電子技術(shù)與數(shù)字電路(第二版)02 放大電路基礎(chǔ)_第1頁
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文檔簡介

第2章放大電路基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容(1)放大電路的基本組成和工作原理(2)放大電路的靜態(tài)分析和動態(tài)分析(3)共集電極放大電路(4)場效應(yīng)晶體管放大電路(5)多級放大電路(6)差分放大電路(7)功率放大電路放大電路又稱放大器,它的基本功能是把微弱的電信號不失真地放大成較強(qiáng)的電信號。它的基本原理就是用較小的輸入信號控制較大的電壓或電流,從而產(chǎn)生增大的輸出信號。其實(shí)質(zhì)就是用較小的能量去控制較大的能量。實(shí)際的放大電路通常由多級組成,如圖2.1所示。圖2.1多級放大器首先由傳感器將非電形式的物理量(如溫度、壓力、流量等)轉(zhuǎn)換成電信號。由于轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的電信號往往比較微弱,所以需先經(jīng)過前幾級放大電路得到足夠幅度的電壓信號,再經(jīng)過末級功率放大器得到較強(qiáng)的信號能量去推動執(zhí)行元件(負(fù)載)。常見的執(zhí)行元件有揚(yáng)聲器、顯示器、繼電器及電磁閥等。從放大器的功能上看,它可以分為電壓放大器和功率放大器兩種類型。從放大器的組成上看,可分為共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路。這三種放大電路根據(jù)各自的特點(diǎn)而用在不同場合。2.1基本放大電路的組成和工作原理2.1.1共發(fā)射極基本放大電路的組成圖2.2所示是一個共發(fā)射極基本放大電路。

圖2.2共發(fā)射極基本放大電路由圖可見,它是由一個晶體管、一個電源、三個電阻、兩個電容及相關(guān)連接線所組成的單管放大器,輸入信號ui經(jīng)電容C1加到晶體管T的基極,放大后的信號從集電極經(jīng)電容C2輸出。RL為負(fù)載電阻。圖2.2所示放大器中各元件的作用如下。(1)NPN型晶體管T是放大電路的核心器件,它起電流放大作用。(2)電源UCC使晶體管的發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置,晶體管處于放大狀態(tài)。(3)集電極電阻RC將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,以實(shí)現(xiàn)電壓放大,并對集電極電流起限制作用。(4)基極偏置電阻RB提供適當(dāng)?shù)幕鶚O偏置電流,使發(fā)射結(jié)正向偏置,并使放大器具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。(5)耦合電容C1和C2起隔直流、通交流的作用。C1用來隔斷信號源與放大電路之間的直流通路,C2用來隔斷放大電路與負(fù)載之間的直流通路;而對于交流信號,由于C1、C2的值取得較大,交流信號在其上的壓降很小,可近似看為短路,可以通暢地傳遞交流信號。

2.1.2共發(fā)射極基本放大電路的工作原理在圖2.2所示放大電路中,當(dāng)電路參數(shù)選得合適時,則晶體管工作在放大狀態(tài)。此時,如果在放大電路的輸入端加上一個微小的變化電壓ui,它經(jīng)過電容C1傳送到晶體管的基極,基極與發(fā)射極之間的電壓uBE將跟隨ui的變化而變化,產(chǎn)生變化量ΔuBE。由于晶體管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài),所以當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓發(fā)生變化時,將使基極電流iB產(chǎn)生相應(yīng)的變化量ΔiB。由于晶體管的電流放大作用,基極電流的變化將引起集電極電流iC發(fā)生更大的變化,即ΔiC=βΔiB。從電路的輸出回路上看,這個集電極電流的變化將引起集電極與發(fā)射極之間的電壓uCE發(fā)生相應(yīng)的變化。由于uCE=UCC-iCRC,而UCC是恒定不變的直流電源,所以UCE的變化剛好與iC的變化相反,當(dāng)iC增大時,uCE將相應(yīng)減小。也就是說,uCE將跟隨ui做反相變化。uCE的變化量ΔuCE經(jīng)電容C2傳送到輸出端成為輸出電壓uo,但uo的幅度將比ui大得多,從而達(dá)到信號放大作用。被放大的輸入信號加到基極和發(fā)射極組成的輸入回路中,而放大后的信號是在集電極和發(fā)射極組成的輸出回路輸出,發(fā)射極既在輸入回路又在輸出回路中,即發(fā)射極是兩個回路的公共端,因此這種電路稱為共發(fā)射極電路。2.2放大電路的靜態(tài)分析所謂靜態(tài),是指放大電路沒有交流信號輸入(ui=0)時的工作狀態(tài);所謂動態(tài),是指放大電路有交流信號輸入(ui≠0)時的工作狀態(tài)。靜態(tài)分析的目的是確定放大電路的靜態(tài)值IB、IC、UBE和UCE,通常稱這4個數(shù)值為放大器的靜態(tài)工作點(diǎn),簡稱Q點(diǎn),并記為IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ。動態(tài)分析的目的是確定放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等。放大電路的靜態(tài)分析有計算法和圖解法兩種。2.2.1計算法

對于圖2.2所示的基本放大電路,當(dāng)其處于靜態(tài)工作狀態(tài)時,耦合電C1和C2只起隔直作用,可視為開路,所以其直流通路如圖2.3所示。圖2.3共發(fā)射極放大電路的直流通路

根據(jù)圖2.3,可求得基極電流IB的靜態(tài)值為

IBQ=(UCC-UBEQ)/RB

(2-1)在計算法中,常認(rèn)為UBEQ為已知量,對于硅晶體管,通常取UBEQ為0.6~0.8V中的某一值,如0.7V;對于鍺晶體管,通常取UBEQ為0.1~0.3V中的某一值,如0.2V。計算時,也可將UBEQ忽略不計。由IBQ可求出集電極電流的靜態(tài)值為

