电气工程集成运算放大器习题及答案.docx
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电气工程集成运算放大器习题及答案
第二章集成运算放大器
题3.2.1某集成运放的一个偏置电路如图题3.2.1所示,设T1、T2管的参数完全相同。
问:
(1)T1、T2和R组成什么电路?
(2)IC2与IREF有什么关系?
写出IC2的表达式。
图题3.2.1
解:
(1)T1、T2和R2组成基本镜像电流源电路
(2)
题3.2.2在图题3.2.2所示的差分放大电路中,已知晶体管的β=80,rbe=2kΩ。
(1)求输入电阻Ri和输出电阻Ro;
(2)求差模电压放大倍数
。
图题3.2.2
解:
(1)Ri=2(rbe+Re)=2×(2+0.05)=4.1kΩ
Ro=2Rc=10kΩ
(2)
题3.2.3在图题3.2.3所示的差动放大电路中,设T1、T2管特性对称,β1=β2=100,VBE=0.7V,且rbb′=200Ω,其余参数如图中所示。
(1)计算T1、T2管的静态电流ICQ和静态电压VCEQ,若将Rc1短路,其它参数不变,则T1、T2管的静态电流和电压如何变化?
(2)计算差模输入电阻Rid。
当从单端(c2)输出时的差模电压放大倍数
=?
;
(3)当两输入端加入共模信号时,求共模电压放大倍数
和共模抑制比KCMR;
(4)当vI1=105mV,vI2=95mV时,问vC2相对于静态值变化了多少?
e点电位vE变化了多少?
解:
(1)求静态工作点:
若将Rc1短路,则
(不变)
(不变)
(2)计算差模输入电阻和差模电压放大倍数:
(3)求共模电压放大倍数和共模抑制比:
(即36.5dB)
(4)当vI1=105mV,vI2=95mV时,
所以,VO2相对于静态值增加了285mV。
由于E点在差模等效电路中交流接地,在共模等效电路中VE随共模输入电压的变化而变化(射极跟随器),所以,
,即e点电位增加了100mV。
题3.2.4差分放大电路如图题3.2.4所示,设各晶体管的β=100,VBE=0.7V,且rbe1=rbe2=3kΩ,电流源IQ=2mA,R=1MΩ,差分放大电路从c2端输出。
(1)计算静态工作点(IC1Q,VC2Q和VEQ);
(2)计算差模电压放大倍数
,差模输入电阻Rid和输出电阻Ro;
(3)计算共模电压放大倍数
和共模抑制比KCMR;
(4)若vI1=20sinωtmV,vI2=0,试画出vC2和vE的波形,并在图上标明静态分量和动态分量的幅值大小,指出其动态分量与输入电压之间的相位关系。
图题3.2.4
解:
(1)计算静态工作点:
(2)计算差模电压放大倍数,输入电阻和输出电阻:
(3)计算共模电压放大倍数和共模抑制比:
(即88dB)
(4)若vI1=20sinωtmV,vI2=0,则
(V)
(V)
vC2和vE的波形如图3.2.4所示,它们的动态分量与输入电压vI1之间都相位相同。
图3.2.4
题3.2.5FET组成的差分放大电路如图题3.2.5所示。
已知JFET的gm=2mS,rds=20kΩ。
(1)求双端输出时的差模电压放大倍数
;
(2)求单端输出时的差模电压放大倍数
、共模电压放大倍数
和共模抑制比KCMR;
图题3.2.5
解:
(1)双端输出时,
(2)单端输出时,
(即26.3dB)
题3.2.6采用射极恒流源的差分放大电路如图题3.2.6所示。
设差放管T1、T2特性对称,β1=β2=50,rbb′=300Ω,T3管β3=50,rce3=100kΩ,电位器Rw的滑动端置于中心位置,其余元件参数如图中所示。
(1)求静态电流ICQ1、ICQ2、ICQ3和静态电压VOQ;
(2)计算差模电压放大倍数
,输入电阻Rid和输出电阻Ro;
(3)计算共模电压放大倍数
和共模抑制比KCMR;
(4)若vI1=0.02sinωtV,vI2=0,画出vO的波形,并标明静态分量和动态分量的幅值大小,指出其动态分量与输入电压之间的相位关系。
图题3.2.6
解:
(1)求静态工作点:
(2)计算差模性能指标:
Rid=2(Rb+rbe1)+(1+β)Rw=2×(5+2.2)+51×0.1=19.5kΩ
Ro=Rc=10kΩ
(3)计算共模性能指标:
(即72.6dB)
(4)若vI1=0.02sinωtV,vI2=0时,则
vO波形如图所示,其动态分量与vI1之间相位相同。
题3.2.7在图题3.2.7所示电路中,设各晶体管均为硅管,β=100,rbb′=200Ω。
(1)为使电路在静态时输出直流电位VOQ=0,Rc2应选多大?
