电子学讲义下.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子学讲义下.精品文档.第七章 功率放大 7-1 A、B、AB與C類放大器一.、A類（class A，甲類）放大器：靜態工作點（Q）在直流負載線的中央（點） （一）電阻式負載的A類放大器 (a)電路(b)輸出特性 (c)輸出波形特點：（91年）1、 失真最小（電晶體的導通角度為360）2、 效率最低 = 25% (，)EX：某A類放大器，若VCC =20V，負載RL =10，則此放大器最大輸出功率為何？ （89年）Sol: ICQ = =Pi(dc)=VCC ICQ =VCC =20(W)由於A類放大器，當負載為電阻性時，其最高效率為25%，

2、所以Po(max) =Pi(dc)25%=2025%=5(W)（二）A類推挽式放大器 特點：1、採用推挽式（push-pull） 消除偶次諧波失真。（80年）2、最高效率 = 50% 。（87年）3、 使用兩個電晶體，分別負責正負半週放大工作。二、B類（class B，乙類）放大器：靜態工作點（Q）在截止點上 (a)電路(b)輸出特性 (c)輸出波形特點：1、 導電角度180 有如半波整流器。（87年）2、 最高效率 。（84年）3、 ICQ =04、 VCE = VCC 5、 採用推挽式（push-pull）消除偶次諧波失真。（86年）6、 VBE = 0 產生交叉（cross over）失

3、真。（90年） 交叉（cross over）失真：當輸入信號（Vi）在正、負半週交替時，由於Vi小於電晶 體VBE的切入電壓，電晶體不導通（放大），因而產生一非線性的失真現象。EX：如右圖B類推挽放大電路中，RL=5，若已知其最大輸出功率為10W，則VCC為多少？（89年）sol：因為Vo(max) =VCC，且Po =，所以Po(max)=，即，得VCC =10V三、AB類（class AB，甲乙類）放大器：靜態工作點（Q）在直流負載線中央至截止點間 將B類放大電路中兩電晶體的B-E接面加上少許順向偏壓，即構成AB類放大器(a)輸出特性 (b)輸出波形特點：1、 可消除B類放大器所產生的交叉

4、失真。（81年）2、 電晶體的導電（通）角度（q）360q 180 。3、 失真與效率均介於A類（50%）與B類（78.5%）之間。（88年）四、C類（class C，丙類）放大器：靜態工作點（Q）在截止點以下(a)電路(b)輸出特性 (c)輸出波形特點：1、失真最大（電晶體的導通角度小於180）。（91年）2、效率最高。3、作為諧波產生器或頻率倍增器。4、 不可用於高頻放大電路。調諧C類放大器基本C類放大器的輸出波形嚴重失真，不適合應用在線性放大方面，所以在實際應用時須加入一並聯諧振電路，使輸出波形可以還原成輸入波形。諧振頻率EX：如圖所示電路，若輸入信號為頻率等於2.595MHz，5V之對

5、稱正弦波； （87年）求（1）此一放大電路，為何類放大器？ （2）請問A點的波形及大小為何？（3）C點輸出頻率為何？sol：（1）C類放大器（2）如圖之輸入等效電路，形成向下箝位之箝位電路，故A點的波形及大小為：峰對峰值為-9.3V至+0.7V之對稱正弦波（3）輸出部份為諧振電路，故 fo=5.19MHz五、A類、B類、AB類與C類放大器的比較(1) 失真大小：C B AB A(2) 效率大小：C B AB A(3) 在直流負載線的工作點與偏壓的大小關係圖(a)直流負載線的工作點 (b) 偏壓的大小 EX：圖中之點14將對應至A類、B類、C類及AB類功率放大器的直流工作點在轉換特性曲線上的位置

