三极管放大电路的静态工作点Q

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三极管是电路的核心元件，它可以做开关使用，也可以做放大器件使用。

当三极管作为开关使用时，就跟一般开关类似，存在“导通”与“关断”两种状态。

在具体的电路中，就是让三极管的输出特性分别处在“饱和导通区”和“截止区”。

作为放大器件时，就是利用三极管的放大特性：ic=βib，此时三极管工作在“放大区”。

当利用三极管构成放大电路时，其主要作用就是“放大交流信号”。

交流信号在这里可以理解为“各种有起伏变化的电压（或电流）波形”。

这些电信号一般是其他电路输出过来的或者是传感器检测回来的。

既然是放大，那么就需要控制三极管的三个极的电位和基极输入电流ib，使得三极管工作在“放大区”。

也就是三极管的发射结电压Ube（如果发射极e直接接地，则发射结UBE=基极电位Ub）、基极电流iB、输出电压UCE三个值位于输入输出特性曲线的放大区范围内。

问题来了，怎么控制呢？

电路嘛，自然就是通过配置合适的电源和外围器件来实现控制了。

对于三极管而言，在理想的情况下，就是连接合适的电源、电阻，使得UBE、iB、UCE三个值大小合适，处在放大区。

静态工作点

放大区顾名思义就是一个区域，因此UBE、iB、UCE取值不同，那么三极管就工作在放大区的不同位置。这个具体位置就叫“静态工作点”，用Q表示。

至于为什么叫静态，是因为此时三极管工作状态是在直流的情况下确定的，如果电路不变，则工作点不会发生变化。

如下图所示，就是一个最简单的三极管放大电路。

可以看出，如果电阻RB、Rc大小不同，自然就可以改变UBE、iB、UCE的大小，也就是可以改变Q点在放大区中具体位置了。

另外由于三极管工作在放大区时，iC =βiB，两者一一对应，因此有时用iC代替iB表示静态工作点Q。

Q点计算方法如下图，图中把Q点具体对应的UCE写为UCEQ，对应的Ic写为IcQ，以示区别和强调。

静态工作点Q就是输出回路直流负载线UCE=Ucc-IcRc与iB对应的三极管输出特性曲线的交点。

如果我们改变Rb→Q点将沿直流负载线上下移动，如下图(a)；改变Rc→Q点在IBQ所在的那条输出特性曲线上移动，如下图(b)。

另外如果Ucc发生变化，也会导致Q点发生移动，具体情况本文不再讨论了。

实际工作点

由上述可知，三极管放大电路的静态工作点是由电路参数即各元器件的大小、电源电压、三极管自身特性等决定的。

当电路不变时，三极管工作点不变，因此该工作点叫静态工作点。

但如果电路输入了其他信号，将可能会影响电路中相应电位、电流，从而工作点发生变化；

另外电路受到温度变化影响会导致元器件参数变化，此时工作点也会随之发生变化。

我们可以把发生变化后的工作点称为实际工作点。

动态工作情况

我们在三极管放大电路中输入信号，一般就是在三极管基极引入，如下图。

输入电压信号ui通过电容（这里电容的作用是隔直通交，也就是外部的直流电压将不会输入，也就是不会影响到三极管的工作点）耦合叠加在三极管基极，因此三极管基极电位将随之发生变化。

如果ui是一个正弦交流信号，即ui=Uimsinωt，则基极电位uBE=UBEQ+ Uimsinωt。也即是基极电位将会随着ui变化而变化。

当ui正向变大时，uBE也随之变大，因此基极电流iB增加，集电极电流iC增大，对应的三极管输出特性曲线将上移，因此对应的实际工作点也将上移。

如果ui正向幅值过大，则此时工作点会进入饱和区，导致输出信号uCE波形变形（NPN三极管对应的是负半周波形，PNP反之），称之为“饱和失真”，如下图所示；

当ui极性为负，不断变小时，uBE也随之变小，因此基极电流iB减少，集电极电流iC变小，对应的三极管输出特性曲线将下移，因此对应的实际工作点也将下移。

如果ui负向幅值过大，则工作点会进入截止区，导致输出信号uCE波形变形（NPN三极管对应的是正半周波形，PNP反之），称之为“截止失真”，如下图所示。

静态工作点设置意义

我们观察基极电位uBE=UBEQ+Uimsinωt这个表达式。

可以发现除了因为Uimsinωt幅值过大可能导致失真之外，UBEQ过大或过小也会出现同样的后果。

这种情况就称之为“静态工作点Q设置过高或过低”，如下图所示。原理与上面动态工作过程一致。

因此要想输出信号不失真，那么输入信号幅值以及三极管电路参数都需要在合适的范围。

然而由于输入信号通常由外部决定，所以我们主要能控制的是三极管放大电路本身的参数。

也就是我们主要去研究静态工作点Q如何设置——一般都应该设置在放大区的当中，以便输入信号正负半周都能准确放大输出。

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