模擬電子電路及技術基礎第四章

1.基本要求

(1)理解本征半導體、P型和N型半導體以及漂移電流和擴散電流等基本概念。

(2)掌握PN結的工作原理、單向導電性、擊穿特性和電容特性等基本知識。

(3)掌握晶體二極管的伏安特性、常用參數、溫度特性，能夠應用簡化模型對二極管基本應用電路(包括整流、限幅、電平選擇和峰值檢波電路)進行分析和計算。4.1基本要求及重點、難點目前一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點(4)掌握穩(wěn)壓二極管特性及其應用電路的分析、計算，掌握包含二極管、穩(wěn)壓管和運放的電路(包括精密整流電路、輸出限幅比較器、輸出限幅且占空比可調的弛張振蕩器等電路)的分析和計算。

(5)掌握雙極型晶體三極管的工作原理、共射輸出特性和輸入特性曲線及主要參數，熟練掌握直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析、計算以及各種晶體管應用電路(包括對數、反對數、β值測量、恒流源電路)的分析和計算。

(6)掌握JFET和MOSFET的工作原理、輸出特性和轉移特性曲線及主要參數，熟練掌握直流偏置下FET的工作狀態(tài)分析、計算以及各種FET應用電路(包括方波、鋸齒波發(fā)生器，取樣/保持電路，相敏檢波電路)的分析和計算。

(7)了解雙極型晶體管和場效應管的性能及參數比較。目前二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點

2.重點、難點

重點：PN結工作原理，晶體二極管應用電路及晶體三極管和場效應管的工作原理、特性曲線、主要參數及其應用電路的分析和計算。

難點：本章概念較多，晶體三極管尤其是場效應管的工作原理、特性曲線及其應用電路的分析和計算較難掌握，教學中應密切聯系應用背景，引起學生的學習興趣。目前三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點

1.半導體物理基礎和PN結

作為原理基礎篇的開始，本章涉及到許多新的概念，原理描述較多，引入了不少專有名詞。應用時應該注意概念準確，原理描述簡潔，專有名詞拼寫正確。同時，本章相對和相似的內容較多，如N型半導體和P型半導體，NPN型晶體管和PNP型晶體管，三種N溝道場效應管和三種P溝道場效應管，等等，學習時應該注意區(qū)分，避免混淆。4.2習題類型分析及例題精解

目前四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-1】半導體中載流子通過什么物理過程產生？半導體電流與哪些因素有關？

答本征半導體中的載流子通過本征激發(fā)產生。雜質半導體中，多子的絕大部分由摻雜產生，極少部分由本征激發(fā)產生；少子則單純由本征激發(fā)產生。

半導體電流分為漂移電流和擴散電流。漂移電流與電場強度、載流子的濃度和遷移率有關，擴散電流與載流子沿電流方向單位距離的濃度差即濃度梯度有關。目前五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點

2.二極管和穩(wěn)壓二極管

1)二極管的直流電阻和交流電阻

二極管的直流電阻利用其兩端的直流電壓和其中的直流電流直接計算，也可以利用伏安特性曲線通過圖解法得到。圖解法求交流電阻誤差很大，一般利用熱電壓和直流電流計算，不加說明時，熱電壓取26mV。

【例4-2】二極管的伏安特性如圖4-1所示，計算直流靜態(tài)工作點Q處的直流電阻RD和交流電阻rD。

目前六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-1例4-2特性曲線目前七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解Q處直流電壓UDQ=0.7V,直流電流IDQ=2.5mA，則直流電阻

交流電阻

目前八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點2)二極管的管壓降和電流

二極管中的電流即其所在支路的電流，如果電流已知，則可以利用外電路的電壓分布間接計算管壓降，反之，可以利用已知的管壓降從外電路計算二極管中的電流。如果可以精確測量二極管兩端的電壓，其變化不大時，可以利用二極管的交流電阻線性外推二極管中的電流。

【例4-3】二極管電流測量電路如圖4-2所示。當電源電壓E=10V時，電流表讀數ID1=9.7mA，則當E=20V時，估計電流表讀數ID2。

目前九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-2例4-3電路圖目前十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解二極管VD的管壓降

