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电子电路的噪声研究
本科毕业论文(设计)
题目:
电子电路的噪声研究
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电子电路的噪声研究
摘要:
随着电子技术的快速发展,各种各样的电子设备或系统已经开始广泛的出现在人们的生活中。
这些设备或系统在运行时会向周围发射电磁能量,对其他的电子设备产生干扰,严重时可以造成一定的伤害。
本研究重点对电子噪声的来源及其抑制方法进行讨论。
由电子噪声的基础知识,电子器件的内部噪声,电子电路的噪声计算入手,讨论电子电路中的噪声来源及抑制噪声的有效方法。
关键词:
内部噪声,来源,抑制
TheStudyofelectroniccircuitnoise
Abstract:
withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,allkindsofelectronicequipment,orsystemhasbeguntowidelyappearedinpeople'slives.Aroundtheequipment,orsystematruntimetolaunchtheelectromagneticenergy,producesinterferencetootherelectronicequipment,seriouswhencancausecertainharm.Thisstudyfocusonelectronicnoisesourcesanditssuppressionmethodsarediscussed.Bythebasicknowledgeofelectronicnoise,electronicdevices,theinternalnoiseofelectroniccircuit,thenoisecalculationofelectronicnoisesourcesinthecircuitarediscussedandtheeffectivemethodtosuppressnoise.
Keywords:
internalnoisesources,suppressed
1.引言
随着人们生活水平的提高,各种家电,手机、电视、电脑等高精度电子产品已经走进了普通百姓的家庭,成为人们生活不可缺的电子产品。
而电子电路的噪声抑制也应经成为一个必须解决的问题,因为电子噪声造成的危害是无法估量的,轻则使电子设备或系统的工作性能等级下降,重则使人们的名财产受到严重威胁。
因此电子电路中的噪声已经成为一个亟待解决的问题。
2.噪声的定义及其特性
所谓噪声,是指出有用信号以外的一切不需要的信号以及各种电磁骚动的总成。
噪声与干扰是同义词,没有本质区别,而习惯上将外部来的称为干扰,内部产生的称为噪声。
从原理上说,任何电子线路都有噪声,但一般情况下电子电路中的噪声强度都很弱,因此它的影响主要出现在有用信号比较弱的场合,如接收机的前级电路或多级高效增益的音频放大、视频放大器中。
在这些电路中,本身较弱的噪声及信号通过多级放大后可以对系统产生不可估量的影响,因此对其噪声的抑制是必要的。
3.几种常见的电子噪声
3.1电阻热噪声
一个导体或者电阻中有着大量的自由电子,由于温度的原因,在这其中的电子都会做不规则的运动,温度越高,自由电子的运动就越剧烈。
就一个电子来看,它的一次运动过程就会在电阻两端产生起伏的电压。
从一段时间看,进出电阻的电子量是一样的,因而电阻两端的平均电压应为零;但就某一瞬间看,电阻两端的电子量是不可能一致的,因而电阻两端的电势e的大小是随机变化的。
图3-1为电阻热噪声的一段电压波形波形:
图3-1电阻热噪声电压波形
理论及实践证明,当电阻的温度为T(K)(绝对温度)时,电阻R两端噪声电压为:
因为热噪声是电子电路中的常见噪声,因此为了便于研究,把产生热噪声电阻元件用等效电路表示,等效电路由噪声电压(电流)发生器和无噪声电阻组成,如图3-2(a)所示。
