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模拟电子技术基础学习指导模拟电子技术基础学习指导 电路与系统教研室电路与系统教研室 前 言 前 言 本学习指导目的是强调教学中的重难点 通过对华成英 童诗白老师主 编的 第五版中部分课后自测题和习题的详细解答 起 到巩固知识点的作用 由于时间关系 解答还不够全面 希望能够对模拟电子技术基础的学习 起到一定促进作用 如有需要今后再增加补充 欢迎大家提宝贵意见 因水平有限 本习题解答中难免有理解不妥和错误之处 欢迎指正 E mail rwg1980 2009 9 目目 录录 第一章 常用半导体器件 1 1 1 教学要求 1 1 2 重要知识点 1 1 3 典型习题 3 第二章 基本放大电路 6 2 1 教学要求 6 2 2 重要知识点 6 2 3 典型习题 8 第三章 多级放大电路 13 3 1 教学要求 13 3 2 重要知识点 13 3 3 典型习题 15 第四章 集成运算放大器 18 4 1 教学要求 18 4 2 重要知识点 18 第六章 放大电路中的反馈 19 6 1 教学要求 19 6 2 重要知识点 19 6 3 典型习题 20 第七章 信号的运算和处理 20 7 1 教学要求 20 7 2 重要知识点 20 7 3 典型习题 20 第八章 波形的发生和信号变换 20 8 1 教学要求 20 8 2 重要知识点 20 8 3 典型习题 20 第十章 直流电源 21 10 1 教学要求 21 10 2 重要知识点 21 10 3 典型习题 21 说明 21 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 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 输入电压计算 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 1 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 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 特别注意特别注意UCE对集电结的影响 对集电结的影响 当当UBE UON be结正偏 若结正偏 若UCE 0 则则CE短路短路 bc结也正偏 结也正偏 此时三极管相当于两个二极管 此时三极管相当于两个二极管 PN 结结 并联 并联 虽然 bc 结正偏 其宽度变窄 但集电区多子 自由电子 基本上无法扩 散到基区 原因是 be 结也正偏 发射极高掺杂 大量发射区多子 自由电子 扩散到基区 而 bc 结正偏变窄 集电区吸收自由电子能力弱 加上基区掺杂 浓度低 其多子空穴相对发射区扩散过来的自由电子数目少 复合慢 从而造 成基区自由电子浓度大 甚至大于集电区自由电子浓度 所以集电区多子 自 由电子 无法进行扩散运动 Ic 为 0 bc 结相当于截止 只有 be 结起作用 输入特性曲线就是一个二极管的 UI 曲线 特别注意 特别注意 UCE 0 Ic 0 对应输出曲线的原点 在输出特性曲线中 原点 处的IB是任意的 此时IB IE其大小由uBE决定 见输入特性曲线UCE 0 的曲线 在输出特性曲线中的每一条线 IB保持不变 UCE增加 由输入特性可知 uBE必须增加 集电结电场逐渐变强 IC增加很快 当UCE增加到一定值后 集 电结反偏电场足够强 已把几乎所有电子收集到集电区 IC不再增加 2 三极管三个工作区的条件与特点 工作状态 条件 特点 IC IB 0 截止区 UBE UONIC IB B 放大区 bc结反偏 UCE UBE电流控制电流源 be结正偏 UBE UON随着IB和UCE的增加 IC迅速增加 饱和区 bc结正偏 UCE 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 集电结电场变强变宽 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 U B CE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 输出特性曲线考查iC与uCE的关系 其中iB为参变量 B 1 UBE UON UCE UBE 时 UCE足够大 IC只受IB控 制 与U B CE无关 IC IB B 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I B C基本不变 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 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 UImin UI UImax DZ稳压UO UZ 解 1 假设DZ稳压 则 IR UUU Z Z IminZminZ 6 5 1 623 0 5 L U UIRU R V Z ImaxZmaxZ 6 25 1 64 0 5 L U UIR U R 3 V 故当 I 10 V15 VU 时 L ZO L D R UU RR I 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 3 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 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 UO UCES 解 1 BBONBCO 0 0 0 12 CC VUTIIVVU UON 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 