3篇1章习题解答浙大版集成电路课后答案.doc

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第一章 放大电路的动态和频响分析 题3.1.1 对于放大电路的性能指标，回答下列问题： (1) 已知某放大电路第一级的电压增益为40dB，第二级的电压增益为20dB，总的电压增益为多少dB？ (2) 某放大电路在负载开路时输出电压为4V，接入3 kΩ的负载电阻后输出电压降为3V，则该放大电路的输出电阻为多少？ (3) 为了测量某CE放大电路的输出电压，是否可以用万用表的电阻档直接去测输出端对地的电阻？ 解：(1) 60 dB； (2) 1 kΩ； (3) 不可以。 题3.1.2 一学生用交流电压表测得某放大电路的开路输出电压为4.8V，接上24 kΩ的负载电阻后测出的电压值为4V。已知电压表的内阻为120 kΩ。求该放大电路的输出电阻Ro和实际的开路输出电压Voo。 解：由题意列方程组： 解得： 题3.1.3 在图题3.1.3所示CS放大电路中，已知静态工作点为VGSQ＝-0.5V，IDQ＝2mA，VDSQ＝5V，Rs＝3kΩ。设电压放大倍数为＝-20，发生截止失真时输出电压的正向幅值为5V，发生饱和失真时输出电压的负向幅值为3V。 (1) 当输入信号为vi=0.1sinωt(V)时，画出g、d点的电压波形vG、vD，并标出峰、谷电压的大小； (2) 当输入信号为vi=0.3sinωt(V)时，画出g、d点的电压波形vG、vD，并标出峰、谷电压的大小。 图题3.1.3 解：(1) 当vi=0.1sinωt(V)时， 栅极的静态电压为： 栅极的瞬态电压为： 漏极的瞬态电压为： 因此，vG、vD电压波形如图3.1.3（a）所示。 （a） vi=0.1sinωt(V)时 （b） vi=0.3sinωt(V)时 图3.1.3 (2) 当vi=0.3sinωt(V)时， 可见，此时输出电压已经产生了截止失真和饱和失真，其电压波形如图3.1.3（b）所示。 题3.1.4 一组同学做基本CE放大电路实验，出现了五种不同的接线方式，如图题3.1.4所示。若从正确合理、方便实用的角度去考虑，哪一种最为可取？ 图题3.1.4 解：图(d)最合理。基极电阻Rb由电位器与电阻串联组成，不仅可以调节阻值，从而调节放大电路的静态工作点，而且不会使阻值为0，免得使三极管电流过大而烧毁。同时图中的耦合电容极性也正确。 题3.1.5 试分析图题3.1.5所示各个电路的静态和动态测试对正弦交流信号有无放大作用，如有正常的放大作用，判断是同相放大还是反相放大。 图题3.1.5 解：(a) 没有放大作用。因为输入端在交流通路中接地，信号加不进去； (b) 有放大作用，属于CC组态，因此为同相放大电路； (c) 没有放大作用，因为输出端交流接地； (d) 有放大作用，属于CB组态，因此为同相放大电路。 题3.1.6 有一CE放大电路如图题3.1.6（a）所示。试回答下列问题： (1) 写出该电路电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro 的表达式。 (2) 若换用β值较小的三极管，则静态工作点IBQ、VCEQ将如何变化？电压放大倍数||、输入电阻Ri和输出电阻Ro将如何变化？ (3) 若将静态工作点调整到交流负载线的中央，在输入电压增大的过程中，输出端出现如图题3.1.6（b）所示的失真波形，问该失真是由于什么原因引起的？是饱和失真还是截止失真？ (4) 若该电路在调试中输出电压波形顶部出现了“缩顶”失真，问电路产生的是饱和失真还是截止失真？应调整电路中哪个电阻，如何调整（增大或减小）？ (5) 若该电路在室温下工作正常，但将它放入60℃的恒温箱中，发现输出波形失真，且幅度增大，这时电路产生了饱和失真还是截止失真？其主要原因是什么？ 图题3.1.6 解：(1) , Ri=Rb∥rbe, Ro=RC (2) 若换用β值较小的晶体管，则IBQ基本不变，VCEQ增大，||减小，Ri基本不变，Ro不变。 (3) 由三极管的非线性特性引起的失真，不是饱和失真，也不是截止失真。 (4) 截止失真，应减小Rb。 (5) 饱和失真，主要原因是由于温度升高，晶体管的VBE↓、β↑、ICEQ↑,使三极管的静态工作点升高。 题3.1.7 双极型晶体管组成的基本放大电路如图题3.1.7(a)、(b)、(c)所示。设各BJT的rbb＝200Ω，β＝50，VBE＝0.7V。 (1) 计算各电路的静态工作点； (2) 画出各电路的微变等效电路，指出它们的放大组态； (3) 求电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。 (4) 当逐步加大输入信号时，各放大电路将首先出现哪一种失真（截止失真或饱和失真），其最大不失真输出电压幅度为多少？ 图题3.1.7 解：图(a)电路： (1) 求静态工作点 (2) CE组态，微变等效电路为： (3) 动态指标计算 Ri=rbe=0.56 kΩ Ro=Rc=2 kΩ (4) 当截止失真时，Vom1=ICQRc=7.3 V 当饱和失真时，Vom2=｜VCEQ｜－｜VCES｜=5.65-0.7≈5.0 V 所以，首先出现饱和失真。Vom=5.0V 图(b)电路： (1) 求静态工作点 ICQ=βIBQ=0.9 mA VCEQ=15-(Rc+Re)ICQ=9.5 V (2) CB组态，微变等效电路为： (3) 动态指标计算 Ro≈Rc=5.1 kΩ (4) 当截止失真时，Vom1=ICQRL′=0.9(5.1∥5.1)=2.3 V 当饱和失真时，Vom2=VCEQ-VCES=9.5-0.7=8.8 V 所以，首先出现截止失真，Vom=2.3 V 图(c)电路： (1) 求静态工作点 ICQ=βIBQ=2 mA VCEQ=1.5-ICQRe=15-23=9 V (2) CC组态，微变等效电路为： (3) 动态指标计算 (4) 当截止失真时，Vom1=ICQRL′=21.5=3 V 当饱和失真时，Vom2=VCEQ-VCES=9-0.7=8.3 V 所以，首先出现截止失真，Vom=3 V 题3.1.8 在图题3.1.8所示的放大电路中，三极管的β＝40，rbe＝0.8kΩ，VBE＝0.7V，各电容都足够大。试计算： (1) 电路的静态工作点； (2) 求电路的中频源电压放大倍数； (3) 求电路的最大不失真输出电压幅值。 图题3.1.8 解：(1) 求电路的静态工作点： (2) 微变等效电路为： (3) 考虑截止失真时， 考虑饱和失真时， 所以，首先出现截止失真，最大不失真输出电压为： V。 题3.1.9 放大电路如图题3.1.9所示，设晶体管的rbb＝300Ω，β＝20，VBE＝0.7V。Dz为理想的硅稳压二极管，其稳压值VZ＝6V。各电容都足够大，在交流通路中均可视作短路。 (1) 求电路静态工作点（ICQ和VCEQ）； (2) 画出各电路的微变等效电路； (3) 求电压放大倍数和输入电阻Ri； (4) 说明电阻R在电路中的作用； (5) 若Dz极性接反，电路能否正常放大？试计算此时的静态工作点，并定性分析Dz反接对和Ri的影响。 图题3.1.9 解：(1) 求静态工作点 VBQ=VZ+VBE=6.7 V mA ICQ=βIBQ=5.5 mA VCEQ=20-5.51-6=8.5 V (2) 微变等效电路： (3) Ri=Rb1∥Rb2∥rbe=24∥24∥0.395=382 Ω (4) 电阻R对稳压管起限流作用，使稳压管工作在稳压区。 (5) 若Dz极性接反，则VBQ=1.4 V，ICQ=14.3 mA，VCEQ=5 V，因此，该电路仍能正常放大，但由于ICQ变大，使增大，Ri减小。 题3.1.10 FET组成的基本放大电路如图题3.1.10(a)、(b)所示。设各FET的gm＝2mS。 (1) 画出各电路的微变等效电路，指出它们的放大组态； (2) 求电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。 图题3.1.10 解：(1) 电路为共源（CS）组态。微变等效电路为： (2) 图(b)电路： (1) CD组态，微变等效电路为： (2) Ri=∞ kΩ 题3.1.11 FET恒流源电路如图题3.1.11所示。若已知管子的参数gm、rds。试证明该恒流源的等效内阻 图题3.1.11 图3.1.11 解：在其微变等效电路中，负载开路，在输出端加，如图3.1.11所示。 