半导体材料制成的三端元件。在电路中，适当地偏置晶体管能够稳定静态工作点。

- 单管放大电路：使用共发射器或共集极放大电路可以实现晶体管的稳定偏置，通过电流分配、电压分配的原理使得静态工作点在合适的位置。

- 双管放大电路：差动放大电路使用两个晶体管，通过差模信号的输入和共模信号的偏置来达到稳定静态工作点。

四、稳定静态工作点的应用

稳定静态工作点在电路设计中具有广泛的应用。

1. 放大器设计：稳定静态工作点使得放大器在放大信号时具有高增益和低失真。在放大器设计中，通常会通过调整偏置电压和偏置电流来实现静态工作点的稳定。

2. 电源设计：电源稳定器是一种保持直流输出电压稳定的电路。稳定静态工作点是电源稳定器稳定输出电压的重要因素之一。 3. 模拟电路设计：在运算放大器、滤波器等模拟电路中，稳定静态工作点的设计对于保证电路的性能和稳定性至关重要。

1 模拟电子线路实验

实验二 晶体管共射极单管放大器

【实验名称】

晶体管共射极单管放大器

【实验目的】

1. 学习单管放大器静态工作点的测量方法。

2. 学习单管放大电路交流放大倍数的测量方法。

3. 了解放大电路的静态工作点对动态特性的影响。

4. 熟悉常用电子仪器及电子技术实验台的使用。

【预习要点】

1. 复习课件中有关单管放大电路工作点稳定问题的内容。

2. 放大电路输出信号波形在哪些情况下可能产生失真？应如何消除失真？

【实验仪器设备】

序号 名称 型号 数量

1 模拟电子技术实验箱 EEL-07 1台

2 信号源 NEEL-03A 1台

3 数字式万用表 VC980+ 1块

4 数字存储示波器 TDS1002 1台

【实验原理】

实验电路图如图2-1所示。

温度的变化会导致三极管的性能发生变化，致使放大器的工作点发生变化，影响放大器的正常工作。图2-1所示电路中通过增加下偏置电阻B2R和射极电阻ER来改善直流工作点的稳定性，其工作原理如下： 2 RW100kRb110kRB220kbceRC2.4kRE1kCE47μC2

10μC1

10μRL2.4k+++R

5.1kRB1vivsvoIB1IBVCC+12VGNDIC

图2-1 分压偏置共射极放大电路

①利用B1R和B2R的分压作用固定基极电压VB。

当B1R、B2R选择适当，满足IB1>> IB时，有

B2BCCB1B2RVVRR

式中B1R、B2R和CCV都是固定的，不随温度变化，所以基极电位VB基本上为一定值。

②通过ER的负反馈作用，限制CI的改变，使工作点保持稳定。

具体稳定过程如下：

CTCIEIEVBEVBICI

电容C1、C2有隔直通交的作用，C1滤除输入信号的直流成份，C2滤除输出信号的直流成份。

射极电容CE在静态时稳定工作点；动态时短路RE，增大放大倍数。

当流过偏置电阻B1R (b1R和电位器WR的阻值和)的电流IB1远大于晶体管的基极电流BI(一般5～10倍)，基极电压VB远大于VBE时，它的静态工作点可 3 用下式估算

