1、模拟电子电路及技术基础第四章模拟电子电路及技术基础第四章1（优选）模拟电子电路及技术基础第四章(4)掌握稳压二极管特性及其应用电路的分析、计算，掌握包含二极管、稳压管和运放的电路(包括精密整流电路、输出限幅比较器、输出限幅且占空比可调的弛张振荡器等电路)的分析和计算。(5)掌握双极型晶体三极管的工作原理、共射输出特性和输入特性曲线及主要参数，熟练掌握直流偏置下晶体管的工作状态分析、计算以及各种晶体管应用电路(包括对数、反对数、值测量、恒流源电路)的分析和计算。(6)掌握JFET和MOSFET的工作原理、输出特性和转移特性曲线及主要参数，熟练掌握直流偏置下FET的工作状态分析、计算以及各种FET
2、应用电路(包括方波、锯齿波发生器，取样/保持电路，相敏检波电路)的分析和计算。(7)了解双极型晶体管和场效应管的性能及参数比较。2.重点、重点、难点难点重点：PN结工作原理，晶体二极管应用电路及晶体三极管和场效应管的工作原理、特性曲线、主要参数及其应用电路的分析和计算。难点：本章概念较多，晶体三极管尤其是场效应管的工作原理、特性曲线及其应用电路的分析和计算较难掌握，教学中应密切联系应用背景，引起学生的学习兴趣。1.半导体物理基础和半导体物理基础和PN结结作为原理基础篇的开始，本章涉及到许多新的概念，原理描述较多，引入了不少专有名词。应用时应该注意概念准确，原理描述简洁，专有名词拼写正确。同时，
3、本章相对和相似的内容较多，如N型半导体和P型半导体，NPN型晶体管和PNP型晶体管，三种N沟道场效应管和三种P沟道场效应管，等等，学习时应该注意区分，避免混淆。4.2 习题类型分析及例题精解习题类型分析及例题精解【例4-1】半导体中载流子通过什么物理过程产生？半导体电流与哪些因素有关？答 本征半导体中的载流子通过本征激发产生。杂质半导体中，多子的绝大部分由掺杂产生，极少部分由本征激发产生；少子则单纯由本征激发产生。半导体电流分为漂移电流和扩散电流。漂移电流与电场强度、载流子的浓度和迁移率有关，扩散电流与载流子沿电流方向单位距离的浓度差即浓度梯度有关。2.二极管和稳压二极管二极管和稳压二极管1)
4、二极管的直流电阻和交流电阻二极管的直流电阻利用其两端的直流电压和其中的直流电流直接计算，也可以利用伏安特性曲线通过图解法得到。图解法求交流电阻误差很大，一般利用热电压和直流电流计算，不加说明时，热电压取26 mV。【例4-2】二极管的伏安特性如图4-1所示，计算直流静态工作点Q处的直流电阻RD和交流电阻rD。7 V时，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。场效应管的工作点位于恒流区时，也可以实现输出电流为恒流，与场效应管输出电压的变化无关。答 载流子浓度差，电场强度；如果可以精确测量二极管两端的电压，其变化不大时，可以利用二极管的交流电阻线性外推二极管中的电流。经过VDZ1和VDZ2的限幅，u
5、o的最大值uomax=6 V+2 V=8 V，根据上式求得此时ui=1 V；4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.【例4-9】稳压二极管电路如图4-8所示。(3)根据图中输入电压ui的波形，画出各级输出电压uo1、uo2、uo3和uo的波形。已知稳定电压UZ=10 V，工作电流范围为IZmax=100 mA，IZmin=2 mA，限流电阻R=100。根据以上分析，该电路的充电速度大于放电速度，uo和uC的波形如图P4-15(b)所示，其中设t=0时，C上的电量为零。图P4-8(c)中，ui的临界值为E+UD(on)=3 V+0.场效应管的夹断电压UGS(off)=2.A
6、2的反相端接地，电压u2=0，所以把输入电压ui分为大于零和小于零两个取值阶段。场效应管的夹断电压UGS(off)=2.图4-4(b)中，E提供的预设电压为E=1 V，ui的临界值为E+UD(on)=1 V+0.解 (1)A1构成反相比例放大器，A2构成反相过零简单比较器，A3构成反相积分器。假设晶体管处于放大状态，则集电极电压UC=UCC+ICRC=UCC+IBRC=12 V+5055.根据以上分析，该电路的充电速度慢，放电速度快，uo和uC的波形如图P4-15(a)所示，其中设t=0时，C上的电量为零。7 V时，VD导通，uo=ui-UD(on)=ui0.图4-1 例4-2特性曲线解 Q处
