X012习题课解答清华大学电子电路与系统基础

电子电路与系统基础习题课第十二讲1、第十周作业讲解2、晶体管放大器实验电路说明李国林清华大学电子工程系习题课第十二讲大纲第十周作业讲解BJT分段折线法分析晶体管放大器实验电路说明李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季2作业1NPN和PNP李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季3基极BASE发射极EMITTER集电极COLLECTORNPNPNP集电极COLLECTOR发射极EMITTER基极BASEIBVBEVCEICBCEQBCEEIBVEBVECICBECBCEEQ列表对比（1）结构，（2）电路符号，（3）二端口定义（4）有源区元件约束，（5）分段线性电路模型李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季4NPNPNP结构电路符号二端口定义有源区元件约束基极BASE发射极EMITTER集电极COLLECTORNPNPNP集电极COLLECTOR发射极EMITTER基极BASEIBVBEVCEICBCEQBCEEIBVEBVECICBECBCEEQNACEVVNBSJNCVVNBSJBVVEJAIEJAITBETBE,0,0111PAECVVPBSJPCVVPBSJBVVEJAIEJAITEBTEB,0,0111二端口定义截止区有源区饱和区NPN电路符号端口描述BE结反偏，BC结反偏BE结正偏，BC结反偏BE结正偏，BC结正偏PNP电路符号端口描述EB结反偏，CB结反偏EB结正偏，CB结反偏EB结正偏，CB结正偏李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季5IBVBEVCEICBCEEIBVEBVECBCEEIB0VBEVCEIC0IBVEBVECICBCEEBEIBIC0NIB0RCE07VIB0EBIBIC0PIB0RCE07VIB0CCICICIBVBE07VVCE02VICIBVEB07VVEC02VICEBCEEEEEBC0,00,70CCEBBEIVIVV0,00,70CECBEBIVIVVBNCSATCECEBBEIIVVIVV,0,70,BPCSATECECBEBIIVVIVV,0,70,BNCSATCECEBBEIIVVIVV,0,70,BPCSATECECBEBIIVVIVV,0,70,CCEBBEIVIV,CECBEBIVIV,作业2分立PNPBJT的直流偏置李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季6VCC12VRCRBVCC12VRERB2RC0RB1VCC12VRCRBPTTT15040068K36M18M150K68K50K47K20K分析上述三个电路的BJT的直流工作点ICVEC（1）确认工作在恒流区；（2）说明负反馈可以稳定直流工作点一般偏置并联负反馈偏置串联负反馈偏置分压偏置李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季7VCC12VRCRBT15040068K36M一般偏置BICIAMRVIBCCAAAIIBC2561471143400150VVVKMAAVRIVVCCCCEC204638085482031286256147112假设在恒流区确认在恒流区但工作点不确定对灵敏度过高这种偏置仅做原理性分析使用实际电路大多不采用这种结构李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季8VCC12VRCRBPT18M68K并联负反馈偏置150400AAKMRRVVIVIRIRVCBPEBCCBCCBCBBPEB5020048640115181701211MAAIIBC99806000502004400150VVVKMAVRIVVCBCCEC20195897816114128600116040121假设在恒流区确认在恒流区工作点确定性提高对灵敏度仍较高BIBCII9VCC12VRERB2RC0RB1TVCC12VRERBRC0TVBB150K50K47K20K串联负反馈偏置分压偏置VVRRRVCCBBBBB91250150150211KKKRRRBBB53750|150|21BBBBEBEBCCVRIVRIV1AKKRRVVVIBEEBBBCCB7427765372401151709121150400MAAIIBC101021742776400150VVRIRIVVCBEBCCEC2065418510假设在恒流区确认在恒流区工作点确定性很高对灵敏度低BI1BIBI负反馈导致稳定性提高李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季10VCC12VRCRBVCC12VRERB2RC0RB1VCC12VRCRBPTTTMAIC25614710VVEC463808MAIC99806000VVEC195897MAIC101021VVEC654185150400原因在于负反馈导致灵敏度降低李国林电子电路与系统基础11VCC12VRCRBVCC12VRERB2RC0RB1VCC12VRCRBPTTTBCCCRVI70CBPCEBCCCRRRVVIBEEEBBBCCCRRRVVVICCIIISC1CIS4703008681863008681KMKKMRRRRRSCBPCCBPIC1504003000