ICQ=βIBQ

(2-2)靜態(tài)時集電極與發(fā)射極之間的電壓為

UCEQ=UCC-ICQRC

(2-3)2.2.2圖解法根據(jù)晶體管的輸入輸出特性曲線,用作圖的方法求放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的方法稱為圖解法。由于晶體管的靜態(tài)基極電流IBQ和發(fā)射結(jié)壓降UBEQ既需要滿足回路電壓方程IBQRB=UCC-UBEQ,又應(yīng)與晶體管的輸入特性曲線相對應(yīng)。所以在輸入特性曲線平面上,Q點(diǎn)是回路電壓方程IBQRB=UCC-UBEQ所在直線與晶體管輸入特性曲線的交點(diǎn),Q點(diǎn)所對應(yīng)的縱坐標(biāo)值即IBQ,橫坐標(biāo)值即UBEQ,如圖2.4(a)所示。也就是說,只要在晶體管輸入特性曲線平面上根據(jù)橫軸上的截距UCC和縱軸上的截距UCC/RB連接直線,找到該直線與輸入特性曲線的交點(diǎn)Q,即可求得IBQ和UBEQ。

圖2.4用圖解法求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)同樣,晶體管的靜態(tài)集電極電流ICQ和集電極-發(fā)射極壓降UCEQ既要滿足回路電壓方程UCEQ=UCC-ICQRC,又應(yīng)與晶體管的輸出特性曲線相對應(yīng)。在輸出特性曲線平面上,Q點(diǎn)是回路電壓方程UCEQ=UCC-ICQRC所在直線與晶體管對應(yīng)于靜態(tài)基極電流IBQ的輸出特性曲線的交點(diǎn),Q點(diǎn)所對應(yīng)的縱坐標(biāo)值即ICQ,橫坐標(biāo)值即UCEQ,如圖2.4(b)所示。只要在晶體管輸出特性曲線平面上根據(jù)橫軸上的截距UCC和縱軸上的截距UCC/RC連接直線,找到該直線與對應(yīng)于IBQ的輸出特性曲線的交點(diǎn)Q,即可求得ICQ和UCEQ。例2.1在如圖2.2所示的放大電路中,已知電源電壓UCC=10V,基極電阻RB=250kΩ,集電極電阻RC=2.5kΩ,晶體管的直流電流放大倍數(shù)β=50,晶體管的輸入特性曲線如圖2.4(a)所示,輸出特性曲線如圖2.4(b)所示。請分別用計算法和圖解法求該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。解(1)

用計算法求靜態(tài)工作點(diǎn):

IBQ=(UCC-UBEQ)/RB≈UCC/RB=10V/250kΩ=0.04mA=40μAICQ=βIBQ=50×0.04mA=2mΑUCEQ=UCC-ICQRC=10V-2mA×2.5kΩ=10V-5V=5V(2)

用圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn):

在圖2.4(a)中,根據(jù)UCC/RB=10V/250kΩ=40μA、UCC=10V連接直線,與輸入特性曲線相交于Q點(diǎn),由Q點(diǎn)可查得IBQ≈40μA。在圖2.4(b)中,根據(jù)UCC/RC=10V/250kΩ=4mA、UCC=10V作直流負(fù)載線,與IBQ=40μA的輸出特性曲線相交于Q點(diǎn),由Q點(diǎn)查橫、縱坐標(biāo),得ICQ=2mAUCEQ=5V

2.3放大電路的動態(tài)分析放大電路輸入端加上交流信號ui后的工作狀態(tài),稱為動態(tài)。動態(tài)時放大電路在直流電源UCC和交流輸入信號ui共同作用下工作,電路中的電流iB、iC和電壓uBE、uCE均為兩個分量的疊加(直流分量+交流分量),即iB=IB+ib

(2-4)

iC=IC+ic

(2-5)uBE=UBE+ube

(2-6)uCE=UCE+uce

(2-7)其中,IB、IC和UBE、UCE是直流電源UCC單獨(dú)作用下產(chǎn)生的電流和電壓,即放大電路的靜態(tài)值,稱為直流分量;而ib、ic和ube、uce是在交流輸入信號ui單獨(dú)作用下產(chǎn)生的電流和電壓,稱為交流分量。放大電路的動態(tài)分析就是在確定靜態(tài)值以后分析信號的放大和傳輸情況,并確定放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等。在進(jìn)行放大電路的動態(tài)分析時,需采用ui單獨(dú)作用下的交流通路。交流通路是表示交流分量傳遞路徑的。在繪制放大電路的交流通路時,由于直流電源內(nèi)阻很小,可忽略不計,所以對于交流信號而言,直流電源可視為短路。耦合電容的電容值往往很大,容抗近似為零,也可視為短路。對于圖2.2所示的放大電路,其交流通路如圖2.5所示。

圖2.5共發(fā)射極放大電路的交流通路放大電路的動態(tài)分析方法有圖解法和微變等效電路法兩種。2.3.1圖解法的動態(tài)分析圖解法是進(jìn)行放大電路動態(tài)分析的有效方法。它利用晶體管的輸入輸出特性曲線,通過作圖的方法來形象直觀地觀察信號在電路中的傳遞過程、各路電流電壓的變化情況及放大電路的工作范圍等。1.由輸入特性曲線求iB和uBE設(shè)放大電路的交流輸入信號ui=Uimsinωt。首先,根據(jù)靜態(tài)分析方法,求出放大器的靜態(tài)工點(diǎn)(IBQ、UBEQ、ICQ和UCEQ),如圖2.6所示。(1)

在輸入特性曲線上根據(jù)交流輸入信號ui求uBE和iB當(dāng)圖2.2的放大電路輸入端加上振幅值為Uim的正弦信號ui后,由于C1的耦合作用,使晶體管基射極的電壓uBE在靜態(tài)值UBEQ的基礎(chǔ)上發(fā)生變化,這時的uBE為

uBE=UBEQ+ui=UBEQ+Uimsinωt(2-8)uBE是由直流分量UBEQ和正弦形式的交流分量ui疊加而成,其信號波形如圖2.6(a)的曲線①所示。由于晶體管基-射極的電壓uBE具有控制基極電流iB的作用,基極電流iB將隨uBE的變化而發(fā)生變化,工作點(diǎn)Q在輸入特性曲線上的Q1和Q2之間移動,由此可以作出iB的波形,它也是直流分量IB和交流分量ib疊加而成,即

iB=IBQ+ib=IBQ+Ibmsinωt(2-9)iB將隨ui按正弦規(guī)律變化,其信號波形如圖2.6(a)的曲線②所示。(2)

