天大2024年12月考試《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》離線作業(yè)考核試題

天大2024年12月考試《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》離線作業(yè)考核試題?一、題目?jī)?nèi)容1.題目一：在圖1所示的電路中，已知三極管的β=100，UBE(on)=0.7V，VCC=12V，RB=300kΩ，RC=3kΩ，RL=3kΩ。試求：（1）靜態(tài)工作點(diǎn)IBQ、ICQ和UCEQ；（2）畫出該電路的微變等效電路；（3）電壓放大倍數(shù)Av、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。（圖1：共發(fā)射極放大電路，三極管發(fā)射極接有電阻RE到地，集電極通過(guò)電容C2接負(fù)載RL，電源VCC通過(guò)電阻RB接三極管基極）2.題目二：設(shè)計(jì)一個(gè)音頻功率放大器，要求輸出功率Po≥2W，負(fù)載電阻RL=8Ω，電壓放大倍數(shù)Av≥20，輸入電阻Ri≥10kΩ，輸出電阻Ro≤100Ω。請(qǐng)選擇合適的三極管，并確定電路中的元件參數(shù)。3.題目三：分析圖2所示的運(yùn)算放大器電路，已知運(yùn)放為理想運(yùn)放，R1=10kΩ，R2=20kΩ，R3=30kΩ，R4=40kΩ，ui=2V。求輸出電壓uo的值。（圖2：一個(gè)反相比例運(yùn)算放大器電路，輸入電壓ui通過(guò)電阻R1接到運(yùn)放反相輸入端，運(yùn)放同相輸入端接地，反饋電阻Rf連接在運(yùn)放輸出端和反相輸入端之間，Rf由R2、R3、R4串聯(lián)組成）4.題目四：如圖3所示的電路為一個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路，已知變壓器二次側(cè)電壓有效值U2=20V，電容C1=C2=1000μF，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ=6V，最大穩(wěn)定電流IZM=10mA，最小穩(wěn)定電流IZmin=2mA。試求：（1）輸出電壓UO的調(diào)節(jié)范圍；（2）當(dāng)RL=1kΩ時(shí)，輸出電壓UO的值；（3）限流電阻R的取值范圍。（圖3：橋式整流電容濾波電路后接穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，變壓器二次側(cè)輸出經(jīng)整流橋整流后接電容C1濾波，濾波后電壓再經(jīng)限流電阻R接穩(wěn)壓管DZ，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸出電壓UO給負(fù)載RL）5.題目五：簡(jiǎn)述負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響，并說(shuō)明如何判斷負(fù)反饋放大器的反饋類型（電壓反饋、電流反饋、串聯(lián)反饋、并聯(lián)反饋）。

二、解答過(guò)程

題目一解答1.求靜態(tài)工作點(diǎn)：首先求基極電流\(I_{BQ}\)：根據(jù)基爾霍夫電壓定律，\(V_{CC}=I_{BQ}R_{B}+U_{BE(on)}\)，則\(I_{BQ}=\frac{V_{CC}U_{BE(on)}}{R_{B}}\)。已知\(V_{CC}=12V\)，\(R_{B}=300k\Omega\)，\(U_{BE(on)}=0.7V\)，代入可得\(I_{BQ}=\frac{120.7}{300\times10^{3}}\approx0.0377mA=37.7\muA\)。然后求集電極電流\(I_{CQ}\)：因?yàn)閈(I_{CQ}=\betaI_{BQ}\)，\(\beta=100\)，所以\(I_{CQ}=100\times37.7\muA=3.77mA\)。最后求集射極電壓\(U_{CEQ}\)：根據(jù)基爾霍夫電壓定律，\(V_{CC}=I_{CQ}R_{C}+U_{CEQ}\)，則\(U_{CEQ}=V_{CC}I_{CQ}R_{C}\)。已知\(R_{C}=3k\Omega\)，代入可得\(U_{CEQ}=123.77\times3\approx0.69V\)。2.畫出微變等效電路：三極管的微變等效電路中，三極管用\(h_{fe}I_\)受控電流源代替，基極和發(fā)射極之間用動(dòng)態(tài)電阻\(r_{be}\)代替。電路中電容\(C_{1}\)、\(C_{2}\)對(duì)交流信號(hào)視為短路，\(R_{E}\)直接接在發(fā)射極和地之間，\(R_{L}\)接在集電極和地之間通過(guò)\(C_{2}\)耦合。具體微變等效電路如圖所示（此處可手繪一個(gè)簡(jiǎn)單的草圖示意，包括三極管、電阻、受控電流源等元件的連接）。3.求電壓放大倍數(shù)\(A_{v}\)、輸入電阻\(R_{i}\)和輸出電阻\(R_{o}\)：求動(dòng)態(tài)電阻\(r_{be}\)：\(r_{be}=r_{bb'}+(1+\beta)\frac{26mV}{I_{EQ}}\)，其中\(zhòng)(r_{bb'}\)一般取\(200\Omega\)。\(I_{EQ}\approxI_{CQ}=3.77mA\)，代入可得\(r_{be}=200+(1+100)\frac{26}{3.77}\approx900\Omega\)。求電壓放大倍數(shù)\(A_{v}\)：\(A_{v}=\frac{\betaR_{L}'}{r_{be}}\)，其中\(zhòng)(R_{L}'=R_{C}\parallelR_{L}=\frac{3\times3}{3+3}=1.5k\Omega\)。代入數(shù)據(jù)可得\(A_{v}=\frac{100\times1.5\times10^{3}}{900}\approx167\)。求輸入電阻\(R_{i}\)：\(R_{i}=R_{B}\parallelr_{be}\approx900\Omega\)（因?yàn)閈(R_{B}\ggr_{be}\)）。求輸出電阻\(R_{o}\)：\(R_{o}=R_{C}=3k\Omega\)。