7、直流电压UDQ=0.7 V,直流电流IDQ=2.5 mA，则直流电阻交流电阻2802.5mA0.7VDDDQQIUR4.102.5mA26mVDTDQIUr2)二极管的管压降和电流二极管中的电流即其所在支路的电流，如果电流已知，则可以利用外电路的电压分布间接计算管压降，反之，可以利用已知的管压降从外电路计算二极管中的电流。如果可以精确测量二极管两端的电压，其变化不大时，可以利用二极管的交流电阻线性外推二极管中的电流。【例4-3】二极管电流测量电路如图4-2所示。当电源电压E=10 V时，电流表读数ID1=9.7 mA，则当E=20 V时，估计电流表读数ID2。(3)画出各级输出电压uo1、uo
8、2、uo3和uo的波形。4 V时，VD截止，当ui1.4-20 推导图P4-20中对数运算电路的输出电压uo的表达式。6 A2 k=2.4 mA1 k=0.(2)如果ui=22 V，求RL的允许变化范围。7 V，U5=2 V，U6=5 V。4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.5 V和9 V之间，此阶段VDZ截止，不起稳压作用，uo=RL/(R+RL)ui=0.【例4-1】半导体中载流子通过什么物理过程产生？半导体电流与哪些因素有关？答 本征半导体中的载流子通过本征激发产生。集电极电压UC=UCCIERC=UCC(1+)IBRC=12 V(1+50)92.(2)说明热敏
9、电阻R4的功能；模拟电子电路及技术基础第四章4-25 电路如图P4-25所示。uo1和uo2的波形如图4-15(c)所示。传输特性如图4-6(b)所示。经过VDZ1和VDZ2的限幅，uo的最大值uomax=6 V+2 V=8 V，根据上式求得此时ui=1 V；t=4 ms时，uo2最小为uo2min=0。解 图P4-17(a)中，可以确定发射结正偏，所以晶体管处于放大状态或饱和状态。解 (1)NPN型晶体管，U1为发射极，U2为集电极，U3为基极；当IZ=IZmax=100 mA时，RL的最大值 当IZ=IZmin=2 mA时，RL的最小值 所以RL的允许变化范围为84.其中，所以又图4-2
10、例4-3电路图解 二极管VD的管压降UD(on)=EID1R=10 V9.7 mA1 k=0.3 V 当E=20 V时，电流表读数19.7mA1k0.3V20VD(on)D2RUEI【例4-4】二极管电压测量电路如图4-3所示。当电源电压E=13.6 V时，电压表读数UD1=0.6 V；E增大后，电压表读数UD2=0.63 V,估计此时二极管VD中的电流ID2。图4-3 例4-4电路图解 当E=13.6 V时，VD中的电流VD的交流电阻 E增大后，VD两端的电压变化不大，即U=UD2UD1=0.63 V-0.6 V=0.03 V1.7 V时，VD导通，uo=uiUD(on)=ui0.7 V;当
11、ui0.3 V时，VD导通，uo=E+UD(on)=0.3 V；当ui1.3 V时，VD截止，当ui1.4 V时，VD截止，当ui2UD(on)=20.2 V，计算VD上的输出电流IO，并确定电路可以工作时电压源电压UDD的最小值UDDmin。2 V，计算VD上的输出电流IO，并确定电路可以工作时电压源电压UDD的最小值UDDmin。假设其处于放大状态，则IBRB+UBE(on)+(1+b)IBRE=UCC，即IB 370 k+0.解 uG=0时，场效应管工作在恒流区，节点A处电压为零，集成运放A1构成反相比例放大器，A2构成反相积分器，uo2随时间线性上升。发射极经过电阻接地时，需要在假设的
