電子線路-梁明理第五版全答案.doc

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。 第1章 半導體器件的特性 1.1知識點歸納 1.雜質半導體與PN結 在本征半導體中摻入不同雜質就形成N型和P型半導體。半導體中有兩種載流子，自由電子和空穴，載流子因濃度而產生的運動成為擴散運動，因電位差而產生的運動成為漂移運動。在同一種本征半導體基片上制作兩種雜質半導體，在它們的交界面上，上述兩種運動達到動態(tài)平衡，就形成了PN 結。其基本特性是單向導電性。 2.半導體二極管 一個PN結引出電極后就構成了二極管，加上正向偏壓時形成擴散電流，電流與電壓呈指數關系，加反向電壓時，產生漂移電流，其數值很小。體現出單向導電性。 3晶體管 晶體管具有電流放大作用，對發(fā)射極正向偏置集電極反向偏置時，從射區(qū)流到基區(qū)的非平衡少子中僅有很少部分與基區(qū)的多子復合，形成基極電流，而大部分在集電結外電場作用下形成漂移電流，體現出對的控制，可將視為控制的電流源。晶體管有放大、飽和、截止三個工作區(qū)域。 4.場效應管 場效應管是電壓控制器件，它通過柵-源電壓的電場效應去控制漏極電流，因輸入回路的PN結處于反向偏置或輸入端處于絕緣狀態(tài)因此輸入電阻遠大于晶體管。場效應管局又夾斷區(qū)（即截止區(qū)）、橫流區(qū)（即線性區(qū)）和可比阿安電阻區(qū)三個工作區(qū)域。 學完本章后應掌握： 1.熟悉下列定義、概念和原理：自由電子與空穴，擴散與漂移，復合，空間電荷區(qū)，PN結，耗盡層，導電溝道，二極管單向導電性，晶體管和場效應管的放大作用及三個工作區(qū)域。 2.掌握二極管、穩(wěn)壓管、晶體管，場效應管的外特性，主要參數的物理意義。 1.2習題與思考題詳解 1-1試簡述PN結的形成過程。空間電荷壓，阻擋層，耗盡層和勢壘壓等名稱是根據什么特性提出來的。 答：PN結的形成過程： 當兩塊半導體結合在一起時，P區(qū)的空穴濃度高于N區(qū)，于是空穴將越過交界面由P區(qū)向N區(qū)擴散；同理，N區(qū)的電子濃度高于P區(qū)，電子越過交界面由N區(qū)向P區(qū)擴散。多子由一區(qū)擴散到另一區(qū)時，形成另一區(qū)的少子并與該區(qū)的多子復合，因此，在交界面的一側留下帶負電荷的受主離子，另一側留下帶正電荷的施主離子。于是在交界面附近形成一個空間電壓區(qū)，即PN結。 空間電荷壓：在PN結內無可移動的帶電荷之緣故。 勢壘層：在PN結中，N區(qū)電位高于P區(qū)電位，兩區(qū)存在接觸電位差之緣故。 耗盡層：在PN結中，只有不能移動的數量相等的正負離子，而載流子因擴散和復合而消耗掉了之故。 阻擋層：由于PN結中存在接觸電勢壓，阻擋了電子擴散之故。 1-2（1）在室溫下，當硅二極管的反向電流達到其反向飽和電流IR(sat)的95%時，反向電壓是多少? (2) 計算偏壓為 ±0.1V時，相應的正向電流和反向電流的比值。 （3）如果反向飽和電流為10nA，計算相應于電壓為0.6時的正向電流，并說明這一結果與實際不符的原因。 解：(1) 因為ID = IR(sat)( －1) 所以VD = VTln = 26mv×ln0.95 = -1.33 mv (2) (3) 1-3在測量二極管的正向電阻時，用表的“R×10”檔測出的阻值小而用“R×100”檔測出大，原因何在？ 答：因為萬用表“R×10”檔的內阻小，測量二極管的正向阻值小,而“R×100”檔的內阻大，測量的二極管的正向阻值大。 1-4怎樣用萬能表判斷二極管的極性和好壞？ 答：判斷二極管的極性與好壞，選擇萬用表“R1K” 電阻檔，此時黑表棒為正極，紅表棒為電源負極。用黑紅表棒接待測二極管兩極，觀察阻值大小，再反過來相接，觀察阻值大小，若兩次測量均大，說明二極管斷路，若第一次測量阻值大，第二次測量阻值小，則測量值小的連接時，黑表棒接二極管的陽極，紅表棒接二極管的陰極；并說明二極管是好的；若兩次測量阻值均小，說明二極管被擊穿。 1-5限幅電路如圖所示，設D為 理想二極管，輸入電壓vi為正弦波，其振幅大于，試給出輸出電壓為的波形。 解： 1-6雙向限幅器如圖所示，設為理想二極管，輸入電壓為正弦波，其振幅Vi=3，試給出輸出電壓的波形。 1-7雙向限幅器如圖所示，設 為理想二極管，輸入電壓vi由0-100V作線性變化，給出相對于vi的輸出電壓 隨時間變化的曲線。 解： 1-8求圖所示各電路中的電流I和電壓V（設電路中的二極管為理想二極管） 解：ａ　對于管正向偏壓，的偏壓最大先導通，隨之反偏截 止。所以 =1V ． ｂ　均處于正向偏置狀態(tài)，D1的偏置電壓大先導通，則由于D1的導通反偏而截止。則 1-9穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖示，已知穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓V=6V最大穩(wěn)定電流＝25mA 限流電阻R=500 求：１.時，電路工作是否正常？ ２.時，電路工作情況如何？ ３.開路，電路可能出現什么情況？為什么？ 解：(1). 則 所以電路正常工作 (2). 穩(wěn)壓管無法穩(wěn)壓 （3）穩(wěn)壓管可能會熱擊穿。 