題目二解答1.選擇三極管：對(duì)于音頻功率放大器，一般選擇中功率三極管。例如2SC1815等型號(hào)三極管，其\(\beta\)值在幾十到一百多之間，能夠滿足一般功率放大要求。這里假設(shè)選擇\(2SC1815\)三極管，其\(\beta=100\)。2.確定電路元件參數(shù)：計(jì)算輸出功率：已知\(P_{o}\geq2W\)，\(R_{L}=8\Omega\)，根據(jù)\(P_{o}=\frac{U_{o}^{2}}{R_{L}}\)，可得\(U_{o}=\sqrt{P_{o}R_{L}}=\sqrt{2\times8}=4V\)。計(jì)算電壓放大倍數(shù)確定輸入電壓：已知\(A_{v}\geq20\)，\(U_{o}=4V\)，則\(U_{i}=\frac{U_{o}}{A_{v}}\leq\frac{4}{20}=0.2V\)。計(jì)算輸入電阻：已知\(R_{i}\geq10k\Omega\)，假設(shè)輸入信號(hào)源內(nèi)阻\(R_{s}=0\)。確定偏置電路參數(shù)：首先確定基極偏置電阻\(R_{B}\)：設(shè)\(I_{BQ}=0.01mA\)，則\(R_{B}=\frac{V_{CC}U_{BE(on)}}{I_{BQ}}\)，假設(shè)\(V_{CC}=12V\)，\(U_{BE(on)}=0.7V\)，則\(R_{B}=\frac{120.7}{0.01\times10^{3}}=1130k\Omega\)，可選擇\(R_{B}=1M\Omega\)。然后確定集電極電阻\(R_{C}\)：根據(jù)\(U_{CEQ}=V_{CC}I_{CQ}R_{C}\)，設(shè)\(U_{CEQ}=6V\)，\(I_{CQ}=0.5mA\)，則\(R_{C}=\frac{V_{CC}U_{CEQ}}{I_{CQ}}=\frac{126}{0.5\times10^{3}}=12k\Omega\)，可選擇\(R_{C}=10k\Omega\)。發(fā)射極電阻\(R_{E}\)：為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，\(R_{E}\)一般取\(100\Omega\)到\(1k\Omega\)之間，這里取\(R_{E}=500\Omega\)。確定耦合電容和旁路電容：輸入耦合電容\(C_{1}\)：對(duì)于音頻信號(hào)，下限頻率\(f_{L}=20Hz\)，根據(jù)\(X_{C1}=\frac{1}{2\pif_{L}C_{1}}\leq\frac{R_{i}}{10}\)，設(shè)\(R_{i}=10k\Omega\)，則\(C_{1}\geq\frac{1}{2\pif_{L}\times10R_{i}}=\frac{1}{2\pi\times20\times10\times10\times10^{3}}\approx0.796\muF\)，可選擇\(C_{1}=1\muF\)。輸出耦合電容\(C_{2}\)：同理，\(C_{2}\geq\frac{1}{2\pif_{L}\times10R_{L}}=\frac{1}{2\pi\times20\times10\times8\times10^{3}}\approx0.995\muF\)，可選擇\(C_{2}=1\muF\)。發(fā)射極旁路電容\(C_{E}\)：\(C_{E}\geq\frac{1}{2\pif_{L}R_{E}}=\frac{1}{2\pi\times20\times500}\approx1.59\muF\)，可選擇\(C_{E}=2\muF\)。

題目三解答1.分析電路：該電路為反相比例運(yùn)算放大器電路。首先求反饋電阻\(R_{f}\)：\(R_{f}=R_{2}+R_{3}+R_{4}=20+30+40=90k\Omega\)。2.求輸出電壓\(u_{o}\)：根據(jù)反相比例運(yùn)算放大器的公式\(u_{o}=\frac{R_{f}}{R_{1}}u_{i}\)。已知\(R_{1}=10k\Omega\)，\(u_{i}=2V\)，代入可得\(u_{o}=\frac{90}{10}\times2=18V\)。