6、，對應關係各為何？(86年)sol：若依VBE偏壓的大小（以NPN為例）或集極靜態電流（ICQ）的大小，皆為A AB B C 7-2 OTL、OCL放大器與放大器的失真一、OTL與OCL之比較（1）OTL（Output Transformer-Less）放大器：無輸出變壓器的放大器（2）OCL（Output Capacitor-Less）放大器：無輸出電容器的放大器EX：一OTL電子電路使用之DC電源電壓64V，喇叭阻抗為8W，則最大輸出功率為多少瓦特？sol：OTL放大器使用單電源，其最大輸出功率Po(max)為 （82年）Po(max) = =64(W)二、放大器的失真(1) 波幅失真。(

7、2) 頻率失真。(3) 相位失真。(4) 互調失真。(5) 交叉失真（波幅放大非線性）與互調失真（產生新頻率）皆屬於波幅失真的一種。(6) 總諧波失真（其中、分別稱為二次、三次、四次諧波失真百分率）。EX：有一放大器的信號主波為1V，二次諧波為30mV，三次諧波為40mV（以上電壓值均為有效值），若四次以上諧波失真可忽略，則此放大器的總諧波失真為多少？ （84年）sol：(1)二次諧波失真百分率D2 =100% =100%=3%三次諧波失真百分率D3=100%=100%=4%總諧波失真百分率DT =5%=0.05EX：某功率放大器在示波器上所顯示的波形值為VCE, min=1V，VCE, ma

8、x=20V，VCEQ=10V，則其二次諧波失真的百分比為多少？ （91年）sol：二次諧波失真率D2=100%若以輸出電流波形計算，則D2=100%所以D2=100%=2.6%第八章 運算放大器（I） 8-1 差動放大器一、差動放大器的基本概念1、差動放大器（differential amplifier, DA）主要作用：放大兩個輸入信號之差（Vd）。排拒雜訊（Vc，共同信號）干擾。2、共模拒斥比（common-mode rejection ratio，CMRR） 定義：用來判斷排斥共同訊號（雜訊）的能力 或 其中 （差模增益）：理想差動放大器只放大不同訊號 越大越好。 （共模增益）：理想差動

9、放大器不放大共同訊號 理想0 。 理想的CMRR值是無限大 EX：某差動放大器，差模訊號電壓增益Ad為200，而共模拒斥比CMRR=80dB，試求其共模訊號電壓增益Ac為何？ （89年） Sol: 80=20 log 4=log， 故 3、差動放大器的輸出電壓為其中 (1) （差模信號）：不同的信號（欲放大的信號） =（大）-（小） (2) （共模信號）：相同的信號（雜訊等干擾的信號） EX：假設放大器之差動增益為Ad =1000，CMRR=100，試計算輸入電壓Vi1=75mV（非反向輸入端電壓），Vi2=25mV（反向輸入端電壓）時之差動放大器的輸出電壓為何？ （89年） Sol：(1)V

10、d =Vi1-Vi2 =75-25=50(mV)Vc =50(mV)(2)Vo=AdVd (1+)=100050(1+)=50.5103(mV)=50.5(mV) EX：差動放大器輸入電壓為Vi1=140mV，Vi2=60mV時，其輸出電壓Vo=81mV，輸入電壓為Vi1=120mV，Vi2=80mV時，其輸出電壓Vo=41mV，試求該放大器之共模拒斥比（CMRR）為何？ （90年） Sol: Vo=AdVd +AcVc (A)當Vi1=140mV，Vi2=60(mV) 則Vd =Vi1-Vi2=140-60=80(mV) Vc =100(mV) 所以81103=Ad80+Ac100(1) (

11、B)當Vi1=120mV，Vi2 =80(mV) 則Vd =Vi1-Vi2=120-80=40(mV) Vc =100(mV) 所以41103=Ad 40+Ac 100(2) (C)由(1)、(2)式聯立可得 Ad =1000，Ac=10 (D)共模拒斥比CMRR=100二、差動放大器的直交流分析電路由兩個特性一樣的電晶體（、），與兩個阻值一樣的集極電阻（），加上一個共用的射極電阻（）所組成(a)基本電路 (b)符號 1、差動放大器的直流分析 由於 =，= 故EX：如右圖Q1與Q2完全對稱，且Vi1=Vi2，則在正常的運作下將 RE阻值調高的影響為何？ （92年）Sol：RE IE（即IE1與