作交流負(fù)載線當(dāng)在放大電路的輸出端接上負(fù)載電阻RL后,由于電容C2的隔直作用,其直流負(fù)載線的斜率不變,仍為-1/RC,與負(fù)載電阻RL無關(guān);但在ui作用下的交流通路中,負(fù)載電阻RL與RC并聯(lián)(見圖2.5),輸出端的交流負(fù)載電阻為RL′=RL∥RC。由交流負(fù)載電阻RL′

決定的負(fù)載線稱為交流負(fù)載線。由于RL′<RC,所以其交流負(fù)載線比直流負(fù)載線陡,交流負(fù)載線的斜率為-1/RL′。接上負(fù)載電阻RL后的交流負(fù)載線如圖2.6(b)所示。

圖2.6用圖解法分析放大電路的動態(tài)工作情況放大電路的負(fù)載電阻RL越小,交流負(fù)載線越陡;相反,RL越大,交流負(fù)載線越接近于直流負(fù)載線。當(dāng)RL=∞即空載時,RL′=RC,交流負(fù)載線和直流負(fù)載線完全重合。直流負(fù)載線就是負(fù)載電阻無窮大即空載時的交流負(fù)載線。2.由輸出特性曲線和交流負(fù)載線求iC和uCE在iB的作用下,工作點(diǎn)Q隨iB的變化在交流負(fù)載線上的Q1和Q2之間移動。由iB的波形可以作出ic的波形,如圖2.6(b)中的曲線③所示。iC也是由直流分量ICQ和交流分量ic疊加而成的,即

iC=ICQ+ic=ICQ+Icmsinωt(2-10)

另外,由關(guān)系式uCE=UCC-iCRC可知,當(dāng)iB增大時,iC增大,uCE反而減?。划?dāng)iB減小時,iC減小,uCE反而增大。由此可作出uCE的波形,如圖2.6(b)中的曲線④所示。

uCE也是由直流分量UCEQ和交流分量uce疊加而成的,即

uCE=UCEQ+uce=UCEQ-Ucemsinωt(2-11)需要指出的是,當(dāng)放大器處于動態(tài)工作狀態(tài)時,由于輸出端耦合電容C2的隔直作用,使uCE的直流分量UCE不能傳送到輸出端,只有交流分量uce才能通過C2形成輸出電壓uo,即

uo=uce=-Ucemsinωt=Ucemsin(ωt-180°)

=Uomsin(ωt-180°)(2-12)表明輸出電壓信號uo與輸入電壓信號ui=Uimsinωt的相位相反,即共射極放大電路具有電壓信號的反相作用。3.靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出波形的影響對于一個放大電路來說,要求輸出波形能夠正確反映輸入信號的變化,也就是要求輸出波形不失真。但是,由于晶體管是個非線性器件,如果放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)選得不合適或者輸入信號太大,則會使放大電路的工作范圍超出晶體管特性曲線上的線性區(qū)域,從而使輸出波形產(chǎn)生畸變。這種失真通常稱為非線性失真。如果放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)的位置選得過低,如圖2.7(a)中的Q1點(diǎn),將導(dǎo)致在輸入信號的負(fù)半周,晶體管進(jìn)入截止區(qū)工作,ib、ic、uce(即uo)都會出現(xiàn)嚴(yán)重失真,這種失真稱為截止失真。如果放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)的位置選得過高,如圖2.7(b)中的Q2點(diǎn),將導(dǎo)致在輸入信號的正半周,晶體管進(jìn)入飽和區(qū)工作,這時的ib雖然失真很小,但ic、uce的波形都會出現(xiàn)嚴(yán)重失真,這種失真稱為飽和失真。

圖2.7靜態(tài)工作點(diǎn)與波形失真為了使放大電路不出現(xiàn)失真現(xiàn)象,必須要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)通過調(diào)整電路參數(shù)使其大致設(shè)置在交流負(fù)載線的中點(diǎn),以使動態(tài)工作范圍盡可能大。如果輸入信號ui的幅值太大,雖然靜態(tài)工作點(diǎn)的位置合適,放大電路也會因工作范圍超過特性曲線的放大區(qū)而同時產(chǎn)生截止失真和飽和失真,這時只能通過減小輸入信號電壓ui的幅度來消除失真。2.3.2微變等效電路法的動態(tài)分析1.晶體管的微變等效電路晶體管的微變等效電路就是在小信號條件下把非線性的晶體管用等效的線性電路元件來代替。小信號工作條件是將晶體管線性化的先決條件。所謂等效,是指從求得的線性電路的輸入端和輸出端看進(jìn)去,其伏安特性與晶體管的輸入特性和輸出特性基本一致。晶體管可以用雙口網(wǎng)絡(luò)形式來表示,當(dāng)晶體管組成共發(fā)射極接法的放大電路時,它的輸入端口和輸出端口如圖2.8(a)所示。

圖2.8小信號范圍的晶體管輸入、輸出特性(1)

