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模拟电路知识要点模拟电路知识要点 电信学院电路与系统教研室电信学院电路与系统教研室 2 第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件 1 1 教学要求 教学要求 本章主要内容包括 PN 结的形成及特性 二极管的恒压降模型与微变等效模 型 稳压二极管的应用 三极管内部载流子运动特点与输入输出特性曲线 1 理解 本征半导体的产生两种载流子的本征激发及其复合现象 空穴导电本质是价电子的移动 杂质半导体的简化模型 PN 结的形成过程 PN 结单向导电性和反向击穿区稳压现象 三极管内部载流子运动 2 掌握 利用 PN 结单向导电性分析二极管的工作状态 二极管的恒压降模型与微变等效模型 稳压管稳压电路的限流电阻 输出电压计算 三极管共射放大电路的输入与输出特性曲线 3 应用 利用三极管三种工作状态的条件和特点 分析三极管放大电路中 的直流电压与电流 1 2 重要知识点 重要知识点 三极管共射放大电路的输入与输出特性曲线 c I B I E I EP I EN I BN I CBO I CN I bc E be E B R BB V CC V C R 三极管共射放大电路的输入输出特性曲线需结合内部载流子运动理解三极管共射放大电路的输入输出特性曲线需结合内部载流子运动理解 输入特性曲线考查 iB与 uBE的关系 其中 UCE为参变量 UBE UON UCE 0 时输入特性曲线就是一个二极管的 UI 曲线 随着 UCE增加 集电结电场变强 集电区吸 收自由电子能力变强 基区复合减弱 在 UBE不变的 条件下 UCE增加 IB 减小 输入曲线右移 UCE增 加到一定值后 几乎所有自由电子收集到集电区 输 入曲线重合 3 三极管三个工作区的条件与特点 工作状态 条件 特点 截止区 UBE UON bc 结反偏 UCE UBE IC IB 电流控制电流源 UCE适中 饱和区 be 结正偏 UBE UON bc 结正偏 UCE UBE 随着 IB和 UCE的增加 IC迅速增加 实际放大电路进入饱和区 UCE很小 1 3 典型习题 典型习题 例例 1 电路如图 电路如图 1 所示 稳压管的稳定电压所示 稳压管的稳定电压 UZ 6V 最小稳定电流最小稳定电流 IZmin 5mA 最大稳定电流最大稳定电流 IZmax 25mA 试求 试求 1 UI分别为分别为 10V 15V 35V 时时 UO 2 若 若 UI 35V 时负载开路 则会出现什么现象 为什么 时负载开路 则会出现什么现象 为什么 分析 本题考查稳压管的稳压条件 1 IZIZmax 则 DZ可能因过流过热烧毁 3 IZmin IZUImax DZ过流过热烧毁 当 UI UImin DZ截止 UO为电阻串联分压 输出特性曲线考查 iC与 uCE的关系 其中 iB为参变量 1 UBE UON UCE UBE 时 UCE足够大 IC只受 IB 控制 与 UCE无关 IC IB 管子处于线性区 3 UBE UON UCE UBE 此时 发射区发射载流子有 余 而集电结正偏 电场不够强 收集载流子能力 不足 表现为 IB增加而 IC基本不变 4 UImin UI UImax DZ稳压 UO UZ 解 1 假设 DZ稳压 则 IRZ UUU Z IminZminZ 6 5 1 623 0 5 L U UIRUV R Z ImaxZmaxZ 6 25 1 643 0 5 L U UIRUV R 故当 I 10 V15 VU 时 L ZOI L D R UU RR 工作在反向截止区 O 3 33V5VU 分别为和 当 UI 35V 时 UO UZ 6V 2 RUUI ZIDZ 29mA IZmax 25mA 稳压管将因功耗过大而损坏 例例 2 电路如图所示 电路如图所示 T 为硅管 为硅管 50 UCES 0 7V 当当 VBB 0V 1V 3V 时 求时 求 T 分别工作在何种状态及相应的分别工作在何种状态及相应的 UO 分析 本题考查共射放大电路中三极管工作状态的条件和特点 若 UBEUCES则假设成立 管子工作 在放大区 UO UCE 如果 UCE UCES则假设不成立 管子处于饱和区 0 UOUON T 导通 只可能处于放大区或饱和区 先求出 T 处于临阶饱和时的集电极饱和电流 ICS 后假设 T 处于放大区 再求出 