《电工学》秦曾煌第六版下册课后答案.docx
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《电工学》秦曾煌第六版下册课后答案
14二极管和晶体管
二极管
在图1所示的各电路图中,E=5V,ui=10sinωtV,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:
习题图
(a)ui为正半周时,ui>E,D导通;ui ui为负半周时,D截止。 D导通时,u0=E;D截止时,uo=ui。 (b)ui为正半周时;ui>E,D导通;ui 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: 习题图 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=+;(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: 习题图 (1)二极管DA优先导通,则 10 VY=9×1+9V=9V −3 VY9 ID=IR= =A=110 × R9×103 A=1mA DB反向偏置,截止,ID=0 (2)设DA和DB两管都导通,应用结点电压法计算VY: VY= 6 + 11 11 1V= ×9 V=< ++19 119 可见DB管也确能导通。 ID= 6−A=×10−3 1×103 A= ID= −A=×10−3 × 1×103 A= IR= A=10−3 9×103 A= (3)DA和DB两管都能导通 55 + VY= 11111V= ++ 119 VY IR= =A=10 R9×103 A= ID=ID= IR= 2 × −3 mA= 2 稳压二极管 有两个稳压二极管DZ1和DZ2,其稳定电压分别为和,正向压降都是。 如果要得到3V的稳定电压,应如何连接 [解] 应按图4(a)或(b)连接,UZ=3V。 图中R1、R2是限流电阻。 图4: 习题图 晶体管 有两个晶体管分别接在电路中,今测得它们管脚的电位(对“地”)分别如下表所列: 晶体管I 晶体管II 管脚 1 2 3 电位/V 4 9 管脚 1 2 3 电位/V −6 − −2 试判别管子的三个电极,并说明是硅管还是锗管是NPN型还是PNP型 [解] NPN型: 集电极电位最高,发射极电位最低,UBE>0;PNP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或;锗管: 基极电位与发射极电位大约相差或。 由此可知: 晶体管I: NPN型,硅管,1−B、2−E、3−C;晶体管II: PNP型,锗管,1−C、2−B、3−E。 如何用万用表判断出一个晶体管是NPN型还是PNP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PN结上加正向电压)或同为高电阻(上述极间的PN结上加反向电压),则接万用表“-”插孔的是基极。 (2)判断是NPN型管还是PNP型管在 (1)中,测得管脚间的电阻同为低电阻时,则为NPN型管;测得同为高电阻时,则为PNP型。 (3)判断集电极 对已知的NPN型管或PNP型管照图5所示的两种方法接线,未知管 图5: 习题图脚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NPN型管,电阻较低时接“-”插孔的是集电极;对PNP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∼时为硅管;在∼时为锗管。 图6: 习题图 [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=。 计算结果见下表。 B=β (a)管 (b)管 (c)管 UCC IC(sat)≈R C 12mA 8mA I0IC(sat) IB 6− 50mA= 12− 47mA= IB<0 状态 IB IB>I0饱和 截止 BB 15基本放大电路 放大电路的静态分析 在图1中,若UCC=10V,今要求UCE=5V,IC=2mA,试求RC和RB 的阻值。 设晶体管的β=40。 [解] 图1: 习题图 由UCE=UCC−RCIC可求 RC= UCC−UCE IC =10−5Ω=Ω 2×10−3 IC2 IB≈ =mA= β40 RB≈ UCC IB 10 =kΩ=200kΩ 放大电路的动态分析 在习题1图所示的固定偏置放大电路中,UCC=9V,晶体管的β=20,IC= 1mA。 今要求|Au|≤100,试计算RC,RB及UCE。 [解] IB RB ≈ ≈ rbe = |Au| = RC UCE = = IC1 =mA= β20 UCC IB 9 =kΩ=180kΩ 26 [200+(20+1)×]Ω=720Ω=Ω βRC rbe (空载时|Au|最大) |Au|rbe β =100× 20 kΩ=Ω UCC−RCIC=(9−×1)V= 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β值小一半的管子,这时IB,IC,UCE及|Au|将如何变化 [解] 图2: 习题图由图2可知,静态值为 电源电压为电流放大系数为 IC=2mA,IB=40µA,UCE=5V UCC=10V β=IC IB 2 = =50 (1) RB≈ UCC IB 10 =kΩ=250kΩ RC= 由交流负载线可得 UCC−UCE IC =10−5kΩ=Ω 2 由此得 R 1tanα0=, 0 L 2 = R L 8−5 1 L R0 0 L =Ω R0RCRL L RL= RCR0 =× kΩ=Ω R L= C (2)由图2可知 +RL RC−R0 − 8−UCEQ=(8−5)V=3VUCEQ−UCES=(5−V= 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UiM 26(mV)26 I rbe=200(Ω)+(1+β) E =[200+(1+50)(mA) ]Ω=Ω × 2 |Au|= 于是 βR0 L rbe =50× UiM= =87 UoM |Au| 3 =V= 87 (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α0角将有所减小。 (5)IB不变,IC约减小一半,UCE增大,|Au|将减小一半。 已知某放大电路的输出电阻为Ω,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=Ω时,输出电压将下降到多少 [解] r UoL= o 或 RL RL +RL r Eo= o RL +RL Uo0 r UoL= o +RL Uo0=+×2V= 在图3中,UCC=12V,RC=2kΩ,RE=2kΩ,RB=300kΩ,晶体管的β= 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˙o1 U˙i 和Au2= U˙o2 U˙i ; (2)输 图3: 习题图 IB= UCC−UBE RB+(1+β)RE =12−mA= 300+(1+50)×2 IE=(1+β)IB=(1+50)×= 26 rbe=[200+(1+50)×]Ω=1127Ω≈Ω 从集电极输出: Au1= U˙o1 U˙i r =− be βRC +(1+β)RE =−50×2≈−1 +(1+50)×2 ro1≈RC=2kΩ 从发射极输出: Au2= U˙o2 U˙i S = rbe (1+β)RE1 +(1+β)RE≈ ro2≈ rbe+R0 β rbe ≈β 1130 = 50 S Ω=Ω S 式中,R0 =RS//RB,设信号源内阻RS≈0,则R0 ≈0。 静态工作点的稳定 在教材图所示的分压式偏置放大电路中,已知UCC=24V,RC= Ω,RE=Ω,RB1=33kΩ,RB2=10kΩ,RL=Ω,β=66,并 设RS≈0。 (1)试求静态值IB,IC和UCE; (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= UCC RB1+RB2 24 RB2=33+10×10V= IC≈IE= VB−UBE RE =−mA= IB≈ IC= β mA= 60 UCE=UCC−(RC+RE)IC=[24−+×]V= (2) I 26(mV) rbe=200(Ω)+(1+β) E (mA) (3) 26 =[200+(1+66)×]Ω=Ω Au=−β 0 R L rbe =−66× × +× 1 =− (4) ur A=−βRC be =−66×=− (5) ri=rbe//RB1//RB2≈rbe=Ω ro≈RC=Ω 设计一单管晶体管放大电路,已知RL=3kΩ。 要求|Au|≥60,ri≥ 1kΩ,ro<3kΩ,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,β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),选UCC= 12V;按建议选用晶体管3GD100,设β=50;并设|Au|=60,ri= 1kΩ。 (2)参数计算 beI 由式r≈[200+(1+β)26 E ]Ω≈ri可求 26(1+β) 26×51 IC≈IE≈ |u|r L 由式A=βR0可求 be =mA= ri−2001000−200 60×1 L=kΩ=Ω 50 RCRL R R0 R0 L= C 即 +RL 设VB=4V RC= L R0RL L RL−R0 =×3 3− kΩ=2kΩ RE= VB−UBE IE =4−kΩ2kΩ ≈ 基极电流IB≈ IC= β mA= 50 设I2=10IB,即 得 RB2= I2=10×=≈I1 VB=4kΩ=Ω(取12kΩ) I2 RB1= UCC−VB I1 =12−4kΩ=Ω(取24kΩ) (3)核查静态工作点 由UCE=UCC−(RC+RE)IC做直流负载线(图4) IC=0UCE=UCC=12V UCC12 R UCE=0IC= C +RE =mA=3mA 2+2 UCE=[12−(2+2)×]V= 静态工作点合适,在小信号情况下,不会产生失真。 