輸入端口的微變等效電路晶體管輸入端口的電壓與電流之間關(guān)系由圖2.8(b)的輸入特性曲線來確定。由圖可見,它是非線性的。當(dāng)輸入小信號時,發(fā)射結(jié)壓降的變化量ΔuBE很小,工作點(diǎn)將在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近AB間小范圍變化,因此可用AB間的直線段近似代替AB間的曲線。在該線性段內(nèi),發(fā)射結(jié)壓降的變化量ΔuBE與基極電流變化量ΔiB成正比關(guān)系(當(dāng)uCE一定時),因此,輸入端可以用一個等效的線性電阻rbe來反映小信號變化量ΔuBE與ΔiB之間的關(guān)系,即

rbe=(ΔuBE/ΔiB)uCE=常數(shù)=(ube/

ib)uCE=常數(shù)(2-13)

rbe即為晶體管的輸入電阻,它的大小等于輸入特性曲線上Q點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)。顯然,rbe的大小與Q點(diǎn)位置有關(guān),Q點(diǎn)越高,rbe值越小,因此rbe是動態(tài)電阻。在實(shí)際分析放大電路時,對于低頻小功率管而言,它的輸入電阻可按下式進(jìn)行估算:

rbe=300+(1+β)26(mV)/IEQ(mA)(2-14)式中IEQ為發(fā)射極靜態(tài)電流值,由放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的值確定。因此,rbe是與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)的。此外,它還與晶體管的β值有關(guān)。(2)

輸出端口的微變等效電路從圖2.8(c)的輸出特性曲線上可以看到,在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近的輸出特性曲線是一族近似平行于橫坐標(biāo)且相互間隔相等的直線。這表明晶體管集電極電流變化量ΔiC與管壓降變化量ΔuCE幾乎無關(guān),只取決于ΔiB的大小。因此,當(dāng)uCE一定時,ΔiC與ΔiB之比即為晶體管的交流電流放大系數(shù)β,即

β=(ΔiC/ΔiB)uCE=常數(shù)=(ic/ib)uCE=常數(shù)(2-15)則ic=βib

(2-16)式中,ic和ib均為交流分量。(3)

晶體管的微變等效電路綜合上面(1)和(2)所述,晶體管在Q點(diǎn)附近的小信號微變等效電路如圖2.9(b)所示,工程上也稱之為h參數(shù)等效電路。輸入回路用動態(tài)電阻rbe等效,忽略uce對ic的微弱影響,輸出回路用受控恒流源ic=βib等效。

圖2.9晶體管的微變等效電路2.放大電路的微變等效電路對于圖2.2所示的放大電路,只要將其交流通路中的晶體管T用其微變等效電路代替,就可以得到整個放大電路的微變等效電路,如圖2.10所示。圖2.10共發(fā)射極放大電路的微變等效電(1)

電壓放大倍數(shù)Au電壓放大倍數(shù)又稱電壓增益,用Au表示,它等于輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值,即

Au=Uo/Ui(2-17)由圖2.10可見:

Ui=Ibrbe

(2-18)

Uo=-IcRL′=-βIbRL′(2-19)式中,RL′=RC∥RL=RCRL/(RC+RL)共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)為

Au=Uo/Ui=-βIbRL′/Ibrbe=-βRL′/rbe(2-20)式中的負(fù)號表示輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相。若放大電路未接負(fù)載電阻RL(輸出端開路),則電壓放大倍數(shù)為

Au=-βRC/rbe(2-21)可見,接入負(fù)載后,將使電壓放大倍數(shù)下降。負(fù)載電阻RL越小,電壓放大倍數(shù)就越低。(2)輸入電阻ri對信號源來說,放大電路相當(dāng)于它的負(fù)載,這個負(fù)載可以用一個等效電阻來代替。這個從放大電路輸入端看進(jìn)去的交流等效電阻稱為放大電路的輸入電阻,通常用ri來表示。從圖2.10所示的微變等效電路可以計算出ri:

ri=Ui/Ii=Ii(RB∥rbe)/Ii=RB∥rbe(2-22)輸入電阻ri是一個動態(tài)電阻,ri越小,放大電路從信號源取用的電流越大,即信號源的負(fù)擔(dān)越重。通常希望放大電路的輸入電阻高一些。(3)

輸出電阻ro對放大電路的負(fù)載來說,放大電路相當(dāng)于它的信號源。放大電路的輸出電阻就是從負(fù)載兩端向放大電路的輸出端看進(jìn)去的等效電阻,通常用ro表示。輸出電阻ro的計算方法是:

首先把信號源US短路(US=0)但保留其內(nèi)阻RS,負(fù)載電阻RL開路(RL=∞),然后在輸出端外加一交流電壓U,它在輸出端產(chǎn)生電流I,

如圖2.11所示,則輸出電阻ro為

ro=(U/I)US=0,RL=∞(2-23)由圖2.11可以看到,由于US=0,所以Ib=0,Ic=βIb=0,相當(dāng)于恒流源支路開路,可見,放大電路的輸出電阻為ro=RC。圖2.11求輸出電阻的等效電路輸出電阻ro也是一個動態(tài)電阻,ro越小,放大電路帶上負(fù)載后輸出電壓的下降越小,即放大電路帶負(fù)載的能力越強(qiáng)。例2.2

在如圖2.2所示的放大電路中,已知電源電壓UCC=10V,基極電阻RB=250kΩ,集電極電阻RC=2.5kΩ,負(fù)載電阻RL=2.5kΩ,信號源內(nèi)阻RS=2.5kΩ,晶體管交流電流放大倍數(shù)β=50,試求放大電路的下列性能參數(shù):

(1)RL接入和斷開兩種情況下的電壓放大倍數(shù)Au;(2)輸入電阻ri和輸出電阻ro。

IBQ≈UCC/RB=10V/250kΩ=40μAIEQ≈ICQ=βIBQ=50×40μA=2mA則rbe=300+(1+β)26/IEQ=300+(1+50)26mV/2mA=0.963kΩ(1)RL接入時的電壓放大倍數(shù)Au為