12、放大状态下计算基极电流，按实际流向，如果基极电流的计算结果为正值，则发射结正偏，否则发射结反偏。7 V时，VD导通，uo=uiUD(on)=ui0.当电源电压E=13.【例4-14】场效应管恒流源电路和相关的场效应管输出特性曲线分别如图4-13(a)和(b)所示，电压源电压在使用中逐渐减小时，电路为发光二极管提供恒定电流。4-21 由对数和反对数运算电路构成的模拟运算电路如图P4-21所示。解 以下分析中，设二极管VD的导通电压UD(on)=0.所以 从以上证明过程中可以看出，晶体管V1和V2的反相饱和电流彼此相约，从而抵消了其对温度变化敏感带来的影响。当E=6 V时，测量结果为 由ID0=1
13、3 mA，得二极管的交流电阻 UD的增加量UD=0.(2)说明二极管VD和场效应管V的功能；【例4-8】集成运放精密全波整流电路如图4-7(a)所示，分析其传输特性。答 载流子浓度差，电场强度；图4-10(b)中，UGS=UGG=2 VUGS(th)=3 V，所以场效应管工作在截止区，ID=0，UDS=UDD+IDRD=UDD=12 V。9 A100 k=6.(3)证明输出电压uo的表达式为 证明 节点A的电压4)集成运算放大器精密二极管电路此类电路中，输入电压输入到集成运放的一个输入端，另一个输入端电压取值固定，如接地。根据该固定电压把输入电压分为两个取值阶段，对两个阶段分别进行以下分析：首
14、先假设二极管均不导通，运放处于开环状态(相当于电压比较器)，根据该阶段反相输入端和同相输入端的电压关系确定输出电压是正电压还是负电压，继而确定输出端二极管是导通还是截止。如果因为二极管导通而存在集成运放的负反馈，则集成运放作为放大器使用，具有“虚短”和“虚断”特点；如果不存在负反馈，则集成运放仍用作电压比较器。至此二极管的状态和集成运放的作用都已确定，可以继续分析该阶段输出电压与输入电压的关系。【例4-7】集成运放精密半波整流电路如图4-6(a)所示，分析其传输特性。解 集成运放A的同相端接地，电压u+=0，所以把输入电压ui分为大于零和小于零两个取值阶段。当ui0时，A输出负电压，二极管VD
15、1导通，VD2截止，A存在负反馈，用作放大器，电阻R2右端悬空，其上没有电流，输出电压uo=u=u+=0；当ui0时，A2输出正电压，VD截止，A2不存在负反馈，用作电压比较器，电阻R1上没有电流，u1=u1+=ui,uo=2u1ui=ui;当uiUB，所以集电结反偏，假设成立，晶体管处于放大状态，以上结果正确，UCE=UC=2.N沟道场效应管用作开关时，根据栅极电压为高电平还是低电平，决定漏极和源极之间开关是闭合还是打开。图4-11 例4-12电路图4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.4-24 图P4-24(a)、(b)分别给出了两个场效应管的输出特性和转移特性。4
16、-6 计算图P4-6所示电路中节点A、B的电压，已知二极管导通电压UD(on)=0.假设晶体管处于放大状态，则集电极电压UC=UCC+ICRC=UCC+IBRC=12 V+5055.4 V时，VD截止，uo的波形如图P4-8(f)所示。7 V时，VDZ1击穿，VDZ2导通，uo=UZ1+UD(on)=6.当ui0时，A输出负电压，二极管VD1导通，VD2截止，A存在负反馈，用作放大器，电阻R2右端悬空，其上没有电流，输出电压uo=u=u+=0；(2)说明热敏电阻R4的功能；如果因为二极管导通而存在集成运放的负反馈，则集成运放作为放大器使用，具有“虚短”和“虚断”特点；而当(UZ1+UZ2)=1
17、0 VuiUB，所以集电结反偏，假设成立，晶体管处于放大状态，以上结果正确，UCE=UC=2.55 V。在图4-9(b)中标出PNP型晶体管极电流的实际流向。发射极经过电阻RE接地，所以假设晶体管处于放大状态，则 UCC+IBRBUBE(on)+IERE=UCC+IBRBUBE(on)+(1+)IBRE=12 V+IB100 k(0.7 V)+(1+50)IB2 k=0计算出IB=55.9 A0，确定发射结正偏，晶体管处于导通状态。假设晶体管处于放大状态，则集电极电压UC=UCC+ICRC=UCC+IBRC=12 V+5055.9 A4 k=0.81 V基极电压UB=UCC+IBRB =12