实验一 单级共射放大电路 一、实验目的 1．掌握单级共射放大电路静态工作点的测量和调整方法。 2．了解电路参数变化对静态工作点的影响。 3．掌握单级共射放大电路动态指标的测量方法。 4．学习幅频特性的测量方法。 二、预习要求 1．复习单级共射放大电路静态工作点的设置。 2．根据图1-1所示参数，估算获得最大不失真输出电压的静态工作点Q。（设β=50）。 3．复习模拟电路电压放大倍数、输入电阻以及输出电阻的计算方法。 4．复习饱和失真和截止失真的产生原因，并分析判断该实验电路在哪种情况下可能产生饱和失真？在哪种情况下可能产生截止失真？ 三、实验原理 1、参考实验电路 Rp 100kΩ 15kΩ Rc 5.1kΩ R 3.3kΩ+++10μF10μF47μF RL 5.1kΩ Re1 51Ω Re2 1kΩ Rb12 11kΩ Rb11+-Vi+Vcc （+12V）-+Vo 图1-1单级共射放大电路 如图1-1所示，其中三极管选用硅管3DG6,电位器Rp用来调整静态工作点。 2、静态工作点的测量 输入交流信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，电路处于静态，三极管各电极有确定不变的电压、电流，在特性曲线上表现为一个确定点，称为静态工作点，即Q点。一般用IB、 IC 和VCE （或IBQ、ICQ和VCEQ ）表示。 实际应用中，直接测量ICQ需要断开集电极回路，比较麻烦，所以通常的做法是采用电压测量的方法来换算电流：先测出发射极对地电压VE ，再利用公式 ICQ≈IEQ=EEVR，算出ICQ 。（此法应选用内阻较高的电压表。） 在半导体三极管放大器的图解分析中已经学习到，为了获得最大不失真的输出电压，静态工作点应该选在输出特性曲线上交流负载线的中点。若静态工作点选得太高，容易引起饱和失真；反之又引起截止失真（如图1-2所示）。对于线形放大电路，这两种工作点都是不合适的，必须对其颈性调整。此实验电路中，即通过调节电位器Rp来实现静态工作点的调整：Rp调小，工作点增高；Rp调大，工作点降低。值得注意的是，实验过程中应避免输入信号过大导致三极管工作在非线性区，否则即使工作点选择在交流负载线的中点，输出电压波形仍可能出现双向失真。 Q Q` Q`` ICQ VCEQ vCE/V iC/mA vCE/V iC/mA t t 交流负载线 图1-2 三极管输出特性曲线 3、电压放大倍数的测量 电压放大倍数vA是指输出电压与输入电压的有效值之比：vA=oiVV 实验中可以用万用表分别测量出输入、输出电压，从而计算出输出波形不失真时的电压放大倍数。 同时，对于图1-1所示电路参数，其电压放大倍数VA和三极管输入电阻ber分别为： CLvbe1(//)1eRRArR； be26()300(1)()EQmVrImA 4、输入电阻的测量 输入电阻的测量原理如图1-3所示。 ViVs'Vs被测放大电路RiRRsIi+-+--+图1-3 测试输入电阻原理图 电阻R的阻值已知，只需用万用表分别测出R两端的电压 'SV 和 iV ，即有：''()/iiiiiSiSiVVVRRIVVRVV R的阻值最好选取和iR同一个数量级，过大易引入干扰；太小则易引起较大的测量误差。 5、输出电阻的测量 输出电阻的测量原理如图1-4所示。 用万用表分别测量出开路电压 oV和负载电阻上的电压 oLV ，则输出电阻oR可通过计算求得。（取LR和oR的阻值为同一数量级以使测量值尽可能精确） ooLLoLVVRRR ooLoLoLVVRRV VsRsRLRoVo++--S被测放大电路LVo+-图1-4 测试输出电阻原理图 6、幅频特性的测量 在输入正弦信号情况下，放大电路输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为该电路的频率响应。其幅频特性即指放大器的增益与输入信号频率之间的关系曲线。一般采用逐点法进行测量。在保持输入信号幅度不变的情况下，改变输入信号的频率，逐点测量对应于不同频率时的电压增益，用对数坐标纸画出幅频特性曲线。通常将放大倍数下降到中频电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率称为上、下限截止频率（Hf、Lf）。 BW＝fH－fL≈fH 称为带宽，如图1-5所示。 0 3dB 20lg|AV|/dB 带宽 2 20 40 60 20 2102 2103 2104 f/Hz fL fH 图1-5 幅频特性曲线 四、实验内容 1．按图1-1,组装单级共射放大电路，经检查无误后，按通预先调整好的直流电源+12V。 2．测试电路在线性放大状态时的静态工作点 从信号发生器输出f=1KHZ,Vi=10mV（有效值）的正弦电压到放大电路的输入端，将放大电路的输出电压接到双踪示波器Y轴输入端，调整电位器Rp,使示波器上显示的Vo波形达到最大不失真，然后关闭信号发生器，即Vi=0,测试此时的静态工作点，填入表1.1中。 表1.1 VE/V ICQ/mA(VE/Re VCEQ/V VBE/V 3．测试电压放大倍数Av （1）从信号发生器送入f=1 KHZ，Vi=30mV的正弦电压，用万用表测量输入电压Vo,计算电压放大倍数Av=Vo/Vi。 （2）用示波器观察Vi和Vo电压的幅值和相位。 把Vi和Vo分别接到双踪示波器的CH1和CH2通道上，在荧光屏上观察它们的幅值大小和相位。 4．了解由于静态工作点设置不当，给放大电路带来的非线性失真现象 调节电位器Rp,分别使其阻值减少或增加，观察输出波形的失真情况，分别测出相应的静态工作点，测量方法同实验内容2，将结果填入表1.2中。 表1.2 工作状态 输出波形 静态工作点 ICQ/mA VCEQ/V VBE/V 5．测量单级共射放大电路的通频带 （1）当输入信号f=1KHZ,Vi=30mV,RL=5.1K,在示波器上测出放大器中频区的输出电 压Vopp(或计算出电压增益)。 （2）增加输入信号的频率（保持Vi=30mV不变），此时输出电压将会减小，当其下降到中频区输出电压的0.707（-3dB）倍时，信号发生器所指示的频率即为放大电路的上限频率fH。 （3）同理，降低输入信号的频率（保持Vi=30mV不变），输出电压同样会减小，当其下降到中频区输出电压的0.707（-3dB）倍时，信号发生器所指示的频率即为放大电路的下限频率Lf。 （4）通频带BW=Hf-Lf 6．输入电阻Ri的测量 按图1.3接入电路。取R=1K，用万用表分别测出Vs' 和Vi，则 'iiSiVRRVV 此外，还可以用一个可变电阻箱来代替R,调节电阻箱的值，是Vi=1/2Vs’,则此时电阻箱所示阻值即为Ri的阻值。这种测试方法通常称为“ 半压法”。 7．输出电阻Ro的测量 按图1.4接入电路。取RL=5.1k，用万用表分别测出RL=时的开路电压Vo及RL=5.1k时的输出电压VoL,则 OOLoLOLVVRRV 五、实验报告要求 1．认真记录和整理测试数据，按要求填入表格并画出波形图。 2．对测试结果进行理论分析，找出产生误差的原因。 六、实验思考题 1．加大输入信号iV时，输出波形可能会出现哪几种失真？分别是由什么原因引起的？ 2．调整静态工作点时，11bR要用一个固定电阻和电位器串联，而不能直接用电位器，为什么？ 七、实验器材 模拟电子线路实验箱 一台 双踪示波器 一台 万用表 一台 连线 若干 函数发生器 一台 单级共射放大电路（实验报告模板） 一．实验目的 二．实验设备 三．实验原理 1.实验电路图 2. 理论分析计算 （1）静态工作点 （2）放大倍数： （3）输入电阻： （4）输出电阻： （5）幅频特性 3.实验测量方法 （1）静态工作点测量 （2）放大倍数测量方法（包含最大不失真电压测量） （3）输入电阻测量 （4）输出电阻测量 （5）幅频特性 四．实验测试内容及数据记录 1．静态工作点的调试与测量 2．动态参数测量 (1) 电压放大倍数Av (2) 输入电阻 （3）输出电阻 3．Q点对输出失真的影响 调节RW改变电路的静态工作点，同时配合调节输入信号的幅度是输出出现截止失真、饱和失真、同时出现截止、饱和失真，记录三种情况下的输入、输出波形。 失真波形记录 4．幅频特性（测量通频带） 5. 对测试结果进行理论分析，对比实验结果，分析实验误差 五、实验思考题 1．加大输入信号iV时，输出波形可能会出现哪几种失真？分别是由什么原因引起的？ 2．调整静态工作点时，11bR要用一个固定电阻和电位器串联，而不能直接用电位器，为什么？ ui t uo t ui t uo t ui t uo t