12、IE2）IC1與IC2（QIE1、IE2）Vo1與Vo2但Vo（=Vo2-Vo1）不變2、差動放大器的交流分析 (1) 差模增益(2) 共模增益(3) 當，則，而 愈大，愈能排斥共同的信號。（88年） 但愈大時，將造成電晶體電流過小，無法正常（在線性區）工作常以定電流源取代（因為定電流源內阻近似，且又有固定電流）。 EX：如右圖電路，假設電晶體之hfe=b =60，hie=rp =3kW，當電 路採雙端輸入、單端輸出時，其共模拒斥比（CMRR）約 為多少？ （91年） sol: 差模增益Ad-= -150共模增益Ac-共模拒斥比（CMRR）=2003. 定電流源與電流鏡 (1) 差動放大器為獲

13、得高值 將射極電阻（）改成電流源（內阻為）。（88、89年） (2) 電流為定值應用齊納二極體VZ =VBE +IEREIE = =定值 (3) 電流鏡（current mirror） 1、一般電流鏡 、為特性完全相同的電晶體 （91年） 當 時 EX：如右圖為一線性積體電路（linear IC）中，所用之電流鏡 （current mirror），可提供定電流偏壓源，令VCC = 5V， R =2k，且Q1的特性與Q2相同，則IC2之電流大小約為？ Sol：Q （85、86年）= 2.15(mA) 2、威爾森電流鏡（Wilson current mirror） 、為特性完全相同的電晶體 8-2

14、 OPA的基本概念一、理想OPA的特性（83、86、87、88年）(1) 輸入阻抗為無限大（ ）。(2) 輸出阻抗為零（0）。(3) 開迴路增益（open loop gain）為無限大（ ）。(4) 頻帶寬度為無限大（BW ）。(5) 共模拒斥比為無限大（CMRR ）。二、常用符號與包裝接腳1、符號2、DIP（雙排式）型包裝接腳（以mA 741為例）（90年）(1)第1、5腳：抵補電壓調整（83、91年）(2)第2腳：反相輸入端（84年）(3)第3腳：非反相輸入端(4)第4腳：負電源（83年）(5)第6腳：輸出端（81、86、92年）(6)第7腳：正電源（83年）(7)第8腳：空腳三、虛接地（

15、Virtual Ground）（1）（2）EX：如右圖電路，為一儀表放大器（Instrumentation Amplifier），其電壓增益為何？（88年） sol：四、變動率（Slew Rate，SR）與頻寬（BW）(1) 變動率（SR，又稱為迴轉率、扭轉率）當輸入電壓變動時，輸出電壓所產生的最大變化率。單位：V/mS若輸入信號的頻率過高，超過SR所能反應的速度，將致使輸出波形失真。(2) 全功率頻率（寬）SR =2p f(max)Vo(max)其中f(max)： OPA所能輸入之最高頻率；若輸入信號頻率超出此頻率，則輸出波形將會產生失真。Vo(max)：OPA輸出正弦波的峰值電壓，當Vo為

16、最大值時，稱為全功率（Full-Power）頻率（寬）。EX：某一運算放大器之轉動率S.R.=0.6V/mS，若此運算放大器之輸出電壓峰對峰值為10V；則此運算放大器在輸出不允許失真的狀況下，輸入所能允許正弦波之最高頻率約為何？ （90年）Sol：QSR=2pf(max)Vo(max)0.6106=2pf(max) f(max)19103(Hz)=19(kHz)五、OPA輸入偏壓電流IB的補償（消除）於非反相輸入端加一電阻R3 減低OPA輸入偏壓電流對輸出的影響（1）（83、88年） （2）（83、91年）R3=R1/R2 R3=R2（QC在直流視為） 六、OPA輸入抵補電壓Vio的補償（消除

