q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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”。

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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。

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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,iCiB,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。

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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)。

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)


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。

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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;

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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。

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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。

q点是什么意思(三极管静态工作点Q)

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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