18、V+55.9 A100 k=6.4 V因为UCUB，所以集电结正偏，晶体管处于饱和状态，UCE=UCE(sat)。【例4-11】场效应管直流偏置电路和有关参数如图4-10所示，判断场效应管的工作状态并计算极间电压UDS。图4-10 例4-11电路图解 图4-10(a)中，UGS=0UGS(off)=5 V，所以场效应管工作在导通区，ID=IDSS=3 mA，UDG=UDSUGS=UDS=UDDIDRD=12 V3 mA1 k=9 VUGS(off)=5 V，所以场效应管工作在恒流区，UDS=UDG=9 V。图4-10(b)中，UGS=UGG=2 VUGS(th)=3 V，所以场效应管工作在截止
19、区，ID=0，UDS=UDD+IDRD=UDD=12 V。2)对数和反对数运算电路基本的对数和反对数运算电路可以构成较复杂的模拟运算电路。对数运算电路中，输出电压和晶体管发射结电压有关，输入电压则和集电极电流有关，电流方程联系了发射结电压和集电极电流，从而确定了输出电压与输入电压的关系；反对数运算电路中，输出电压和输入电压分别与集电极电流和发射结电压有关，并且通过电流方程关联。【例4-12】由对数运算电路构成的模拟运算电路如图4-11所示，推导输出电压uo的表达式。确定限流电阻R的取值范围，如果接入的R=300，会出现什么情况？解 由解 其中所以场效应管的夹断电压UGS(off)=2.R4应该
20、具有正温度系数，可以在一定程度上减弱随温度变化的UT带来的影响。【例4-3】二极管电流测量电路如图4-2所示。(2)当输入电压ui=8 sint(V)时，画出各级输出电压uo1、uo2和uo的波形。(1)说明集成运放A1、A2和A3的功能；图4-4(b)中，E提供的预设电压为E=1 V，ui的临界值为E+UD(on)=1 V+0.3 V时，VD截止，uo=ui。晶体管和场效应管1)工作状态晶体管的直流偏置电路中，首先根据晶体管的类型标出极电流的实际流向。当ui0时，A输出正电压，VD1截止，VD2导通，A存在负反馈，用作放大器，电路等效为反相比例放大器，uo=(R2/R1)ui。发射极直接接地
21、时，根据基极所接直流偏置电压源确定基极电压的极性，继而确定发射结正偏或反偏，需要注意NPN型晶体管和PNP型晶体管的发射结方向相反；答 载流子浓度差，电场强度；7 V时，VDZ1击穿，VDZ2导通，uo=UZ1+UD(on)=6.uo的波形如图4-5(c)所示。所以集电结反偏，假设成立，晶体管处于放大状态。(6)掌握JFET和MOSFET的工作原理、输出特性和转移特性曲线及主要参数，熟练掌握直流偏置下FET的工作状态分析、计算以及各种FET应用电路(包括方波、锯齿波发生器，取样/保持电路，相敏检波电路)的分析和计算。集电极电压UC=UCCIERC=UCC(1+)IBRC=12 V(1+50)9
22、2.传输特性如图4-6(b)所示。如果因为二极管导通而存在集成运放的负反馈，则集成运放作为放大器使用，具有“虚短”和“虚断”特点；4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.解图4-11 例4-12电路图解 由得由得1i1sC1TBE1eRuIiUu1si1TBE1lnRIuUu2i2sC2TBE2eRuIiUu2si2TBE2lnRIuUu所以i12i21T1si1T2si2TBE1BE2olnlnlnuRuRURIuURIuUuuu3)恒流源电路处于放大状态的晶体管可以实现恒流输出。如果负载电阻变化，其上的电压会相应改变，继而引起晶体管输出电压的变化，于是工作点会沿输出特
23、性曲线运动。应该保证工作点不超出放大区，即不进入饱和区或击穿区，这样就限制了负载电阻的取值范围。场效应管的工作点位于恒流区时，也可以实现输出电流为恒流，与场效应管输出电压的变化无关。【例4-13】晶体管恒流源电路和相关的晶体管输出特性曲线分别如图4-12(a)和(b)所示，在负载电阻变化时，电路为其提供恒定电流。稳压二极管VDZ的稳定电压UZ=6 V，计算负载电阻RL上的输出电流IO，并确定允许接入的RL的取值范围。图4-12 例4-13电路图及输出特性曲线解由输出特性曲线可知，为了保证处于放大状态，晶体管的输出电压应满足UCE(sat)uCE=UCC-IO(RL+R2)UBR(CEO)即0.