题3.1.12 双极型晶体管构成的恒流源电路如图题3.1.12所示，画出该电路的微变等效电路，求恒流源的输出电阻Ro的表达式。 图题3.1.12 图3.1.12 解：微变等效电路如图3.1.12所示。根据微变等效电路可列出: 由上可得： 题3.1.13 放大电路如图题3.1.13所示，VBE＝0.7V，电位器Rw的中心抽头处于居中位置，β1＝β2＝50，rbb＝300Ω。 (1) T1、T2管各起什么作用，它们分别是什么电路？ (2) 计算静态时T1管的集电极电流IC1； (3) 求电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro。 图题3.1.13 解：(1) T1管组成射极跟随器(CC电路)； T2管组成恒流源，作为T1管放大电路的射极电阻。 (2) Ic1近似为恒流源的输出电流。 mA (3) 电压放大倍数为： 式中Ro2为恒流源的输出电阻，由于Ro2＞＞Rw，所以Ro2可忽略。 输入电阻 Ri=R1+rbe1+(1+β)RL=12+0.46+5151=2613 kΩ 输出电阻 题3.1.14 放大电路如图题3.1.14所示。 (1) 指出T1、T2管各起什么作用，它们分别属于何种放大电路组态？ (2) 若T1、T2管参数已知，试写出T1、T2管的静态电流ICQ、静态电压VCEQ的表达式（设各管的基极电流忽略不计，VBE＝0.7V）； (3) 写出该放大电路的中频电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro的近似表达式（设稳压管的rz≈0）。 图题3.1.14 解：(1) T1管为共源放大电路 T2管为共基放大电路 (2) 由 可解出IDQ。 ICQ≈IDQ VDSQ=-(VZ-VBE-IDQR3) VCEQ=-［VCC+VDSQ-IDQ(R2+R3)］ (3) 中频微变等效电路为： Ri=R1 Ro=R2 题3.1.15 对于高内阻的输入信号源和阻值较小的负载RL，采用如图题3.1.15(a)、(b)、(c)所示的三个放大电路进行放大。设信号源内阻为Rs＝100kΩ，负载RL＝100Ω。图中CE放大电路的输入电阻Ri＝1 kΩ，输出电阻Ro＝10 kΩ，负载开路时的电压放大倍数为＝-100；CC放大电路的输入电阻Ri＝100 kΩ，输出电阻Ro＝100 Ω，负载开路时的电压放大倍数为≈1。 (1) 分别计算三种放大器的源电压放大倍数，并比较它们的大小； (2) 讨论Ri 和Ro对源电压放大倍数的影响。 图题3.1.15 解：(1) 计算源电压放大倍数。 图(a)电路： 图(b)电路： 图(c)电路：  由上可见，图(c)电路的最大。 (2) Ri和Ro的大小会影响各单级放大电路的源电压放大倍数。欲使增大，要求Ri尽可能大，Ro尽可能小。在多级放大电路中，还应注意各级之间的合理搭配。 题3.1.16 在图题3.1.16所示的两级放大电路中，若已知T1管的b1、r be1和T2管的b2、r be2，且电容C1、C2、Ce在交流通路中均可忽略。 (1) 分别指出T1、T2组成的放大电路的组态； (2) 画出整个放大电路简化的微变等效电路（注意标出电压、电流的参考方向）； (3) 求出该电路在中频区的电压放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式。 图题3.1.16 解：(1) T1管组成共射（CE）组态，T2管组成共集（CC）组态。 (2) 整个放大电路的微变等效电路如图3.1.16所示。 图3.1.16 (3) 第一级的电压放大倍数为： Ri2是第二级放大电路的输入电阻，Ri2 = rbe2+(1+b2)(R4//RL)。 第二级放大电路为射极跟随器，所以 所以， Ri= Ri1 =R1∥rbe1 题3.1.17 两级阻容耦合放大电路如图题3.1.17所示，已知T1为N沟道耗尽型绝缘栅场效应管，gm=2mS，T2为双极型晶体管，b=50，r be=1KΩ，忽略rce，试求： (1) 第二级电路的静态工作点ICQ2和VCEQ2； (2) 画出整个放大电路简化的微变等效电路； (3) 该电路在中频段的电压放大倍数； (4) 整个放大电路的输入电阻Ri=？