17、） （1）以mA 741的IC為例，在1、5腳間接上10kW 的可變電阻（VR）來調整 使Vio =0（2）反相、非反相輸入端均無輸入電壓，而Vio 0時（輸入抵補電壓引起）EX：如圖電路，若R1=1kW，R2=10kW，Vo=0.11V，則其輸入抵 補電壓（Input Offset Voltage）為何？ （88年）Sol；Vio Vio =0.01V=10mV 8-3 OPA反相（倒相）放大器一、（基本）反相放大器(1)（負號表示Vo與Vi相差180或反相）。(2) 輸出電壓（Vo）不受負載的影響，即Vo =AvVs。(3) ZiR1（Zi為電路的輸入阻抗）。(4) 輸出飽和時的狀態a、V

18、o =Vo(sat)VCC b、V-V+虛接地觀念不適用EX：如右圖所示的電路，運算放大器的飽和電壓為12V， 求（1）當，則= V （2）當，則= V（3）當，則= V（4）當，則= V （92年）sol：(1)若VA =5V，則Vo= VA =(-2)(+5)= -10(V) (2)若VA = -5V，則Vo= VA =(-2)(-5)=10(V)(3)若VA = +2V，則Vo= VA =(-2)(+2)=-4(V)(4)若VA = -2V，則Vo= VA =(-2)(-2)=4(V)EX：圖為實際運算放大器之接線，且電源供給電壓為15及-15伏 特，若輸入電壓為2伏特，則輸出電壓約為多

19、少？（90年）sol：Vo=AvVi=2=-20(V)輸出電壓（Vo）已大於OPA的電源電壓 OPA發生飽和現象 Vo=Vo(sat)VCC =-15V二、反相加法器 （1）輸出電壓（2）（87年）輸出電壓EX：圖所示為一運算放大電路，試求輸出電壓Vo為若干？sol： =(-5)(1)+(-2.5)2+(-1)(3)+()4 =-5-5-3-2 =-15(V) （83年）EX：如圖所示電路，OPA1之輸入電壓 V1=0.2V，V2=0.5V，OPA2之輸出 電壓Vo為何？ （90年）sol：(1)Vo1=V1+V2=(-2)(0.2)+(-2)(0.5)=-1.4(V)(2)Vo = Vo1=

20、(-5)Vo1=(-5)(-1.4)=7(V) 8-4 非反相（非倒相）放大器與電壓隨耦器一、非反相放大器 (1)（Vo與Vi同相）。(2) 輸出電壓（）不受負載的影響，即 = 。(3) （為電路的輸入阻抗）。(4) 輸出飽和時的狀態a、Vo =Vo(sat)VCC b、V-V+虛接地觀念不適用EX：如圖所示電路，假設理想OPA，若Rf =10kW，R1=2kW，V1=2V，則輸出電壓Vo=？ （89年）sol：電路為非反相放大器Av = (1+)=6 Vo=ViAv =26=12(V)EX：圖為理想之運算放大器電路，若V120mV，V210mV則Vo之大小為何？ （85年）sol：V14(m

21、V)該電路為非反相放大器，故Vo=Vi Av =V+ Av =14(1)=140(mV)=0.14(V)二、電壓隨耦器(1)。(2) 輸入阻抗，輸出阻抗阻抗匹配的緩衝器(3) 輸出飽和時的狀態a、Vo =Vo(sat)VCC b、V-V+虛接地觀念不適用。EX：圖中之Io為多少？（假設該OPA為理想運算放大器）（86年）sol：由虛接地觀念知VR V-V +ViIR Io1mA 8-5 減法器（差放大器）一、基本型減法器（1）令=0（2）令=0 當，時EX：如圖所示電路，若OPA視為理想放大器，則輸出電壓Vout 為多少？ （89年）sol：電路為減法放大器，且R1R3100k，R2R4200