題目四解答1.求輸出電壓\(U_{O}\)的調(diào)節(jié)范圍：對(duì)于橋式整流電容濾波電路，輸出電壓\(U_{O1}\approx1.2U_{2}\)，已知\(U_{2}=20V\)，則\(U_{O1}\approx1.2\times20=24V\)。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電壓\(U_{O}=U_{Z}\)，已知\(U_{Z}=6V\)，所以輸出電壓\(U_{O}\)的調(diào)節(jié)范圍就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓\(6V\)。2.當(dāng)\(R_{L}=1k\Omega\)時(shí)，求輸出電壓\(U_{O}\)的值：因?yàn)槭欠€(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，輸出電壓\(U_{O}\)就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓\(U_{Z}=6V\)。3.求限流電阻\(R\)的取值范圍：當(dāng)穩(wěn)壓管工作在最大穩(wěn)定電流\(I_{ZM}=10mA\)時(shí)，\(I=\frac{U_{O1}U_{Z}}{R}\leqI_{ZM}\)，則\(R\geq\frac{U_{O1}U_{Z}}{I_{ZM}}=\frac{246}{10\times10^{3}}=1800\Omega\)。當(dāng)穩(wěn)壓管工作在最小穩(wěn)定電流\(I_{Zmin}=2mA\)時(shí)，\(I=\frac{U_{O1}U_{Z}}{R}\geqI_{Zmin}\)，則\(R\leq\frac{U_{O1}U_{Z}}{I_{Zmin}}=\frac{246}{2\times10^{3}}=9000\Omega\)。所以限流電阻\(R\)的取值范圍是\(1.8k\Omega\leqR\leq9k\Omega\)。

題目五解答1.負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響：提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性：設(shè)開環(huán)放大倍數(shù)為\(A\)，反饋系數(shù)為\(F\)，則閉環(huán)放大倍數(shù)\(A_{f}=\frac{A}{1+AF}\)。當(dāng)\(AF\gg1\)時(shí)，\(A_{f}\approx\frac{1}{F}\)，穩(wěn)定性大大提高。減小非線性失真：因?yàn)樨?fù)反饋能使放大器的凈輸入信號(hào)減小，從而減小了非線性元件（如三極管）的非線性影響，使輸出信號(hào)的失真減小。擴(kuò)展通頻帶：開環(huán)放大器的通頻帶\(BW_{o}\)和閉環(huán)放大器的通頻帶\(BW_{f}\)滿足\(BW_{f}=BW_{o}(1+AF)\)，所以負(fù)反饋擴(kuò)展了通頻帶。改變輸入電阻和輸出電阻：串聯(lián)負(fù)反饋增大輸入電阻：\(R_{if}=(1+AF)R_{i}\)，其中\(zhòng)(R_{if}\)是閉環(huán)輸入電阻，\(R_{i}\)是開環(huán)輸入電阻。并聯(lián)負(fù)反饋減小輸入電阻：\(R_{if}=\frac{R_{i}}{1+AF}\)。電壓負(fù)反饋減小輸出電阻：\(R_{of}=\frac{R_{o}}{1+AF}\)，其中\(zhòng)(R_{of}\)是閉環(huán)輸出電阻，\(R_{o}\)是開環(huán)輸出電阻。電流負(fù)反饋增大輸出電阻：\(R_{of}=(1+AF)R_{o}\)。2.判斷負(fù)反饋放大器的反饋類型：電壓反饋和電流反饋：電壓反饋：反饋信號(hào)取自輸出電壓，若將輸出端短路，反饋信號(hào)為零，則為電壓反饋。電流反饋：反饋信號(hào)取自輸出電流，若將輸出端短路，反饋信號(hào)不為零，則為電流反饋。串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋：串聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端以電壓形式相加減，反饋信號(hào)與輸入信號(hào)串聯(lián)。并聯(lián)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端以電流形式相加減，反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)。

通過(guò)上述方法，可以判斷負(fù)反饋放大器的反饋類型。例如，對(duì)于一個(gè)共發(fā)射極放大器，若反饋信號(hào)取自集電極電壓并接到基極，將集電極短路，反饋信號(hào)消失，為電壓反饋；反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在基極串聯(lián)，為串聯(lián)反饋，所以該放大器為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。

三、總結(jié)本次離線作業(yè)考核試題涵蓋了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的多個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，包括三極管放大電路、運(yùn)算放大器電路、直流穩(wěn)壓電源電路以及負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響等內(nèi)容。通過(guò)對(duì)這些題目的解答，我們進(jìn)一步鞏固了模擬電子技術(shù)的基本概念、原理和分析方法。

在題目一的