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文档简介
14 二极管和晶体管14.3 二极管14.3.2在图1所示的各电路图中,E = 5V ,ui = 10 sin tV ,二极管D的正向压降 可忽略不计,试分别画出输出电压u0 的波形。 解图 1: 习题14.3.2图(a) ui 为正半周时,ui E,D导通;ui E,D导 通 ;ui E,D截 止 。ui 为 负 半 周 时 ,D截 止。D导通时,u0 = ui ;D截止时,u0 = E。u0的波形分别如图2(a)和(b)所示。图 2: 习题14.3.2图514.3.5在图3中,试求下列几种情况下输出端电位VY 及各元件中通过的电流。(1)VA =+10V ,VB = 0V ;(2)VA = +6V ,VB = +5.8V ;(3)VA = VB = +5V .设二极管的正 向电阻为零,反向电阻为无穷大。解图 3: 习题14.3.5图(1) 二极管DA 优先导通,则10VY= 9 1 + 9 V = 9V3VY9IDA= IR =A = 110R 9 103A = 1mADB 反向偏置,截止,IDB = 0(2) 设DA 和DB 两管都导通,应用结点电压法计算VY :VY =65.8+11111 V =11.8 9V = 5.59V 0;P N P 型;发射极电位 最高,集电极电位最低,UBE 0。硅管:基极电位与发射极电位大约相差0.6V 或0.7V ;锗管:基极电位与发射极 电位大约相差0.2V 或0.3V 。由此可知:晶体管I:N P N 型,硅管,1 B、2 E、3 C ; 晶体管II :P N P 型,锗管,1 C 、2 B、3 E。14.5.3如何用万用表判断出一个晶体管是N P N 型还是P N P 型?如何判断出管子 的三个管脚?锗管或硅管又如何通过实验区别出来?解(1) 先判断基极将插入万用表“-”(实为表内电源正极)插孔的测试笔轮流接任一管脚, 而后将另一测试笔分别接另外两个管脚,如果两次测得管脚间的电阻同 为低电阻(BE极间和BC 极间的P N 结上加正向电压)或同为高电阻(上 述极间的P N 结上加反向电压),则接万用表“-”插孔的是基极。(2) 判断是N P N 型管还是P N P 型管 在(1)中,测得管脚间的电阻同为低电阻时,则为N P N 型管;测得同为高 电阻时,则为P N P 型。(3) 判断集电极对 已 知 的N P N 型 管 或P N P 型 管 照 图5所 示 的 两 种 方 法 接 线 , 未 知 管图 5: 习题14.5.3图 脚1和2用测试笔分别接万用表的“+”,“-”插孔(注意,“-”插孔接表内电源的正极),比较两种接法1,2管脚间的电阻高低。对N P N 型管,电阻 较低时接“-”插孔的是集电极;对P N P 型管,电阻较低时接“+”插孔的是 集电极。(4) 判断是锗管还是硅管B,E极间正向压降在0.6 0.7V 时为硅管;在0.2 0.3V 时为锗管。14.5.4图 6: 习题14.5.4图解在图6所示的各个电路中,试问晶体管工作于何种状态?设UBE = 0.6V 。计算结果见下表。B = (a)管(b)管(c)管UC CIC (sat) RC12mA8mAI 0IC (sat) 0.24mA0.2mAIB6 0.650mA = 0.11mA12 0.647mA = 0.24mAIB 0状态IB I 0 饱和截止BB15 基本放大电路15.2 放大电路的静态分析15.2.3在图1中,若UC C = 10V ,今要求UC E = 5V ,IC = 2mA,试求RC 和RB的阻值。设晶体管的 = 40。解图 1: 习题15.2.3图由UC E = UC C RC IC 可求17RC =UC C UC EIC=10 5 = 2.5k2 103IC 2IB=mA = 0.05mA 40RBUC CIB10=k = 200k0.0515.3 放大电路的动态分析15.3.2在习题1图所示的固定偏置放大电路中,UC C = 9V ,晶体管的 = 20,IC =1mA。今要求|Au| 100,试计算RC ,RB 及UC E 。解IBRBrbe=|Au|=RCUC E=15.3.3IC 1=mA = 0.05mA 20UC CIB9=k = 180k0.0526200 + (20 + 1) 1.05 = 720 = 0.72kRCrbe(空载时 |Au| 最大)|Au| rbe= 100 0.7220k = 3.6kUC C RC IC = (9 3.6 1)V = 5.4V有一放大电路如习题1图所示,其晶体管的输出特性以及放大电路的交、直流负载线如图2所示。