UD(on)=E－ID1R=10V－9.7mA×1kΩ=0.3V

當E=20V時，電流表讀數

目前十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-4】二極管電壓測量電路如圖4-3所示。當電源電壓E=13.6V時，電壓表讀數UD1=0.6V；E增大后，電壓表讀數UD2=0.63V,估計此時二極管VD中的電流ID2。

圖4-3例4-4電路圖目前十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解當E=13.6V時，VD中的電流

VD的交流電阻

E增大后，VD兩端的電壓變化不大，即

ΔU=UD2－UD1=0.63V-0.6V=0.03V<<UD1

此時VD中的電流

目前十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點3)二極管限幅電路

二極管限幅電路通過內部電路預設一個電壓，二極管兩端的電壓為輸入電壓與預設電壓的疊加?？梢允紫扔嬎泐A設電壓，結合二極管的導通電壓，確定二極管處于導通和截止之間的臨界狀態(tài)時輸入電壓的臨界值，之后再區(qū)分輸入電壓大于和小于臨界值的情況，根據輸入電壓加到二極管上的方向，判斷二極管的狀態(tài)，確定輸出電壓。對帶負載電阻的二極管限幅電路，需要根據電阻分壓計算預設電壓或輸入電壓的臨界值。

【例4-5】二極管限幅電路如圖4-4所示，其中二極管VD的導通電壓UD(on)=0.7V，輸入電壓ui=5sinωt(V)，作出輸出電壓uo的波形。目前十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-4例4-5電路圖及波形圖目前十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解圖4-4(a)中，電源電壓E和電阻R的串聯支路提供的預設電壓為E=1V，ui的臨界值為E+UD(on)=1V+0.7V=

1.7V。當ui>1.7V時，VD導通，uo=ui－UD(on)=ui－0.7V;當ui<1.7V時，VD截止，uo=E=1V。uo的波形如圖4-4(c)所示。

圖4-4(b)中，E提供的預設電壓為－E=－1V，ui的臨界值為－E+UD(on)=－1V+0.7V=－0.3V。當ui>－0.3V時，VD導通，uo=－E+UD(on)=－0.3V；當ui<－0.3V時，

VD截止，uo=ui。uo的波形如圖4-4(d)所示。目前十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-6】帶負載電阻的二極管限幅電路如圖4-5所示，其中二極管VD的導通電壓UD(on)=0.3V，輸入電壓ui=3cosωt(V)，作出輸出電壓uo的波形。

解圖4-5(a)中，電壓源電壓E經過電阻R和負載電阻RL分壓后提供的預設電壓為

ui的臨界值為

目前十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點當ui>－1.3V時，VD截止，

當ui<－1.3V時，VD導通，uo=ui+UD(on)=ui+0.3V。uo的波形如圖4-5(c)所示。目前十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-5(b)中，E提供的預設電壓為E=1V，ui的臨界值為

當ui>1.4V時，VD截止，

當ui<1.4V時，VD導通，uo=E－UD(on)=1V－0.3V=

0.7V。uo的波形如圖4-5(d)所示。

目前十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-5例4-6電路圖及波形圖目前二十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4)集成運算放大器精密二極管電路

此類電路中，輸入電壓輸入到集成運放的一個輸入端，另一個輸入端電壓取值固定，如接地。根據該固定電壓把輸入電壓分為兩個取值階段，對兩個階段分別進行以下分析：首先假設二極管均不導通，運放處于開環(huán)狀態(tài)(相當于電壓比較器)，根據該階段反相輸入端和同相輸入端的電壓關系確定輸出電壓是正電壓還是負電壓，繼而確定輸出端二極管是導通還是截止。如果因為二極管導通而存在集成運放的負反饋，則集成運放作為放大器使用，具有“虛短”和“虛斷”特點；如果不存在負反饋，則集成運放仍用作電壓比較器。至此二極管的狀態(tài)和集成運放的作用都已確定，可以繼續(xù)分析該階段輸出電壓與輸入電壓的關系。

目前二十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-7】集成運放精密半波整流電路如圖4-6(a)所示，分析其傳輸特性。