Au=-βRL′/rbe=≈-65RL斷開時的電壓放大倍數(shù)Au為

Au=-βRC/rbe=-50×2.5/0.963≈-130(2輸入電阻ri為

ri=RB∥rbe≈0.96kΩ

輸出電阻ro為

ro=RC=2.5kΩ2.4靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定

放大電路的多項性能參數(shù)與其靜態(tài)工作點(diǎn)的位置有密切關(guān)系。如果靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定,則放大電路的某些性能指標(biāo)將發(fā)生變化,因此,保持放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定,是一個十分重要的問題。2.4.1溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響在如圖2.2所示的單電源供電的共發(fā)射極基本放大電路中,當(dāng)電源電壓UCC和基極偏置電阻RB確定后,基極偏置電流IBQ=UCC-UBE/RB也就基本固定了。這種電路結(jié)構(gòu)簡單,但在溫度變化的影響下,電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q將會發(fā)生改變。當(dāng)溫度升高時,晶體管的極間反向飽和電流ICBO、ICEO及電流放大系數(shù)β均會增大,輸出特性曲線將向上平移,靜態(tài)工作點(diǎn)Q也將沿負(fù)載線上移,最終反映在集電極電流IC增大上。如圖2.12所示,輸出特性曲線向上平移至虛線處,靜態(tài)工作點(diǎn)由Q點(diǎn)移至Q′點(diǎn)。相反,當(dāng)溫度下降時,靜態(tài)工作點(diǎn)將下移。可見,這種放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是不穩(wěn)定的。為解決這一問題,可以從放大電路的結(jié)構(gòu)上采取措施,以實(shí)現(xiàn)在允許溫度變化的前提下,盡量保持靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。圖2.12溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響2.4.2靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的放大電路一個能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的共發(fā)射極放大電路如圖2.13(a)所示。它的偏置電路是由分壓電阻RB1、RB2和射極電阻RE組成的,稱為分壓式偏置放大電路。圖中CE是旁路電容,其容量很大,對直流信號視為開路,對交流信號視為短路,圖2.13(b)是該電路的直流通路。這種電路可以根據(jù)溫度的變化自動調(diào)節(jié)基極電流IB,以消弱溫度對集電極電流IC的影響,使靜態(tài)工作點(diǎn)基本穩(wěn)定。

圖2.13分壓式偏置放大電路及其直流通路1.靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的原理

(1)通過電阻RB1和RB2組成分壓器,使基極電位UB基本固定。由圖2.13(b)所示的直流通路可得電流方程I1=I2+IB,適當(dāng)選擇電阻RB1和RB2的值,使之滿足I2>>IB,則有I1=I2+IB≈I2,即基極電流IB與I1或I2相比可以忽略不計。電阻RB1和RB2相當(dāng)于串聯(lián),根據(jù)分壓公式,可得晶體管基極電位的靜態(tài)值為UB=[RB2/(RB1+RB2)]UCC該式表明當(dāng)I2>>IB時,晶體管基極電位UB只取決于電阻值RB1、RB2和電源電壓UCC,與晶體管的參數(shù)無關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度改變而引起晶體管發(fā)生變化時,UB基本不變。(2)利用發(fā)射極電阻RE上的電壓UE來抑制IC和IE的變化。由于UBE=UB-UE=UB-IERE,若使UB>>UBE,則IC≈IE=UB-UBE/RE≈UB/RE因?yàn)閁B不受溫度變化的影響,所以也可認(rèn)為IC和IE不受溫度影響,基本穩(wěn)定。圖2.13(a)所示的分壓式偏置放大電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過程可表述如下:

當(dāng)溫度升高而使IC和IE增大時,電阻RE上的電壓UE=IERE也增大。但由于UB為RB1和RB2的分壓電路所固定,所以發(fā)射結(jié)正向壓降UBE將減小,從而引起IB減小導(dǎo)致IC自動下降,靜態(tài)工作點(diǎn)基本恢復(fù)到原來的位置。這種穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的實(shí)質(zhì)是將輸出電流IC的變化通過發(fā)射極電阻RE上電壓降(UE=IERE)的變化反饋到輸入回路,使UBE發(fā)生變化來抑制IC的變化。上述調(diào)節(jié)過程與RE的大小有關(guān),RE的阻值越大,RE上的壓降越大,對IC變化的抑制作用越強(qiáng)。但RE的存在也會對變化的交流信號產(chǎn)生影響,使電壓放大倍數(shù)下降。為此,可在RE上并聯(lián)一容量很大的電容CE,電容對直流(靜態(tài)值)無影響,但對交流信號而言,RE被短路,晶體管的發(fā)射極相當(dāng)于接地,從而消除RE對交流信號的影響。CE稱為發(fā)射極交流旁路電容。2.靜態(tài)工作點(diǎn)的計算根據(jù)圖2.13(b)所示的直流通路,采用計算法求靜態(tài)工作點(diǎn),可得

UB=[RB2/(RB1+RB2)]UCC

(2-24)

IC≈IE=(UB-UBE)/RE(2-25)IB=IC/β(2-26)

UCE=UCC-IC(RC+RE)(2-27)3.動態(tài)參數(shù)的計算圖2.13(a)所示放大電路的交流通路及微變等效電路如圖2.14(a)和(b)所示。由于旁路電容CE的容量很大,所以在計算電路的動態(tài)參數(shù)時可將其視為短路。電路的動態(tài)參數(shù)求解如下:

Au=Uo/Ui=[-βIb(RC∥RL)]/Ibrbe=[-β(RC∥RL)]/rbe(2-28)

ri=Ui/Ii=RB1∥RB2∥rbe(2-29)ro=RC

(2-30)

圖2.14分壓式偏置放大電路的交流通路及微變等效電路例2.3

在如圖2.13所示的分壓式偏置放大電路中,已知UCC=10V,RB1=30kΩ,RB2=20kΩ,RC=2kΩ,RE=2kΩ,RL=3kΩ,β=50,UBE=0.5V。試求放大電路的下列性能參數(shù):

(1)

靜態(tài)值IB、IC和UCE(2)

動態(tài)參數(shù)Au、ri和ro解(1)先計算基極電位的靜態(tài)值UB=[RB2/(RB1+RB2)]UCC=[20/(30+20)]×10=4(V)集電極電流的靜態(tài)值為IC≈IE=(UB-UBE)/RE=(4-0.5)/2=1.75(mA)基極電流的靜態(tài)值為IB=IC/β=1.75/50=35(μA)集-射極電壓的靜態(tài)值為UCE=UCC-IC(RC+RE)=10-1.75×(2+2)=3(V)