试问:(1)RB ,RC ,RL 各为多少?(2)不产生失真的最大输入 电压UiM 为多少?(3)若不断加大输入电压的幅值,该电路首先出现何种性质的 失真?调节电路中哪个电阻能消除失真?将阻值调大还是调小?(4)将电阻RL 调 大,对交、直流负载线会产生什么影响?(5)若电路中其他参数不变,只将晶体 管换一个值小一半的管子,这时IB ,IC ,UC E 及|Au|将如何变化?解图 2: 习题15.3.3图 由图2可知,静态值为电源电压为 电流放大系数为IC = 2mA, IB = 40A, UC E = 5VUC C = 10V = ICIB2=0.04= 50(1)RB UC CIB10=k = 250k0.04RC =由交流负载线可得UC C UC EIC= 10 5 k = 2.5k2由此得R1 tan 0 = ,0L2=RL8 51L, R00L= 1.5kR0RC RLLRL =RC R0= 2.5 1.5k = 3.75kRL =C(2) 由图2可知+ RLRC R02.5 1.58 UC EQ = (8 5)V = 3VUC EQ UC ES = (5 0.3)V = 4.7V不失真的最大输出电压约为UoM = 3V ,先求出|Au|后,再求不产生失真 的最大输入电压UiM26(mV ) 26Irbe = 200() + (1 + )E= 200 + (1 + 50) (mA) = 0.86k2|Au| =于是R0Lrbe= 50 1.50.86UiM = 87UoM|Au|3=V = 34.5mV87(3) 首先产生截止失真,这时可调节RB ,减小其阻值以增大IB ,将静态工作 点Q上移一点。(4) 将RL 阻 值 增 大 , 不 影 响 直 流 负 载 线 , 通 过Q点 的 交 流 负 载 线 与 横 轴 的0角将有所减小。(5) IB 不变,IC 约减小一半,UC E 增大,|Au|将减小一半。15.3.4已知某放大电路的输出电阻为3.3k,输出端开路电压的有效值Uo0 = 2V , 试问该放大电路接有负载电阻RL = 5.1k时,输出电压将下降到多少?解rUoL =o或RLRL+ RLrEo =o5.1RL+ RLUo0rUoL =o+ RLUo0 = 3.3 + 5.1 2V = 1.2V15.3.5在图3中,UC C = 12V ,RC = 2k,RE = 2k,RB = 300k,晶体管的 =50。电路有两个输出端。试求:(1)电压放大倍数Au1 =出电阻ro1和ro2。解U o1U i和Au2 =U o2U i;(2)输图 3: 习题15.3.5图IB=UC C UBERB + (1 + )RE=12 0.6mA = 0.028mA300 + (1 + 50) 2IE= (1 + )IB = (1 + 50) 0.028mA = 1.43mA26rbe = 200 + (1 + 50) 1.43 = 1127 1.13k从集电极输出:Au1 =U o1U ir= beRC+ (1 + )RE= 50 2 11.13 + (1 + 50) 2ro1 RC = 2k从发射极输出:Au2=U o2U iS=rbe(1 + )RE1+ (1 + )RE ro2r be + R0rbe 1130=50S = 22.6S式中,R0= RS /RB ,设信号源内阻RS 0,则R0 0。15.4 静态工作点的稳定15.4.2在 教 材 图15.4.1所 示 的 分 压 式 偏 置 放 大 电 路 中 , 已 知UC C = 24V ,RC =3.3k,RE = 1.5k,RB1 = 33k,RB2 = 10k,RL = 5.1k, = 66, 并设RS 0。(1)试求静态值IB ,IC 和UC E ;(2)画出微变等效电路;(3)计算晶体管 的输入电阻rbe ;(4)计算电压放大倍数Au;(5)计算放大电路输出端开路时的电 压放大倍数,并说明负载电阻RL 对电压放大倍数的影响;(6)估算放大电路的输 入电阻和输出电阻。解(1)VB =UC CRB1 + RB224RB2 = 33 + 10 10V = 5.58VIC IE =VB UBERE= 5.58 0.6 mA = 3.32mA1.5IBIC =3.32mA = 0.05mA60UC E= UC C (RC + RE )IC = 24 (3.3 + 1.5) 3.32V = 8.06V(2)I26(mV )rbe = 200() + (1 + )E(mA)(3)26= 200 + (1 + 66) 3.32 = 0.72kAu = 0RLrbe= 66 ? 