1-10將兩個二極管如圖連接起來，是否與晶體管一樣具有電流放大作用，為什么？ 答：不含。因為這樣連接不會形成基區(qū)，不會產生復合現象，形成小電流對大電流的控制。所以不具備電流放大效應。 1-11為什么晶體管發(fā)射區(qū)摻雜濃度大，而基區(qū)摻雜程度小且做得很薄？ 答：發(fā)射區(qū)濃度大即多數載流子濃度大，便于發(fā)射進入基區(qū)，而基區(qū)摻雜濃度小，多數載流子少，復合后仍有大量的由發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)的多子到達集電區(qū)，即基壓也做得較窄。 1-12將一個PNP型晶體管接成共發(fā)射極放大電路， （1）畫出電路，標出電源極性。 （2）如果管子的=0.98要得到10mA集電極電路，問基極電流多大？ （3）試分析內部載流子的運動情況。 解 (1) （2）， （3）分析管內載流子運動情況（略）見書14頁 1-13一個晶體管的 IB=10μA，IC=0.5mA ，在什么條件下，才能用這兩個數據來計算這的交流電流放大倍數？ 答：在忽略 后，且輸出特性曲線平行時，此時才可用IB, IC計算這的交流電流放大倍數。 1-14若測得放大電路中晶體管三個電極對地的電壓分別為V1= -6.2V,V2= - 6V,V3= - 9V,試判斷晶體管的電極和類型。 答：若晶體管工作在放大區(qū)，發(fā)射結正偏，集電路反偏，再者各電路均為負值，所以該晶體管為PNP型，極性如圖所示。 1-15晶體管3DG8A的輸出曲線 如圖示，已知它的PCM=200mw，I=20mA, V(BR)CED=15V (1)定義安全工作區(qū) （2）定出放大區(qū) (3)當VCE=6V時，能否使IC工作在30mA，為什么？ 解：（1）陰影線外為過耗區(qū)，內為安全區(qū)。 （2）VCES～～V(BR)CED之間為放大區(qū)，為飽和壓降。 （3）當VCE=6V時，不能使IC 工作在30mA 因為 ICM=20mA 第2章 放大器基礎 2.1 知識點歸納 一、放大的概念 放大實質上是將微弱的信號通過有源器件（晶體管或場效應管）對能量進行控制的過程，是將直流電源提供的能量轉化為負載所獲得的雖信號變化的能量。放大的前提是信號不失真。 二、放大電路的組成原則 1.放大電路的核心元件是有源器件，即晶體管或場效應管。 2.正確的直流電源電壓數值、極性與其它電路參數應保證晶體管工作在放大區(qū)，場效應管工作在恒流區(qū)，即建立起合適的靜態(tài)工作點。保證電路中的信號不失真。 三、放大器的主要性能指標： 1.放大倍數A 2.輸入電阻 3.輸出電阻 4.最大不失真輸出電壓 5.下限截止頻率，上限截止頻率及同頻帶 6.最大輸出功率和效率。 四、放大電路的分析方法 分析放大電路的方法有兩種，即圖解法和微變等效電路法。圖解法用于確定靜態(tài)工作點和分析打信號工作的動態(tài)情況，微變等效電路法只適用于分析、計算低頻小信號工作時電路的動態(tài)指標。 分析電路應遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則，只有靜態(tài)工作點合適，分析動態(tài) 才有意義。五、晶體管和場效應管基本放大電路 1.晶體管基本放大電路有共射、共集、共基三種組態(tài)。共射放大電路即有電流 放大作用，又有電壓放大作用，輸入電阻居三種電路之中，輸出電阻較大，適應于一般放大。共集放大電路之放大電流不放大電壓，因輸入電阻高而行作為多級放大器的輸入端因疏忽電阻低而常作為多級放大器的輸出級。又因電壓放大倍數約等于1而用作信號的跟隨。共基電路之放大電壓而不放大電流輸入電阻小，高頻特性好適應于寬頻帶放大電路。 2.場效應管放大電路的共源接法，共漏接法與晶體管放大電路的共射、共集接法相對應，但比晶體管電路輸入阻抗高，噪聲系數低，典雅放大倍數小適應于低電壓放大電路的輸入級。 六、阻容耦合放大電路在中頻段的放大倍數最大且為定值，當信號頻率太高或太低時，放大倍數都要降低。 七、多級放大器的耦合方式有直接耦合、阻容耦合和變壓器耦合。直接耦合便于集成，既可放大交流又可放大直流信號，但必須解決好零點漂移問題。阻容耦合能克服零點漂移的問題，但低頻響應差，不便于集成。變壓器耦合有阻抗變換作用，但低頻響應差，且體大笨重，只用于特殊場合。 八、多級放大器的放大倍數為各級放大器放大倍數的乘積，通頻帶窄于單級放大器，級數越多，頻帶越窄。 學完本章應達到下列要求： 1.掌握以下基本概念和定義：放大、靜態(tài)工作點、非線性失真、直流通路和交流通路、交、直流負載線、放大倍數，輸出動態(tài)范圍等。 2.掌握各種形式的基本放大電路的工作原理及特點，能根據要求選擇電路的類型。 3.掌握放大電路的分析方法，能計算靜態(tài)和動態(tài)的各種。 2.2習題與思考題詳解 2-1圖示各電路中的電容對信號可視短路，試定性分析各電路能否正常放大，為什么？ 答：（a）只要 取值適當使發(fā)射結正偏，集電結反偏，就可以放大信號。 （b）只要 取值適當使發(fā)射結正偏，集電結反偏，就可以放大信號 （c）使集電結反偏，不能正常放大。 （d） ，,故不能正常放大。 2-2分別畫出圖示各電路的直流通路和交流通路。 