，输出电阻Ro=？ (5) 当加大输入信号时，该放大电路是先出现饱和失真还是先出现截止失真？其最大不失真输出电压幅度为多少？ 图题3.1.17 解：(1) 求第二级的静态工作点： (2) 整个放大电路简化的微变等效电路： 图3.1.17 (3) 求电压放大倍数： 其中， 所以， (4) 求输入电阻Ri和输出电阻Ro： (5) 当加大输入信号时， 若出现截止失真，则 若出现饱和失真，则 所以，电路先出现截止失真，最大不失真输出电压为。 题3.1.18 在图题3.1.18所示电路中，设电容C=1μF，Rb=100 kΩ，rbe=1 kΩ，Rc=2 kΩ，b =100，Rs=0。 (1) 求电路的下限频率f L ； (2) 当信号源频率下降到下限频率f L时，电压放大倍数为多少？输出电压与信号源电压的相位差为多少？ 图题3.1.18 解：(1) 求下限频率f L (2) 当信号源频率下降到f L时，电压放大倍数为中频区的0.707倍， ∴ 输出电压与输入电压的相位差为-180+45=-135 题3.1.19 某放大电路电压放大倍数的频率特性表达式为 画出其波特图，求其下限截止频率fL和上限截止频率fH。 解：波特图如下。f L=10Hz， f H=50kHz。 题3.1.20 某放大电路电压放大倍数高频段的频率特性表达式为 画出其波特图，求其上限截止频率fH的近似值。 解：波特图为： 图3.1.20 上限截止频率 fH≈100kHz。 题3.1.21 已知某反相放大电路电压放大倍数的对数幅频特性曲线如图题3.1.21所示： (1) 写出该放大电路电压放大倍数的频率特性表达式； (2) 写出该放大电路电压放大倍数的相频特性表达式，画出对数相频特性曲线。 图题3.1.21 解：(1) 该反相放大电路中频区的电压放大倍数为80dB，即-104，高频转折频率分别为105Hz、107Hz、108Hz。所以其频率特性表达式为 (2) 相频特性表达式为 对数相频特性曲线为： 题3.1.22 单管放大电路如图题3.1.22所示，Vi为5mV(幅值)的正弦交流电压，设三极管Q2N3904的模型参数为β=132，试用PSPICE程序仿真分析下列项目： (1) 研究放大电路各点的电压波形及输入输出电压的相位关系； (2) 电压增益的幅频特性和相频特性曲线； (3) 当频率从10 Hz变化到100 MHz时，绘制输入阻抗的幅频特性曲线； (4) 当频率从10 Hz变化到100 MHz时，绘制输出阻抗的幅频特性曲线； (5) 当Vi为50mV(幅值)的正弦输入信号时，观察输出电压波形的失真情况。 图题3.1.22 解：首先输入并编辑好电路图，根据要求设置有关分析参数。 (1) 通过瞬态(Transient)分析可以查看放大电路各点的波形，其中输入电压和输出电压的波形如图3.1.22(1)所示。 图3.1.22(1) 输入电压和输出电压的波形 (2) 通过交流(AC Sweep)分析可以查看放大电路的频率特性。电压增益的幅频特性和相频特性如图3.1.22(2)所示。下限频率fL为33Hz，上限频率fH为30MHz；中频段的电压放大倍数为47.3。 (3) 输入阻抗的幅频特性如图3.1.22(3)所示。中频段时输入电阻为4.2kΩ。 (4) 根据求输出阻抗的定义分析计算输出阻抗：将输入电压源短路，保留内阻，输出负载电阻RL开路，并在输出端加一电压源Vo，如图3.1.22(4)所示。此时进行AC Sweep分析后，可得输出阻抗曲线如图3.1.22(5)所示，其中中频段时输出电阻为4.95kΩ。 图3.1.22(2) 幅频与相频特性曲线 图3.1.22(3) 输入阻抗特性曲线 图3.1.22(4) 输出阻抗分析计算电路 图3.1.22(5) 输出阻抗特性曲线 (5) 当Vi为50mV(幅值)的正弦波时，重新进行瞬态(Transient)分析。输出电压的失真情况如图3.1.22(6)所示。在Probe中，对其进行傅里叶(Fourier)分析后，得输出波形的频谱图如图3.1.22(7)所示。（为了提高分析精度，应尽量延长瞬态分析时间。本例中分析时间为100个周期）。 