a
根据电势源与电流源的等效互换原则,图3-2(a)的串联等效电路可用一个等效噪声,电流发生器并联一个无噪声的电阻来代替,如图3-2(b)所示,噪声电流发生器I的均方根值为:
R(无噪声)
图3-2等效电路
由于噪声的相位是随机的,所以图2中的噪声发生器均不标明它的参考正向。
虽然因为热噪声的性质决定了其幅度和性质是随着时间无规则变幻的,但它的确遵守统计学规律,热噪声的特性如图3-3所示:
图3-3电阻热噪声特性图
从图3-3可以看出热噪声具有极宽的频谱,其包含的频率分量从0频开始直到
Hz以上,也因此可以从此图确定其功率频谱。
其在单位频带上电阻两端的噪声电压均方值为:
式中T为热力学温度,k为波尔兹曼常数。
因为电压均方值可以看作该电压在1欧姆电阻上所消耗的平均功率,所以S(f)通常也称为电阻热噪声的功率谱密度。
由此可知热噪声功率的频率分布是均匀的,也就是每赫兹之间电阻热噪声功率是一个常数。
所以又把工作频带内功率谱密度分布均匀的噪声称为“白噪声”,这意味着,它包含了很多的频率成分,如同白光由许多颜色组成的一样。
除热噪声外,其它许多噪声源也有这种特性,同样称之为白噪声。
而把功率谱频率变化的噪声称为“有色噪声”。
3.2晶体管及其噪声
在电子电路中晶体管主要包括晶体二极管,三极管和场效应管。
(1)晶体二极管:
二极管是一种具有单向导电性的二端器件,有电子二极管和晶体二极管之分,我们主要了解晶体二极管的特性。
晶体二极管是由一个P型半导体和一个N型半导体形成的P-N结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。
当不存在外加电压时,由于P-N结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑制抵消使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
当外加的反向电压高到一定程度时,
P-N结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。
P-N结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。
[1]
晶体二极管的噪声主要包括:
(1)热噪声:
当载流子通过电阻输运时,由于热运动的无规性,载流子的速度及其分布将会出现起伏,从而就会产生出电流的涨落和相应在电阻上的电压涨落,这就是热噪声。
这种噪声在任何电阻器件上都会产生,而P-N结在小信号工作时具有一定的交流电阻,所以也就必然存在热噪声。
这种噪声的大小既与温度有关,也与电阻的大小有关。
由于P-N结的正向交流电阻很小,而反向电流又很小,所以热噪声也很弱(噪声均方根电压仅大约为4nV)。
热噪声的频谱密度与信号频率无关(即各种频率的噪声功率相同),也是一种白噪声。
(2)散粒噪声:
这种噪声是指通过P-N结的电流及其之上电压的一种涨落效应,它在大多数依靠P-N结来工作的器件中往往是主要的噪声成分。
由于越过P-N结的少数载流子将会不断遭受散射而改变方向,同时又会不断复合与产生,因此载流子的速度和数量将会出现起伏,从而造成通过P-N结的电流和相应其上的电压的涨落,这就是散粒噪声。
通过P-N结的电流愈大,载流子的速度和数量的起伏也愈大,散粒噪声电流也就愈大。
散粒噪声与热噪声具有相同形式的关系式,因此散粒噪声也与频率无关(即为白噪声,在低频和中频下的确如此)。
但在高频时则与频率有关。
散粒噪声在少数载流子工作的半导体器件(双极型器件)中起很大作用。
(3)闪变噪声(1/f噪声):
这是一种在低频(<1000Hz)下具有很大影响的噪声;其来源很可能是半导体内部或者表面的各种杂质、缺陷等所造成的一些不稳定性因素。
因为这些因素(主要是表面态)对载流子往往起着复合中心的作用,而复合中心上的载流子数量由于外电场或气氛等的影响会产生起伏,这就将引起复合电流、并从而整个电流的涨落,这也就是闪变噪声。