解：（a）直流通路 交流通路 （b）直流通路 交流通路 2-3電路及晶體管特性如圖示 （1）作負載線，找出靜態(tài)工作點Q和放大器的動態(tài)范圍。若要獲得盡可能大的動態(tài)范圍，應取多大數值？ （2）電路其他參數不變，由變?yōu)椋琎點移到何處？ （3）電路其他參數不變，由變成，Q點移到何處？ （4）電路其他參數不變，由減到，Q點移到何處？ 解：(1)Q點： 直流負載線MN，M(0,4.5) N(9,0) 交曲線與Q(5.4,1.8). 動態(tài)范圍：. 由圖分析可得最大動態(tài)范圍,可得Q點（4.35，2.4）。則 (2) Q點沿曲線左移得(1.0,1.6). (3) ,Q點沿負載線下移至(7.2,1.0). (4) ,Q點移至（2,1.8）. 2-4放大電路和晶體管特性如2-3題圖 （1）求靜態(tài)工作附近的和. (2)畫出簡化h參數等效電路，計算,,. 解：（1）. (2) h參數電路 2-5放大電路如圖示，，求： （1）計算不帶負載時點，畫出h參數等效電路，計算,,. (2)計算帶上負載后靜態(tài)點，畫出h參數等效電路，計算和. 解：（1）= 交流通路：h等效電路 （2） .則 2-6圖示電路輸入正弦信號時，若輸出波形如（b）(c),試問他們?yōu)楹畏N失真？如何調 節(jié)才可能使輸出不失真？若改變滑變RB1的大小仍得不到完好正弦波輸出，為什么？ 解：（1）由波形分析可知 （b）為截止失真；減小有可能使輸出不失真。 （c）為飽和失真，增大有可能使輸出不失真 （2）改變值仍不能得到完好正弦輸出，可能是取值不當之故。 2-7電路如圖，已知，電容容抗可忽略 求： （1）計算靜態(tài)工作點， （2）畫出h參數等效電路，計算,和 解：（1） （2）h參數電路 2-8阻容耦合射極輸出器如圖，已知 （1）計算靜態(tài)工作點。 （2）畫出簡化h參數電路，計算，和 解:(1) （2）h參數等效電路 2-9電路如圖示，電容的容抗均可忽略 （1） 畫出簡化的h參數等效電路，計算，和, （2） 當時，兩個轉出電壓，在振幅和相位上有何關系？ 解：（1）h參數等效電路 （2）當時，,幅度基本相等，相位相差 2-10電路如圖，已知=50,電容的容抗均可忽略 （1）計算靜態(tài)工作點 （2）畫出簡化的h參數等效電路，計算，和 解：（1） (2)h參數等效電路 2-11集電極-基極偏置放大電路如圖示。 T為硅管。 （1）計算靜態(tài)工作點。 （2）如果要求的值應為多大？ （3）畫出簡化為h參數等效電路，并用密 勒定理作進一步簡化。 （4）推導的表達式，并算出它的數值。 解： （3）h參數等效電路，并密勒定理簡化。 密勒定理指出：具有N個獨立接點的任意網絡，如圖，N為參數接點，若接點1、2間接有阻抗E'。并已知節(jié)點電壓和之比(),斷開阻抗E'在節(jié)點1與N之間接，節(jié)點2與N之間接，新網絡與原網絡等效。 密勒定理簡化后：其中 （4） 2-12圖示源極輸出器，設gm=1ms,rd可略不計，是推導電壓放大倍數Av，和輸入電阻的表達式，并算出其數值。 解：等效電路如圖 2-13 MOS管放大電路如圖所示（a），放大管輸出特性如圖（b）,,所示 (1) 用圖解法確定靜態(tài)工作點Q，并求出工作點處的跨導gm (2) 畫出交流等效電路，求電壓放大倍數Av 解： （1） 畫負載線，時Q點，[8V,2mA] (2) 2-15圖示-一恒流源電路，試證： 證：由圖可得 2-16放大電路如圖，已知晶體管系數 gm=60ms,,設的容抗很小，可視短路。 （1） 畫出低頻混合π等效電路，不考慮，推導出放大電路的下線效率，的表達式，并算出其值 （2） 不考慮，下線效率=？ （3） 同時考慮，畫出這一放大電路的低頻對數幅頻特性和相頻特性 （4） 計算電路的上限頻率，并畫出高頻段的對數幅頻特性和相頻特性。 解：略（1）低頻混合π等效電路，不計作用： 2-17兩極放大電路如圖，設 （1） 計算的靜態(tài)工作點和 （2） 計算放大器的中能電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻。 解（1） （2） 兩極放大器的微變等效電路如圖示 第一級放大倍數 其中 第二級是射極輸出器，放大倍數 總電壓放大倍數 放大器的輸入電阻是第一節(jié)輸入電阻： 放大器的輸出電阻 2-18兩級直耦放大器如圖所示試分析這一放大器結構特點以及偏置的提供方法 設，試計算Av， 答：（1）該電路是兩極直接耦合電路，管分別為NPN，PNP型管，采用12電源供電，Q點相互牽連。 （2） 交流等效電路 第3章 集成運算放大器 3.1知識點歸納 本章講述了集成運放的結構特點，電路組成，主要性能參數、種類及使用方法。 1.集成運放實際上是一種好性能的直接耦合放大電路。通常由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路等四部分組成，雙極型管組成的集成運放，輸入級多用差分放大電路，中間級為共射電路，輸出級多用互補輸出級，偏置電路是多路電流源電路。 2.電流源電路不僅可為各級放大電路提供合適的靜態(tài)電流，又可作為有源負載，從而大大提高了運放的增益。 3使用集成運放應注意調零、頻率補償及必要的電路保護。 學完本章應達能到下列要求 1.熟悉集成運放的組成及性能，正確理解主要指標參數的物理意義及其使用注意事 項。 2.