620300253723002537KKKKKRRRRRSEBEEBIC131602K设计准则12VCC12VRERB2RC0RB1TVCC12VRERBRC0TVBBBEEEBBBCCCRRRVVVIBERR1EEBBBCCCRVVVI直流电流近似和无关负反馈电阻足够大或基极电阻足够小1EBEEBIRRRRRSC作业3电流镜电流反向李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季13T2T1IOUTIINIC2IINIOUTIINIIN设计电路使得流出电流等于流入电流电流镜是反相电流放大器李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季14T2T1IOUTIC2IIN12101202122112111112JJACEVVBSJACEVVBSJCCBBCCINOUTAAVVEJAVVEJAIIIIIIIITBETBE足够大VA足够大，或者等效输出电阻RCE足够大电流增益则几乎完全由物理尺寸决定两个反相放大级联则为同相放大李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季15T2T1IOUTIC2IINT3T4IC3IC4VDDINJJJJCJJJJCJJCJJCOUTIAAAAIAAAAIAAIAAII1234112342343344同相电流放大器假设所有晶体管都工作在恒流区交流小信号等效电路16T2T1IOUTIC2IINT3T4IC3IC4VDDB1C1B2C2E1E2C3B3B4C4E3E41BER1CER11BEMVG22BEMVG2BER2CER3CER33EBMVG3BER4BER44EBMVG4CERB1C1B2C2E1E2C3B3B4C4E3E41BER1CER11MG22BEMVG2BER2CER3CER3BER4BER44EBMVG4CER31MG交流小信号电流增益李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季17B1C1B2C2E1E2C3B3B4C4E3E41BER1CER11MG22BEMVG2BER2CER3CER3BER4BER44EBMVG4CER31MGT2T1IOUTIC2IINT3T4IC3IC4VDDSRLRSILI21112|1|BEBEMCESSBERRGRRIV43332224|1|BEBEMCECEBEMEBRRGRRVGVSJJJJSCCCCSMMMMSMMMMSBEBEMCESBEBEMCECEMMCELLEBMCELLLIAAAAIIIIIIGGGGIGGGGIRRGRRRRGRRGGGGGVGGGGI1234102030401234132421114333224444411|1|1|INR123404JJJJICEOUTAAAAARR作业4NPN反相器李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季18VCCRCRBTVOUTVIN用分段折线模型分析，画出其反相特性曲线图解法示意李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季19VCCRCRBTVOUTVINVOUTICVINVCCVIN很小时，晶体管饱和导通，输出电压为电源电压减饱和电压VIN较大时，晶体管截止，输出电压为0VIN适中，晶体管恒流导通，输出电压随输入电压增加而下降反相特性源加晶体管有源网络负载电阻无源网络CCOUTRIVCIECCCOUTVVVBBEBCCINRIVVVVBIBVCCOBCCBEBBBVVFVFIBBINBRIVVOUTCCBCECBCCVVIFVIFI,PNP截止李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季20VCCRCRBTVOUTVIN0,70EEBIVVVVVINCC7070CCINVVVCCRCRBTVOUTVIN0OUTVPNP恒流导通李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季21VCCRCRBTVOUTVINVVIIIVVECBCBEB20,0,70VVVINCC7070CCINVVVCCRCRBTVOUTVINIC0PIB007VIB0INBCCCBCCBINCCOUTVRRVRRRRVVV7070VVVVOUTCCEC2020CCOUTVV0700BINCCBRVVIPNP恒流导通与饱和导通分界李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季22207070,CCSATECCCINBCCCBCCBINCCOUTVVVVRRVRRRRVVV则进入饱和导通区70CCINVV则进入导通区恒流导通前提BCCCCCINCCRRVVVV207070BCCCCCINRRVVV2070恒流导通输入电压范围PNP饱和导通李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季23VCCRCRBTVOUTVINVCCRCRBTVOUTVIN07VIB002VVVIIIVVECBCBEB20,0,70BCCCCCINRRVVV2070020700CCCBINCCBRVRVVI0020CCCCBIRVI20CCOUTVV分段折线反相特性李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