李学楠

摘 要：一般模拟电路教材多重视对成熟电路的分析，而忽略成熟电路的设计过程。本文对稳定静态工作点的单管放大电路叙述了详细的设计过程，并运用multisim仿真验证。在设计过程中灵活运用理论知识，以求达成活学活用的目的。为电子专业的学习者的学习方法提供一点启迪。

关键词：模拟电路;稳定静态工作点;单管放大电路

在传统大中专模拟电路课程林林总总的绝大多数教材中，一个个具备特定功能的电路以各种成熟的形式展现在读者面前。教材的讲解内容一般以一定篇幅对成熟电路进行定性分析，而后其定量分析部分多以推導出诸如静态工作点，输入电阻，输出电阻，放大倍数等公式为主。至于实验部分，也多以给定某确定参数的电路，让学习者利用仪器仪表对电路性能指标进行测量记录，然后与公式计算值进行比对。往往经过实验之后，学习者对电路真正的理解还是很模糊。我们知道，一个电路之所以能起到其所具备的功能，其每一个元件的参数都要经过精心计算选取才能达成既定目的。在电子电路结构完全相同的情况下，参数略有不同，所呈现的效果往往与既定性能指标天差地远。所以，完成公式推导式的理论学习，以及数据测量式的实验内容还不能标志着学习者真正掌握某一个电路。学习者掌握某一个电路的真正标准是：提出合理的性能指标，然后根据此性能指标设计出电路。设计一般的基础电路大体分四个阶段：（1）提出合理的性能指标，并确定核心元件及基本参数框架。（2）进行理论推导，手算出符合设计要求的精确元件参数。（3）进行仿真分析调试，权衡地修改参数。（4）选取真实元件进行实验验证。

下面，我们设计一个稳定静态工作点的单管放大电路。这个电路是模拟电路教材中的一个较难掌握的经典电路，其结构广为电子学习者熟知，如图1。

1 提出性能指标、确定电源、三极管型号、集电极电流、以及管压降

本例中，我们以设计一个电压放大20倍的电路为目标，所有设计围绕着这个指标而展开。其它指标暂不予考虑。电子电路在直流电源提供能量的前提下工作，一般双极性晶体管使用的电源为5V-18V。直流电源越大，设计范围越宽裕，我们选取12V的直流电源。因为只是要求20倍的电压放大，所以哪一只三极管都可以工作。我们选取SC1815NPN型小信号晶体管。首先，为能保证放大的信号最大程度上避免饱和和截止失真，晶体管的管压降VCE应取在电源电压的中值，即VCE=6V。其次，晶体管为能够准确计算静态工作点，必须明确具体的共射直流放大倍数β。由于β在确定温度下是一个取决于集电极电流的范围，故应先设计明确的。一般来说，集电极电流的范围在几毫安到几十毫安的级别。结合与VCE的乘积应小于晶体管耗散功率的前提。本例我们可在此范围选择IC=2mA。在此基础上可利用BJT特性图示仪测量此下的β值和rbe。如果没有此仪器，亦可搭建最基本的放大电路来测量。本例中，笔者利用基本共射放大电路测得当为2mA时，基极电流为15.6uA，故计算得β=126。至此，我们已经有了参数框架，如下表。

2 电路参数设计

已经确定，下面要确定。由于稳定静态工作点的电路之核心要义在于能够使得基极电位基本取决于RB1和RB2的分压，故要求，其中RTH为电源、RB1和RB2构成的一端口网络的戴维南等效电阻。在此基础上，我们做如下考虑：

（1）上述意味着在已定而又不能太小时，势必要使上的压降不能太小。

（2）基极电位也不能过高或过低。这主要是因为VBE具有负的温度特性，设计稳定静态工作点的主要意义即在于对抗此温度特性，这也要求上电压不能太小，至少决不可小于1V。另一方面是那样意味着两个基极电阻的并联值变小，进而使输入电阻变小，而我们希望电压放大电路的输入电阻尽可能大。

（3）由于管压降占6V，所以RC与RE共占据6V。

所以，综合以上考虑，可以设计基极电位占据12V电源电压的至少1/3。所以我们考虑让占据4V，占据2V。这样，基极电位约为4.47V。（sc1815的发射结导通压降约为0.47V）。依据此设想，。而RTH应小于等于，故我们连立方程组：

解得：。

接下来我们应在E24系列阻值中权衡选取真实阻值元件，可取R2=36k，而R1可拆分成阻值范围为100k的可调电位器Rw与13k的电阻的串联，这样可以在实际电路中使静态工作点充分可调，以达成精准效果。如果选择更高精度的E96系列电阻，会有更精确的选择余地。接下来，我们要考虑动态时放大倍数对参数的影响。

由模电理论，放大倍数其中，而RE1是交流通路中的发射极电阻。我们可首先计算，继而可计算。（注意：放大倍数带负号是表达反相之意，在计算RE1时应忽略此负号）由于之前我们在直流通路上已计算，故此时应将拆分为，。其中用大电容旁路。在E24系列上可选择，。

另外，关于耦合电容与旁路电容的选取，可根据信号源频率，和容抗公式合理选取，本例拟定选取1kHz的正弦信号，故易选取耦合电容为10，旁路电容为。

3 进行仿真验证

笔者采用业界应用最为广泛的Multisim进行仿真测试。注意，设计值未必达到最佳效果，要仿真调试才行，图中将RW调至45k时效果最佳，如图1。设计者可根据调试值再次推算相关性能指标。图2显示各个关键静态参数的仿真值。可见，与计算值极为接近。

进行实验验证，当仿真效果完美印证理论推算时，实际电路的搭建与测试往往就会十分顺利。限于篇幅，笔者略去了实验过程。