(2)晶體管的輸入電阻為

rbe=300+(1+β)26/IEQ=300+(1+50)26/1.75=1.06(kΩ)放大電路的電壓放大倍數(shù)為Au=-β(RC∥RL)/rbe≈-56.6放大電路的輸入電阻為

ri=RB1∥RB2∥rbe=30kΩ∥20kΩ∥1.06kΩ=0.97kΩ放大電路的輸出電阻為

ro=RC=2kΩ2.5共集電極放大電路共集電極放大電路又稱射極輸出器或射極跟隨器。圖2.15(a)給出了其電路結(jié)構(gòu)圖。其負(fù)載是接在晶體管的發(fā)射極上的,輸出電壓信號uo從發(fā)射極取出,而晶體管的集電極直接接電源電壓UCC。對交流信號而言,集電極相當(dāng)于接地,成為輸入回路和輸出回路的公共端,所以這是一種共集電極放大電路。如前所述,在發(fā)射極回路中接入電阻RE可以有效地抑制因溫度上升而引起的集電極電流IC的上升。所以,這種電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是穩(wěn)定的。圖2.15共集電極放大電路2.5.1靜態(tài)分析共集電極放大電路直流通路如圖2.15(b)所示,由圖可見:

UCC=IBRB+UBE+IERE=IBRB+UBE+(1+β)IBRE由此可以得出基極電流靜態(tài)值為IB=(UCC-UBE)/[RB+(1+β)RE](2-31)集電極電流靜態(tài)值為

IC=βIB(2-32)集-射極電壓靜態(tài)值為

UCE=UCC-IERE≈UCC-ICRE(2-33)2.5.2動態(tài)分析圖2.15(a)所示共集電極放大電路的交流通路和微變等效電路如圖2.16所示。由圖2.16進(jìn)行動態(tài)分析,可得共集電極放大電路的如下三個主要特點(diǎn)。

圖2.16共集電極放大電路的交流通路和微變等效電路

①電壓放大倍數(shù)接近于1,但恒小于1,輸出電壓與輸入電壓同相,具有跟隨作用。由圖2.16(b)所示的微變等效電路可得

Uo=Ie(RE∥RL)=(1+β)Ib(RE∥RL)(2-34)

Ui=Ibrbe+Uo=Ibrbe+(1+β)Ib(RE∥RL)(2-35)電壓放大倍數(shù)為Au=Uo/Ui=[(1+β)(RE∥RL)]/[rbe+(1+β)(RE∥RL)(2-36)

通常(1+β)(RE∥RL)>>rbe,所以

Au=Uo/Ui≈1

(2-37)上式表明,共集電極放大電路沒有電壓放大作用。但因Ie=(1+β)Ib,所以仍具有一定的電流放大作用和功率放大作用。由于輸出電壓Uo與輸入電壓Ui同相,而且兩者大小基本相等,因而輸出信號跟隨輸入信號的變化而變化,所以又稱為射極跟隨器。②

輸入電阻高。由2.16(b)可得Ii=I1+Ib=Ui/RB+Ui/[rbe+(1+β)(RE∥RL)]所以輸入電阻為

ri=Ui/Ii=RB∥[rbe+(1+β)(RE∥RL)](2-38)通常RB的值很大,而rbe+(1+β)(RE∥RL)也很大,因此共集電極放大電路的輸入電阻很高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于共發(fā)射極放大電路的輸入電阻(RB∥rbe)。③

輸出電阻低。將圖2.16(b)中的信號源US短路但保留內(nèi)阻RS,輸出端去掉負(fù)載電阻RL而接上一外加交流電壓源Uo,產(chǎn)生電流Io,如圖2.17所示,由圖可得

Io=Uo/RE+Ie=Uo/RE+(1+β)Ib

=Uo/RE+(1+β)Uo/(rbe+RS∥RB)所以輸出電阻為

ro=Uo/Io=RE∥[(rbe+RS∥RB)/(1+β)](2-39)通常,(rbe+RS∥RB)/(1+β)<<RE所以,ro≈(rbe+RS∥RB)/(1+β)≈(rbe+RS∥RB)/β

(2-40)由于β值一般都較大,所以共集電極放大電路(射極輸出器)的輸出電阻很低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共發(fā)射極放大電路的輸出電阻(RC)。

圖2.17求射極輸出器輸出電阻的等效電路這種電路的應(yīng)用十分廣泛。因它的輸入電阻高,可用作多級放大電路的輸入級,這樣可以減輕信號源的負(fù)擔(dān),當(dāng)信號源有一定內(nèi)阻時,使分壓Ui較大;因其輸出電阻低,也可用作多級放大電路的輸出級,用以提高放大電路的負(fù)載能力;還可利用它的輸入電阻高、輸出電阻低的特點(diǎn),將其用作多級放大電路的中間級,起阻抗變換作用。例2.4

在圖2.15(a)所示的射極輸出器中,已知UCC=12V,β=50,UBE=0.5V,RB=100kΩ,RS=100Ω,RE=3kΩ,RL=3kΩ,試求:

(1)

靜態(tài)值IB、IC和UCE;(2)

動態(tài)參數(shù)Au、ri和ro。解(1)

靜態(tài)值IB、IC和UCE分別為IB=UCC-UBE/[RB+(1+β)RE]=0.0455(mA)IC=βIB=50×0.0455=2.28(mA)UCE≈UCC-ICRE=12-2.28×3=5.16(V)(2)晶體管的輸入電阻rbe=300+(1+β)26/IEQ=300+(1+50)26/2.28=882=0.882kΩ動態(tài)參數(shù)Au、ri和ro分別為