22、k 二、複雜型減法器（多端輸入）EX：如圖，已知V1=1V，V21V，V3=2V，則Vo=？（89年）sol：(1)V+=1(V)(2)Vo=(V1-V+)+(V2-V+)+V+ =(1-1)(-5)+(-1-1)(-2)+1 =5(V)EX：圖為理想運算放大器之電路，其電壓增益為？（92年）sol：(1)設Vi =1V，則I1=1(mA)(2)QIi=0（OPA虛接地），I2=I1-Ii=I1=1mA故V2= -I2R2= -11=-1(V)(3)I3=0.1(mA)=100(mA)(4)Vo= -I4R4+V2= -(I2+I3)R4+V2= -(1+100)1+(-1) =-102(V)

23、所以AV =102第九章 運算放大器（II） 9-1 積分器（米勒積分器）一、積分電路（米勒積分器）（1）其中為時的電容電壓。（2）當輸入為sin(t)與cos(t)時（3）輸入訊號的週期（89年）輸入訊號的頻率EX：如圖所示為米勒積分器，設電容器初始電壓為0V，t=0時S 接通，當t=1秒時，Vo電壓為多少？(83、87年)sol：+0=-15-0=-5(V)EX：如圖所示理想運算放大器電路，若Vi=2sint伏特，當電路達穩態 後，則Vo應為？(88年)sol：= -12(-cos t)= 2cos t (V)二、波形輸入積分器的變化（1）方波 三角波 （83、88、90年）（2）正弦波

24、負餘弦波三、積分器的低頻補償（1）當輸入信號的頻率 電路的放大倍數（） 電路不穩定 在電容C上並聯一個高阻值電阻（100） 低頻補償（2）條件：輸入信號的頻率（86、87年） 9-2 微分器一、微分電路二、波形輸入微分器的變化微分（1）三角波 方波（83、85、86、89年）積分微分積分（2）正弦波餘弦波（89年）EX：已知Vi=10sin200p t，及理想運算放大器（OPA），則圖微分器 之輸出電壓Vo為何？ （89年）sol：=-1110(200p)cos200p t=-2000p cos200p t三、微分器的高頻補償（1）當輸入信號的頻率 電路的放大倍數（） 電路不穩定 在電容C串聯

25、上一個低阻值電阻（） 高頻補償（2）條件：輸入信號的頻率（86年） 9-3 比較器一、OPA的開環路增益近似無限大經常被當作電壓比較器 (1) V1V20 Vo-VCC (2) V2V10 Vo+VCC(3) V1V20 Vo+VCC(4) V2V10V2 Vo-VCC(6) V20V1 Vo+VCC 輸出電壓呈現正飽和（+VCC）、負飽和（-VCC）狀態兩輸入電壓誰大，輸出就以誰為主EX：如右圖，其輸入信號Vi為正弦波，則輸出端Vo的波形為何？（89年）sol：由於R2接地（0V），所以輸入信號（Vi）與0V作比較(1)當Vi為正半週時，Vo為-V（QVo =Av Vi，而Av =-）(2)

26、當Vi為負半週時，Vo為+V（QVo =Av Vi，而Av =-）故輸出方波EX：右圖電路中，輸出電壓Vo之工作週期（duty cycle）為何？（92年）sol：(1)V-=VCCVCC；由於電路為OPA比較器，所以 a.當V+V-VCC時，Vo= b.當V+V-VCC時，Vo=(2)當wt為 (=30)或 (=150)時，都將使得輸入信號VCC sinwt 輸出電壓Vo之工作週期=100%100% =33.3% 9-4 史密特觸發器史密特觸發器（Schmitt trigger）：波形整形電路任何輸入波形轉變成方波或脈波輸出適合數位邏輯電路使用。 一、反相輸入的史密特觸發器(a)電路 (b)

