第三节　图解分析法

放大电路常用的分析方法有两种：一是图解分析法，二是微变等效电路分析法。图解分析法的特点是直观，但作图繁杂，适用于输入信号为大信号的场合；微变等效电路分析法能进行近似的估算且简便，但使用范围窄，适用于输入信号为小信号的场合。所谓图解分析法是指在晶体管的输入、输出特性曲线上，运用作图的方法对放大电路进行分析。本节先讨论如何运用图解法来分析放大电路。

放大电路的分析一般分为静态分析和动态分析，并遵循“先静态、后动态”的原则。分析的目的也有所不同，静态分析是为了求解静态工作点，动态分析是为了求解动态性能指标。

一、静态分析

静态分析是指电路处于静态时对放大电路的分析。静态分析的主要任务是确定放大电路的静态工作点，即求解IBQ、ICQ、UCEQ的值。

静态分析是在放大电路的直流通路上进行的，图2-7为输出回路的直流通路。根据基尔霍夫第二定律可列出输出回路的电压方程：UCE=VCC-ICRC。该方程描绘的是一条直线，它反映了直流的IC与UCE之间的关系，由此可判定ICQ和UCEQ一定满足该方程，且静态工作点也一定在该方程所确定的直线上，把该直线方程称为放大电路的直流负载线。图2-8所示为在三极管的输出特性曲线上画出的直流负载线，用MN来表示。再根据输入回路的直流通路计算出IBQ的值，它对应了三极管的输出特性曲线中的一条曲线，静态工作点即为该曲线与直流负载线的交点。确定静态工作点的具体步骤如下：

（1）根据输出回路列出电压回路方程。其电压回路方程为UCE=VCC-ICRC。

（2）在三极管的输出特性曲线上画出直流负载线。运用两点法进行绘图，令IC=0，则UCE=VCC，设该点为M点，其坐标为（VCC，0）；令UCE=0，则IC=VCC/RC，设该点为N点，其坐标为（0，VCC/RC）。直流负载线的斜率为-1/RC。

（3）根据输入回路计算出IBQ的值。其值为。

（4）确定静态工作点。在输出特性曲线上找到IB=IBQ所对应的曲线，这条曲线与直流负载线的交点即为静态工作点Q。由Q点对应到纵坐标、横坐标，量取坐标上的值，就是所求的ICQ和UCEQ。应当指出，如输出特性曲线上没有IB=IBQ所对应的那条曲线，则应当在相应位置上补出该曲线。

二、动态分析

动态分析是指电路在动态情况下对放大电路的分析。动态分析的主要任务是根据输入和输出电压量、电流量的传输关系，确定放大电路的电压放大倍数及最大不失真的输出电压范围。

动态分析是在放大电路的交流通路上进行的，图2-9为输出回路的交流通路。根据基尔霍夫第二定律可列出输出回路的电压方程：，该方程是一个直线方程，它描绘了交流的uce与ic之间的关系，称之为放大电路的交流负载线。由前面分析可知，动态时电路中的各电量都是在静态分量的基础上叠加交流分量。当输入电压信号ui为零时，电路处于静态，也就是说交流负载线必须要经过静态工作点。因此，三极管工作时的交流负载线既要满足交流工作的要求，又要经过静态工作点。动态分析的一般步骤如下：

（1）作交流负载线。由于交流负载线的方程是，所以它的斜率为。在静态分析时已经找到了静态工作点，现在只要作斜率为-1/R′L的直线，并让该直线通过Q点，这条直线即为交流负载线M′N′，如图2-10所示。由于交流负载线的斜率是，且，而直流负载线的斜率是-1/RC，所以交流负载线比直流负载线更陡些。

（2）画出基极电流ib的变化波形。根据三极管的输入特性曲线，将输入电压信号ui叠加到静态工作点UBEQ上，可得到uBE的变化波形；将uBE的变化对应到输入特性曲线上，找出电流iB的变化范围，从而画出iB的变化波形，如图2-11（a）所示。