解集成運放A的同相端接地，電壓u+=0，所以把輸入電壓ui分為大于零和小于零兩個取值階段。當ui>0時，A輸出負電壓，二極管VD1導通，VD2截止，A存在負反饋，用作放大器，電阻R2右端懸空，其上沒有電流，輸出電壓uo=u－=u+=0；當ui<0時，A輸出正電壓，VD1截止，VD2導通，A存在負反饋，用作放大器，電路等效為反相比例放大器，uo=－(R2/R1)ui。傳輸特性如圖4-6(b)所示。目前二十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-6例4-7電路圖及傳輸特性目前二十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-8】集成運放精密全波整流電路如圖4-7(a)所示，分析其傳輸特性。

解集成運放A2和二極管VD構成集成運放精密二極管電路。A2的反相端接地，電壓u2－=0，所以把輸入電壓ui分為大于零和小于零兩個取值階段。當ui>0時，A2輸出正電壓，VD截止，A2不存在負反饋，用作電壓比較器，電阻R1上沒有電流，u1－=u1+=ui,uo=2u1－－ui=ui;當ui<0時，A2輸出負電壓，VD導通，A2存在負反饋，用作放大器，u1－=u1+=u2+=u2－=0,uo=2u1－－ui=－ui。傳輸特性如圖4-7(b)所示。目前二十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-7例4-8電路圖及傳輸特性目前二十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點5)穩(wěn)壓二極管電路

穩(wěn)壓二極管的工作電流與輸入電壓、限流電阻和負載電阻有關，工作電流的取值范圍確定了上述三個參數的相互限制關系，給定其中的一個參數，則可以由第二個參數的變化范圍確定第三個參數的變化范圍。穩(wěn)壓二極管工作時加反相電壓，當反相電壓不到其穩(wěn)定電壓值時，穩(wěn)壓二極管處于截止狀態(tài)；只有穩(wěn)壓二極管開路時，反相電壓達到或超過其穩(wěn)定電壓值，穩(wěn)壓二極管才進入擊穿狀態(tài)，提供穩(wěn)定電壓。目前二十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-9】穩(wěn)壓二極管電路如圖4-8所示。穩(wěn)定電壓UZ=9V，工作電流IZ的范圍為IZmax=100mA,IZmin=10mA，負載電阻RL=300Ω,輸入電壓ui的變化范圍為17~22V。確定限流電阻R的取值范圍，如果接入的R=300Ω，會出現什么情況？

解由

目前二十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-8例4-9電路圖

目前二十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點得

考慮到ui的變化，上式改寫為

目前二十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點其中

所以R的取值范圍為100~200Ω。

如果接入的R=300Ω，穩(wěn)壓二極管VDZ開路時，ui經過RL與R分壓后提供的反相電壓變化范圍為

目前三十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點則當ui在17V和18V之間時，反相電壓0.5ui在8.5V和9V之間，此階段VDZ截止，不起穩(wěn)壓作用，uo=［RL/(R+RL)］ui=0.5ui可變。目前三十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點

3.晶體管和場效應管

1)工作狀態(tài)

晶體管的直流偏置電路中，首先根據晶體管的類型標出極電流的實際流向。發(fā)射極直接接地時，根據基極所接直流偏置電壓源確定基極電壓的極性，繼而確定發(fā)射結正偏或反偏，需要注意NPN型晶體管和PNP型晶體管的發(fā)射結方向相反；發(fā)射極經過電阻接地時，需要在假設的放大狀態(tài)下計算基極電流，按實際流向，如果基極電流的計算結果為正值，則發(fā)射結正偏，否則發(fā)射結反偏。發(fā)射結的偏置情況確定后，接下來的分析參見教材中的圖4.1.1進行。直流偏置電路中，場效應管工作狀態(tài)的判斷參見教材中的圖4.1.2進行，計算柵源極電壓時需要注意柵極電流為零。

目前三十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-10】晶體管直流偏置電路和有關參數如圖4-9所示，判斷晶體管的工作狀態(tài)并計算極間電壓UCE。

解在圖4-9(a)中標出NPN型晶體管極電流的實際流向。發(fā)射極直接接地，基極所接直流偏置電壓源為正電壓，確定發(fā)射結正偏，晶體管處于導通狀態(tài)。假設晶體管處于放大狀態(tài)，則

UCC－IERC－IBRB－UBE(on)=UCC－(1+β)IBRC－IBRB－UBE(on)

=12V－(1+50)IB×2kΩ－IB×20kΩ－0.7V

=0

目前三十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-9例4-10電路圖目前三十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點計算出IB=92.6μA。集電極電壓

