放大电路Q点优化设计与仿真

李德明

摘要：该文重点介绍BJT三极管放大电路的交、直流负载线的作法及输出达到最大动态范围时对应Q点的确定方法，使晶体管放大电路达到最佳工作状态，并通过电路仿真对方法加以验证。

关键词：放大电路；静态工作点；直流负载线；交流负载线

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）12-0201-01

在三极管共发射极输出特性曲线上作出直流负载线和交流负载线，便可以快速获取输出电压的动态范围，同时也可通 过调节静态工作点的位置来获取最大动态范围。

1 共发射极放大电路的直流负载线与交流负载线

1）直流负载线作法

如图1所示的共发射极放大电路，其集电极直流电流和CE间的直流电压可用图2所示的电路求得为UCEQ=VCC-ICQ（RC+RE），在输出特性曲线上作出此方程为一直线，称之为直流负载线。Q（UCEQ，ICQ）为此直线的一点，调节ICQ的值可使Q点在直线上移动，可知此直线在横轴和纵轴上的截距为VCC和VCC/（RC+RE），其斜率为-1/（RC+RE）。

2）交流负载线作法

图1中发射极旁路电容Ce和输出耦合电容Cc上的直流电压分别为UEQ和UCQ，因此直流电压基本不变，将之以直流电压源等效，可得图3所示的等效电路，在图3中便可求出交直流共存时的CE端口关联参考方向下的伏安关系。将三极管除外的电路用戴维南定理等效，图3可简化为图4所示之电路。等效电路中电压源为Vp，等效电阻为[R′L]，二者分别为：

[VP=UCEQ+RLRC+RL（VCC-UCQ） ]（1）

[R′L=RC//RL=RCRLRC+RL] （2）

求出CE端口的伏安关系为：

[uCE=VP-icR′L=UCEQ+RLRC+RL（VCC-UCQ）-RLRCRC+RLic] （3）

式（3）为交流负载线的方程。当[ic]为ICQ时，[uCE]为UCEQ，由此可见交流负载线是经过Q点且斜率为[-1R′]的直线，与横轴和纵轴的截距分别为[VP]和[VPR′L]。

2 输出电压的最大动态范围

1）共发射极放大电路输出最大动态范围

为使共发射极放大电路输出电压波形的正负半周均达到最大范围，应将UCEQ设置于[UCES]和[VP]的中心点，即

[UCEQ=（UCES+VP）2≈VP2] （4）

联立式（1）与式（3）可得

[ICQ=（VCC-UCES）（RC+RC+R′L）] （5）

[UCEQ=UCES+R′LICQ] （6）

在图1中调节[Rb1]和[Rb2]的分压比例，即可设定设定合适的[ICQ]，使[UCEQ]满足式（4）的条件。若将图1中[Rc]、[Re]、[RL]均设置为[2KΩ]，VCC设为12V，调节分压比使[ICQ]为1.5mA， 则可计算出[UCEQ=6V]、[VP=7.5V]、[VP/R′L=7.5mA]，依此可作出如图5所示之交、直流负载线。从图中可分析得知，放大输出时信号正半周最大动态范围为[VP-UCEQ=1.5V]，即正半周最大不失真输出电压的分值约为1.5V，而负半轴动态范围约为[UCEQ=6V]，顶部先于底部产生失真。

对上述参数设置后的电路进行仿真，出现顶部失真和底部失真的波形分别如如图6、图7所示，失真时顶部的峰值电压为1.5V，与分析的结论吻合。

为了使放大器正负半周出现不失真的最大峰值电压对称，应按照式（5）对放大器的静态工作点进行调整。现将电路的参数修改为[Rc=1.5KΩ]、[Re=200Ω]、[RL=10KΩ]，依式（5）将放大电路[ICQ]调整为3.9 mA，则[UCEQ=5.37V]，[VP=10.44V]，则输出动态最大范围应该为[VP-UCEQ=5.07V]。

对电路进行仿真，输入较大幅度的信号使输出电压波形失真，其波形见图8所示，从失真的波形可以看出，其顶部和底部的最大峰值电压均为5V，可以验证式（4）、式（5）所述之最大动态范围设置方法是有效地。

参考文献：

[1] 汤普林.实用模拟电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2009.