季2470700207070207020CCCCININBCCCCCINBCCCBCBCCCCCINCCOUTVVVVRRVVVRRVRRRRVVVVVINVOUTVCCVCCVSATECCCVV,VCCRCRBTVOUTVINONEBCCVV,BCRR斜率饱和导通恒流导通截止晶体管线性放大区在恒流区作业5负反馈（附加题）附加题说明这是一个串并负反馈连接方式，故而形成的是接近理想的压控压源给出两个网络的二端口网络参量串并连接H相加H求逆得G接近理想压控压源G11,G22,G120G21由反馈网络决定李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季25FVOUTVINV2R1R0VA线性电阻反馈网络晶体管网络VEVFVO串并负反馈VIN串并连接关系李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期26FVOUTVEVINV2R1R0VA串联2R1RIROREVVA0并联EVFVINVOUTV同相放大器输入点和反馈点不是一个点，是为串联输出点和反馈接入点是一个点，是为并联串并连接H参加李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季27串联2R1RIROREVVA0并联EVFVINVOUTVOOIVIAAGGRAR010GHOVIARAG00G电压放大器最适参量G矩阵串并连接H相加2121121121211RRRRRRRRRRRRRH21211021121211RRGRRRGRARRRRRRRROOIVIRAAFHHH开环放大与理想反馈的分解李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季28FAOVOUTOUTINVOINOOIVIOOIVIRAAFFGGRARRRRRRGRRRGRARRRRRRRGRRRGRARRRRRRRRHHHHH000000010121121211021212121102112121开环放大器理想反馈网络开环放大与理想反馈的分解电路模型李国林电子电路与系统基础29开环放大器理想反馈网络2R1RIROREVVA0EVFVINVOUTV21|RRIROG10IGRAOIVEVFVINVOUTV1I211RRR21RR2V1I2V21|RRRI211RRGO10IGRAOIVEVFVINVOUTV1I211RRROUTVOUTV原始放大器电阻反馈网络H参量等效电路开环与闭环李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季30FAOVOUTOUTINVOINRAAFFGGRARHHHHH0000串并连接检测输出电压，形成反馈电压，从输入电压扣除反馈电压形成误差电压，作用到开环放大器后，稳定输出电压形成压控压源电压放大G最宜线性电阻反馈网络晶体管网络VEVFVO串并负反馈VINOUTVOINAOAORAG01HG开环放大器输入电阻RIN，输出电阻ROUT，电压增益AVOAOVVOOUTVOINVVOOUTVOOUTINVINVVOAFAFFARAGFARARGFGFAGHG11011111闭环放大器输入电阻RINF增加，输出电阻ROUTF减小，电压增益AVF减小满足单向化条件单向化条件李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季311I2IG1V2VSVSRLRLVLLSSLSLSSLRGRGGGGGGRGGGRGGVVH2211211221221121双向网络传递函数单向网络传递函数单向化处理条件LSRGGGGG22111221闭环放大器视为单向网络的条件李国林电子电路与系统基础32AOVVOOUTVOINVVOOUTVOOUTINVINVVOAFAFFARAGFARARGFGFAGHG11011111LSRGGGGG22111221LVVOOUTSVVOINVVOOUTINVVVOVORFARGFAGFARGFFAA1111通常情况下VVOOUTOUTFLVVOININFSFARRRFARRR11INFOUTFVVOVVOOUTINVVVOVOSLRRFAFARGFFAARR11闭环放大器李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季33满足单向化条件VVOOUTOUTFLVVOININFSFARRRFARRR11INFOUTFVVOVVOOUTINVVVOVOSLRRFAFARGFFAARR11AOVVOOUTVOINVVOAFFARAGFAGG11011VVVOVOVFVVOOUTOUTFVVOININFFFAAAFARRFARR1111INFRINVFVAINVOUTVOUTFR深度负反馈条件数值例34FVOUTVINV2R1R0VA1K9KRI2MRO75AV02000007511033502090MGGRAROOIVIAHKRRRRRRRRRRRRR10110109001212112112121H751103351029MRAAFHHHAAOHH运放本身就是电压放大器，反馈网络的负载效应很弱，原始放大器可以直接视为开环放大器，电阻反馈网络只提供理想反馈系数120000VVOFATGTRRININF401输入端可视为开路003701TRROUTOUTF输出端内阻可视为01201110999591RRFTAAVVVF电压增益几乎等于反馈系数的倒数该电路实现的是接近理想的压控压源，控制系数由反馈网络决定典型值运放电路同相放大与反