UC=UCC－IERC=UCC－(1+β)IBRC

=12V－(1+50)×92.6μA×2kΩ=2.55V

基極電壓UB=UBE(on)=0.7V。因為UC>UB，所以集電結反偏，假設成立，晶體管處于放大狀態(tài)，以上結果正確，UCE=UC=2.55V。

在圖4-9(b)中標出PNP型晶體管極電流的實際流向。發(fā)射極經過電阻RE接地，所以假設晶體管處于放大狀態(tài)，則

－UCC+IBRB－UBE(on)+IERE

=－UCC+IBRB－UBE(on)+(1+β)IBRE

=－12V+IB×100kΩ－(－0.7V)+(1+50)IB×2kΩ=0目前三十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點計算出IB=55.9μA>0，確定發(fā)射結正偏，晶體管處于導通狀態(tài)。假設晶體管處于放大狀態(tài)，則集電極電壓

UC=－UCC+ICRC=－UCC+βIBRC

=－12V+50×55.9μA×4kΩ

=－0.81V

基極電壓

UB=－UCC+IBRB

=－12V+55.9μA×100kΩ

=－6.4V

因為UC>UB，所以集電結正偏，晶體管處于飽和狀態(tài)，UCE=UCE(sat)。目前三十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-11】場效應管直流偏置電路和有關參數如圖4-10所示，判斷場效應管的工作狀態(tài)并計算極間電壓UDS。

圖4-10例4-11電路圖目前三十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解圖4-10(a)中，UGS=0>UGS(off)=－5V，所以場效應管工作在導通區(qū)，ID=IDSS=3mA，UDG=UDS－UGS=UDS=UDD－IDRD=12V－3mA×1kΩ=9V>－UGS(off)=5V，所以場效應管工作在恒流區(qū)，UDS=UDG=9V。

圖4-10(b)中，UGS=－UGG=－2V>UGS(th)=－3V，所以場效應管工作在截止區(qū)，ID=0，UDS=－UDD+IDRD=－UDD=－12V。目前三十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點2)對數和反對數運算電路

基本的對數和反對數運算電路可以構成較復雜的模擬運算電路。對數運算電路中，輸出電壓和晶體管發(fā)射結電壓有關，輸入電壓則和集電極電流有關，電流方程聯系了發(fā)射結電壓和集電極電流，從而確定了輸出電壓與輸入電壓的關系；反對數運算電路中，輸出電壓和輸入電壓分別與集電極電流和發(fā)射結電壓有關，并且通過電流方程關聯。

【例4-12】由對數運算電路構成的模擬運算電路如圖4-11所示，推導輸出電壓uo的表達式。

目前三十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-11例4-12電路圖目前四十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解由

得

由

得

目前四十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點所以

目前四十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點3)恒流源電路

處于放大狀態(tài)的晶體管可以實現恒流輸出。如果負載電阻變化，其上的電壓會相應改變，繼而引起晶體管輸出電壓的變化，于是工作點會沿輸出特性曲線運動。應該保證工作點不超出放大區(qū)，即不進入飽和區(qū)或擊穿區(qū)，這樣就限制了負載電阻的取值范圍。場效應管的工作點位于恒流區(qū)時，也可以實現輸出電流為恒流，與場效應管輸出電壓的變化無關。目前四十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-13】晶體管恒流源電路和相關的晶體管輸出特性曲線分別如圖4-12(a)和(b)所示，在負載電阻變化時，電路為其提供恒定電流。穩(wěn)壓二極管VDZ的穩(wěn)定電壓UZ=

6V，計算負載電阻RL上的輸出電流IO，并確定允許接入的RL的取值范圍。

目前四十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-12例4-13電路圖及輸出特性曲線

目前四十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解

由輸出特性曲線可知，為了保證處于放大狀態(tài)，晶體管的輸出電壓應滿足

UCE(sat)<uCE=UCC-IO(RL+R2)<UBR(CEO)

即

0.1V<36V－20mA×(RL+300Ω)<25V

計算出RL的取值范圍為550Ω<RL<1.79kΩ。目前四十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-14】場效應管恒流源電路和相關的場效應管輸出特性曲線分別如圖4-13(a)和(b)所示，電壓源電壓在使用中逐漸減小時，電路為發(fā)光二極管提供恒定電流。場效應管的夾斷電壓UGS(off)=－2.5V，飽和電流IDSS=4mA，發(fā)光二極管VD的導通電壓UD(on)=2.2V，計算VD上的輸出電流IO，并確定電路可以工作時電壓源電壓UDD的最小值UDDmin。