了解電流源電路的工作原理。 3.能讀懂集成運放5G23，5G24的工作原理。 3.2 習題與思考題詳解 3-1．差分放大電路如圖所示 ,Rp為調零電位器，假設電路完全對稱，兩管的，求： （1）若電路作雙端輸出，即開關S與1接通，試計算電路的靜態(tài)工作點，差模放大倍數。共模放大倍數，共模抑制比，差模輸入電阻和輸出電阻 （2）若電路作單端輸出，即開關S與2接通，試計算電路的靜態(tài)工作點， 解：（1）雙端輸出時 1) 電子電路對稱，兩管對應的電流及電壓分別相等，即 直流通路如圖示：于流過的兩個電流大小相等，向相同，所以流過的直流電流2，當于單管射極電流流過2 計算靜態(tài)工作點： ∵,則 ∴ 2)差模較大時，一分為二， 由于中流過的電流的增量數值相等方向相反，所以上無變化的壓 。差模微變等電路如圖： ∵ ∴ 雙端差模電壓放大倍數 3)共模時上流過電流的增量相等，方向相反，即為沒管發(fā)射極電流流量的2倍，畫等效電路時把增加一倍即可。 ∵，則 雙端輸出共模電壓放大倍數 4)共模抑制比 5) 6)由共模微變電路可得 對于共模信號，兩輸入端是并聯的，因此整個差動放大器的共模輸入電阻： 7) 雙端輸出的輸出電阻 (2)開關K與2接通，電路做單端輸出： 靜態(tài)工作點除UCE1外，其他系數與（1）的靜態(tài)工工作點相同，即， 但是由于管的集點極有一負載接地，直流通路如圖， 利用戴維南定理，將左圖等效成右圖，其中： 3-2.簡單的晶體管電路如圖所示，試用h參數等效電路（略去，但，不能忽略）推導出電流源的交流內阻的表達式 解：恒流源等效電路如圖所示，為推導交流電阻，在AB端加一電壓得到電流由圖可得，則： 即用作恒流源的晶體管，其輸出特性曲線較為平坦，也就是>>1. 一般>>1成立， 得到： 3-3.圖為帶恒流源的差分放大器，設晶體管的， 1) 計算靜態(tài)工作點 2) 若,利用3.3結果，計算恒流源的交流電阻 3) 計算電路 解：（1）計算的靜態(tài)工作點： ： 管是恒流源，其直流電阻小，交流電阻大，在計算差模電壓放大倍數和差模輸入電阻時等效為直流電阻，忽略不計;在計算共模電壓放大倍數和共模輸入電阻時等效為交流電阻 管的輸入電阻 (∵>> ，忽略) 共模放大倍數： 共模抑制比： 差模輸入電阻： 共模輸入電阻： 輸出電阻 3-4共射共基差分電路如圖示，試導出其差模電壓放大倍數，并畫出將改為恒流源電路。 答：組成共射差動電路，組成共基極電路。接在集電極上，由于共基極電路設有電流放大能力，則的集電極負載分別近似為，是雙入雙出差動放大電路，其差模放大倍數與單管放大電路一樣。即。將,改為恒流源的差放電路如上圖示。 3-5.指出圖中哪些組合是合理的，哪些是不合理的。對于合理的復合管標出其3個點極。并說明是PNP管還是NPN管。 答： （a）圖合理，為NPN管，電極如圖標 (b) 圖合理，為PNP管，極性如圖標 （c）圖不合理，不符合三極管電流流向。 3-6.圖示電路中,晶體管為硅管，試計算的值和電路的電壓放大倍數 解：（1）先計算 由于。則靜態(tài)時： ∴ （2）計算電壓放大倍數。 管的輸入電阻 管組成雙入單出差放電路。則， 則 所以，總電壓放大倍數： 第4章 反饋放大器 4.1 知識點歸納 本章主要研究了反饋的基本概念、負反饋放大器的一般表達式，、負反饋對放大器性能的影響和放大器電路穩(wěn)定性等問題。闡明了反饋的判斷方法，深度負反饋條件下放大倍數的估算方法，根據需要正確引入負反饋的方法。 1.在電路中，將輸出量的一部分或全部通過一定的電路形式作用于輸入回路，去影響輸入量的措施稱為反饋。如使凈輸入量減少則為負反饋，若使凈輸入量增加則為正反饋。若反饋存在于直流通路中則為直流反饋，若反饋存在于交流 通路中則為交流反饋。反饋量取自于輸出電壓則為電壓反饋，若反饋量取自于輸出電流則為電流反饋。交流負反饋有四種形式：電壓串聯負反饋，電壓并聯負反饋，電流串聯負反饋，電流并聯負反饋。 2.電路中“有無反饋”，取決于輸出回路和輸入回路是否存在反饋通路；“直流反饋和交流反饋”決定與反饋通路存在于直流通路還是交流通路；“正、負反饋”的判定采用瞬時極性法，反饋結果使凈輸入量增加則為正反饋，減小則為負反饋。判斷“電壓反饋和電流反饋”可令輸出電壓等于零，若反饋量隨之為零，則為電壓反饋，若反饋量依然存在，則為電流反饋?！按摵筒⒙摗迸卸ㄊ?，反饋網絡與基本放大器是并聯連接的則為并聯反饋，若是串聯連接的則為串聯反饋。 3.反饋的作用效果與信號源內阻RS有關，對于并聯負反饋，RS大時，反饋效果明顯，RS=0時，無反饋作用；對于串聯負反饋，RS越小，反饋效果越顯著，反之，RS=∞時，串聯反饋無效果。 4.對于滿足，利用的關系和的特點，求深度負反饋放大器增益。欲求電壓增益，除電壓串聯負反饋外，其它各類型的負反饋還需進行轉換。 5.引入交流負反饋后，可以改善當打電路多方面的性能，可以提高放大倍數的穩(wěn)定性，改變輸入電阻和輸出電阻，展寬頻帶，減小非線性失真等。 學完本章后應達到下列要求： 1能夠正確判斷電路中是否引入了反饋以及反饋的性質。 2.正確理解負反饋放大電路放大倍數在不同反饋組臺下的物理意義，并能夠估算深度負反饋條件下的放大倍數。 3.掌握負反饋四種組態(tài)對放大電路性能的影響，并能根據需要在放大電路中正確的引入交流負反饋。 