这种噪声的电流均方值与交流信号频率f之间近似有反比关系。
正是闪变噪声与频率近似具有反比的关系,所以也就常常称这种噪声为1/f噪声。
这种噪声在以半导体表面薄层作为有源区工作的器件中往往起着重要的作用。
(2)三极管:
三极管的基本结构是两个反向连结的PN接面,可有PNP和NPN两种组合。
三个接出来的端点依序称为发射极、基极和集电极。
在没接外加偏压时,两个PN接面会形成耗尽层,将中性的p区和n区隔开。
三极管在电子电路中的地位是十分重要的,他是电子电路的核心元件。
三极管工作状态有三种,放大、饱和、截止,其中又以放大状态最为复杂,主要用于小信号的放大领域。
a.热噪声:
这是由于载流子的热运动而产生的电流起伏及其在电阻上产生的电压起伏。
因此,热噪声既与温度T有关,也与电阻R有关。
与二极管的热噪声产生的机理基本相同。
b.散粒噪声:
这是正偏p-n结注入的少数载流子,由于不断遭受散射而改变方向,同时又不断复合、产生,所造成的一种电流、电压起伏所产生的。
P-N结注入的电流愈大,载流子的速度和数量的涨落也愈大,则散粒噪声也就愈大。
散粒噪声与热噪声具有相同形式的表示式,它也是一种与频率无关的白噪声。
P-N结注入的电流愈大,载流子的速度和数量的涨落也愈大,则散粒噪声也就愈大。
散粒噪声与热噪声具有相同形式的表示式,它也是一种与频率无关的白噪声。
对于晶体管,发射结和集电结都存在散粒噪声。
在共基极组态中,输入端的散粒噪声电流与发射极电流IE成正比;在共发射极组态中,输入端的散粒噪声电流与基极电流IB成正比;而输出端的散粒噪声电流与集电极电流IC成正比。
c.闪变噪声(1/f噪声):
主要是来自于晶体缺陷、表面态或表面不稳定性所引起的复合电流的涨落,其噪声电流均方值与频率f的次方成反比,α值对同一种半导体而言是确定的,一般为(0.8~1.5。
)为了降低1/f噪声,就需要提高晶体材料的质量和改善工艺过程等;通过采取一些措施后,可以把1/f噪声控制到很小。
而且闪变噪声只在低频时起作用。
(3)场效应管:
场效应管是根据三极管的原理开发出的新一代放大元件,有3个极性,栅极,漏极,源极,它的特点是栅极的内阻极高,采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧,属于电压控制型器件。
场效应管场效应晶体管(FieldEffectTransistor缩写(FET))简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.。
它具有具有输入电阻高(100MΩ~1000MΩ)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点。
3.3低频噪声和电路板上电磁原件的干扰
低频噪声产生原因虽然目前还没有定论,但很多理论认为是由于电阻在制造过程中,由于内部的导电微粒不连续造成的。
特别是碳膜电阻,其内部的碳质材料内部存在许多微小颗粒,颗粒之间是不连续的。
在电流流过时,会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化,产生类似接触不良的闪爆电弧。
另外晶体管也可能产生相类似的爆裂噪声和闪烁噪声(1/f),其产生的机理和电阻中微粒的不连续性相近,也和晶体管的参杂程度有关。
如图3-5所示,为爆裂噪声波形图和3-6低频噪声波形图:
图3-5爆裂噪声波形
图3-6低频噪声波形图
另外在许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件。
在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射的电磁能量,其能量会对周围的电路产生干扰。
而象继电器等元件是反复工作的,其在通、断电时会产生瞬间的反向高压,形成瞬时浪涌电流,这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击,从而严重干扰电路的正常工作。