Au=Uo/Ui=(1+β)RL′/[rbe+(1+β)RL′]=0.99式中,RL′=RE∥RL=3∥3=1.5(kΩ)

ri=RB∥[rbe+(1+β)RL′]=43.63(kΩ)

ro=(rbe+RS′)/(1+β)=19.25(Ω)式中RS′=RB∥RS=100kΩ∥100Ω≈100Ω2.6場效應(yīng)晶體管放大電路場效應(yīng)晶體管具有很高的輸入電阻,適用于對高內(nèi)阻信號源的放大,通常用在多級放大電路的輸入級。與雙極型晶體管放大電路具有3種不同組態(tài)(共射極、共集電極和共基極)類似,場效應(yīng)管放大電路也有3種基本組態(tài),即共源極、共漏極和共柵極放大電路。場效應(yīng)管放大電路的分析方法與雙極型晶體管放大電路一樣,也包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析兩種情況,只是放大元件特性和電路結(jié)構(gòu)有所不同。2.6.1電路的組成增強(qiáng)型N溝道MOS管共源極放大電路的電路組成如圖2.18所示。圖中的RG1和RG2為偏置電阻,它們的作用與雙極型晶體管放大電路中的RB1和RB2相同,通過RG1和RG2對電源電壓UDD分壓來設(shè)置靜態(tài)偏壓,從而為電路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn);RG的作用是提高電路的輸入電阻;RD為漏極負(fù)載電阻,通過它可獲得隨ui變化的電壓;RS為源極電阻,作用是穩(wěn)定工作點(diǎn);CS為旁路電容,用來消除RS對交流信號的影響;C1和C2為耦合電容,起隔直流和傳遞交流信號的作用。

圖2.18場效應(yīng)晶體管共源極放大器的電路組成2.6.2靜態(tài)分析對場效應(yīng)晶體管放大電路進(jìn)行靜態(tài)分析,也就是計算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q(UGS、ID和UDS)。由于場效應(yīng)晶體管是電壓控制器件,柵極電流IG=0,電阻RG上無壓降,所以柵極電位為UG=RG2/(RG1+RG2)UDD源極電位為US=IDRS柵-源電壓為UGS=UG-US

放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)為UGS=UG-US=RG2/(RG1+RG2)UDD-IDRS(2-41)

ID=IDSS(1-UGS/UGS(off))2(2-42)(式中,IDSS—場效應(yīng)管飽和漏極電流,UGS(off)—夾斷電壓)

UDS=UDD-ID(RD+RS)(2-43)聯(lián)解上面3個方程式,即可求得放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q(UGS、ID和UDS)。需要說明的是,上述通過求解聯(lián)立方程式的方法來計算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn),是比較麻煩的。在實(shí)際計算中,還可采用一種簡化的方法來求得ID,即若設(shè)UGS=0,則有UG=US,因此可得

ID=US/RS=UG/RS(2-44)這樣,只要根據(jù)電路的偏置回路求出UG,即可方便地求出ID,進(jìn)而求出UDS。2.6.3動態(tài)分析1.場效應(yīng)晶體管的微變等效電路在輸入回路中,由于場效應(yīng)晶體管的柵極G和源極S之間的動態(tài)電阻rgs可以認(rèn)為無窮大,所以在交流小信號工作范圍可以認(rèn)為柵極G和源極S之間開路,其開路電壓為Ugs。在輸出回路中,由于場效應(yīng)晶體管是一個電壓控制電流元件,它是由柵-源電壓Ugs來控制漏極電流Id的,所以輸出回路可以用一個受控電流源表示,即

Id=gmUgs其中g(shù)m為低頻跨導(dǎo),gm=(ΔID/ΔUGS)UDS=常數(shù)。當(dāng)信號為正弦量時,gm=Id/Ugs。場效應(yīng)晶體管的輸出回路是一個電壓控制的受控電流源gmUgs。場效應(yīng)晶體管的簡化微變等效電路如圖2.19(a)所示。

圖2.19場效應(yīng)晶體管及分壓式偏置放大電路的微變等效電路2.場效應(yīng)晶體管放大電路的微變等效電路及其動態(tài)參數(shù)計算圖2.18所示放大電路的微變等效電路如圖2.19(b)所示。漏極電流Id只受Ugs控制,與Uds無關(guān),因而漏極D和源極S之間相當(dāng)于一個受Ugs控制的電流源gmUgs。放大電路的動態(tài)參數(shù)計算如下:

電壓放大倍數(shù)Au

Ui=UgsUo=-Id(RD∥RL)所以

Au=Uo/Ui=-Id(RD∥RL)/Ugs=-gm(RD∥RL)(2-45)上式表明,共源極場效應(yīng)管放大電路的電壓放大倍數(shù)與場效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm成正比,等式右邊的負(fù)號表示在共源極電路中輸出電壓與輸入電壓之間的相位相反。②

輸入電阻根據(jù)圖2.19(b)所示的微變等效電路可知輸入電阻為ri=RG+RG1∥RG2(2-46)③

輸出電阻

ro=RD(2-47)例2.5在圖2.18所示的場效應(yīng)管放大電路中,設(shè)UDD=24V,RG=1MΩ,RG1=300kΩ,RG2=100kΩ,RS=5kΩ,RD=5kΩ,RL=5kΩ,gm=5mA/V。試求:

(1)

靜態(tài)值ID和UDS;(2)

動態(tài)參數(shù)Au、ri和ro。解(1)

靜態(tài)值ID和UDS的計算:

UG=[RG2/(RG1+RG2)]UDD=6(V)

ID=US/RS=UG/RS=1.2(mA)UDS=UDD-ID(RD+RS)=12(V)(2)動態(tài)參數(shù)的計算:

電壓放大倍數(shù)為

Au=-gm(RD∥RL)=-12.5輸入電阻為ri=RG+RG1∥RG2=1075(kΩ)輸出電阻為

ro=RD=5(kΩ)