（3）画出iC和uCE的波形。放大电路在输入电压ui的作用下，引起iB的变化，使动态工作点沿着交流负载线在Q点上下移动，这样必然引起iC和uCE的变化。当iC增大时，uCE下降；而iC减小时，uCE上升，根据它们的变化就可确定iC和uCE的变化范围，从而画出iC与uCE的波形，如图2-11（b）所示。

（4）求出电压放大倍数及最大不失真的输出电压范围。由iC和uCE的变化范围，可定出输出电压uo的最大值。输出电压uo的最大值（或有效值）与输入电压ui的最大值（有效值）之比，就是放大电路的电压放大倍数，即

交流负载线与三极管的非线性工作区（饱和区和截止区）各有一个最接近的交点，该两点之间的范围就是最大不失真的输出电压范围。超过此范围三极管将进入非线性工作区，产生非线性失真。

为分析时便于对照说明，图中将有关参数做了标注，使定性分析与定量分析结合起来。所标参数的假设条件是在图2-3中VCC=20V、β=100、RB=500kΩ、RC=2.5kΩ、RL=1kΩ、UBE=0.7V。

三、波形失真与静态工作点的关系

在第一章的介绍中，我们已看到三极管是一种非线性元件。正常工作时，三极管通常处于输出特性的放大区。当静态工作点设置不合适时（或输入信号过大时），三极管有可能会进入饱和区或截止区，使信号不能正常放大，而产生失真，这样的失真称为非线性失真。

当静态工作点设置不当，如Q点过高时，虽然基极动态电流为不失真的正弦波，但在输入信号的正半周进入了饱和区，导致集电极动态电流iC产生顶部失真，由于输出电压uo与集电极电流iC相位相反，导致输出电压uo波形产生底部失真，其波形如图2-12中Q1点所示。因三极管饱和而产生的失真称为饱和失真，解决饱和失真的办法是：增大基极偏置电阻RB，以减小IBQ=VCC/RB的值，使Q点下移。

如Q点过低时，使输入信号的负半周进入了截止区，导致基极动态电流ib与集电极动态电流iC都将产生底部失真，而输出电压uo波形则产生顶部失真，波形如图2-12中Q2点所示。因三极管截止而产生的失真称为截止失真，解决截止失真的办法是：减小RB，使Q点上移。

由上述分析可见，设置合适的静态工作点非常重要。应当指出，饱和失真和截止失真都是静态工作点Q处在比较极端的情况。即使静态工作点Q处在放大区的中部，而当输入信号的幅度过大时，也会使输入信号的正、负半周的峰值进入饱和区和截止区，导致饱和失真和截止失真，使放大后的正弦交流电的正、负半周都被削掉一部分。解决这种失真的办法是：减小输入信号的幅值。

四、静态工作点的稳定

1.温度对静态工作点的影响

由图解分析法可知，静态工作点设置不当会使信号产生饱和失真或截止失真。实际上，即使静态工作点设置适合，当电源电压波动、环境温度变化等因素，都会造成静态工作点的不稳定，使原有合适的工作点位置发生偏离，导致输出信号产生失真。在影响静态工作点稳定的诸多因素中，温度的影响最主要。

当环境温度升高时，三极管的参数（包括穿透电流ICEO、电流放大系数β、发射结的正向压降UBE等），都会随着环境温度的升高而发生变化。就影响而言，环境温度升高，ICEO和β将增大，UBE将减小，这一切集中表现在集电极电流明显增大，整个输出特性的曲线族将上移，曲线间隔加宽，如图2-13所示。在图2-13中，实线为20℃时的输出特性曲线，虚线为60℃时的输出特性曲线。由于温度升高，在相同的偏流IB的情况下，IC增大，静态工作点将从Q点上移至Q′点，从而使已设置好的静态工作点Q发生较大的偏离，严重时将产生饱和失真。