(2)求电路的差模电压放大倍数
;
(3)若负电源(-12V)端改接公共地,分析各管工作状态及VO的静态值。
图题3.2.7
解:
(1)当VOQ=0时,ICQ3·Rc3=Vcc,∴ICQ3=VCC/Rc3=12/12=1mA
IRc2=ICQ2-IBQ3=0.12-0.01=0.11mA
(2)求差模电压放大倍数
:
第二级(CE反相放大级)输入电阻为Ri2:
Ri2=rbe3+(1+β3)Re3=2.83+101×0.25=28.1kΩ
差模放大级:
反相放大级:
∴
(3)若负电源(-12V)端改为接地,则因静态时VB1=VB2=0,故T1、T2管处于截止状态,ICQ2=0,VB3=12V,所以T3管也处于截止状态。
故VOQ=0。
题3.2.8三级放大电路如图题3.2.8所示,已知:
rbe1=rbe2=4kΩ,rbe3=1.7kΩ,rbe4=rbe5=0.2kΩ,各管的β=50。
图中所有电容在中频段均可视作短路。
试画出放大电路的交流通路,计算中频电压放大倍数
,输入电阻Ri和输出电阻Ro。
图题3.2.8
解:
交流通路为:
图3.2.5
输入级差分放大电路的电压放大倍数为
(rbe3是中间级的输入电阻)
中间级共射放大电路的电压放大倍数为
(Ri3是输出级的输入电阻)
其中,
输出级的电压放大倍数近似为1
所以,总的电压放大倍数为:
输入电阻和输出电阻为:
题3.2.9判断下列说法是否正确:
(1)由于集成运放是直接耦合放大电路,因此只能放大直流信号,不能放大交流信号。
(2)理想运放只能放大差模信号,不能放大共模信号。
(3)不论工作在线性放大状态还是非线性状态,理想运放的反相输入端与同相输入端之间的电位差都为零。
(4)不论工作在线性放大状态还是非线性状态,理想运放的反相输入端与同相输入端均不从信号源索取电流。
(5)实际运放在开环时,输出很难调整至零电位,只有在闭环时才能调整至零电位。
解:
(1)错误。
集成运放可以放大交流信号。
(2)正确。
(3)错误,当工作在非线性状态下,理想运放反相输入端与同相输入端之间的电位差可以不为零。
(4)正确。
(5)正确。
题3.2.10已知某集成运放开环电压放大倍数Aod=5000,最大电压幅度Vom=±10V,接成闭环后其电路框图及电压传输特性曲线如图题3.2.10(a)、(b)所示。
图(a)中,设同相端上的输入电压vI=(0.5+0.01sinωt)V,反相端接参考电压VREF=0.5V,试画出差动模输入电压vId和输出电压vO随时间变化的波形。
图题3.2.10
解:
vO=Aod·vId=5000×0.001sinωt=50sinωt(V),但由于运放的最大输出电压幅度为Vom=±10V,所以当|vId|≤2mV时,按上述正弦规律变化;而当|vId|>2mV时,vO已饱和。
输出电压波形如图所示。
题3.2.11已知某集成运放的开环电压放大倍数Aod=104(即80dB),最大电压幅度Vom=±10V,输入信号vI按图题3.2.11所示的方式接入。
设运放的失调和温漂均不考虑,即当vI=0时,vO=0,试问:
(1)当vI=1mV时,vO等于多少伏?
(2)当vI=1.5mV时,vO等于多少伏?
(3)当考虑实际运放的输入失调电压VIO=2mV时,问输出电压静态值VO为多少?
电路能否实现正常放大?