3.3 5.1 ?3.3 + 5.110.72= 183.7(4)u rA = RCbe3.3= 66 0.72 = 302.5(5)ri= rbe /RB1/RB2 rbe = 0.72kro RC = 3.3k15.4.5设 计 一 单 管 晶 体 管 放 大 电 路 , 已 知RL = 3k。 要 求|Au| 60,ri 1k,ro 3k, 工 作 点 稳 定 。 建 议 选 用 高 频 小 功 率 管3GD100, 其 技 术 数 据见教材附录C ,值可选在50 100之间。最后核查静态工作点是否合适。求 得的各电阻值均采用标称值(查教材附录H )。解图 4: 习题15.4.5图(1) 选择放大电路和晶体管 要求工作点稳定,可选用分压偏置放大电路(教材图15.4.1),选UC C =12V ; 按 建 议 选 用 晶 体 管3GD100, 设 = 50; 并 设|Au| = 60,ri =1k。(2) 参数计算beI由式r 200 + (1 + ) 26E ri 可求26(1 + )26 51IC IE | u|rL由式 A = R0 可求be=mA = 1.66mAri 2001000 20060 1L= k = 1.2k50RC RLRR0 R0L=C即+ RL设VB = 4VRC =LR0 RLLRL R0= 1.2 33 1.2k = 2kRE =VB UBEIE= 4 0.6 k2k1.66基极电流IB IC =1.66mA = 0.033mA50设I2 = 10IB ,即得RB2=I2 = 10 0.033mA = 0.33mA I1VB = 4 k = 12.12k(取12k)I2 0.33RB1=UC C VBI1= 12 4 k = 24.24k(取24k)0.33(3) 核查静态工作点由UC E = UC C (RC + RE )IC 做直流负载线(图4)IC= 0UC E = UC C = 12VUC C 12RUC E= 0IC =C+ RE=mA = 3mA2 + 2UC E= 12 (2 + 2) 1.66V = 5.4V静态工作点合适,在小信号情况下,不会产生失真。15.6 射极输出器15.6.1在图5所示的射极输出器中,已知RS = 50,RB1 = 100k,RB2 = 30k,RE =1k,晶体管的 = 50,rbe = 1k,试求Au,ri 和ro 。解图 5: 习题15.6.1图Au =rbe(1 + )RE+ (1 + )RE=(1 + 50) 1= 0.981 + (1 + 50) 1ri= RB1/RB2 /rbe + (1 + )RE = 16kro式中Sr be + R01000 + 50=50 = 21R0S = RS /RB1 /RB2 5015.6.2两级放大电路如图6所示,晶体管的1 = 2 = 40,rbe1 = 1.37k,rbe2= 0.89k。(1)画出直流通路,并估算各级电路的静态值(计算UC E1时忽略IB2);(2)画出微变等效电路,并计算Au1 ,Au2和Au;(3)计算ri 和ro 。解图 6: 习题15.6.2图(1) 前极静态值VB1 =2033 + 8.2 8.2V = 4V4 0.6IC 1 IE1 = 3 + 0.39 mA = 1mA1IB1mA = 25A40后极静态值UC E1 20 (10 + 3 + 0.39) 1 = 6.6VIC 2 IE2 =1.8UC 1 UBE2RE2= (20 10 1) 0.6 mA = 1.8mA5.1IB2=mA = 45A40UC E2= (20 5.1 1.8)V = 10.8V(2) 前级电压放大倍数u1 1 L R0 1 A = =40E1rbe + (1 + 1 )R009.11.37 + (1 + 40) 0.39= 21式中? RE2RL ?R0L1 = RC 1/后级电压放大倍数rbe2 + (1 + 2 ) RE2+ RLAu2 =(1 + 2 )R0LLrbe2 + (1 + 2 )R0=(1 + 40) 2.50.89 + (1 + 40) 2.5= 0.99两级电压放大倍数Au = Au1 Au2 = 21 0.99 = 20.8(3)E1ri= ri1 = RB1/RB2/rbe1 + (1 + 1)R00 = 4.77kro = ro2 rbe2 + RC 120.89 + 10=k = 27240前级的集电极电阻RC 1 即为后级的基极电阻。