显然，要使静态工作点重新回到原来的位置，只要在温度升高时，适当地减小基极电流，即依靠基极电流IBQ的变化来抵消ICQ的变化，常采用直流负反馈的方法来稳定静态工作点。

2.典型的静态工作点稳定电路

典型的静态工作点稳定电路如图2-14所示，该电路又称分压式电流负反馈偏置电路。

1）电路的结构和特点

图2-14（b）所示为静态工作点稳定电路的直流通路。其中，RB1为上偏置电阻，RB2为下偏置电阻，RE为发射极电阻，CE为旁路电容。为了稳定静态工作点Q，该电路需要满足以下两个条件。

条件1：I1≫IBQ。

由电路的直流通路可得　　I1=I2+IBQ

因为　　I1≫IBQ

所以　　I1≈I2

则三极管基极的电位为

式（2-19）表明，基极电位几乎仅决定于RB1、RB2对VCC的分压，而与温度无关。即温度变化时，UB基本不变。

条件2：UB≫UBEQ。

因为　　UBEQ=UB―UEQ

又因为　　UB≫UBEQ

所以　　UB≈UEQ

则

式（2-20）表明，IEQ仅决定于UB和RE，而与温度、三极管的参数等无关。同时，根据条件2，可以方便地求出该电路的静态工作点。

2）静态工作点的稳定原理

当温度升高时，集电极电流ICQ增大，发射极电流IEQ随之增大，发射极电阻RE上的电压UEQ也同时增大，因为UB不变，管压降UBEQ（UBEQ=UB―UEQ）势必下降，导致基极电流IBQ减小，集电极电流ICQ随之减小。这样一种变化的过程，使ICQ因温度升高而增大的部分，被IBQ减小所引起的ICQ减小的部分相抵消，ICQ将维持不变，UCEQ也将基本不变，Q点的位置也基本不变。上述过程可简要描述如下：

温度下降时，各电压、电流的变化方向相反，其稳定原理可自行分析。

不难看出，在稳定的过程中，RE起着重要的作用，RE的这种作用称为电流负反馈作用。适当调整RE的参数，使ICQ的增大量与减小量近似相等，则静态工作点基本不变，从而使静态工作点得以稳定。

由上述分析可见，典型的静态工作点稳定电路能实现对静态工作点的稳定，且稳定的过程与环境温度、三极管参数无关，只取决于外电路的参数。这样，在生产和维修中更换不同β值的三极管，或环境温度发生变化时，不会影响电路的静态工作点，因而该电路获得广泛的应用。

【例2-2】　放大电路如图2-14所示，已知RB1=36kΩ，RB2=24kΩ，RC=2kΩ，RE=2kΩ，VCC=12V，三极管的β=80，试求放大电路的静态工作点Q。

ICQ=IEQ=2.4mA

UCEQ=VCC-（RC+RE）ICQ=[12-（2+2）×2.4]V=2.4V

3）典型的静态工作点稳定电路的故障分析

典型的静态工作点稳定电路在电子电路中应用非常广泛，因此，了解该电路的常见故障十分必要。如果电路出现无输出信号、放大倍数明显下降、波形失真等情况，则电路出现了故障。常见的故障有：

（1）当测出UB=0、IB=0，三极管V截止，输出信号出现严重失真的现象，则说明RB1开路。

（2）当出现IB较大，IC较大，三极管V饱和，输出信号出现严重失真的现象，则说明RB2开路。

（3）当出现UC=0，无输出信号的现象，则说明RC开路。

（4）当出现IC=0，UC=VCC，无输出信号的现象，则说明RE开路。

（5）当出现静态工作点正常，而无输出信号的现象，则说明C1、C2开路。

（6）当出现输出电压明显下降，电压放大倍数减小的现象，则说明CE开路。

（7）当出现UE=0，UC=0，三极管V饱和的现象，则说明CE短路。

（8）当出现低频特性变差，下限截止频率fL升高的现象，则说明C1、C2、CE的电容量变小。