2.7多級放大電路2.7.1多級放大電路的耦合方式組成多級放大電路的每一個基本放大電路稱為一級,級與級之間的連接方式稱為級間耦合。常見的級間耦合方式有三種,即阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合。1.阻容耦合在多級放大電路中,用電阻、電容進(jìn)行耦合的方式稱為阻容耦合。如圖2.20所示為兩級阻容耦合放大電路,第一級為共射極放大電路,第二級為共集極放大電路。從圖上可以看到,第一級放大電路的輸出端通過電容接到了第二級電路的輸入端。圖2.20兩級阻容耦合放大電路阻容耦合方式充分利用了電容“隔直流,通交流”的特點(diǎn),主要優(yōu)點(diǎn)是放大電路的各級之間的直流通路互不相通,各級的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立。在計算或調(diào)試靜態(tài)工作點(diǎn)時可按單級處理,便于電路的靜態(tài)分析、設(shè)計和調(diào)試。只要輸入信號頻率足夠高,耦合電容的容量足夠大,前級的輸出信號就可以幾乎沒有衰減地傳遞到后級的輸入端。阻容耦合方式的缺點(diǎn)是低頻特性差,不適于放大緩慢變化的信號。主要原因是電容對緩慢變化的信號呈現(xiàn)出很高的容抗,信號的一部分或大部分都衰減在耦合電容上,從而無法向后級傳遞。另外,在集成電路中,很難制造大容量的電容,因此這種耦合方式在集成放大電路中無法采用,一般僅用于分立元件組成的放大電路中2.變壓器耦合將前級放大電路的輸出端通過變壓器接到后級的輸入端或負(fù)載電阻上,稱為變壓器耦合。一個采用變壓器耦合方式的共射放大電路如圖2.21所示。圖中變壓器次級所接電阻RL即為該放大電路的負(fù)載電阻。圖2.21變壓器耦合共射放大電路由于變壓器耦合電路的前后級靠磁路實(shí)現(xiàn)耦合,所以也具有隔離直流的優(yōu)點(diǎn),它的各級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立,便于分析、設(shè)計和調(diào)試。另外,變壓器耦合方式還可以在傳遞交流信號的同時實(shí)現(xiàn)阻抗變換。由于變壓器體積與重量較大,無法實(shí)現(xiàn)集成,而且也不能傳輸緩慢變化的信號,所以這種耦合方式目前在放大電路中應(yīng)用較少。3.直接耦合級間不加耦合元件,把前級放大電路的輸出端直接接到后級的輸入端,如圖2.22所示,這種連接方式稱為直接耦合。

圖2.22直接耦合放大電路直接耦合方式的優(yōu)點(diǎn)是既能放大交流信號,也能放大直流信號。更為重要的是,采用這種耦合方式十分便于實(shí)現(xiàn)電路的集成化,所以在實(shí)際的集成放大電路中一般都采用直接耦合方式。直接耦合方式存在兩個方面的突出問題需要解決:(1)前、后級靜態(tài)工作點(diǎn)的相互影響問題由于直接耦合使放大電路的前、后級之間存在直接通路,所以會造成前、后級靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。由圖2.22可見,前級T1的集電極電位恒等于后級T2的基極電位,前級T1的集電極電阻RC1同時又是后級的偏流電阻。這樣將造成前后級的靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響和牽制。必須采取一定的措施來保證直接耦合放大電路既能有效傳遞信號,又能使每一級有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。常用的一種辦法是設(shè)法提高后級的發(fā)射極電位。例如在圖2.22中是利用T2的發(fā)射極電阻RE2上的壓降來提高發(fā)射極電位的。這樣一方面能提高T1的集電極電位,增大其輸出電壓的幅度,另一方面又能通過RE2的作用來穩(wěn)定T2的靜態(tài)工作點(diǎn)。(2)

零點(diǎn)漂移問題如果將直接耦合放大電路的輸入端短接(ui=0)或接固定的直流電壓,其輸出應(yīng)有—固定電壓,即靜態(tài)輸出電壓。但實(shí)際上即使將輸入端短接,在輸出端也會測到緩慢變化的電壓信號,這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移,簡稱零漂。在放大電路中,任何電路參數(shù)的變化,如電源電壓的波動,晶體管參數(shù)隨溫度的變化,元件的老化等,都將產(chǎn)生輸出電壓的漂移。在直接耦合的多級放大電路中,由于前后級直接相連,前一級的漂移電壓會和有用的信號一起送到下一級,而且逐級放大,以至于在輸出端無法區(qū)別有用信號和漂移電壓,使放大器不能正常工作。采用差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移的有效措施,這將在后面的2.8節(jié)中具體介紹。2.7.2多級放大電路的性能分析在多級放大電路中,前級的輸出電壓就是后級的輸入電壓,一個n級放大電路的連接框圖如圖2.23所示。由圖可見,各級放大電路的輸入輸出關(guān)系為Uo1=Ui2,Uo2=Ui3,…,Uo(n-1)=Uinn級放大電路的電壓放大倍數(shù)為

Au=(Uo1/Ui1)·(Uo2/Ui2)·…·(Uon/Uin)

=Au1·Au2·…·Aun(2-48)多級放大電路的總電壓放大倍數(shù)等于各單級電壓放大倍數(shù)的乘積。

圖2.23n級放大電路的連接框圖在分析和設(shè)計多級放大電路時,應(yīng)把后一級的輸入電阻作為前一級的實(shí)際負(fù)載電阻來考慮。同樣,對于后一級放大電路而言,應(yīng)把前一級放大電路的輸出電阻作為后一級的信號源內(nèi)阻來處理。從電路的總體特性來說,多級放大電路的總輸入電阻就是第一級放大電路的輸入電阻,即ri=ri1。多級放大電路的總輸出電阻就是最后一級放大電路的輸出電阻,即ro=ron。2.8差分放大電路差分放大電路也稱差動放大電路,它是一種直接耦合放大電路,其特點(diǎn)是能有效抑制零點(diǎn)漂移,常用作多級放大電路的輸入級,在模擬集成電路中得到廣泛應(yīng)用。2.8.1差分放大電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.電路結(jié)構(gòu)圖2.24給出了一個差分放大電路的基本結(jié)構(gòu)。由圖可見,它由兩個單管放大電路組成,由于電路的元件參數(shù)和特性完全相同,即RB1=RB2,RC1=RC2,T1和T2參數(shù)相同且具有相同的溫度特性,所以電路左右兩邊對稱。電阻RE為兩個晶

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