24、1 V36 V20 mA(RL+300)25 V计算出RL的取值范围为550 RL0，确定发射结正偏，晶体管处于导通状态。解 图P4-17(a)中，可以确定发射结正偏，所以晶体管处于放大状态或饱和状态。A2的反相端接地，电压u2=0，所以把输入电压ui分为大于零和小于零两个取值阶段。55 V基极电压UB=UBE(on)=0.4-17 判断图P4-17中晶体管和场效应管的工作状态。9 A100 k=6.图P4-12(b)中，VDZ2导通，其两端电压为UD(on)，该电压使VDZ1反偏而又不致击穿，所以处于截止状态，UO=UD(on)=0.解 A点处电压UDA=0.工作点位于恒流区和可变电阻区的交
25、界处时，uDS最小，UDG=UDSminUGS=UGS(off)则UDSmin=UGSUGS(off)=IDRUGS(off)=3.判断每个晶体管的类型，标出其基极、发射极和集电极。4-24 图P4-24(a)、(b)分别给出了两个场效应管的输出特性和转移特性。符号电路的输出电压uo3=us，uo2控制其正负号；根据以上分析，uo1、uo2 和uo 的波形如图P4-14所示。解 ub为低电平时，晶体管处于截止状态，电路等效为反相积分器，uo随时间线性上升；ub为高电平时，晶体管处于饱和状态，C通过晶体管放电，uo瞬间减小到零。uo的波形如图4-14(c)所示。【例4-16】场效应管开关电路、输
26、入电压ui和栅极电压uG的波形分别如图4-15(a)和(b)所示，电容C的初始电压为零，定量画出输出电压uo1和uo2的波形。图4-15 例4-16电路图及波形图解 uG=0时，场效应管工作在恒流区，节点A处电压为零，集成运放A1构成反相比例放大器，A2构成反相积分器，uo2随时间线性上升。t=2 ms时，uo2最大为 uG=5 V时，场效应管工作在截止区，A处电压为ui，uo1=ui，uo2随时间线性下降。t=4 ms时，uo2最小为uo2min=0。uo1和uo2的波形如图4-15(c)所示。5VV5k10k10i12o1uRRu200o1o2minV10Vd5F1.0k101d1ttuR
27、Cut4-1 本征半导体中，自由电子浓度空穴浓度；杂质半导体中，多子的浓度与 有关。答 等于；掺杂浓度。4.3 习题解答习题解答 4-2 扩散电流与 有关，而漂移电流则取决于 ；PN结正偏时，耗尽区,扩散电流漂移电流。答 载流子浓度差，电场强度；变窄，大于。4-3 二极管的伏安特性如图P4-3所示。求点A、B处的直流电阻RD和交流电阻rD。解 A点处电压UDA=0.6 V，电流IDA=3 mA，则直流电阻 交流电阻 2003mAV6.0DADADAIUR67.83mAmV26DADAIUrT图 P4-3B点处电压UDB=0.6 V，电流IDB=6 mA，则直流电阻 交流电阻1006mAV6.0
28、DBDBDBIUR33.46mAmV26DBDBIUrT(7)了解双极型晶体管和场效应管的性能及参数比较。(2)当输入电压ui=8 sint(V)时，画出各级输出电压uo1、uo2和uo的波形。发射结的偏置情况确定后，接下来的分析参见教材中的图进行。3 V时，VD截止，uo=E=2 V；图4-11 例4-12电路图以上两式联立求解，计算出IO=ID=3.输入电压ui=5sint(V)，画出输出电压uo的波形。6 V时，电压表读数UD1=0.(2)说明热敏电阻R4的功能；判断每个晶体管的类型，标出其基极、发射极和集电极。3 V时，VD导通，uo=E+UD(on)=0.(1)说明集成运放A1、A2
29、和A3的功能；解 (1)A1构成同相比例放大器；所以集电结反偏，假设成立，晶体管处于放大状态。7 V)+(1+50)IB2 k=046 mA50(2.图4-4(b)中，E提供的预设电压为E=1 V，ui的临界值为E+UD(on)=1 V+0.杂质半导体中，多子的浓度与 有关。解 A点处电压UDA=0.4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.4-26 压控弛张振荡器电路如图P4-26所示。4-11 图P4-11所示电路中，已知稳压二极管VDZ1和VDZ2的稳定电压分别为UZ1=6 V，UZ2=4 V，导通电压UD(on)均为 0.4-4 如图P4-4所示，某发光二极管导通电
30、压为2.5 V，工作电流范围为1820 mA。外接12 V直流电压源时，需要给二极管串联多大的电阻？解 电阻R的压降UR=12 V2.5 V=9.5 V，电流极值IRmin=18 mA，IRmax=20 mA，则R的最大值 其最小值 所以，发光二极管正常工作时要求串联电阻的取值范围为475R528。528mA18V5.9minmaxRRIUR4750mA2V5.9maxminRRIUR图 P4-44-5 某二极管电路如图P4-5 所示。当E=4 V时，电流表读数I=3.4 mA，当E增加到6 V时，I的测量结果如何？另一二极管UD=0.65 V时，测得ID0=13 mA，当UD=0.67 V