从本例的两级放大电路看,提高了输入电阻,降低了输出电阻。15.7 差分放大电路15.7.3在 图7所 示 的 差 分 放 大 电 路 中 , = 50,UBE = 0.7V , 输 入 电 压ui1 =7mV ,ui2 = 3mV 。(1)计算放大电路的静态值IB ,IC 及各电极的电位VE ,VC 和VB ; (2)把输入电压Ui1 ,ui2 分解为共模分量uic1 ,uic2和差模分量uid1 ,uid2; (3)求单端共模输出uoc1和uoc2 ;(4)求单端差模输出uod1 和uod2; (5)求单端总输出uo1和uo2; (6)求双端共模输出uoc ,双端差模输出uod 和双端总输出uo 。 解图 7: 习题15.7.3图(1) 静态时,ui1 = ui2 = 0,由教材图15.7.5的单管直流通路可得RB IB + UBE + 2RE IE = UEEUEE UBERIB =B+ 2(1 + )RE于是IB=6 0.7A10 103 + 2 (1 + 50) 5.1 103(2)= 0.01 103A = 0.01mAIC= IB = 50 0.01mA = 0.5mAIE= (1 + )IB = 51 0.01mA = 0.51mAVC = UC C RC IC = 6 5.1 103 0.5 103V = 3.45VVE= 6 + 2RE IE = 6 + 2 5.1 103 0.51 103V = 0.798V VB= RB IB = 10 103 0.01 103V = 0.1Vuic1 = uic2 =ui1 + ui2 =2ui1 ui27 + 3mV = 5mV27 3uid1 = uid2 =(3) 由习题15.7.2所证明的公式得出=mV = 2mV22RCRuoc1 = uoc2 = B式中+ rbe+ 2(1 + )RE26uic1于是(4)rbe = 200 + (1 + 50) 0.51 = 2.8k5.1uoc1 = uoc2 = 50 10 + 2.8 + 2(1 + 50) 5.1 5mV= 2.39mV(5)uod1 = Ruod2 = RRCB + rbeRCB + rbeu = 50 5.1 2mV = 39.8mVid1 10 + 2.8id2 10 + 2.8u = 50 5.1 (2)mV = +39.8mV(6)uo1 = uoc1 + uod1 = (2.39) + (39.8)mV = 42.2mVuo2 = uoc2 + uod2 = (2.39) + 39.8mV = +37.4mVuoc = uoc1 uoc2 = 0uod = uod1 uod2 = (39.8 39.8)mV = 79.6mVuo = uo1 uo2 = (42.2 37.4)mV = 79.6mV = uodS15.9 场效晶体管及其放大电路15.9.2在图8所示的源极输出器中,已知UDD = 12V ,RS = 12k,RG1 = 1M ,RG2 =500k,RG = 1M 。 试 求 静 态 值 、 电 压 放 大 倍 数 、 输 入 电 阻 和 输 出 电 阻 。 设VG VS ,gm = 0.9mA/V 。解图 8: 习题15.9.2图RG2UDDRVS VG =G1+ RG2=500 121000 + 500V = 4VUDS= UDD VS = (12 4)V = 8VID=V4=A = 0.33103RS 12 103A = 0.33mAU ogm Ugs RSgm RSAu =U i=U gs+ gm U gs RS=1R1 + gm Sri= RG + (RG1/RG2) =求输出电阻ro (图9):?1 + 1 0.5 ?1 + 0.5M = 1.33M将输入端短路(设信号源内阻很小,略去),输出端加一交流电压U o (如接有 负载电阻RL ,则除去),可求电流Io =而U oRS Id =U oRS gm U gs则Io =U oRSU gs = U o1+ gm U o = (gm +)U oRS图 9: 习题15.9.2图故ro =1U oIo1=1R(gm + )S1g=/RSmg当RS ?时m1ro gm在本题中RS = 12k故11= 1.1kgm 0.9ro 1.1k15.9.3场效晶体管差分放大电路如教材图15.11所示,已知gm = 1.5mA/V ,求电压uo放大倍数Au =。