相放大李国林电子电路与系统基础INV1R2RINOUTVRRV121同相放大电路INV2R1R0VAOUTV清华大学电子工程系2013年春季35INOUTVRRV12INV1R2R反相放大电路并并连接关系36OUTV2R0VA并联FRIRORIVVA0并联INIOUTVIVINI并并负反馈连接检测输出电压，形成反馈电流，从输入电流中扣除反馈电流，得到的误差电流流过开环放大器，控制输出电压，使得输出电压稳定接近理想的流控压源线性电阻反馈网络晶体管网络IINIFIEVO扩展例解输入点和反馈点为一点输入并联输出点和反馈接入点为一点输出并联电子电路与系统基础习题课李国林清华大学电子工程系2011年春季37OOVIAGGAG00Y并联FRIRORINVVA0并联EIFIINIOUTVINV并并连接Y相加FFFFRGGGGYFOFOVFFIRAAFGGGGAGGG0YYYFGIGOGINOVVGA0INIOUTVINVOUTFVGINFVGFGY参量等效电路李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期38OOVIAGGAG00YFFFFRGGGGYFOFOVFFIRAAFGGGGAGGG0YYYFIGGFOGGINFOVVGGA0EIFIINIOUTVINVOUTFVG分解为开环放大器与理想反馈网络OUTV理想反馈网络李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期3900000000000FOUTOUTINMINFFOFOVFIFOFOVFFIRAAFGGGGRGGGGGGAGGGGGGAGGGYYY12元素和21元素必然一正一负，这是负反馈的标记开环跨阻放大器李国林电子电路与系统基础40FIINGGGFOOUTGGGFOVOUTINMMGGAGGRG000INIOUTVINVINROUTRINMIR0INIOUTVOUTMINAOAOOUTOUTINMINAORRRGGGRG01000YZY2211210YYYRM开环跨阻增益闭环跨阻放大器李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季41FAOFOUTOUTINMINRAAFGGGGRGYYYYY00000AOFMOUTMINFMOUTMOUTINFINFMAFAFGRRRRGRRRRRGRGRZYZ0000011101111FFMMMFFMOUTOUTFFMININFGGRRRGRRRGRRR11110000单向化近似条件深度负反馈条件负反馈的标识一正一负负反馈的标识1T而非1T运放并并负反馈，近似为理想跨阻器电子电路与系统基础习题课李国林清华大学电子工程系2011年春季42INIINVOUTVOUTFRINMFIROUTVFRINI0VAINIAOFMOUTMINFMOUTMOUTINFINFMAFAFGRRRRGRRRRRGRGRZYZ0000011101111FFMMMFFMOUTOUTFFMININFGGRRRGRRRGRRR11110000INFR数值例43OUTVFRINI0VA10KRI2MRO75AV0200000典型值MSSSGGAGOOVIA313266705000YMSMSMSMSGGGGFFFFR10101010YFAOFOOVFOOVFFFOFOVFFIRAAFGGGAGGGAGGMSSMSMSGGGGAGGGYYYYY000041326671010050000运放为电压放大器，而并并负反馈形成的是跨阻放大器，两者并不相符，故而开环放大器中存在反馈网络的负载效应电阻反馈网络不仅提供反馈系数，还对开环放大器阻抗产生极大影响OMFOFVFAOAORRRRRAR00100YZFVMOOUTFINRARRRRR00FFGG开环放大器不同于原始放大器闭环跨阻放大器等效电路李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季44OUTMINFMAFAFRRRGR001011YZFFGG1200000000VFFVFMAGRAGRTFVMOOUTFINRARRRRR00FFFMMMFFMOUTOUTFFMININFRGKKKGRRRGRRRKGRRR1109999592000011020000010003702000017510502000011010000输入阻抗近似短路输出电压源内阻近似为0闭环增益几乎完全由反馈网络决定，近似等于反馈系数的倒数反相放大器等效电路李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年45OUTVINV1R2RINV1RINININOUTVRRRVRIRV12122INIR2INI0OUTFR0INFR负反馈连接方式判断方法FINEIII输入端并联反馈点和输入点为一点FINEVVV输入端串联反馈点和输入点不是一个点INVOUTVF输出端并联输出点和反馈接入点为一点LROUTV输出端串联输出点和反馈接入点不是一个点OUTIFOUTIFFOUTVLRFFINI扩展分析2、晶体管放大器实验电路说明实验六单管放大电路实验目的掌握放大电路直流工作点的调整与测量方法掌握放大电路主要性能指标的测量方法了解直流工作点对放大电路动态特性的影响掌握发射极负反馈电阻对放大电路性能的影响了解信号源内阻RS对放大电路频带（上限截止频率FH）的影响李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季47实验电路李