图3.1.22(6) 输出电压的失真情况 图3.1.22(7) 输出波形的频谱图 在瞬态分析中设置傅里叶分析，在输出文件中可以得到如下结果，其中总谐波系数为32.5%。 FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(out) DC COMPONENT = 5.327622E-03 HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE(DEG) 1 1.000E+03 1.527E+00 1.000E+00 -1.784E+02 0.000E+00 2 2.000E+03 4.886E-01 3.200E-01 9.349E+01 2.719E+02 3 3.000E+03 8.891E-02 5.823E-02 6.692E+00 1.851E+02 4 4.000E+03 6.009E-03 3.935E-03 -7.250E+01 1.059E+02 5 5.000E+03 1.410E-03 9.236E-04 2.309E+00 1.807E+02 6 6.000E+03 3.737E-04 2.448E-04 -7.587E+01 1.026E+02 7 7.000E+03 4.282E-05 2.804E-05 1.185E+02 2.970E+02 8 8.000E+03 4.929E-05 3.228E-05 7.701E+01 2.554E+02 9 9.000E+03 5.352E-05 3.505E-05 8.220E+01 2.606E+02 10 1.000E+04 5.445E-05 3.566E-05 7.936E+01 2.578E+02 TOTAL HARMONIC DISTORTION = 3.252327E+01 PERCENT 题3.1.23 多级放大电路如图题3.1.23所示，试用PSPICE程序求电路的中频电压增益、输入电阻Ri、输出电阻Ro及上限频率f H。 图题3.1.23 解：首先输入并编辑好电路图，根据要求设置有关分析参数。其中信号源可选VSIN元件，属性设为AC＝1mV，VOFF＝0，VAMPL＝1mV，FREQ＝10K；分析方式选中AC Ｓweep...及Bias Point Detail，其中交流扫描分析（AC Ｓweep...）设置为AC Sweep Type：Decade（十倍程扫描），Ｐts/Decade：101，Ｓtart Freq.：10，End Freq.：10Meg。 执行仿真分析后，在Ｐrobe程序中选择显示V(Vo)/V(Vi:+)，如图3.1.23(1)所示。显示光标（在Tools菜单Cursor子菜单中选中Display项），将光标移至中频区，可得到该放大电路中频区的电压放大倍数为5.6。 将光标移至电压放大倍数为3.96处（即中频区电压放大倍数的0.707倍），可得到对应的频率为6.78MHz，所以该电路的上限频率fH为6.78MHz。 图3.1.23(1) 电压放大倍数频率特性 在Ｐrobe程序中选择显示V(Vi:+)/I(Vi)，得到该电路的输入阻抗特性曲线，如图3.1.23(2)所示。可知中频区的输入电阻为11.0kΩ。 图3.1.23(2) 输入阻抗特性曲线 为求输出电阻，先在Schematics（电路图编辑程序）中将输入电压源短路，输出负载电阻RL开路，并在输出端加一电压源Vo，其余保持不变，然后执行仿真分析。在Ｐrobe程序中选择显示V(Vo)/I(Vo)，得到该电路的输出阻抗特性曲线，如图3.1.23(3)所示。可知中频区的输出电阻为2.9978 kΩ。 图3.1.23(3) 输出阻抗特性曲线 题3.1.24 试用PSPICE程序求图题3.1.24所示电路的中频电压增益、输入电阻Ri、输出电阻Ro及上限频率fH。 图题3.1.24 解：输入并编辑好电路图，设置交流扫描分析（AC Ｓweep...），可得：中频源电压增益Av为9.2，输入电阻Ri为5MΩ，输出电阻Ro为19.98kΩ，上限频率fH为5.4MHz。 其中，源电压增益的对数幅频特性曲线如图3.1.24所示。 图3.1.24 源电压增益对数幅频特性曲线 23