UIIU 0 7V CES 不成立 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 例例 3 电路如图所示 晶体管电路如图所示 晶体管 50 UBE 0 7V 饱和管压降饱和管压降 UCES 0 7V 稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压Uz 5V 正向导通电压正向导通电压UD 0 5V 试问 当试问 当uI 0V 2V 5V时 相应的时 相应的UO 分析 本题考查 PNP 三极管直流工作状态分析 由题条件 VCC为负电压 故T的集电极对地电压为负 DZ反偏 处于反向截止或反向 击穿稳压状态 题目没有给出DZ的Izmin和Izmax 可以认为其限流电阻合适 若去掉DZ时 UEC UE UC UC UZ 则DZ接入后击穿稳压 则UEC UZ 由于Uo参考 方向与UEC相反 故此时Uo UEC UZ 否则DZ工作在反向截止区 不稳压 DZ相当于未接入电路 Uo UC 解 1 uI 0V时 BEONBC 00UUIIUZ 5V 击穿稳压 UEC UZ 5V Uo UEC 5V 特别注意 此时特别注意 此时IRC IC 2 uI 2V时 BE结正偏导通 UB 0 7V B BI B b CB 0 7 2 0 13 A 10 6 5 A UU Im RK IIm 若不接入DZ OCCc 126 5 1 5 5V CC UUVI R 因此DZ接入其反偏电压UEC UE UC UC 5 5 UZ 5V DZ击穿稳压 UEC UZ 5V Uo UEC 5V 3 uI 5V时 BE结正偏导通 UB 0 7V B BI B b CB 0 7 5 0 43 A 10 21 5 A UU Im RK IIm 若不接入DZ OCCc 1221 5 1 9 5V CC UUVI R 与单一负电源供电得不到正电压矛盾 说明 T 已进入饱和区 Uo UC UCES 0 7V 因此DZ接入其反偏电压UEC UE UC UC 0 7 分析 本题考察等效电路法定量分析阻容共射放大电路动态参数 先画直流通路 求静 态 Q 点 若管子静态设置合适 处于放大区 再画交流等效模型电路 从而分析动态参数 特别注意 适当利用题目条件 简化静态工作点求解过程 特别注意 适当利用题目条件 简化静态工作点求解过程 由题意 e12BQ I远远小于流过 1b R和 2b R的直流电流 流过 1b R和 2b R的直流电流基本相等 便可利用分压公式先求出 然后再求解 BQ U EQCQ II CEQ U 和 1 求求Au Ri Ro BQBEQ QEQ fe CEQEQcfe EQ BQ 5 10 A 1 CC UU I RR UVIRRR I I C b1 BQCC b1b2 bebb EQ 2V 1mA 7V 26mV 1 2 7k I R UV RR rr I 管子工作在放大区 cL bef ib1b2bef oc 7 7 1 1 3 7k 5k u RR A rR RRRrR RR 12 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 2 改为改为 200 的管子 由如上静态 Q 点的求解公式可以看出的管子 由如上静态 Q 点的求解公式可以看出 b1 BQCC b1b2 BQBEQ EQ fe 2V 1mA R UV RR UU I RR 不变 不变 CEQEQcfe 5 7V CC URVRIR 不变 EQ BQ 5 A 1 I I 小变 3 Ce 开路后开路后 e R交流中未被短路 动态参数公式中 f R 13 变为 ef RR 于是Au减小 Ri增加 Ro不变 第三章第三章 多级放大电路多级放大电路 3 1 教学要求 教学要求 本章主要内容包括阻容耦合放大电路与直接耦合电路的优缺点 以及集成运 算放大电路的输入级 差动放大电路分析 1 了解 多级放大器的动态参数 2 理解 直接耦合放大电路中 零漂 现象 直接耦合放大器解决 零漂 的方法 差动放大器的构成 3 掌握 四种差动放大电路的静态和动态参数计算 差模输入电阻 差模放大倍数 共模放大倍数 共模抑制比 3 2 重要知识点 重要知识点 1 实际放大器为满足放大倍数 信号源对输入电阻和负载对输出电阻的不 同要求 往往采用多级放大电路实现 2 多级放大器必须考虑信号源与放大器的输入端 负载与放大器的输出端 以及级间的连接 耦合 方式 3 主要耦合方式的特点 阻容耦合 优点是各级静态工作点独立 温漂小 缺点是不适应低频 信号的放大 由于需要很大的藕合电容 不适合于集成电路设计 只 适合于分离元件电路 直接耦合 缺点是静态工作点相互影响 且温漂大 特别是第一级温 漂影响严重 优点是不需要大的耦合电容 便于集成 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 4 直接耦合放大电路 零漂 现象 温度变化导致半导体器件参数变化 使得输入ui为零时 输出不为零 5 在集成运算放大器为多级放大器 由于集成电路中不易制作大电容 往 往采用直接耦合放大电路 因而不可避免 零漂 温漂 零漂 对多级直接耦合放大器十分不利 特别是第一级影响最严重 因此 集成运算放大器中为克服温漂 第一级往往采用差动放大电路 6 差模信号 幅度相同 频率相同 相位相反 相差180度 共模信号 幅度相同 频率相同 相位相同 7 差动放大器在静态工作点稳定电路上演变而来 静态工作点稳定电路中 由于Re的负反馈作用 可以在一定程度上减小温漂 但不能够根除温 漂 同时在集成电路中由于没有旁路电容 Re将大大降低放大倍数 8 长尾式差动电路的构成 a 电路形式上采用对称结构 且元件参数完全对称 双端输出 温度 对每个管子影响完全相同 抵消温漂 b 为抑制共模信号同时又不降低差模信号的放大倍数 