31、时，ID应该是多少？解 根据图示电路，有 所以UD(on)=EIR=4 V3.4 mA1 k=0.6 VRUEID(on)当E=6 V时，测量结果为 由ID0=13 mA，得二极管的交流电阻 UD的增加量UD=0.67 V0.65 V=0.02 V很小，所以ID可以线性近似得到mA4.5k1V6.0V6D(on)RUEI2mA13mV26D0DIUrT图 P4-54-6 计算图P4-6所示电路中节点A、B的电压，已知二极管导通电压UD(on)=0.7 V。解 图P4-6(a)中，二极管VD导通，电阻R1和R2的总压降为 根据串联分压的比例关系，R1的压降 所以节点A的电压 V3.9V7.0)V
32、5(V5)(D(on)UEEU3.1VV3.92004002001211URRRUR1.9V3.1VV51ARUEU图 P4-6R2的压降所以节点B的电压 图P4-6(b)中，二极管VD截止，电路中没有电流，R1和R2的压降为零，所以UA=E=5 V，UB=E=5 V。6.2V3.1VV3.912RRUUU1.2VV2.6V52BRUEU4-7 高输入阻抗绝对值电路如图P4-7所示。已知匹配条件为R1=R2=Rf1=0.5Rf2，推导输出电压uo与输入电压ui的关系表达式。解 当ui0时，二极管VD1导通，VD2截止，第一级放大器的输出电压uo1=u1=u1+=ui，集成运放A2的输入电压u2
33、=u2+=ui，所以电阻R2和Rf2中无电流，输出电压uo=u2=ui。当ui0时，VD1截止，VD2导通，此时第一级放大器构成同相比例放大器，有u2=u2+=ui，R2和Rf2中的电流i=(uo1u2)/R2=ui/R2,故 根据以上分析，在任意时刻，uo=|ui|。ii1f1o121uuRRuii2f2if22ouuRRuiRuu4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.【例4-3】二极管电流测量电路如图4-2所示。杂质半导体中，多子的浓度与 有关。t=4 ms时，uo2最小为uo2min=0。4 V时，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。(2)如果ui=22 V，求
34、RL的允许变化范围。4-9 电路和输入电压ui的波形如图P4-9所示。【例4-11】场效应管直流偏置电路和有关参数如图4-10所示，判断场效应管的工作状态并计算极间电压UDS。【例4-7】集成运放精密半波整流电路如图4-6(a)所示，分析其传输特性。其中所以R的取值范围为100200。根据该固定电压把输入电压分为两个取值阶段，对两个阶段分别进行以下分析：首先假设二极管均不导通，运放处于开环状态(相当于电压比较器)，根据该阶段反相输入端和同相输入端的电压关系确定输出电压是正电压还是负电压，继而确定输出端二极管是导通还是截止。解 场效应管的转移特性为其中uGS=iDR=iD50 当ui1.3 V时
35、，VD截止，uo=E=2 V；当ui2.7 V 时，VD截止，uo=ui；当ui3.7 V时，VD导通，uo=uiEUD(on)=ui3.7 V；当ui2.3 V时，VD导通，uo=ui+E=ui+3 V；当ui1.7 V时，VD导通，uo=ui-UD(on)=ui0.7 V；当ui3.4 V时，VD导通，uo=UD(on)+E=0.7 V+1 V=1.7 V；当ui0时，二极管VD导通，集成运放的输入电压u=u+=ui，则当ui0时，二极管VD导通，uo=u=u+=0；当ui0时，二极管VD截止，集成运放A1的输入电压u1=u1+=ui，输出电压解 图4-5(a)中，电压源电压E经过电阻R和
36、负载电阻RL分压后提供的预设电压为ui的临界值为A2的反相端接地，电压u2=0，所以把输入电压ui分为大于零和小于零两个取值阶段。解 以下分析中，设二极管VD的导通电压UD(on)=0.求点A、B处的直流电阻RD和交流电阻rD。解 集成运放A1构成反相积分器，A2构成同相迟滞比较器。假设其处于放大状态，则IBRB+UBE(on)+(1+b)IBRE=UCC，即IB 370 k+0.传输特性如图4-6(b)所示。所以 从以上证明过程中可以看出，晶体管V1和V2的反相饱和电流彼此相约，从而抵消了其对温度变化敏感带来的影响。答 载流子浓度差，电场强度；根据以上分析，该电路的电压传输特性如图P4-11