[2]
4噪声的量度
4.1信噪比
信噪比的概念首先是在无线电通信中提出来的。
接收机输出功率可分成两部分:
信号功率和噪声功率。
理论上和实践中经常要考虑信号功率与噪声功率的比值,这个比值就叫做信噪比。
,通常用η表示η=信号功率/噪声功率=S/N,譬如在测量中经常把(μ2/σ2)作为信噪比,这里μ是质量特征值的平均值σ是样本方差。
通常把这些量取常用对数再放大10倍作为信噪比,仍记为η,但这时的单位是分贝(dB),把μ说成为信噪比的分贝值。
譬如信噪比这个量,通常都是越大越好。
4.2噪声系数
实际电路的输入信号通常混有噪声。
为了说明信号的质量,可以用信号功率S与其相混的噪声功率N之比(即S/N)来衡量,并称比值S/N为信噪比。
显然,信噪比越大,信号的质量越好。
线性电路的噪声系数Nf定义为:
在标准信号源激励下,输入端的信噪比Si/Ni与输出端的信噪比So/No的比值,上述定义中标准信号源是指输入端仅接有信号源及其内阻Rs,并规定该内阻在温度T=290K时所产生的热噪声为输入端的噪声源。
噪声系数通常也用dB表示:
Nf(dB)=10lg(No/KpNi),其中Kp是功率增益。
4.3噪声温度
噪声温度也是一种衡量线性电路本身噪声性能的指标。
如果将线性电路输出端的噪声功率ΔNm除以额定功率增益Kpm后折算到输入端,并且用信号源内阻Rs在假想温度Tn时所产生的额定噪声功率来等效,于是有噪声的电路就可以看成一个理想的无噪声电路,则称这个假想温度Tn为线性电路的等效噪声温度或简称噪声温度。
显然,电路内部噪声越大,噪声温度越高,反之则越低。
源内阻Rs在Tn时产生的额定噪声功率Nim=kTnBn,根据Tn的定义则有:
有:
NimNm/Kpm=kTnBn.则Tn可表示为:
Tn=Nm/KpmBnk噪声温度可噪声系数之间可以互换,可得:
Nf=1+Tn/T.表明对理想的无噪电路,由于Nf=1,故其噪声温度为零。
Nf越大,电路的噪声温度越高。
噪声温度和噪声系数都能用来表征电路的噪声性能。
通常,当电路内部噪声较大时,采用噪声系数比较方便。
而对于低噪声器件和低噪声电路,在衡量或比较它们的噪声性能时,则用噪声温度比较合适,比如有两个低噪声放大器,其噪声系数分别为1.05和1.025,噪声性能似乎相差不大,但用噪声温度表示时,则分别为14.5K和7.25K,即相差一倍,可见,在低噪声场合用噪声温度,其噪声性能的差异反映在数量变化上比较明显。
4.4分贝单位
在电子工程中最常用到的一个单位是分贝(dB),它的定义是两功率之比再取对数,即为分贝(B)作为单位。
但是在应用上为了处理方便,取分贝的1/10为辅助单位,称为分贝(dB)。
[5]
表4.1分贝比值
比值
1/100000
1
1
1
DB数
-80
-60
-40
-20
比值
2
3
5
DB数
3
6
9.5
14
5噪声干扰的路径
形成电磁噪声干扰有三个因素:
即噪声源、耦合通道以及接收噪声的电子电路。
上面我们已谈到噪声源。
下面谈一下噪声的耦合方式,即通道。
噪声的主要耦合方式,即通道的性质有以下六种:
传导耦合、静电耦合、经过公共阻抗的耦合、漏电流耦合、远场辐射耦合。
5.1噪声的耦合方式
噪声的耦合方式主要有公共阻抗耦合、直接耦合、电容耦合、电磁感应耦合、漏电耦合和辐射耦合等。
5.2公共阻抗耦合
公共阻抗耦合是噪声源和信号处理电路具有公共阻抗时的传导耦合。
常见的情况是信号处理电路和信号输出电路使用公共电源,而电源不是内阻为零的理想电压源,电源内阻就成为了公共阻抗Zc,信号输出电路中的电流变化就会在公共阻抗上产生噪声信号,并通过电源线干扰信号处理电路,如图5-1所示。
为了防止公共阻抗耦合,应使耦合阻抗趋近于零,通过去耦电路可减少公共阻抗耦合引起的干扰。
图5-1公共阻抗耦合
5.3直接耦合
直接耦合通常是噪声信号经过导线直接传导到被干扰电路中。
