【模电学习笔记①】静态工作点的设置、截止失真和饱和失真

模电书上说：对于放大电路的要求，除了要得到所需要的放大倍数之外，还要求输出波形不失真；输出波形是否失真，与静态工作点密切相关。本文将讨论如何处理放大电路输出波形出现截止失真和饱和失真的问题。

静态工作点的设置

直流通路

因为三极管放大状态下发射结正偏，集电结反偏，设发射极电压为0，查阅资料可得，2N3904是硅NPN型管，故导通电压大约在0.7V左右，调节基极电阻R1使基极电压在0.7V左右，此时基极电阻R1=310KΩ，集电极电阻R2=200Ω，基极电压Vb=0.7V，集电极电压Vc=7.22V，Vc>Vb>Ve，三极管处在放大状态。此时基极电流Ib=0.024mA。

接着查阅2N3904数据手册，获得其输出特性曲线如下：

2N3904输出特性曲线

由基尔霍夫电压定律得，Uce=Vcc-Ic*Rc，当Ic=0时，Uce=Vcc=8V，当Uce=0V时，Ic=Vcc/Rc=0.04A，可以在输出特性曲线图中画出直流负载线如下：

由于之前我设定的静态工作点中基极电流Ib=24uA在上面的特性曲线中过低，于是我调整基极电阻R1使得静态工作点Q在输出特性曲线图的偏中间的位置，大约使得基极电流为100uA，得到：

静态工作点Q

调整后的直流通路

调整后Q点的基极电阻大约为73KΩ，此时的Ube=0.74V，Uce=4.70V。

加入正弦小信号进行测试

共射放大电路

上图是加入了交流小信号的放大电路，设定输出交流信号为500Hz，振幅为10mV的正弦信号，通过示波器查看到的波形输出结果如下：

输入的正弦信号波形

输出信号波形

由上面两幅图，输出信号是一个相对标准的正弦波，没有太大的失真，并且输出信号振幅为1V左右，相比起输出信号的10mV振幅放大了约100倍。

如果我们加入的正弦波的幅值为30mV，得到如下结果：

输入信号波形

输出信号波形

可以明显看到输出信号的波形产生了明显的失真，输出波形的上半周波形顶部被削去了一小块。

那么，该怎么解决这种失真问题呢？

饱和失真和截止失真

截止失真：如果静态工作点Q过低，在输入信号的负半周的某段时间内，晶体管基极-发射极之间的电压Ube小于开启电压Uon，晶体管进入截止区，因此，基极电流Ib和集电极电流Ic波形将产生底部失真，输出电压Uo波形将产生顶部失真。

饱和失真：如果静态工作点Q过高，在输入信号的正半周靠近峰值的某段时间内，晶体管工作点进入饱和区，基极电流Ib增大，集电极电流Ic不再随着增大，使集电极电流Ic波形产生顶部失真，输出电压Uo波形产生底部失真。

根据上面仿真实验的输出结果，输出信号波形明显是产生了顶部失真，也就是截止失真。说明在输入信号振幅为30mV时，输入信号的负半周的某段时间Ube<Uon，此前我调的静态工作点中，Ube=743mV，叠加上30mV正弦信号后，Ube在713mV~773mV之间摆动。所以三极管的开启电压Uon应该是要大于713mV的。

所以，要解决截止失真这个问题需要再次调整静态工作点，使静态时Ube的电压要大于743mV，这样在叠加了正弦信号后Ube才能大于713mV。

由于Ube=Vcc - Ib*Rb，要想使静态时Ube的电压增大，方法有：

减小基极电阻R1

增大Vcc

首先尝试将基极电阻减小到60kΩ，此时Ube=749mV

得到输出波形如下：

R1=60KΩ时，输出波形

R1=73KΩ时，输出波形

跟之前R1=73KΩ时的波形做比较，发现波形的顶部失真明显减小，但仍然存在一定的顶部失真，于是继续减小基极电阻R1，当R1=50Ω时，输出波形如下：

R1=50KΩ时，输出波形

此时输出波形已经基本消除了截止失真。

至于饱和失真的解决方法，由于Uce=Vcc-β*Ib*Rc，想要不产生饱和失真，则需要减小Ib,使晶体管避免工作在饱和区，减小Ib的办法就是增大Rb;或者减小Rc也能实现消除饱和失真。

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