37、(c)所示。如果可以精确测量二极管两端的电压，其变化不大时，可以利用二极管的交流电阻线性外推二极管中的电流。4-21 由对数和反对数运算电路构成的模拟运算电路如图P4-21所示。以上两式联立求解，计算出IO=ID=3.图4-15 例4-16电路图及波形图7VuiUZ1+UZ2=6 V+4 V=10 V时，VDZ1和VDZ2都击穿，uo=UZ1+UZ2=10 V；当ui2UD(on)=20.7 V=1.4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.4 V；而当2UD(on)=1.4 VuiUZ1+UD(on)=6 V+0.7 V=6.7 V时，VDZ1击穿，VDZ2导通，uo=U
38、Z1+UD(on)=6.7 V；当ui(UZ2+UD(on)=(4 V+0.7 V)=4.7 V时，VDZ1导通，VDZ2击穿，uo=(UZ2+UD(on)=4.7 V；而当(UZ2+UD(on)=4.7Vui2UD(on)=20.7 V=1.4 V时，VDZ1和VDZ2都导通，uo=2UD(on)=1.4 V；当ui(UZ1+UZ2)=(6 V+4 V)=10 V时，VDZ1和VDZ2都击穿，uo=(UZ1+UZ2)=10 V；而当(UZ1+UZ2)=10 Vui2UD(on)=1.4 V时，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。根据以上分析，该电路的电压传输特性如图P4-11(c)所示。4
39、-12 求图P4-12所示电路的输出电压UO,已知稳压二极管VDZ1和VDZ2的稳定电压分别为UZ1=6 V,UZ2=7 V,导通电压UD(on)均为0.7 V。图 P4-12解 图P4-12(a)中，因为UZ10时，二极管VD截止，集成运放A1的输入电压u1=u1+=ui，输出电压V5V4V51V26V1VV8iiiiouuuuui121i1ouuRRuuu当ui0时，VD导通，A1构成反相比例放大器，有 根据以上分析，在任意时刻，uo=|ui|。ii12ouuRRu4-14 电路如图P4-14所示。设电容C的初始电压为零。(1)说明集成运放A1、A2和A3的功能；(2)当输入电压ui=8
40、sint(V)时，画出各级输出电压uo1、uo2和uo的波形。图 P4-14解 (1)A1构成反相比例放大器，A2构成反相过零简单比较器，A3构成反相积分器。(2)当uo10时，uo2=6 V。uo2=6 V时，电容C充电，uo 随时间线性下降；uo2=6 V时，C放电，uo 随时间线性上升。根据以上分析，uo1、uo2 和uo 的波形如图P4-14所示。ii12o1uuRRu图 P4-144-15 定性画出图P4-15中弛张振荡器的输出电压uo和电容电压uC的波形。解 图P4-15(a)中，当uo=UoH=6 V时，二极管VD截止，uo通过电阻R5对电容C充电；当uo=UoL=-6 V 时，
41、VD导通，C通过R4R5放电。根据以上分析，该电路的充电速度慢，放电速度快，uo和uC的波形如图P4-15(a)所示，其中设t=0时，C上的电量为零。图P4-15(b)中，当uo=UoH=6 V时，二极管VD导通，uo通过电阻R4对电容C充电；当uo=UoL=-6 V时，VD截止，C通过R4+R5放电。根据以上分析，该电路的充电速度大于放电速度，uo和uC的波形如图P4-15(b)所示，其中设t=0时，C上的电量为零。图 P4-15图 P4-154-16 电路如图P4-16所示，画出输出电压uo和电容电压uC的波形。图 P4-16图 P4-16解 集成运放A1构成反相积分器，A2构成同相迟滞比
42、较器。当uo=UoH=6 V时，电容C恒流充电，uC随时间线性下降，当时，uo=UoL=6 V，C恒流放电，uC随时间线性上升。根据以上分析，uo和uC的波形如图P4-16所示，其中设t=0时，C上的电量为零。V6V6k10k10OH21TLURRUuC4-17 判断图P4-17中晶体管和场效应管的工作状态。解 图P4-17(a)中，可以确定发射结正偏，所以晶体管处于放大状态或饱和状态。假设其处于放大状态，则IBRB+UBE(on)+(1+b)IBRE=UCC，即IB 370 k+0.6 V+(1+100)IB 2 k=12 V，计算出IB=20 A，则IC=bIB=100 20 A=2 mA