4.2 習題思考題詳解 4-1 在圖示電路中，指出反饋通路，判斷所引的反饋是正反饋還是負反饋，是交流反饋還是直流反饋，設電容的容抗可以忽略。 解： （a）反饋通路由，C, 構成，反饋送至反相輸入端，屬于電壓串聯負反饋，由于C交流接地，故為直流電壓串聯負反饋。 （b） ，， 構成反饋支路，是交直流負反饋，反饋信號取至非輸出端而送入輸入端，故為交直流電流并聯負反饋。 （c），，引入本級負反饋，引入交直流電流串聯負反饋，引入直流電流串聯負反饋；,, , , 引入兩級間反饋，是電壓串聯正反饋。 （d）R3引入本級電流串聯負反饋。，引入本級直流電流串聯負反饋。引入本級交直流電流串聯負反饋。，引入三級間交直流電流串聯負反饋。 4-3 判斷上圖所示各電路中交流負反饋分別是什么類型。（分析同4-2） 4-2 指出下面的說法是否正確，如果有錯，錯在哪里？ 1.既然在深度負反饋的條件下，閉環(huán)放大倍數與放大器的系數幾 乎無關，因此，器時的系數就沒有什么實際意義了，于是可以隨便用一個管子，只要適當選取，就能獲得恒定的且為所需大小的。 2.負反饋能展寬起帶，因此，可用低頻管代替高頻管，只要加上足夠深的負反饋即可。 解 （1）這種說法是錯誤的。因為深度負反饋閉環(huán)放大倍數的近似估算式為，首先是在的條件下得到的。而條件中的即開環(huán)放大倍數是由晶體管的系數和電路系數決定的，為與，，等系數有關。如隨便選擇晶體管，若滿足不了上述條件，則構不成深度負反饋，也就不能使用的關系式了。 （2）這種說法是錯誤的。負反饋雖然能使放大器的通頻帶展寬，但是在原開環(huán)電路通頻帶的基礎上有限的寬度，且有犧牲其增益為代價的，在一定條件下，其增益帶寬積是一常量。 4-3 試從物理概念上說明電流負反饋使輸出電阻增加，電壓負反饋使輸出電阻減小，串聯負反饋使輸入電阻增加，和并聯負反饋使輸入電阻減小的道理。 答：電流負反饋主要是穩(wěn)定輸出電流，使輸出電流接近于恒流源，當負載變化時，保持輸出電流穩(wěn)定，其效果就是增大了輸出電阻，輸出電阻越大，越接近恒流源。 電壓負反饋主要穩(wěn)定輸出電壓，使輸出電壓接近于恒流源，當負載變化時，電路保持輸出電壓穩(wěn)定，其效果就是減小了輸出電阻，輸出電阻越小，電路帶負載能力越強，越接近于恒流源。 串聯負反饋由于反饋信號與原輸入信號串聯，故輸入電阻增加。 并聯負反饋由于反饋信號與原輸入信號并聯，故輸入電阻減小。 4-4當放大器改變20%時，如果要求=100,而且的變化不大于1%， （1）試計算和F值。 （2）如果無反饋的，求引入反饋后的通帶. 解：（1），則 則帶入上式可得： 又 .則 (2) 。 4-5 試證明電流串聯負反饋放大器的輸入電阻,輸出電阻為 解：圖（a）為計算電流串聯負反饋放大器輸入電阻框圖，可見： 無反饋時輸入電阻 有反饋時輸入電阻 而 ， , 圖（b）為計算電流串聯負反饋放大器的輸出電阻 將信號源,保留內阻，斷開,并且在輸出端施加一個交流電壓源得到電流，如圖所示。圖中為基本放大器輸出端點電路（）的開環(huán)轉移導納，忽略反饋網絡輸入端的降壓，有： 由圖可得： 得 4-6 試證明電壓并聯負反饋放大器的輸入電阻，輸出電阻 解：圖a為計算電壓并聯負反饋放大器輸入電阻的推圖，可見： 無反饋時輸入電阻 有反饋式輸入電阻 而 圖（b）為計算電壓并聯負反饋放大器輸出電阻框圖。 令=0，斷開負載并且在輸出端施加一個交流電壓源，得到電流，圖中是負載開路時基本放大器的開環(huán)轉移電阻。 由圖：， 而 4-7．電路如圖示；設運放為理想運放， （1）合理連線，將信號源和正確的接入電路。使電路盡可能的高的輸入電阻。 （2）保證放大倍數,問：應選多大的反饋電阻？ 解：（1）連接電路如圖示，引入電壓串聯負反饋。 (2) , 4-8 圖示放大電路中，為分別實現下面幾個方面的要求，應引入何種類型的負反饋，請畫上反饋電路： （1）要求元件的系數改變對的靜態(tài)某電極電壓影響較小。 （2）要求某電極電流的交流成份基本上不受改變的影響。 （3）要求在接上外加負載以后，電壓放大倍數基本不變。 （4）要求輸入端向信號源索取的電流比較小。 解：（1）穩(wěn)定集電極靜態(tài)電壓，須引入本級直流負反饋電路。為. (2 ) 若使的交流集電極電流不變，應引入電流負反饋，例， （3）若引入負載后，電壓放大倍數基本不變，應引入電壓負反饋，為 （4）輸入端向信號源索取電流較小，應引入串聯負反饋，為。 綜上所述，引入反饋的電路網絡如圖所標。 4-9，負反饋放大電路如圖示，設這些電路滿足深度負反饋條件，試運用近似計算法計算它們的電壓放大倍數。 解：（1）（a)圖是電流并聯負反饋電壓放大電路，由于深度負反饋，則有： ，，則: , (2) (b)圖是電壓并聯負反饋電壓放大電路，由于深度負反饋，則有： ，，則： 故： 4-10．電路如圖： （1）要使電路中引入反饋為負反饋，開關S應置于（a）還是（b） （2）這個負反饋屬于何種負反饋？ （3）設電路滿足深度負反饋的條件電壓放大倍數大多是多少？ 解：（1）引入負反饋開關應置于(b) （2）這個負反饋屬于電壓串聯負反饋 （3）因為深度負反饋，則 4-11負反饋放大器如圖示，假設運放的差模輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。 （1）寫出電壓反饋系數表達式 （2）如果基本放大器的開環(huán)增益為，閉環(huán)電壓增益為，求出 （3）如果開環(huán)放大倍數減小20% ，那么閉環(huán)放大倍數將減少多少？ 