27、輸入輸出特性曲線 (c)輸入與輸出波形關係 （1）上臨界觸發電壓（2）下臨界觸發電壓（3）磁滯電壓：不反應的電壓範圍EX：如圖所示假設此電路電源為20V，且輸出信號落於18V之間，請問此電路之遲滯電壓為多少？（87年）sol：(1)上臨限觸發電壓VU =183.25(V)(2)下臨限觸發電壓VL =(-18)-3.25(V)(3)磁滯電壓VH =VU -VL =3.25-(-3.25)=6.5(V)二、具參考電壓（）的史密特觸發器 (a)電路 (b)輸入輸出特性曲線上臨界觸發電壓下臨界觸發電壓磁滯電壓（不變）EX：如圖，左邊為電路圖，右邊為此電路之輸入與輸出波形圖，則，之值分別為何？ （89年

28、）sol：(1)上臨界觸發電壓 VU=V1=10+3=3.7(V)(2)下臨界觸發電壓VL=V2=+3 =-10+3=1.7(V)(3)磁滯電壓VH=VU-VL=V1-V2=3.7-1.7=2(V)三、非反相輸入的史密特觸發電路 (a)電路 (b)輸入輸出特性曲線 (c)輸入與輸出波形關係 上臨界觸發電壓下臨界觸發電壓磁滯電壓EX：如圖之史密特觸發器，OP之正負飽和值分別為+15V及-15V，則此觸發器的正臨界電壓、負臨界電壓分別為何？sol：(1)當ViVL時，Vo轉變為=+15V，故VL =Vi=-7.5V四、應用電路1、方波產生器（反相輸入） (a)電路 (b)輸入輸出波形時序 2、三角

29、波產生器（非反相輸入） (a)電路 (b)輸入輸出波形時序 9-5 主動濾波器一、 主動低通濾波器利用電晶體、運算放大器等主動元件，配合被動元件R、C、L所組成的濾波器 具放大（增益）作用1、一階主動低通濾波器（一節RC網路）截止頻率頻率低於時 電壓增益頻率高於時 衰減斜率：每10倍頻率20dB(a)電路 (b)響應曲線2、二階主動低通濾波器（二節RC網路） 截止頻率頻率低於時 電壓增益頻率高於時 衰減斜率：每10倍頻率40 dBEX：如圖所示電路（假設為理想OP），當頻率為159kHz時，其電壓增益約為？（91年）詳解：(1)該電路為低通主動濾波器，所以其高頻截止頻率（fH）為(2)由於OP

30、A為非反相放大器，所以其（倍），若以dB值表示，則為20 logAv =20 log10=20(dB)(3)輸入頻率159kHz為截止頻率15.9kHz的10倍，由於輸入訊號的頻率每上升10倍時， 該低通主動濾波器的增益將下降20dB(-20dB)，故當輸入訊號的頻率為159kHz時，其電壓增益已降為0dB(20-20=0)二、主動高通濾波器1、一階主動高通濾波器（一節RC網路）(a)電路 (b)響應曲線截止頻率頻率高於時 電壓增益頻率低於時 增加斜率：每10倍頻率20dB2、二階主動高通濾波器（二節RC網路） 截止頻率頻率高於時 電壓增益頻率低於時 增加斜率：每10倍頻率40 dB三、 主動帶通濾波器(a)電路（高、低通濾波器的位置可互換） (b)響應曲線低頻截止頻率高頻截止頻率頻帶寬度電壓增益EX：圖頻帶寬度為何？（92年）詳解：(1)OPA1的電路為主動式高通濾波器，其低頻頻率截止點(2)OPA2的電路為主動式低通濾波器， 其高頻頻率截止點(3)該電路為帶通濾波器，可通過訊號的頻帶寬度 四、主動帶拒濾波器(b)電路 (c)理想的帶拒濾波器的頻率響應