ui解uo 与ui 反相,所以uo 11Au =ui= 2 gm RD = 2 1.5 15 = 11.2516 集成运算放大器16.2 运算放大器在信号运算方面的应用16.2.2在 图1所 示 的 同 相 比 例 运 算 电 路 中 , 已 知R1 = 2k,RF = 10k,R2 =2k,R3 = 18k,ui = 1V ,求uo 。解图 1: 习题16.2.2图20Ru+ = R32ui+ R31= 18 2 + 18 V = 0.9V于是得?uo =1 +RF ?R1?u+ = 1 +10 ?2 0.9V = 5.4V16.2.3为了获得较高的电压放大倍数,而又可避免采用高值电阻RF ,将反相比例 运算电路改为图2所示的电路,并设RF ? R4 ,试证:uuoAuf =iRF ?R= 1R3 ?1 +R4证因i1 if ,u u+ = 0故得ui uARR= 1 FRFuA = R ui1图 2: 习题16.2.3图又if + i3 = i4 或i1 + i3 = i4将uA 代入,整理后得ui uo uA = uA+R1 R3 R4uo = RF R4 + R3 (RF + R4) uR R i1 4因RF ? R4,故uo = RF R4 + RF R3 uR R i1 4于是得出uouAuf =iRF ?R= 1R3 ?1 +R416.2.5电路如图3所示,已知ui1 = 1V ,ui2 = 2V ,ui3 = 3V ,ui4 = 4V ,R1 = R2 =2k,R3 = R4 = RF = 1k,求uo 。解应用结点电压法求u+ :u+ =ui3 + ui4R3 R43 + 4=V = 3.5V1 + 12R3 R4图 3: 习题16.2.5图应用叠加原理求uo :uo=?1 +RF ?R1/R2u+ RFui1 R1RRFui22?=1 +1 ?1 3.5 12 1 1?2 2 V= 5.5V16.2.6求图4所示电路的uo 与ui 的运算关系式。解图 4: 习题16.2.6图o1 Riu = RF u1R2RFRRuo = uo1 uo1 = uo1 uo1 = 2uo1 =ui116.2.10图5是利用两个运算放大器组成的具有较高输入电阻的差分放大电路。试求 出uo 与ui1、ui2的运算关系式。解图 5: 习题16.2.10图10uo=?K R2 ?1 +R2ui2 K R2R2uo1?= (1 + K )ui2 K 1 +R1/K ?R1ui1= (1 + K )ui2 (1 + K )ui1= (1 + K )(ui2 ui1)16.2.12为了用低值电阻实现高放大倍数的比例运算,常用一T 形网络代替RF ,电路 如图6所示。试证明证图中,i1 = i2uo R2 + R3 + R2R3 /R4Ru= i 1图 6: 习题16.2.12图即ui uDR= R1 2R2RuD = ui1又i3 = i2 + i4 = i1 + i4uD uo = uiuDR3 R1 R4uo uD ui uD= +D R将u = R21ui 代入,则 R3R3 R1 R4uo R3R2=uiR1 R31R+ui1R2+uiR1R4uo=R2R4 + R3R4 + R2 R3 uR R i1 4iR2 + R3 + R2 R3/R4 uR116.2.13电路如图7所示,试证明uo = 2ui 。证图 7: 习题16.2.13图uo2 =?R ?1 +=Rui2 = 2ui2uo1 ui1Rui1 uo2R于是得出uo = uo1 = 2ui1 2ui2= 2(ui1 ui2) = 2ui16.2.15电路如图8所示,试证明iL =证ui 。RLA1接成同相比例运算电路;A2为电压跟随器,uo2 = uo 。图 8: 习题16.2.15图ui uo2ui uo2u1+=R2 + R3R3 + uo2 =10 + 10 10 + uo2= ui + uo2?RF ?10 ? ui + uouo1=1 + u1+ = 1 +1 102= ui + uoRuo1 uoui + uo uo uiRiL=L RLRL16.2.17在图9所示的电路中,电源电压为+15V ,ui1 = 1.1V ,ui2 = 1V 。试问接入 输入电压后,输出电压uo 由0上升到10V 所需的时间。解运算放大器A1接成差分运算电路,A2为一积分运算电路。