IC 若 IC ICS则 T 处于饱和区 否则处于放大区 T 处于临界饱和状态时 UCE UBE 0 7V CCCE CS C 120 7 11 3 A 1 VU Im RK VBB 3V时 CBCS 23 A 11 3IImImA 故 T 已处于饱和区 CBO 0 7V CES UIIU 不成立 6 例例 3 电路如图所示 已知 ui 5sin t V 二极管导通电压 UD 0 7V R 取值合适 分析讨论在输入信号的整个变化过程中 D1 D2 的导通情况及输出电压 uO 画出 ui与 uO的波形 并标出幅值 1 先定最下面的节点为参考点 地 由电路可知 D1 的 N 区电位为 3V D2 的 P 区电位为 3V 要使二极管能够导通 要使二极管能够导通 P 区电位至少高于区电位至少高于 N 区电位区电位 0 7V 2 分区讨论 D1 D2 的导通情况 以确定输出电压 a 当 ui 3 7V 时 D1 正向导通 D2 反偏截止 D2 支路相当于断开 ui 3 7V b 当ui 3 7V时 D2 正向导通 D1反偏截止 D1支路相当于断开 ui 3 7V c 当 3 7V ui 1 深度负反馈 由于在深度负反馈 净输入量xd相对于反馈量xf可忽略不计 即xd 0 ud uP uN 0 虚短 uP uN id 0 虚断 iP iN 0 实际上 虚断一直成立 原因 运放输入电阻很大 7 3 典型习题 典型习题 一 电路中运放A1 A2均为理想运放 采用 15V的双电源供电 1 A1 A2分别为何种运算电路 2 求出uo1和uo与ui1 ui2和ui3的运算关系 3 t 0时刻 输出uo 0 给定如下输入波形 试画出uo1和uo的波形 ui2 2 t ms 2 V ui1 3 t 12345 ms 3 V 12345 ui3 2 t ms 2 V 12345 1 A1加减电路 A2积分电路 25 2 运算关系 A1同相端和反相端电阻满足平衡条件 则可直接写出uo1的表达式为 321 1 321 1321 22 iii of oiii uuu uR RRR uuuu uo是对uo1的积分 则根据电路有 11 00 1 0 200 tt oooo u tu dtuu dt RC 3 波形 111 0 3 13 1 200200 0 1 200200 3 1 100 6 t oOo OO u tut dtu t ttms utu tV 根据对称性 可画出全部波形 二 电路中运放 A1 A2 均为理想运放 采用 12V 的双电源供电 1 求出 uo与 ui运算关系 2 t 0 时 uo 0 且 ui由零跃变为 2V 试求 uo由零上升到 5V 所需要的时间 c u t 1 A1 满足静态平衡条件 故有如下运算关系 2 1 1 1 oi o oi f o u tu t R RR ut utu tu t 对 A2 由虚断有 4 Rc iti t 即 1 4 cco u tdu t C Rt u d t 26 对 A2 由虚短有 oc u tu t 则有 o 4 1o o u tdu t C Rt u d t 4 io u tdu t C Rdt 0 4 1 10 0 t oiio u tu t dtu t dtu R C 注意单位 注意单位 R单位为欧姆 单位为欧姆 C单位为单位为F uF 10 6F t单位为单位为s 2 时间 10 10 2 5 0 25 oi uuttV ts 三 如图所示电路中运放A1 A2均为理想运放 已知R1 R2 25k R3 R4 60k R5 30k C 10 F 1 求uo与ui的运算关系 2 设t 0时uo 0 且ui由零跃变为 1V 试求uo由零上升到 4V所 需要的时间 1 在电路图中标出电容电压的参考方向 并按关联参考方向标出其电流方向和 R1上的电 流方向 由图可知 A2为同相比例电路 故其输出 3 4 2 1 oo R R uutt 而A1引入负反馈 故满足 虚短 虚断 则A1的反向输入端电位为0 且R1上电流与电容C的电流相等 按标出的电流参考方向则有 27 2 1 0 oic u tuu tdd CC Rdtt t d 即 3 14 1 1 o i Rdu t u t RCRdt 则 0 3 1 4 1 0 1 t oio u tu t dt u R RC R 因为 输出初值 uo 0 0 代入数据 0 2 t oi u tu t dt 2 t 0时uo 0 ui由零跃变为 