解場效應管的轉移特性為

其中

uGS=－iDR=－iD×50Ω目前四十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-13例4-14電路圖及輸出特性曲線

目前四十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點以上兩式聯立求解，計算出IO=ID=3.46mA。

工作點位于恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的交界處時，uDS最小，

UDG=UDSmin－UGS=－UGS(off)

則

UDSmin=UGS－UGS(off)=－IDR－UGS(off)

=－3.46mA×50Ω－(－2.5V)=2.33V

UDDmin=UDSmin+IDR+UD(on)

=2.33V+3.46mA×50Ω+2.2V=4.7V目前四十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4)無觸點電子開關電路

NPN型晶體管用作開關時，如果基極電壓為高電平，則晶體管處于飽和狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間電阻很小，等效為它們之間開關閉合；如果基極電壓為低電平，則晶體管處于截止狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間電阻很大，等效為它們之間開關打開。N溝道場效應管用作開關時，根據柵極電壓為高電平還是低電平，決定漏極和源極之間開關是閉合還是打開。

【例4-15】晶體管開關電路和基極電壓ub的波形分別如圖4-14(a)和(b)所示，電容C的初始電壓為零，定性畫出輸出電壓uo的波形。

目前五十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-14例4-15電路圖及波形圖目前五十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解ub為低電平時，晶體管處于截止狀態(tài)，電路等效為反相積分器，uo隨時間線性上升；ub為高電平時，晶體管處于飽和狀態(tài)，C通過晶體管放電，uo瞬間減小到零。uo的波形如圖4-14(c)所示。目前五十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點【例4-16】場效應管開關電路、輸入電壓ui和柵極電壓uG的波形分別如圖4-15(a)和(b)所示，電容C的初始電壓為零，定量畫出輸出電壓uo1和uo2的波形。

目前五十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖4-15例4-16電路圖及波形圖目前五十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解uG=0時，場效應管工作在恒流區(qū)，節(jié)點A處電壓為零，集成運放A1構成反相比例放大器，

A2構成反相積分器，uo2隨時間線性上升。t=2ms時，uo2最大為

uG=－5V時，場效應管工作在截止區(qū)，A處電壓為ui，uo1=ui，uo2隨時間線性下降。t=4ms時，uo2最小為uo2min=0。uo1和uo2的波形如圖4-15(c)所示。目前五十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-1本征半導體中，自由電子濃度

空穴濃度；雜質半導體中，多子的濃度與

有關。

答等于；摻雜濃度。4.3習題解答

目前五十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-2擴散電流與

有關，而漂移電流則取決于

；PN結正偏時，耗盡區(qū)

,擴散電流

漂移電流。

答載流子濃度差，電場強度；變窄，大于。

目前五十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-3二極管的伏安特性如圖P4-3所示。求點A、B處的直流電阻RD和交流電阻rD。

解A點處電壓UDA=0.6V，電流IDA=3mA，則直流電阻

交流電阻

目前五十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-3目前五十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點

B點處電壓UDB=0.6V，電流IDB=6mA，則直流電阻

交流電阻

目前六十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-4如圖P4-4所示，某發(fā)光二極管導通電壓為2.5V，工作電流范圍為18~20mA。外接12V直流電壓源時，需要給二極管串聯多大的電阻？

解電阻R的壓降UR=12V－2.5V=9.5V，電流極值IRmin=18mA，IRmax=20mA，則R的最大值

其最小值

所以，發(fā)光二極管正常工作時要求串聯電阻的取值范圍為475Ω≤R≤528Ω。

目前六十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-4

目前六十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-5某二極管電路如圖P4-5所示。當E=4V時，電流表讀數I=3.4mA，當E增加到6V時，I的測量結果如何？另一二極管UD=0.65V時，測得ID0=13mA，當UD=0.67V時，ID應該是多少？

解根據圖示電路，有

所以

UD(on)=E－IR=4V－3.4mA×1kΩ=0.6V目前六十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點