合并Re c 为方便Q点调节 双电源供电 且直流电源与交流信号共地 9 差动电路分析的关键点 a 静态分析 与一般电路相同 由输入回路分析IBQ 或IEQ 然后由输出回路分析UCEQ 单端输出带负载时 分析UCEQ用戴维南定理等效计算更简洁 b 动态分析 掌握双端输入 单端输入可以转换为双端输入 双端输入时 必须考虑输入信号是差模信号还是共模信号 两者的交 流等效电路不同 差模输入时 发射级为交流地 差模交流等效电路 中无Re 因此Re不影响差模动态参数 而共模输入时 两个管子的 发射极变化相同 为单个管子的2倍 等效电路只需画一个管子 同 时为保证发射极交流电压不变 Re变为2Re Re越大 抑制共模信号能力越强 KCMR越大 10 对于双端输入的任意信号 也可以分解为差模信号和共模信号 12 12 2 ii iciiid uu uuuu oiidd uu Au A cc c小于1 输入信号小 故可以忽略共模信号 A oicciddidd uu Au Au A 14 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 3 3 典型习题 典型习题 例例 1 电路如图所示 参数理想对称 电路如图所示 参数理想对称 100 rbe 1K Rb 100 Rc 20K Re RL 10K 若 若ui1 40mV ui2 20mV 试求 试求 1 电路的共模输入电压 电路的共模输入电压uic和差模输入电压和差模输入电压uid 2 差模放大倍数 差模放大倍数 d id od和动态输出电压和动态输出电压uo 1 电路的共模输入电压uic和差模输入电压uid 12 12 40 20 20mV 40 20 30mV 2 2 iiid ii ic uuu uu u 2 对差模交流信号而言 Re上的电压不变 发射极为交流地 直流电源 为交流地 2 2 2 L cCidbbbe od R ui Rri Ru 364 2o i L C d bbe u u R R A Rr 2 2 2240 Cidbbeod KKRRrRR 0 02 364 7 3 oicciddidd uu Au Au AV 15 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 例例 2 如图所示 如图所示T1 T2 参数对称 参数对称 1 2 rbe1 rbe2 rbe 电位器电位器RW的滑动端 在中间位置 的滑动端 在中间位置 1 画出该电路的差模等效电路 求出 画出该电路的差模等效电路 求出Ad Rid Rod的表达式的表达式 2 画出该电路的共模等效电路 求出 画出该电路的共模等效电路 求出Ac KCMR的表达式的表达式 3 试分析差动电路为何具有很高的共模抑制比 试分析差动电路为何具有很高的共模抑制比 1 画出差模等效电路 分析差模动态参数 在交流通路中 直流电源VCC 和VEE均为交流地 特别注意 电路结构参数均对称 RW的中间点为交 流地 co Wbei Wbe Lc 1 2 1 2 2 1 2 RR Rr i u R Rr RR u u A RRiu R riu id id id Od d LCbOd W bebid 由于两个输入端均输入相同信号 两个管子的发射极变化相同 为单 个管子的2倍 由于采用单端输出 等效电路只需画一个管子 同时为 保证发射极交流电压不变 Re变为2Re Wbe Lc 1 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 Rr R R r A A K R R r RR u u A RRiu R R riu e W be C d CMR e W be ic oc C LCboc e W bebic 3 差动电路具有很高的共模抑制比的原因 a 电路参数对称抑制共模信号 b Re对共模信号具有抑制作用 对差模信号没有影响 17 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 第四章第四章 集成运算放大器集成运算放大器 4 1 教学要求 教学要求 本章主要内容包括集成运算放大器的内部电路结构 1 了解 集成运算放大器的结构和电压传输特性 2 理解 集成运放线性区的特点 4 2 重要知识点 重要知识点 1 运算放大器既是一种最基本的电子器件 但是同时其内部则是复杂的直 接耦合的多级放大器 主要由输入级 中间级 输出级和偏置电路四部 分构成 输入级采用具有高共模抑制比的差动电路 输出级往往采用 带负载能力强的互补射级输出结构 2 运算放大器具有高增益 高输入阻抗和低输出阻抗的特点 3 运算放大器的工作频率受带宽限制 随着频率的提高 其增益将会下降 频率特性由带宽增益积表示 通用运放的增益带宽积一般1兆赫兹 几 兆赫兹 4 运算放大器的增益极高 如果要使得运算放大器处于线性放大状态 则 必须引入负反馈 依靠负反馈的自动调节作用才能使运放工作于线性 区 引入负反馈也称为 闭环 而没有引入负反馈则称为 开环 5 集成运放工作区的特点 uo Aod uP uN 1 线性区 很窄 引人负反馈 a 虚短 UP UN b 虚断 iP iN 0 2 非线性区 开环或正反馈 由于输入电阻很大 而输入电压有限 故 虚断 任成立 但 虚短 不成立 此时 uo只有两种可能 Uom 18 中南民族大学电子信息工程学院 中南民族大学电子信息工程学院 19 第六章第六章 放大电路中的反馈放大电路中的反馈 6 1 教学要求 教学要求 本章主要内容包括反馈放大电路的组态判断 深度负反馈放大电路中放大 倍数的估算以及引入负反馈对放大器性能的影响 1 了解 放大电路中引入反馈的作用 2 理解 引入负反馈电路的原则 3 掌握 瞬时极性法判断反馈的极性 从输入端反馈量与输入量的叠加方 式判断引入串联反馈还是并联反馈 从输出端的取样方式判断引 入电压反