图5-2(a)中噪声信号Vn串接到有用信号Vs回路中,形成常模干扰;图5-2(b)中噪声信号Vn对有用信号Vs形成共模干扰。
图5-2直接耦合
5.4电容耦合
控制系统的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在分布电容。
如某一导体上的信号电压变化通过分布电容影响到其他导体上的电位,这种现象称为电容性耦合,也称静电耦合或电场耦合。
噪声通过电容耦合的影响程度取决于分布电容大小和噪声的频率。
图5-3中,导线a,导线b之间存在分布电容Cab,导线a和导线b对地的分布电容为Cac和Cbc,噪声信号Vn可通过分布电容Cab会叠加在导线b上。
图5-3电容耦合
5.5电磁感应耦合
电磁感应耦合又称磁场耦合。
载流导体周围空间都会产生磁场,如磁场是交变的,则会对其周围闭合电路产生感应电势,因此,电路中的线圈、变压器甚至较长的导线都可能通过电磁感应耦合来传递噪声。
图5-4中,噪声信号Vn回路的L1与有用信号Vs回路的L2经等效的互感系数M耦合,从而有可能造成对Vs的影响。
图5-4电磁感应耦合
5.6漏电耦合
漏电耦合是电阻性耦合方式。
当相邻的元件或导线间绝缘电阻降低时,就会发生漏电耦合现象。
图5-5中Rab为导线a与导线b之间的绝缘电阻,当电路绝缘性能下降时,即Rab变小,则导线a上的信号Vn通过Rab与Rb分压耦合到导线b上,从而造成Vn对Vs的干扰。
图5-5漏电耦合
5.7辐射耦合
辐射耦合主要由电磁场辐射引起。
当高频电流通过导线时,就会在导体周围形成空间传播的电磁波,一定长度的信号传输线既可作为发射天线,也可作为接收天线,这就是所谓的“天线效应”。
在一定强度的电磁场辐射条件下,由于天线效应,噪声经辐射耦合入侵电路就难以避免。
辐射耦合的示意图如图5-1-6所示。
[7]
图5-6辐射耦合
6电子产品噪声的常规检测方法
由于电子产品内部元件千差万别,元件间、布线间、元件与布线间的相互影响,使得电子产品的噪声非常复杂,但仍有规律可寻。
电子产品常规的检查方法如下:
(1)观察法:
通过人的视觉去发现故障。
主要用于对电路板进行漏焊、虚焊、线间的短路、断线、上错元件、打火、烧焦等检查。
(2)触摸法:
通过人的手指去触摸元件,发现是否有松动、过热或无热现象,间接地去判断故障。
轻击机件、机箱、底板加大了噪声振荡,则噪声产生于与此有关电路正常工作时,会发热的元器件突然无热或过热,则噪声与此电路有关。
(3)动态观测法:
用示波器观测电路关键点的波形来发现故障。
从电路的后级往前级逐级注入测试信号,同时用示波器观测该级输出的信号波形,若信号波形不正常,则前方电路出现了故障。
(4)分割法:
在寻找故障过程中,通过拔掉部分插件、拔下部分电路板、在电路板上断线,从前级往后级逐步分离电路,分离到没有噪声的位置,则噪声产生于
与此有关电路。
(5)静态测量法:
用万用表测量元件的直流工作电压、电流去发现故障。
对于线性电路分立元件此法尤其重要。
(6)短路法:
用2~3种容量的电容器,从前级开始使电路的信号输出部分逐一接地,顺次向后探索,直到发现接地时没噪声,则噪声产生于此电路前。
(7)模拟法:
通过对无故障机器和有故障机器,相同之处的对测,相比较来确定故障。
(8)替换法:
通过对各部分电路间的电缆连线、内部连线、电路板或某一部件的更换,来确定故障在某一范围内。
(9)软件诊断法:
利用软件功能为调试者提供自行测试噪声大小。
(10)假负载法:
在寻找故障过程中,断开电源负载,用适当功率的电阻或灯泡来替换原负载,从而确定故障在某一范围内的方法。
(11)排除法:
在寻找故障过程中,发现一点线索后,顺着线索追查下去。
经测量和分析,找到一些可构成此类故障的原因,在这种情况下,先按某种原因去排除,如无效,再按其他原因去排除。
电子产品的常规检查方法很多。
在实际中,只要懂得电子技术原理,都还可以创新。
以上这些方法,虽说它们彼此之间是孤立的,但是在实践中,大多联合运用。