43、。所以集电结反偏，假设成立，晶体管处于放大状态。04.4Vk5.1mA2k370A20)()(CCBBBBCCCCCCBCCBRIRIRIURIUUUU图P4-17(b)中，UGS=0 UGS(off)，所以场效应管工作在恒流区或可变电阻区，且ID=IDSS=4 mA。所以场效应管工作在恒流区。DDDDDSDGRIUUUGS(off)V8k1mA)4(V12U图 P4-174-18 实验测得图P4-18中两个放大状态下的晶体管三极的电位分别为(1)U1=3 V，U2=6 V，U3=3.7 V；(2)U4=2.7 V，U5=2 V，U6=5 V。判断每个晶体管的类型，标出其基极、发射极和集电极。
44、解 (1)NPN型晶体管，U1为发射极，U2为集电极，U3为基极；(2)PNP型晶体管，U4为基极，U5为发射极，U6为集电极。图 P4-184-19 实验测得图P4-19中两个放大状态下的晶体管的极电流分别为(1)I1=5 mA，I2=0.04 mA，I3=5.04 mA；(2)I4=1.93 mA，I5=1.9 mA，I6=0.03 mA。判断每个晶体管的类型，标出其基极、发射极和集电极，并计算直流电流放大倍数和。解 (1)NPN型晶体管，I1为集电极，I2为基极，I3为发射极，=125，=0.992;(2)PNP型晶体管，I4为发射极，I5为集电极，I6为基极，=63.3，=0.984。
45、图 P4-194-20 推导图P4-20中对数运算电路的输出电压uo的表达式。解 其中所以SCBEolnIiUuuT2i21i1i2i1CRuRuiii2Si21Si1olnRIuRIuUuT图 P4-204-21 由对数和反对数运算电路构成的模拟运算电路如图P4-21所示。求输出电压uo的表达式。解 电路中电阻R5起调零作用，所以有uBE1+Ube3uBE4uBE2=0由晶体管的电流方程得 1S1BE1lnRIuUuT2S2BE3lnRIuUuT3S3BE2lnRIuUuT4SoBE4lnRIuUuT所以有即1o321uuuu321ouuuu 图 P4-214-22 对数运算电路如图P4-2
46、2所示。(1)说明晶体管V1和V2的功能；(2)说明热敏电阻R4的功能；(3)证明输出电压uo的表达式为 证明 节点A的电压 BE1BE2AuUuRi12T43oln1UuRRURRuC1C2SC1SC2lnlnlniIUIiUIIUTTT图 P4-22其中，所以又2RC2RUI1iC2RuiiR21Ti12RTAlnlnuURRUuRRUUuo434AuRRRu所以 从以上证明过程中可以看出，晶体管V1和V2的反相饱和电流彼此相约，从而抵消了其对温度变化敏感带来的影响。R4应该具有正温度系数，可以在一定程度上减弱随温度变化的UT带来的影响。Ri1243iR2143A43oln1ln11UuR
47、RURRuURRURRuRRuTT4-23 图P4-23所示电路中，稳压二极管的稳定电压为UZ。推导输出电压UO的表达式。解 3ZE1C1RUIIZ32CC2C1CC22URRURIUUUZ43242CCE2C2URRRRUUIIZ43525C23URRRRRIUZ435233OURRRRUUU图 P4-234-24 图P4-24(a)、(b)分别给出了两个场效应管的输出特性和转移特性。判断它们的类型，确定其UGS(off)或UGS(th)、IDSS或ID0的取值。解 图P4-24(a)为N沟道增强型MOSFET，UGS(th)=2 V。图P4-24(b)为P沟道耗尽型MOSFET，UGS(o
48、ff)=3 V，ID0=0.5 mA。图 P4-244-25 电路如图P4-25所示。二极管是理想二极管，场效应管的夹断电压UGS(off)=4 V，电容C的初始电压为零。(1)说明集成运放A1、A2和A3的功能；(2)说明二极管VD和场效应管V的功能；(3)根据图中输入电压ui的波形，画出各级输出电压uo1、uo2、uo3和uo的波形。解 (1)A1构成同相比例放大器；A2构成反相迟滞比较器；A3构成反相积分器。(2)二极管VD和电阻R6构成半波整流电路；场效应管V用作无触点电子开关。(3)uo1、uo2、uo3和uo的波形如图P4-25所示。图 P4-25图 P4-254-26 压控弛张振
49、荡器电路如图P4-26所示。(1)说明集成运放A1、A2和A3的功能；(2)说明二极管VD和场效应管V的功能；(3)画出各级输出电压uo1、uo2、uo3和uo的波形。图 P4-26解 (1)A1构成反相迟滞比较器；A2构成符号电路；A3构成反相积分器。符号电路的输出电压uo3=us，uo2控制其正负号；电容C的充放电电流受到us的控制，即iC=uo3/R=us/R，iC的大小决定了反相积分器输出电压uo的变化速度，又控制了反相迟滞比较器的电平翻转频率，所以该电路的振荡频率受到us的控制，输出方波uo1和三角波uo。(2)二极管和电阻R6构成限幅电路，场效应管用作无触点电子开关。(3)uo1、uo2、uo3和uo的波形如图P4-26所示。