1V 设uo由零上升到 4V所需要时间为T 则 0 2 2 1 4 T oi u Tu t dtT 因此 T 2s 第八章第八章 波形的发生和信号变换波形的发生和信号变换 8 1 教学要求 教学要求 1 掌握正弦振荡电路基本组成结构 起振条件和平衡条件 2 掌握RC正弦振荡电路的原理 振荡频率计算和热敏电阻稳幅原理 3 掌握常用电压比较器的结构和工作原理 分析滞回比较器的阈值电压 画其电压传输特性 并根据输入波形 画出对应的输出波形 8 2 重要知识点 重要知识点 1 正弦振荡电路的起振条件 n AF AF1 2 幅度条件 相位条件 2 正弦振荡电路的平衡条件 n AF AF1 2 幅度条件 相位条件 3 实用正弦振荡电路的基本组成部分 选频网络 只有一个频率满足振荡条件 选频网络 只有一个频率满足振荡条件 放大电路 合理的放大电路 合理的 Q 点 足够的增益 点 足够的增益 反馈网络 正反馈 反馈量充当输入量 反馈网络 正反馈 反馈量充当输入量 稳幅环节 幅值稳定 保证波形良好 稳幅环节 幅值稳定 保证波形良好 4 RC 串并联选频网络的频率特性 28 1 1 3j o i u F u RC RC 当当 1 RC 即 即 1 2 f RC 时 串并联选频网络呈纯阻性 此时时 串并联选频网络呈纯阻性 此时 F 最大为最大为 1 3 且相移为 且相移为 0 5 电压比较器 比较两路电压的大小 比较结果用高低电平指示 常用于信号整形 将不规则的波形转 换为规则的方波 构成 运放 电阻 稳压管 分类 一般单限比较器 滞回比较器和窗口比较器 运放工作状态 开环或正反馈 单限比较器运放工作在开环状态 滞回比较器工作在正反馈状态 单限比较器抗 干扰能力差 在门限电平附近的干扰会导致错误的输出结果 而滞回比较器由于具有 单限比较器运放工作在开环状态 滞回比较器工作在正反馈状态 单限比较器抗 干扰能力差 在门限电平附近的干扰会导致错误的输出结果 而滞回比较器由于具有 2 个门限电平 具有较强的抗干扰能力 个门限电平 具有较强的抗干扰能力 由于电压比较器中 运放工作在非线性区 运放不满足 虚 短 但当输出发生跳变时 必然要经过线性区 因此 在输出发生跳变时刻 运放仍满足 虚 短 由于电压比较器中 运放工作在非线性区 运放不满足 虚 短 但当输出发生跳变时 必然要经过线性区 因此 在输出发生跳变时刻 运放仍满足 虚 短 电压传输特性 电压比较输入电压与输出电压的关系 电压传输特性 电压比较输入电压与输出电压的关系 阈值电压 当运放输出发生跳变时 阈值电压 当运放输出发生跳变时 Uz Uz 或或 Uz Uz 此时对应的输入信号 此时对应的输入信号 ui的电压值为阈值电压 的电压值为阈值电压 阈值电压的求解步骤 阈值电压的求解步骤 a 根据电路 写出 根据电路 写出 Up 和和 Un 的表达式 适当运用叠加定理 的表达式 适当运用叠加定理 b 令 令 Up Un 解出此时 解出此时 ui的电压值 即为阈值电压的电压值 即为阈值电压 8 3 典型习题 典型习题 一 如图所示电路中A为理想运放 采用 15V双电源供电 R取值合适 1 试求出该电路的阈值电压 2 画出电路的电压传输特性 3 试根据输入波形画出输出波形 29 1 该电路为滞回比较器 其阈值电压为 6 3 1 6 3 2 21 1 21 2 ZREFP iN U RR R U RR R u uu 当 uP uN时 输出发生跳变 此时的 ui就是 UT 故 UTH 6V Uo Uz 时 时 UTL 2V Uo Uz 时 时 2 传输特性 输入电压与输出电压的关系曲线输入电压与输出电压的关系曲线 运放工作在正反馈状态 其输出端电压必为 Uom 经稳压管稳压后 滞回比较 器输出电压要么为 Uz 要么为 Uz 因此 运放同相端电压必为 UTH或者 UTL 1 当输入 ui UTH时 必然有 uN ui up 无论无论 up是是 UTH还是还是 UTL 即运放反相端电位高于同相端电位 因此 uo Uz 2 同理 当输入 ui UTL时 必然有 uN ui up 无论无论 up是是 UTH还是还是 UTL 即运放反相端电位低于同相端电位 因此 uo Uz 3 UTL ui UTH时 时 若之前若之前 Uo Uz 时时 则则 up UTH 则此时 则此时 uN ui up UTL 则则 Uo Uz 综上 可画出电压传输特性曲线如下图所示 30 传输特性 输出波形 根据传输特性 很容易画出在