解：（1）這是一個電壓串聯負反饋電路， 因為為差模輸入電阻無窮大，流入運放反相端的電流反饋信號： 電壓反饋系數 (2) 只考慮放大倍數的幅值時有： 則 而 所以 (3)由已知條件知，可知，放大器引入負反饋后放大倍數下降了10倍，即，其穩(wěn)定性提高了10倍，先開環(huán)放大倍數減小了20%，即，那么閉環(huán)放大倍數將減小2%，則 4-12.負反饋放大器如圖示 （1）利用近似計算法計算 （2）若基本放大器取開環(huán)電壓增益，利用負反饋表達式計算 解：（1）各自組成射極輸出電路，輸入信號經運放放大后，正半周經過，由射極輸出，射極輸出器電壓放大倍數近似為1。而管電路組成功放電路，將運放信號近似不變的反饋到運放的反相輸入端，則電壓反饋信號系數，那么 閉環(huán)放大倍數 （2） 第5章 信號運算電路 5.1 知識點歸納 本章主要研究了理想集成運算放大器的特點，基本運算電路和有源濾波電路。 1. 理想集成運算放大器引入負反饋，則工作在線性區(qū)。凈輸入電壓為零，稱為“虛短”；凈輸入電流也為零，稱為“虛斷”，“虛短”和“虛短”是分析運算電路和有源濾波電路的兩個基本出發(fā)點。 2.信號運算電路的三種基本形式為：反相輸入運算放大器、同相輸入運算放大器和差動輸入運算放大器。集成運放引入負反饋后可以實現比例、加減、乘除、積分、微分、對數和指數等各種基本運算。求解輸出電壓與輸入電壓運算關系的方法有兩種： （1）接點電流法 列出運算放大器的輸入端和輸出端及其它關鍵節(jié)點的電流方程，利用虛短和虛斷的概念，求出運算關系。 （2）疊加原理 對于多信號輸入電路，可分別求出每個輸入電壓單獨作用時的輸出電壓，然后將它們相加，就是所有信號同時輸入時的輸出電壓。 3.有源濾波電路通常由RC網絡和集成運放構成，立刻用它可以抑制信號中不必要的成分或突出所需要的成分。按幅頻特性的不同，有源濾波器可分為LPF、HPF、BPF、BEF。潭門的主要性能是同帶放大倍數AVF、通帶截止頻率fP、通帶寬度BW。 學完本章后，能夠達到下列要求： （1）.掌握比例、加減、積分電路的工作原理及運算關系，理解微分、乘除、 對數和指數電路的工作原理和運算關系，，能夠運用續(xù)斷、虛斷的概念分析各種運算電路輸出電壓與輸入電壓之間的關系，并能夠合理選擇電路。 （2）.能夠正確理解LPF、HPF、BPF和BEF的工作原理，了解它們的主要性能， 并能夠合理的選擇電路。 5.2 習題與思考題詳解 5-1 已知加法器的運算關系為=－(5U+10U+0.2U),且反饋電阻=100。畫出電路圖，并計算電路中的各電阻值。 解:加法器運算電路如圖. 電路傳輸函數方程為: =－( ++). R= R//R//R// R = 5. = 10. = 0.2. 則:R=== 20. R=== 10. R=== 500. R= R//R//R// R= 20//10//500//100 = 6.17 () 5-2.同相加法器電路圖如圖.試導出輸出電壓與輸入電壓之間函數關系: 解:根據“虛補”“虛斷”及線性疊加原理: I= I. U= U. 則: U= (1 +)U U = (1 +)U, U= (1+)U U= U+U+ U= (1+)U+ (1+)U+ (1+)U 5-3按下列要求設計一個函數電路(要求畫出電路圖.并算出各元件值). (1) U=－5U. 放大器總的輸入電阻大于20. (2) U=－100 U放大器總的輸入電阻等于200,電路中各電阻值不許超過1. 解: (1) 傳輸函數說明該電路是反相比例函數形式.如圖: 可導出 U=－ 則－=－5. R=5R. 若取 R=40. 則R=200. R= R// R= 40//200 =33.3. (2)若用上圖求解,得R=4.不合提意.故采用T型網路代R.則有圖示: U= U=0 I=I=0. U=U (1) i=i = － (2). 聯解(1) (2)式得:A==- 為滿足要求.可將比值選放大一些. 選R=400. R=10. 已知R=40. A=100.則 R==87.8 R=R//(R+R//R)=36.4 5-4圖為一高輸入電阻及相放大器，稱為輸入電阻自舉擴展及相放大器，A為主放大器。A為輔放大器。試推導放大器的輸入電阻表達式并證明此電路提高輸出電阻的原理。 解：根據虛補，虛斷，虛地概念，可知： U=－ U U=－U 則U=－（－） U=2 U R===== = = 該電路利用A構成反相比例運算電路，形成電流I,減小了A的輸入電流i,從而提高了輸入電阻。 5-5能擴展較多函數動態(tài)范圍的反相放大器為圖示：通常函數所加電源電壓為15v，則其動態(tài)范圍約為12v,輸出峰—峰值電壓為24v.采用圖示電路可將動態(tài)范圍擴大一倍，試說明工作原理。（此電路只適用于不接地的負載。即浮動負載情況）。 解：該電路由兩級反相輸入函數組成。第二級輸入是第一級輸出信號。最后輸出是第二級輸出電壓和第一級輸出電壓之差：即： U=-U U=- U= U. U= U—U= U+U 若R=R.則。U=2U。 可見輸出是擴展2倍。 為使電路平衡。 R= R// R. R= R// R= R. 5-6 差分放大電路如圖示。設輸入電壓U為三角波，變化范圍為0～3v,U為0～4v之間變化的方波。試畫出輸出電壓U的波形。