模拟电子技术题目解答第二部分共17题

    【题目1】：放大电路为什么要设置正确的静态工作点？怎样从输出电压波形中区分饱和失真和截止失真？    

【相关知识】：放大器件的非线性特性和放大的本质，放大电路静态工作点与失真的关系等。

【解题方法】：从放大的前提是输出信号不失真作为出发点加以说明。

【解答过程】：放大电路的核心元件是有源半导体器件，即三极管或场效应管，它们均为非线性器件。在基本放大电路中，只有在信号的任意时刻半导体器件都工作在线性放大区，输出波形才不会失真。因此，放大电路必须设置静态工作点Q。当输入信号为零时，半导体器件各电极上的电流与电压处于静态。对于三极管，Q点包括基极电流、集电极（或发射极）电流（或）、be间电压和管压降；对于场效应管，Q点包括栅源电压、漏极电流和管压降。当有信号输入时，在放大管的输入回路便产生动态信号，它加载在静态之上，于是输出回路电流随之产生相应的变化，再由负载电阻转换成电压的变化，从而实现了电压放大。如图所示为以三极管为例的电压输出波形，正确的静态工作点Q可以保证输出信号的不失真。若静态工作点为靠近截止区的Q1点，则输出波形容易发生截止失真（正弦波形出现圆顶）；若静态工作点为靠近饱和区的Q2点，则输出波形容易发生饱和失真（正弦波形出现削顶）。

图 E4a20211001Z01

    【题目2】：放大电路中静态工作点Q和各动态参数、、和最大不失真输出电压有何关系？    

【相关知识】：放大电路静态工作Q的设置；放大电路各动态参数如增益、输入电阻、输出电阻以及最大不失真输出的计算；电路直流负载线、交流负载线等。

【解题方法】：首先应明确放大电路放大的前提是不失真，即所设置的Q点在一定的输入信号范围内既不产生饱和失真又不产生截止失真。通常，满足不失真要求的Q点并不是唯一的，它在直流负载线上有一个范围，而究竟选择该范围中的哪一点应取决于对动态参数、、的要求。设计时要兼顾考虑各参数指标。

【解答过程】：在晶体管的h参数等效电路中：

        （1）

        为晶体管发射极静态电流。

图E4a20220001Z01 阻容耦合共射放大电路

        下面以提高图1所示阻容耦合共射放大电路的方法为例，来说明Q点与动态参数、、的关系。为使问题简单起见，设电路某一参数变化时其余参数不变。

        图1所示电路的电压放大倍数为：

        （2）

        单从式（2）看，可以通过增大、、和减小来增大，这些方法是否合理且行之有效呢？

        （1）是由负载本身决定的，通常不能改变。

        （2）增大虽可使增大。但必须考虑到，一方面由于输出电阻为，增大，就是增大，从而使电路带负载能力减弱；另一方面，当远远大于时，，所以增大对提高电压放大能力的影响不大，而且增大会使静态管压降减小，从而可能引起放大电路产生饱和失真。

        （3）若且，根据式（1）可得

        （3）

        于是式（2）可改写为

（4）

        式（4）表明，通过更换管子来增大对影响不大。换言之，在相同的情况下，大的管子也大，只有在不满足式（3）时增大才是有效的方法。同时应注意，增大会使增大，从而使Q点沿直流负载线上移，易产生饱和失真。

        （4）减小使增大，随之增大，必然减小，根据式（2）可知，一定增大。从对各种组态的放大电路分析可知，电压放大倍数与有关，所以对单管放大电路而言，减小是增大的行之有效的方法。但是由于输入电阻，减小和将使减小，从而增大从信号源汲取的电流；而且减小会使Q点沿直流负载线上移，易产生饱和失真。

        综上所述，各种方法中，减小即增大是提高图1所示放大电路电压放大能力的最有效的方法。当然，的减小必须适当。可见，无论采用何种方法均不能顾此失彼，应当充分考虑它们对Q点的影响，以及由于Q点变化对输入电阻和输出电阻等的影响。上述分析也说明，不能将电子电路中的表达式看成为单纯的数学公式，电子电路是非线性电路，各种参数均与静态工作点有关。我们应对照电路深入理解式中各参量的物理意义及其相互关系。

        以下再分析Q点与最大不失真输出的关系：空载时，图1所示阻容耦合共射放大电路的交、直流负载线合二而一，输出电压沿图2中所示直流负载线变化。当静态工作点在处，增大输入电压将首先出现截止失真，这时有：

        Q点沿直流负载线上移时，最大不失真输出电压将随之增大，若上移到某一点时：

        则可达到最大，即输入电压增大到一定值时电路同时出现截止失真和饱和失真，此时：

        图E4a20220001Z02 阻容耦合共射放大电路的直流负载线和交流负载线若Q点再继续上移，则又将减小。上移至时，增大输入电压将首先出现饱和失真，此时：

        在带负载的情况下，为求，应首先画出放大电路的交流负载线，如图2所示，其斜率为（）且过Q点，与水平坐标轴的交点为 （，0）。此时输出电压将沿交流负载线变化。可见输出电压不产生饱和失真的最大幅值为（），输出电压不产生截止失真的最大幅值为。

        若，说明当输入电压增大时电路首先出现饱和失真，所以：

        若，说明当输入电压增大时电路首先出现截止失真，所以：

        当，即Q点处在交流负载线中点时为最大。此时：

        综上所述，随Q点的变化而变，应根据交流负载线求解阻容耦合共射放大电路的。应当指出，直接耦合共射放大电路直流负载线和交流负载线总是重合的，因而其的分析方法与阻容耦合共射放大电路空载时相同，只是必须注意等效负载电阻的大小。