當E=6V時，測量結果為

由ID0=13mA，得二極管的交流電阻

UD的增加量ΔUD=0.67V－0.65V=0.02V很小，所以ID可以線性近似得到

目前六十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-5目前六十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-6計算圖P4-6所示電路中節(jié)點A、B的電壓，已知二極管導通電壓UD(on)=0.7V。

解圖P4-6(a)中，二極管VD導通，電阻R1和R2的總壓降為

根據串聯分壓的比例關系，R1的壓降

所以節(jié)點A的電壓

目前六十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-6目前六十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點R2的壓降

所以節(jié)點B的電壓

圖P4-6(b)中，二極管VD截止，電路中沒有電流，R1和R2的壓降為零，所以UA=E=5V，UB=－E=－5V。目前六十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-7高輸入阻抗絕對值電路如圖P4-7所示。已知匹配條件為R1=R2=Rf1=0.5Rf2，推導輸出電壓uo與輸入電壓ui的關系表達式。

解當ui>0時，二極管VD1導通，VD2截止，第一級放大器的輸出電壓uo1=u1－=u1+=ui，集成運放A2的輸入電壓u2－=u2+=ui，所以電阻R2和Rf2中無電流，輸出電壓uo=u2－=ui。

目前六十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點當ui<0時，VD1截止，VD2導通，此時第一級放大器構成同相比例放大器，有

u2－=u2+=ui，R2和Rf2中的電流i=(uo1－u2－)/R2=ui/R2,故

根據以上分析，在任意時刻，uo=|ui|。目前七十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-7目前七十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-8二極管限幅電路如圖P4-8所示。輸入電壓ui=5sint(V)，畫出輸出電壓uo的波形。

解以下分析中，設二極管VD的導通電壓UD(on)=0.7V。

圖P4-8(a)中，ui的臨界值為E－UD(on)=2V－0.7V=

1.3V。當ui>1.3V時，VD截止，uo=E=2V；當ui<1.3V時，VD導通，uo=ui+UD(on)=ui+0.7V。uo的波形如圖P4-8′(a)所示。

目前七十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-8(b)中，ui的臨界值為－E－UD(on)=－2V－0.7V=－2.7V。當ui>－2.7V時，VD截止，uo=ui；當ui<

－2.7V時，VD導通，uo=－E－UD(on)=－2.7V。uo的波形如圖P4-8′(b)所示。

圖P4-8(c)中，ui的臨界值為E+UD(on)=3V+0.7V=3.7V。當ui>3.7V時，VD導通，uo=ui－E－UD(on)=ui－3.7V；當ui<3.7V時，VD截止，uo=0。uo的波形如圖P4-8′(c)所示。目前七十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-8目前七十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-8目前七十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-8(d)中，ui的臨界值為UD(on)－E=0.7V－3V=

－2.3V。當ui>－2.3V時，VD導通，uo=ui+E=ui+3V；當ui<－2.3V時，VD截止，uo=0。uo的波形如圖P4-8′(d)所示。

圖P4-8(e)中，ui的臨界值為

當ui>1.7V時，VD導通，uo=ui-UD(on)=ui－0.7V；當ui<1.7V時，VD截止，

uo的波形如圖P4-8′(e)所示。

目前七十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-8(f)中，ui的臨界值為

當ui>3.4V時，VD導通，uo=UD(on)+E=0.7V+1V=1.7V；當ui<3.4V時，VD截止，

uo的波形如圖P4-8′(f)所示。目前七十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-9電路和輸入電壓ui的波形如圖P4-9所示。設二極管是理想二極管，畫出輸出電壓uo的波形。

解圖P4-9(a)中，當ui>0時，二極管VD導通，集成運放的輸入電壓u－=u+=ui，則

當ui<0時，VD截止，u+=0，電路構成反相比例放大器，有

根據以上分析，在任意時刻，uo=|ui|，波形如圖P4-9′(a)所示，電路實現全波整流。

目前七十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-9目前七十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-9′目前八十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-9(b)中，當ui>0時，二極管VD導通，uo=u－=u+=0；當ui<0時，VD截止，電路構成反相比例放大器，有

根據以上分析，在任意時刻，uo的波形如圖P4-9′(b)所示，電路實現半波整流。目前八十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-10穩(wěn)壓二極管電路如圖P4-10所示。已知穩(wěn)定電壓UZ=10V，工作電流范圍為IZmax=100mA，IZmin=2mA，限流電阻R=100Ω。