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季48VCCRCRB1RE2RB2TRSVSRLVLCCCECBRE1RW12V20K15K33K2005051K1K47F10F10F100K器件功能描述李国林电子电路与系统基础49VCCRCRB1RE2RB2TRSVSRLVLCCCECBRE1RW直流偏置电压源，为晶体管放大器提供电能供给分压偏置电路，使得晶体管位于恒流区串联负反馈电阻，用于稳定直流工作点旁路电容，高频短路，降低负反馈作用，提高晶体管高频增益交流负反馈电阻，使得交流增益更加稳定电位器，用于调整直流工作点保护电阻，电位器调整过程中确保晶体管PN结不会过流集电极偏置电阻，决定工作点和交流增益输出回路耦合电容，耦合放大器信号至负载电阻负载电阻，吸收放大器输出电能，接收放大器放大处理后的信号输入回路耦合电容，耦合信源信号至放大器电路信号源，提供信号激励晶体管能量转换器件，恒流区晶体管具有吸收直流偏置电压源功率并将其转换为交流信号功率的能力放大电路电压增益的幅频特性频率由低到高，逐点测试正弦激励下放大电路的增益，可以获得确认电压增益是频率的函数称之为电压增益的幅频特性李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季50F（对数坐标）A0A理想放大器放大倍数和频率无关实际放大器放大倍数和频率有关，为什么LMVRGA3DB高端频点构成放大电路的晶体管中包含寄生电容这些电容很小（PF,FF量级），在比较低的频率下，它们均可视为开路，放大电路分析无需考虑它们的影响但是在频率很高时，它们将呈现高频短路特性，破坏晶体管放大器的高频放大能力，使得晶体管高频增益下降正弦波高频信号放大增益下降3DB的频点定义为FH李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季51F（对数坐标）ABW0A07070A低频段中频段高频段DBLF3,DBHF3,晶体管寄生电容导致3DB低端频点分立元件构成的放大电路中一般有隔直电容隔离信源、放大器和负载，使得这三者的直流工作点调试各自独立，互不影响隔直电容很大，它们具有直流开路（隔直），交流短路特性，对于正常交流信号，可以从前一级直通到后一级从直流开路到交流短路的过程不是突变而是渐变过程，定义正弦波低频信号放大增益下降3DB的频点为FL放大器带宽BW3DBFHFL李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季52F（对数坐标）ABW0A07070A低频段中频段高频段DBLF3,DBHF3,晶体管寄生电容导致耦合电容、旁路电容导致寄生电容和耦合电容53VCCRCRB1RE2RB2TRSVSRLVLCCCECBRE1RWBECCECBCCBCEBEMVGBEVBERCERCRLROUTVBRSRSVBCCC2EREC1ERBCCBECCECCB大电容低频信号过不去FL以上信号可过CC大电容低频信号过不去FL以上信号可过CE大电容低频信号负反馈重，电压增益很低FL以上负反馈轻，电压增益很高CBC小电容FH以下视为开路高频视为短路，压控流源变电阻CBE小电容FH以下视为开路高频视为短路，压控流源控制电压为0CCE小电容FH以下视为开路高频视为短路，压控流源输出电流短接，无法加至负载放大器幅频特性李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年秋季学期54F（对数坐标）ABW0A07070A低频段中频段高频段DBLF3,DBHF3,被抽象为电阻电路，不考虑电容影响耦合大电容短路，寄生小电容开路增益、输入电阻、输出电阻均与频率无关放大器模型参数测试在此中频频段三个寄生电容很小，只有在很高的频段上才能使得压控流源失去作用CBE使得压控流源控制电压为0CBC使得压控流源变电阻CCE使得压控流源输出电流不输出故而高频以后电压增益下降耦合电容和旁路电容，低频开路CB隔断直流从信源到放大器的通路大电容，稍高频率则短路直通CC隔断直流从放大器到负载的通路大电容，稍高频率则短路直通CE使得直流深度负反馈，电压增益很低大电容，稍高频率则负反馈减轻由三个大电容决定此频点哪个电容两端的等效电阻R小，RC最小的哪个电容影响力最大由三个寄生小电容决定此频点哪个电容两端的等效电阻R大，RC最大的哪个电容的影响力最大FL几乎由CE决定李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季55VCCRCRB1RERB2TRSVSRLVLCCCECBRWBECCECBCC47UF10UF10UF对FL的影响力最强烈2PF2PF70PF改变CE，可以方便观测FL的变化低频端寄生电容近似开路FHCBE和CBC影响力最强李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季56BCEBEMVGBEVBERCERCRLROUTVBRSRSVBCCBECCECSBBEBERRRR|BESBBEBEBEBECRRRCR|LCCECERRRR|CELCCECECECECRRRCR|CEBEMCEBEBCRRGRRRBCBCBCCR2PF2PF70PF对FH的影响力最强烈对FH的影响力次强烈改变RS，可以方便观测FH的变化高频分析时，耦合大电容已经短路直流工作点的影响直流负载线李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季57VCCRCRB1RERB2TRSVSRLVLCCCECBVCCRCRB1