比如,静态测量法和触摸法相结合,短路法和动态观测法相结合,观察法和触摸法相结合等都能又快又好地确定故障。
7噪声干扰的克服方法
抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题,一种干扰现象可能是由若干因素引起的。
因此,在电子电路的设计中,我们应采取抗干扰措施,对电子电路的工作原理、具体布线、屏蔽、电源的抗扰动能力、系统地处理以及防护形式不断改进,提高电子电路的可靠性和稳定性。
目前主要从噪声干扰源,噪声干扰传播途径和接受端来克服和减小噪声对电子电路噪声的不良影响。
7.1合理的选择器件
(1)电阻:
所有的电阻在一定温度时,由于热能作用,电子骚动都会产生,温度愈小愈低。
选用电阻首先考虑其额定功率,要求留有余地。
对于特种类型的电阻以防产生感应:
可调电阻的滑动触点要和定片接触良好,各接头最好用最短的双股绞线连到电路板上。
线绕电阻要用无感绕线法绕制。
(2)电感:
当电流经过它时,产生感应反电动势,对邻近电路产生干扰并形成噪声。
要求电感绝缘度高,漏电流小,静电、磁屏蔽好。
(3)变压器:
当电流经过它的初级绕组时,有部分变成了漏磁通,同时初级绕组端异常电压会通过级间静电电容耦合到次级绕组,对邻近电路产生干扰,形成噪声。
选用变压器一定要注意初级绕组与次级绕组间绝缘程度及静电、磁屏蔽状况。
(4)电容:
在实际电路中,每个电容可等效为一个很小的电阻、电感与之相串联或并联而成。
当电路工作时,它易和附近元件形成自激振荡,并对邻近电路产生干扰选用电容时须注意:
高、中频电路的电容要尽量缩短连接导线的跨度,不要分别接地。
电容的额定电压要求尽量高,否则它的漏电流会增大。
可调电容动片与定片间夹有尘土或尘土炭化很容易产生,要密封严密。
(5)半导体元器件:
首先,它对温度极为敏感,很容易产生热噪声。
焊接时要求:
热量不能通过导线影响元件性能。
选用半导体元件时,其额定功率要求留有余地。
其次,半导体元件对光较为敏感,管子的输出电压会随光通量而变化。
使用中,不能让半导体元件涂层脱落。
再者,半导体元件结间有结电容,引脚有引线电感。
在高频电路中,它们易产生C,L衰减振荡,造成信号波形失真。
使用半导体元件时,要尽量剪短引线,也可通过并联二极管来泄放结电容的反向穿透电流。
(6)开关与继电器:
长期使用,尘埃或烟灰等进入设备容易使接点受到污染,接点金属氧化或烧坏,接点处形成火花电弧,辐射出电磁波,产生高频振荡,形成噪声。
使用开关与继电器时,要保证接点良好接触。
(7)电声器件:
由于功率和阻抗与电路的匹配不良、屏蔽线接地不当、接线柱的相位错误、安置的方向不对、音圈位置不当、音膜破裂等都要产生噪声。
正确用好电声器件对降低噪声至关重要。
(8)指示灯:
氖灯由于辉光放电,会产生噪声。
白炽灯由于电感存在,会产生很高的异常电压,成为其他电路的噪声源。
指示灯的接点金属生锈、氧化或烧坏也会产生噪声。
在低频段,晶体管由于存在势垒电容和扩散电容等问题,噪声较大。
而结型场效应管因为是多数载流子导电,不存在势垒区的电流不均匀问题。
而且栅极与导电沟槽间的反向电流Ig产生的散粒噪声很小。
故在中、低频的前级电路中采用场效应管不但可以降低噪声还可以有较高的输入阻抗。
另外如果需要更换晶体管等半导体元件,一定要经过对比选择。
本人曾在修理一台功放机功放管时,由于一时找不到相同型号的管,只能用参数相近的代用管代替。
结果焊好后发现,其音质比原来差。
经过调整静态参数后仍有杂音。
最后只能通过对比找出效果最好的管,才解决了问题。
其实型号相同的半导体器件参数也是有差别的。
同样,电路中的碳膜电阻与金属膜电阻的噪声系数也是不一样的,金属膜电阻的噪声比碳膜的要小。
特别是在前级小信号输入时,可以考虑用噪声小的金属膜电阻。
7.2采用优质的电源
电源对整个电路的工作状态影响极大,电源选择不好,轻则使电路静态工作点偏移,重则将会
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