(1)如果負載電阻RL=250Ω，求輸入電壓ui的允許變化范圍；

(2)如果ui=22V，求RL的允許變化范圍。目前八十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-10目前八十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解(1)由

得

當IZ=IZmax=100mA時，Ui的最大值

目前八十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點當IZ=IZmin=2mA時，ui的最小值

所以ui的允許變化范圍為14.2V≤ui≤24V。

(2)由

得

目前八十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點當IZ=IZmax=100mA時，RL的最大值

當IZ=IZmin=2mA時，RL的最小值

所以RL的允許變化范圍為84.7Ω≤RL≤500Ω。

目前八十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-11圖P4-11所示電路中，已知穩(wěn)壓二極管VDZ1和VDZ2的穩(wěn)定電壓分別為UZ1=6V，UZ2=4V，導通電壓UD(on)均為0.7V。確定每個電路的傳輸特性。

圖P4-11目前八十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解圖P4-11(a)中，當ui>UZ1+UZ2=6V+4V=10V時，VDZ1和VDZ2都擊穿，uo=UZ1+UZ2=10V；當ui<－2UD(on)=－2×0.7V=－1.4V時，VDZ1和VDZ2都導通，uo=

－2UD(on)=－1.4V；而當－2UD(on)=－1.4V<ui<UZ1+UZ2=10V時，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。

根據以上分析，該電路的電壓傳輸特性如圖P4-11′(a)所示。

目前八十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-11′目前八十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-11(b)中，當ui>UZ1+UD(on)=6V+0.7V=6.7V時，VDZ1擊穿，VDZ2導通，uo=UZ1+UD(on)=6.7V；當ui<－(UZ2+UD(on))=－(4V+0.7V)=－4.7V時，VDZ1導通，VDZ2擊穿，uo=－(UZ2+UD(on))=－4.7V；而當－(UZ2+UD(on))=－4.7V<ui<UZ1+UD(on)=6.7V時，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。根據以上分析，該電路的電壓傳輸特性如圖P4-11′(b)所示。目前九十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-11(c)中，當ui>2UD(on)=2×0.7V=1.4V時，VDZ1和VDZ2都導通，uo=2UD(on)=1.4V；當ui<－(UZ1+UZ2)=

－(6V+4V)=＝10V時，VDZ1和VDZ2都擊穿，uo=－(UZ1

+UZ2)=－10V；而當－(UZ1+UZ2)=－10V<ui<2UD(on)=1.4V時，VDZ1和VDZ2都截止，uo=ui。根據以上分析，該電路的電壓傳輸特性如圖P4-11′(c)所示。目前九十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-12求圖P4-12所示電路的輸出電壓UO,已知穩(wěn)壓二極管VDZ1和VDZ2的穩(wěn)定電壓分別為UZ1=6V,UZ2=7V,導通電壓UD(on)均為0.7V。

圖P4-12目前九十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解圖P4-12(a)中，因為UZ1<UZ2，所以VDZ1首先擊穿，其兩端電壓為UZ1，該電壓使VDZ2反偏而又不致擊穿，所以處于截止狀態(tài)，UO=UZ1=6V。

圖P4-12(b)中，VDZ2導通，其兩端電壓為UD(on)，該電壓使VDZ1反偏而又不致擊穿，所以處于截止狀態(tài)，UO=UD(on)=0.7V。目前九十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-13推導圖P4-13所示電路的輸出電壓uo的表達式。

解圖P4-13(a)中，當穩(wěn)壓二極管VDZ1和VDZ2都截止時，集成運放的輸入電壓

目前九十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-13目前九十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點經過VDZ1和VDZ2的限幅，uo的最大值uomax=6V+2V=

8V，根據上式求得此時ui=－1V；uo的最小值uomin=－6V+2V=－4V，對應的ui=5V。根據以上分析，uo的表達式為

圖P4-13(b)中，當ui>0時，二極管VD截止，集成運放A1的輸入電壓u1－=u1+=ui，輸出電壓

目前九十六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點當ui<0時，VD導通，A1構成反相比例放大器，有

根據以上分析，在任意時刻，uo=|ui|。目前九十七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-14電路如圖P4-14所示。設電容C的初始電壓為零。