图题3.2.11
解:
(1)当vI=1mV时,则
vO=-Aod·vI=-104×1mV=-10V(临界饱和输出)
(2)当vI=1.5mV时,则
vO=-Aod·vI=-104×1.5mV=-15V,已超过饱和输出值,所以实际vO为-10V。
(3)若VIO=2mV时,则静态时VOQ=-Aod·VIO=-10V,已处于反向饱和状态,放大器不能实现正常放大。
题3.2.12试根据下列各种要求,从运放参数表(教材中表3.2.1)中选择合适的运放型号。
(1)作一般的音频放大,工作频率f≤10kHz,增益约为40dB。
(2)作为微伏级低频或直流信号放大。
(3)用来与高内阻传感器(如Rs=10MΩ)相配合。
(4)作为便携式仪器中的放大器(用电池供电)。
(5)要求输出电压幅度Vom≥∣±24V∣。
(6)用于放大10kHz方波信号,方波的上升沿与下降沿时间不大于2μs,输出幅度为±10V。
解:
(1)可选用通用型运放CF741(μA741)。
(2)可选用高精度型运放CF7650(ICL7650)。
(3)宜选用高阻型运放5G28。
(4)宜选用低功耗型运放CF3078(CA3078)。
(5)宜选用高压型运放CF143(LM143)。
(6)可选用高速型运放CF715或宽带型运放CF507。
题3.2.13差分放大电路如图题3.2.13所示,其中三极管采用Q2N3904,二极管为DIN4148。
电源电压为+VCC=+15V,-VEE=-15V。
试用PSPICE程序仿真分析:
(1)设置直流分析,以Vi为扫描对象,仿真分析差分放大电路的静态工作点IC1Q、IC2Q、VC1Q、VEQ;
(2)在上述分析后,查看差分放大电路的电压传输特性曲线,并解释电压传输特性曲线上的非线性特性;
(3)设置交流分析,分析差分放大电路的频率特性;
(4)设置瞬态分析,分析差分放大电路的各个电压波形vB、vE、vO,并注意它们的相位和大小;
(5)将输入端改接成差模输入,设置交流分析,计算其差模电压放大倍数;
(6)将输入端改接成共模输入,设置交流分析,计算其共模电压放大倍数。
图题3.2.13
解:
(1)将分析方式设置为直流分析,以输入信号源作为直流分析的扫描对象。
直流分析设置参数为:
SweepVar.Type为VoltageSource,SweepType为Linear,Name:
Vi,StartValue:
-0.1,EndValue:
0.1,Increment:
0.001V。
通过PSPICE仿真可得到:
IC1Q=IC2Q=0.685mA,VC1Q=VC2Q=14.32V,VEQ=-651mV。
(2)通过上述直流扫描分析可以查看差分放大电路的电压传输特性曲线,如图3.2.13
(1)所示。
由于三极管电流放大倍数β的非线性,电压传输特性曲线中放大区部分只是近似为直线。
图3.2.13
(1)电压传输特性曲线
(3)交流分析设置参数为:
ACSweepType为Decade(十倍程扫描),Name:
Vi,Pts./Decade:
101(每十倍程扫描点数为10点),StartFreq.:
10,EndFreq.:
100meg。
(4)瞬态分析时信号源为VSIN元件,属性设置为VOFF=0,VAMPL=1mV,FREQ=1K;瞬态分析设置参数为PrintStep=20ns,FinalTime=2ms。
通过瞬态分析可得到差分放大电路中各点的波形,其中双端输出的电压波形如图3.2.13
(2)所示。
图3.2.13
(2)vO波形
(5)为了求差模电压放大倍数,需将信号源改为差模输入电压,然后进行交流扫描分析。
通过仿真可得该差分放大电路双端输出时的差模电压放大倍数为-26.0。
(6)为了求共模电压放大倍数,需将信号源改为共模输入电压,然后进行交流扫描分析。
通过仿真可得该差分放大电路双端输出时的共模电压放大倍数为0,单端输出时的共模电压放大倍数为-0.0003。
题3.2.14电路如图题3.2.6所示,三极管用Q2N3904,其它参数不变。
试用PSPICE程序分析该电路:
(1)求电路的静态电流点;
(2)计算差模电压放大倍数Ad2、共模电压放大倍数Ac2和共模抑制比KCMR;
(3)若vi=0.02sinωt(V),仿真分析vO的波形。
解:
输入并编辑好电路图,如图3.2.14
(1)所示。
图3.2.14
(1)仿真分析电路图
(1)对电路进行仿真分析,可得静态工作点:
VB1Q=-26mV,VB2Q=-27mV,VC1Q=12V,VC2Q=2.4V,VB3Q=-9.07V,VC3Q=-719.6mV。
(2)设置交流扫描分析(ACSweep...),将信号源改为差模输入,可得差模电压放大倍数Ad2为21.47,将信号源改为差模输入,可得共模电压放大倍数Ac2为1.6×10-4,共模抑制比KCMR为1.3×105(即102dB)。
(3)设置瞬态分析若vi=0.02sinωt(V),可得仿真分析vO的波形如图3.2.14
(2)所示。
图3.2.14
(2)输出波形曲线
题3.2.15电路如图题3.2.8所示,三极管用Q2N2222,设各管的β=100,图中电容取50μF,其它参数不变。
试用PSPICE程序分析:
(1)该放大电路的电压放大倍数Av,输入电阻Ri和输出电阻Ro;
(2)当输入电压取频率为1kHz、幅值为1mV的正弦信号时,仿真分析该电路输出电压vO的波形和幅值。
解:
(1)输入并编辑好电路图如图3.2.15
(1)所示。
图3.2.15
(1)仿真分析电路图
设置交流扫描分析(ACSweep...)和瞬态分析。
可得:
中频源电压增益Av为557(即54.9dB),输入电阻Ri为7.47KΩ,输出电阻Ro为69.89Ω。
其中,源电压增益的对数幅频特性曲线如图3.2.15
(2)所示。
图3.2.15
(2)电压增益对数幅频特性曲线
(2)当输入电压取频率为1kHz、幅值为1mV的正弦信号时,仿真分析该电路输出端的电压波形如图3.2.15(3)所示。
图3.2.15(3)输出波形曲线
(注:
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