射极输出器 在图5所示的射极输出器中,已知RS=50Ω,RB1=100kΩ,RB2=30kΩ,RE= 1kΩ,晶体管的β=50,rbe=1kΩ,试求Au,ri和ro。 [解] 图5: 习题图 Au= rbe (1+β)RE +(1+β)RE =(1+50)×1= 1+(1+50)×1 ri=RB1//RB2//[rbe+(1+β)RE]=16kΩ ro≈ 式中 S rbe+R0 β 1000+50 = 50 Ω=21Ω R0 S=RS//RB1//RB2≈50Ω 两级放大电路如图6所示,晶体管的β1=β2=40,rbe1=Ω,rbe2 =Ω。 (1)画出直流通路,并估算各级电路的静态值(计算UCE1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: 习题图 (1)前极静态值 VB1= 20 33+×=4V 4− IC1≈IE1=3+mA=1mA 1 IB1≈ mA=25µA 40 后极静态值 UCE1≈20−(10+3+×1= IC2≈IE2= UC1−UBE2 RE2 =(20−10×1)−mA= IB2= mA=45µA 40 UCE2=(20−×V= (2)前级电压放大倍数 u1−1L−× R01 A=β=40 E1 rbe+(1+β1)R00 +(1+40)× =−21 式中 RE2RL R0 L1=RC1// 后级电压放大倍数 rbe2+(1+β2)· R E2 +RL Au2= (1+β2)R0 L L rbe2+(1+β2)R0 =(1+40)× +(1+40)× = 两级电压放大倍数 Au=Au1·Au2=−21×=− (3) E1 ri=ri1=RB1//RB2//[rbe1+(1+β1)R00 ]=Ω ro=ro2≈ rbe2+RC1 β2 +10 =kΩ=272Ω 40 前级的集电极电阻RC1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。 差分放大电路 在图7所示的差分放大电路中,β=50,UBE=,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: 习题图 (1)静态时,ui1=ui2=0,由教材图的单管直流通路可得 RBIB+UBE+2REIE=UEE UEE−UBE R IB= B +2(1+β)RE 于是 IB= 6−A 10×103+2×(1+50)××103 (2) =×10−3A= IC=βIB=50×= IE=(1+β)IB=51×= VC=UCC−RCIC=[6−×103××10−3]V= VE=−6+2REIE=[−6+2××103××10−3]V=−VB=−RBIB=−10×103××10−3V=− uic1=uic2= ui1+ui2= 2 ui1−ui2 7+3 mV=5mV 2 7−3 uid1=−uid2= (3)由习题所证明的公式得出 =mV=2mV 22 RC R uoc1=uoc2=−β B 式中 +rbe +2(1+β)RE 26 uic1 于是 (4) rbe=[200+(1+50)×]Ω=Ω uoc1=uoc2=−50×10++2(1+50)××5mV =− (5) uod1=−R uod2=−R βRC B+rbe βRC B+rbe u=−50××2mV=− id110+ id210+ u=−50××(−2)mV=+ (6) uo1=uoc1+uod1=[(−+(−]mV=− uo2=uoc2+uod2=[(−+]mV=+ uoc=uoc1−uoc2=0 uod=uod1−uod2=(−−mV=− uo=uo1−uo2=(−−mV=−=uod S 场效晶体管及其放大电路 在图8所示的源极输出器中,已知UDD=12V,RS=12kΩ,RG1=1MΩ,RG2= 500kΩ,RG=1MΩ。 试求静态值、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。 设VG≈VS,gm=V。 [解] 图8: 习题图 RG2UDD R VS≈VG= G1 +RG2 =500×12 1000+500 V=4V UDS=UDD−VS=(12−4)V=8V ID= V4 × =A=10−3 RS12×103 ˙ A= U˙o gmUgsRS gmRS Au= U˙i = U˙gs +gmU˙gsRS =1 R ≈ 1+gmS
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