并注明電壓變化范圍。 解：該電路是差動輸入運算放大器，輸出電壓與輸入差值電壓成正比， 即：U=代入數據得： 輸出波形如圖解示： 5-6 試畫出一個能實現U=10 U—5 U+0.1 U的求和電路。 解： 由已知可得：=10 =0.1 =5 若令R=100 R=10 則 R===100 R===20 R===10 R= R// R// R=100//100//10=.49.75 R= R// R2// R=10//20//100=6.25 5-7 試求圖示電路輸出電壓U。圖示集成函數均滿足理想化條件。 解：(1).A為及相求和電路，輸出為： U=—（ U+ U+ U） =—（-5mv）+(10mv)+ (-2mv)=-65mv (2)A為同相加法運算電路，電路中同相端的總電阻 R=R// R//R=10K//10K//10K=3.33 反相端的總電阻：R=R//R=10//5=3.33( A反相輸入端為“虛地”) R= R。函數兩輸入端直流電阻平衡，則輸出： U= R（+）=10（+）=－2mv (3)A為差動輸入。實現減法運算，其輸出為同相與反相比例運算的疊加。 5-8. 圖示為一個反相加法電路，運放的電源電壓為12v，此電路能否正常工作，為什么？若不能正常工作，應怎樣修改電路。 解：根據虛短 ，虛斷，虛地，U=U=0，I=I=0則 U=－（ U+ U）=－(100.5+101)=－15v U>電源電壓。不能正常工作。 應改為U=－R=－12.則 R==== 80（）。 可將R改為80。則可以正常工作了。 5-9 反相串聯減法電路如圖示。試推導U與U，U的關系式： 解：A為反相比例運算電路。A為反相加法電路 U=－U U =－R(+) =－R(－) U+) = U—U. 5-10雙運放加減混合運算電路如圖示，請推導出輸出電壓與輸入電壓之間的關系式。 解：U=－（U+U） U=－R（ U+U+U） U= U+U—U—U 5-11．圖示（a）為一積分電路。運放的電源電壓為15v.輸入信號的波形為（b）圖示 （1）試定性畫出輸出信號的波型。 （2）將積分電容改為0.01uF.輸出波形發(fā)生怎樣的變化? 解： （1）U==－=－1000 對于輸入的第一個矩形波：t=0時U=0 t=1ms時U=5v 同樣原理：對于輸入一串矩形波，可以相交輸出矩形為圖示。 （2）若C=0.01uF 當U=0v. U=0v.當U=5v，U=-5000t(v) 當t=1ms, U=-50v.該情況不可能，固為運放電源電壓只有15v. 若輸出電壓最大幅度約為電源電壓-15v，輸出波形為圖示，圖中斜線頂端對應t軸數值為t===0.3ms. 5-12．同相輸入放大器如圖設函數為5Q23.其參數A=5Rid=100 ,R=4,試用反相放大器的分析方法。計算,Rif, Rof. 若函數是理想的，則=？因函數不理想而引起的相對誤差有多大？ 解：若函數是理想的，則， 5-13．圖示電路，設所用器件均具有理想特性，U>0.(1)分別寫出U和U的表達式。（2）指出該電路是何種電路。 解；（1）U=k U U U=A（ U—U） 聯解：U=A（ U—k U U） U= U= 可見U完成乘法運算。U完成除法運算。 5-14 電路如圖，設模擬乘法器和放大器都是理想條件，設電容器上的初始電壓為零，試寫出U，U及U表達式。 解： 5.15用乘法器可對兩個正弦波的相位差進行測量見圖所示電路，設,求u0的表達式和其中直流分量V0的表 5-16圖示一個一階低通有源濾波器電路，設A為理想運算放大器，試導出電路的傳輸函數，并求低通截止頻率。 解： ， 當通帶截止，此時 第6章 波形發(fā)生器 6.1 知識點歸納 本章主要介紹了正弦波發(fā)生器、電壓比較器和非正弦波發(fā)生器電路。 1.正弦波發(fā)生器 （1）正弦波發(fā)生器的組成一般應由放大器，正反饋網絡、選頻網絡和穩(wěn)幅緩解4個部分組成。 （2）振蕩的自激條件為 ， 又可分為振幅平衡條件 和相位平衡條件，起振的幅值條件是。 （3）振蕩頻率是由相位平衡條件決定的。RC串并聯式鎮(zhèn)弦波振蕩器中，振蕩頻率是： ；LC正弦波振蕩器有變壓器反饋式、電桿三端式和電容三端式等幾種，它們的振蕩頻率由諧振回路決定，即。 (4)判斷正弦波振蕩器能否振蕩的一般方法和步驟是： ①觀察電路是否具有放大、反饋、選頻、穩(wěn)幅四個基本環(huán)節(jié)。 ②檢查放大電路是否滿足放大條件，運放的輸入端是否有直流通路，有無放大作用。 ③分析是否滿足相位平衡條件，方法是斷開回路，引進“輸入”，分析反饋信號是否同相，即。 ④在檢查是否滿足幅值平衡條件。 2.電壓比較器 （1）比較器是用來比較輸入信號電壓大小的電路。它的輸入電壓是模擬量，輸出電壓通常只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。 （2）通常用電壓傳輸特性來描述電壓比較器輸出電壓與輸入電壓之間的函數關系。電壓闡述特性具有三個要素：一是輸出高低電平，它決定于集成運放輸出電壓的最大幅度或輸出端的限幅電路；二是閾值電壓，它是使集成運放同相輸入端和反相輸入端電位相等的輸入電壓；三是輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向，它決定于輸入電壓是作用于即晨昏運放的反向輸入端，還是同相輸入端。 （3）單限比較器只有一個門限電壓，雙限比較器和滯回比較器各有兩個門限電壓值。 3.非正弦波發(fā)生器 （1）矩形波發(fā)生器由具有卡關特性的器件（帶有正反饋的滯回比較器），反饋網絡（能把輸出信號恰當的具有開關特性的器件，使其輸出改變狀態(tài)），延時環(huán)節(jié)，為實現時間的延時和所需要的振蕩頻率，常用有源和無源RC電路實現）3個部分組成。在三角波和鋸齒波發(fā)生器中除了上述部分還應加積分環(huán)節(jié)。 （2）判斷非正弦波發(fā)生器起振的條件是：接通電源，開關器件的輸出電壓應迅速為高電平或低電平，在經過一定的延遲時間后，又能使比較器改變輸出狀態(tài)。 （3）分析電路時要注意比較器輸出電壓跳變的臨界條件和RC電路的瞬態(tài)過程，由此來確定肺正弦波的振蕩周期。 學完本章應達到如下要求： 1.熟悉掌握電路產生正弦波振蕩的幅值平衡條件和相位平衡條件，以及RC正弦波振蕩電路的組成、起振條件和振蕩頻率，了解LC正弦波振蕩器的工作原理，理解其振蕩頻率與電路參數的關系，能根據相位平衡條件判斷電路是否可產生正弦波振蕩。 2.正確理解有集成運放構成的矩形波、三角波和鋸齒波發(fā)生電路的工作原理、波形分析和有關參數。 6.2 習題與思考題詳解 6-1. 什么是振蕩器，它與放大器最本質的區(qū)別是什么？ 答：（1）不需要輸入信號，自己就能產生各種周期性波形輸出的電路則為振蕩器。 （2）振蕩器與放大器本質的區(qū)別在于不需要外加輸入信號的激勵。 6-2．正弦波振蕩器由哪幾部分組成。在正弦振蕩器中若無穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，輸出將會出現 什么現象？ 答：（1）正弦波振蕩器由放大電路、反饋網絡、選頻網絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。 （2）沒有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)只能靠放大器中晶體管的非線性來穩(wěn)定輸出信號幅度，輸出 波形會失真。 6-3.RC文氏橋正弦波振蕩器電路如圖，試指出哪個電路能產生自激振蕩，哪個不能，并說明理由。 解： A.根據相位平衡條件，可知，相移=，是負反饋，故無振蕩。 B. 根據相位平衡條件，可知，相移=，是正反饋，可能振蕩。 C. 根據相位平衡條件，可知，相移=，是正反饋，可能振蕩。 D. 根據相位平衡條件，可知，相移=，是負反饋，故無振蕩。 6-4. RC文氏橋正弦波振蕩器如圖： (1).寫出同相輸入端和輸出端的電壓傳輸系數 (2).試分析這一電路中的正負反饋網絡由哪些元件組成 (3).寫出輸出端到同相輸入端的反饋系數 (4).寫出振蕩器振蕩頻率的表達式 (5).根據起振條件，試求的值 (6).為了穩(wěn)定振幅，又使輸出波形不失真，對反饋電阻有什么要求？ 解：（1）= （2）正反饋由RC文氏電橋組成；負反饋由熱敏電阻和電阻組成。 （3） 當時 （4）當，。 （5）起振幅值條件。 即，。 （6）應是具有負溫度系數的熱敏電阻，當流過的電流減小，其阻值增大，當流過的電流增大，其阻值減小，這樣才能起到穩(wěn)幅作用，輸出波形基本不失真。 6-5.圖示RC相移式正弦振蕩器電路，該電路的反饋網絡穩(wěn)幅環(huán)節(jié)分別由哪些元件組成，試分析這一電路產生正弦振蕩的原理。 解：（1）三只電容器C和兩個電阻R組成三級RC相移反饋網絡，兩只穩(wěn)壓二極管、組成穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，輸出電壓幅度為V。 （2）三節(jié)RC網絡在某一頻率下產生相移。而運算放大器輸出經三節(jié)RC相移電路反饋輸入端，而運放相移也是，即，滿足振蕩相位平衡條件，只要放大器有足夠的放大倍數，電路就能振蕩輸出振蕩正弦波形。 振蕩頻率 6-6.LC正弦波振蕩電路如圖示，試判斷它們是否可能振蕩，若不能試修改電路。 答：（A）該電路不能振蕩。電路是變壓器反饋式LC振蕩器，反饋網絡的同名端錯了不應畫在下端，才能使，滿足相位平衡條件，另外，反饋網絡缺少一個隔離電容，使電位經接地，晶體管截止?；鶚O與之間應串接一個隔離電容C。 （B）反饋信號反饋到基極回路形成負反饋，故不振蕩。應改點為電感三點式振蕩器。即將從基極斷開，改接于發(fā)射極。 （C）旁路電容將反饋信號短路到地了，應去掉即可。 （D）將直接接入發(fā)射極，故晶體管截止， 不能振蕩?？稍凇㈤g抽頭線中串接一個隔離電容即可。 6-7.LC正弦波振蕩器如圖，試分別算出回路電容和頻率的變化范圍。 解：當為7PF時、串聯電容最?。? 此時振蕩頻率最大： =4.55MHz 當為270PF時，串聯電容值最大： 。 振蕩頻率為最小值： 所以LC回路總電容的變化范圍為6.8PF----142PF 電路振蕩頻率范圍：4.55MHz---1MHz。 6-8.電路如圖示 （1）應將石英晶體接在哪兩點它才可能產生正弦波振蕩。 （2）接好石英晶體后，試畫出交流通路，并分析其振蕩頻率。 解：（1）石英晶體接在三極管B、C極之間電路才有可能產生振蕩。如圖： （2）該電路是并聯型石英晶體振蕩電路，晶體等效為電感，它與、組成電容三點式振蕩電路，等效電路如上圖所示。 反饋系數 負號表示，