图 9: 习题16.2.17图由A1可得?RF ?R3 RFRuo1 =1 +1RR2 + R3ui2 ui11由A2可得= RFR1(ui2 ui1) =2010 (1 1.1)V = 0.2V1Z4Fuo = R Co1 R Cu dt = uo1 t4 F=uo 由0上升到10V 所需时间为0.220 103 1 106t V = 10t Vt = uo1010=s = 1s1016.2.18按下列运算关系式画出运算电路,并计算各电阻值: (4)uo = 0.5ui ;(5)uo = 2ui2 ui1 。已知RF = 10k。 解(4) 电路如图10所示o Ro1 Ru = R11u = R11( RFR1RFRui ) =ui1图 10: 习题16.2.18图图 11: 习题16.2.18图得RF= 0.5R1R1RF=0.510=k = 20k0.5(5) 电路如图11所示得?uo =1 +RF ?R1ui2 RRFui1 = 2ui2 ui111 + RF = 2RF = 1R1 R1R1 = RF = 10k16.2.20在教材图16.2.9所示的积分运算电路中,如果R1 = 50k,CF = 1F ,ui 如 图12(a)所示,试画出输出电压uo 的波形。解(1) t = 0 10ms时:1Z1Fuo = R C1Zui dt = 50 103 1 10655dtV= 50 103 1 106 t V= 100t V图 12: 习题16.2.20图图 13 : 习题16.2.22图11(2) t = 10 20ms时1Z1Fuo = R C(5)dt = 100t + K当t = 10ms =1100s时,uo= 1V ,故K = 2。于是得uo = (100t 2)Vuo 的波形如图12(b)所示。16.2.22在图13中,求uo 。解i = ic + if图 14 : 习题16.2.25图12ui ucduc uc= C +R dt Rducui = RC+ 2ucdt解之,得3 2 tuc=(1 e RC24R)mVuo = R uc = 4uct 2 = 6(e RC 1)mV16.2.25图14是应用运算放大器测量小电流的原理电路,试计算电阻RF 1 RF 5的阻 值。输出端接有满量程5V ,500A的电压表。解Uo5314RF 1 = = 110 = 1kI1 5 103IRF 2 =Uo RF 1 =2?53?0.5 103 1 10= 9 103 = 9kUo? 53?IRF 3 = (RF 1 + RF 2) =330.1 103 (1 + 9) 10= 40 10 = 40kUo? 53?IRF 4 = (RF 1 + RF 2 + RF 3 ) =40.05 103 (1 + 9 + 40) 10= 50 103 = 50kUoRF 5 = (RF 1 + RF 2 + RF 3 + RF 4)I5? 5=0.01 103? (1 + 9 + 40 + 50) 103 = 400 103 = 400k16.3 运算放大器在信号处理方面的应用16.3.3图15是火灾报警电路的方框图。ui1和ui2分别来自两个温度传感器,它们安 装在室内同一处:一个安装在塑料壳内,产生ui1;另一个安装在金属板上,产 生ui2。无火情时,ui1 = ui2,声光报警电路不响不亮。一旦发生火情,安装在 金属板上的温度传感器因金属板导热快而温度升高较快,而另一个温度上升较 慢,于是产生差值电压(ui2 ui1),当这差值电压增高到一定数值时,发光二极 管发亮,蜂鸣器发响,同时报警。请按图示方框图设计电路。解所设计火灾报警电路如图16所示,请自行读图分析。图 15: 习题16.3.3图图 16: 习题16.3.3图17 电子电路中的反馈17.2 放大电路中的负反馈17.2.1试判别图1所示的放大电路中引入了何种类型的交流反馈。解 图中RF 为反馈电阻。设在ui 的正半周,晶体管各级交流电位的瞬时极性为图 1: 习题17.2.1图B1() C1(?) B2 (?) E2(?) B1 ()即可看出,发射极E2交流电位的负极性反馈到基极B1,降低了B1的交流电位, 使Ube1 减小,故为负反馈。 另外,反馈电路从发射极引出,引入到基极,故为并联电流反馈。17.2.3为了实现下述要求,在图2中应引入何种类型的负反馈?反馈电阻RF 应从何 处引至何处?(1)减小输入电阻,增大输出电阻;(2)稳定输出电阻,此时输入电 阻增大否?解(1) RF 应从E3 引
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