(1)說明集成運放A1、A2和A3的功能；

(2)當輸入電壓ui=8sinωt(V)時，畫出各級輸出電壓uo1、uo2和uo的波形。目前九十八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-14目前九十九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解(1)A1構成反相比例放大器，A2構成反相過零簡單比較器，A3構成反相積分器。

(2)

當uo1<0時，uo2=6V；當uo1>0時，uo2=－6V。uo2=6V時，電容C充電，uo隨時間線

性下降；uo2=－6V時，C放電，uo隨時間線性上升。根據以上分析，uo1、uo2和uo的波形如圖P4-14′所示。目前一百頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-14′目前一百零一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-15定性畫出圖P4-15中弛張振蕩器的輸出電壓uo和電容電壓uC的波形。

解圖P4-15(a)中，當uo=UoH=6V時，二極管VD截止，uo通過電阻R5對電容C充電；當uo=UoL=-6V時，VD導通，C通過R4∥R5放電。根據以上分析，該電路的充電速度慢，放電速度快，uo和uC的波形如圖P4-15′(a)所示，其中設t=0時，C上的電量為零。

圖P4-15(b)中，當uo=UoH=6V時，二極管VD導通，uo通過電阻R4對電容C充電；當uo=UoL=-6V時，VD截止，C通過R4+R5放電。根據以上分析，該電路的充電速度大于放電速度，uo和uC的波形如圖P4-15′(b)所示，其中設t=0時，C上的電量為零。

目前一百零二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-15目前一百零三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-15′目前一百零四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-16電路如圖P4-16所示，畫出輸出電壓uo和電容電壓uC的波形。

圖P4-16目前一百零五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-16′目前一百零六頁\總數一百三十五頁\編于二十二點解集成運放A1構成反相積分器，A2構成同相遲滯比較器。當uo=UoH=6V時，電容C恒流充電，uC隨時間線性下降，當

時，uo=UoL=－6V，C恒流放電，uC隨時間線性上升。根據以上分析，uo和uC的波形如圖P4-16′所示，其中設t=0時，C上的電量為零。目前一百零七頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-17判斷圖P4-17中晶體管和場效應管的工作狀態(tài)。

解圖P4-17(a)中，可以確定發(fā)射結正偏，所以晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。假設其處于放大狀態(tài)，則IBRB+UBE(on)+(1+b)IBRE=UCC，即IB

370k+0.6V+(1+100)IB

2k=12V，計算出IB=20A，則IC

=bIB=10020A=2mA。

所以集電結反偏，假設成立，晶體管處于放大狀態(tài)。

目前一百零八頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-17(b)中，UGS=0<UGS(off)，所以場效應管工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，且ID=IDSS=－4mA。

所以場效應管工作在恒流區(qū)。

目前一百零九頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-17目前一百一十頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-18實驗測得圖P4-18中兩個放大狀態(tài)下的晶體管三極的電位分別為

(1)U1=3V，U2=6V，U3=3.7V；

(2)U4=－2.7V，U5=－2V，U6=－5V。

判斷每個晶體管的類型，標出其基極、發(fā)射極和集電極。

解(1)NPN型晶體管，U1為發(fā)射極，U2為集電極，U3為基極；

(2)PNP型晶體管，U4為基極，U5為發(fā)射極，U6為集電極。目前一百一十一頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-18目前一百一十二頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-19實驗測得圖P4-19中兩個放大狀態(tài)下的晶體管的極電流分別為

(1)I1=－5mA，I2=－0.04mA，I3=5.04mA；

(2)I4=－1.93mA，I5=1.9mA，I6=0.03mA。

判斷每個晶體管的類型，標出其基極、發(fā)射極和集電極，并計算直流電流放大倍數和。

解(1)NPN型晶體管，I1為集電極，I2為基極，I3為發(fā)射極，=125，=0.992;

(2)PNP型晶體管，I4為發(fā)射極，I5為集電極，I6為基極，=63.3，=0.984。目前一百一十三頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-19目前一百一十四頁\總數一百三十五頁\編于二十二點4-20推導圖P4-20中對數運算電路的輸出電壓uo的表達式。

解

其中

所以

目前一百一十五頁\總數一百三十五頁\編于二十二點圖P4-20目前一百一十六頁\總數一