实验一——单极共射放大器的静态工作点实验报告

一、实验目的

（1）掌握用Multisim 13仿真软件分析单极放大电路主要性能指标的方法。

（2）熟悉常用电子仪器的使用方法，熟悉基本电子元器件的使用。

（3）学会并熟悉“先静态后动态”的电子线路的基本调试方法。

（4）分析静态工作点对放大器性能的影响。

二、实验原理

基本电路；

晶体管单极放大电路是常见的低频小信号放大电路，用于实现利用小信号来控制大信号。其电路如图3.1.1所示：

电路在接通直流电源而未加输入信号时，电路中产生的电流，电压为直流量，记为VBEQ，VCEQ，IBQ，ICQ，由它们确定了电路的一个工作点，称为静态工作点Q。三极管的静态工作点可由下士近似估算：

VBEQ=（0.6~0.7）V硅管； （0.2~0.3）V锗管

VCEQ=VCC-ICQ（Rc+Re）

VBQ=R2VCC/（RP+R1+R2）

ICQ≈IEQ=（VBQ-VBEQ）/Re

IBQ=ICQ/β

（2）最佳静态工作点的调整和测量；

放大器静态工作点的选择是指对三极管集电极电流IC或VCE的调整与测试。

实际工作中往往通过调节基极偏置电阻的大小，观察输出波形的变化，来调节静态工作点。当输入电压逐渐增大时，若输出波形正负同时出现削波现象，即表明此时放大电路的静态工作点选择合适，此时放大电路动态范围最大。如图3.1.2所示：

三、实验内容

最佳静态工作点的调整和测量；

四、实验仪表及元器件

（1）双路直流稳压电源一台；

（2）函数信号发生器一台；

（3）示波器一台；

（4）毫伏表一台；

（5）万用表一台；

（6）三极管一个；

（7）电阻1kΩ一个，2kΩ两个，5.1kΩ两个，47kΩ电位器一个；

（8）电解电容10μF两个，100μF一个；

（9）模拟电路试验箱一台。

五、实验过程

最佳静态工作点的调整和测量；

1按照实验原理图3.1.1在Multisim仿真软件面板上连接电路，检查无误后接通12V直流电源。