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第 3 周:从 Q 点到可用的基本放大器

本周把器件模型装入真实信号链:先求 DC,再画中频小信号图,最后区分级内增益、源衰减和负载衰减。Day 15–20 各 45 分钟,Day 21 关卡 50 分钟;周预算 320 分钟。

冲刺必会

任何增益公式都必须绑定拓扑、输出位置、旁路状态、源内阻和负载。只报一个“\(-g_mR\)”而不说条件,面试中视为不完整。

本周学习节奏

把画小信号图当作固定程序,不在不同资料间反复搜“万能公式”。耦合电容的低频作用集中到 Day 19 统一理解;Day 21 关卡替代新课和额外周测。

定位资料规则: 所有链接均是长讲义的查找坐标,不代表整节通读。27 分钟核心时段只读取当天明确列出的 2–4 个小节、图或公式块;每读一块就重画或重推,未点名内容放入深入轨。

Day 15 放大指标、端口测试与 Q 点

预计用时:45 分钟

目标: 能区分电压/电流/功率增益、级内/总增益,使用测试源定义 \(R_{in},R_{out}\),并解释 Q 点与摆幅的关系。

前置知识: Day 10–13 的偏置、负载线和小信号模型。

定位资料(非整节通读): 只查2.2 端口测试源图、2.3 四种电压传递和3.2 Q 点/负载线图;其余不读。

交互实验:晶体管放大器信号链中先预测三个增益因子和较小摆幅侧,只改负载或 Q 点之一,再解释增益变化与削顶是否来自同一原因。

5 分钟回忆: 完成 Day 8 的 D+7:标出二极管波形切换点;完成 Day 12 的 D+3:判断一个源极不接地 NMOS 的区域;重做 Day 14 最低分判区。

核心学习(27 分钟):

  1. 明确 \(A_v=v_o/v_i\) 的两个测量节点;系统总增益还含 \(R_s\)\(R_{in}\) 的输入分压、\(R_{out}\)\(R_L\) 的输出加载。
  2. \(R_{in}\) 时从输入端加测试量并取 \(v_t/i_t\);求 \(R_{out}\) 时令独立信号源为零、保留受控源,从输出端加测试源。
  3. DC 决定 Q 点和摆幅余量,AC 小信号只描述 Q 点附近斜率;偏置不居中会造成非对称削顶。

口述题(4 分钟): 用 90 秒回答“电压增益很大是否等于一个放大器一定好用?”至少提到端口、带宽或摆幅之一。

电路题(4 分钟): 电压放大级 \(A_{v0}=-20,R_{in}=10\ \mathrm{k\Omega},R_{out}=1\ \mathrm{k\Omega}\),由 \(R_s=10\ \mathrm{k\Omega}\) 源驱动 \(R_L=1\ \mathrm{k\Omega}\)。求 \(v_L/v_s\)

改变一个条件题(2 分钟): 只把 \(R_L\) 增大十倍,级内开路增益、输出加载和总增益各如何变化?

复习登记(3 分钟): D+1(Day 16)写完整总增益链;D+3(Day 18)用测试源定义两个端口电阻;D+7(Day 22)解释 Q 点偏移怎样造成削顶。

Day 16 共射放大器:反相与发射极退化

预计用时:45 分钟

目标: 能从共射(common-emitter, CE)小信号图推导增益,区分旁路与未旁路 \(R_E\),并纳入源和负载。

前置知识: Day 11 的 BJT 混合 \(\pi\) 模型,Day 15 的增益与端口概念。

定位资料(非整节通读):共射 CE只查 4.2 Q 点/参数、4.3 旁路增益图、4.4 未旁路推导和 4.5 总增益链;不读 \(r_o\) 深入边界。

5 分钟回忆: 完成 Day 9 的 D+7:用两个 PN 结解释 BJT 饱和;完成 Day 13 的 D+3:比较同电流 BJT/MOS 跨导。

核心学习(27 分钟):

  1. 先完成 DC Q 点;中频时耦合/大旁路电容近似短路、DC 电源为交流地,负载成为 \(R_C\parallel R_L\)
  2. 发射极交流接地且忽略 \(r_o\) 时,\(v_o=-g_mv_{be}(R_C\parallel R_L)\),负号来自 \(i_c\) 增大使集电极电压下降。
  3. 未旁路 \(R_E\) 引入发射极退化,近似 \(A_v\approx-(R_C\parallel R_L)/R_E\) 仅在 \(g_mR_E\) 足够大等条件下成立;同时线性和偏置稳定性改善。

口述题(4 分钟): 用 90 秒解释“共射为什么反相,发射极电阻为什么既降增益又改善稳定性”。

电路题(4 分钟): \(g_m=40\ \mathrm{mS},R_C=3\ \mathrm{k\Omega},R_L=3\ \mathrm{k\Omega}\),发射极被充分旁路且忽略 \(r_o\)。求 \(v_o/v_{be}\)

改变一个条件题(2 分钟): 只移除发射极旁路电容,DC Q 点、中频增益、输入电阻和线性度分别怎样变?

复习登记(3 分钟): D+1(Day 17)从小信号图推一遍 CE 负号;D+3(Day 19)加入源内阻和负载求总增益;D+7(Day 23)比较旁路与未旁路 CE。

Day 17 射极跟随器与共基:缓冲和低阻输入

预计用时:45 分钟

目标: 能说明共集(射极跟随器)电压增益近 1 却有用,能识别共基的低输入电阻与同相电流传输。

前置知识: Day 11 的 \(r_\pi,g_m\),Day 15 的端口电阻,Day 16 的共射。

定位资料(非整节通读):共集 CC 与共基 CB只查 5.2 CC 电路/模型、5.3 CB 电路/推导和 5.4 三组态比较表;其余不读。

5 分钟回忆: 完成 Day 10 的 D+7:用负载线解释截止/饱和削顶;完成 Day 14 的 D+3:换参数求 Q 点与 \(g_m\)

核心学习(27 分钟):

  1. 射极跟随器输出取发射极,\(A_v\) 同相且略小于 1;基极看入电阻约为 \(r_\pi+(\beta+1)R_E'\),可把低阻负载“反射”为较高输入电阻。
  2. 输出电阻需从输出端加测试源推导,受信号源电阻经 \(\beta+1\) 折算影响;不要只背 \(1/g_m\)
  3. 共基的基极为交流公共端,输入取发射极、输出取集电极;\(R_{in}\approx1/g_m\),电压同相,适合低阻源和宽带直觉。

口述题(4 分钟): 用 90 秒回答“电压增益接近 1 的射极跟随器为什么仍能改善系统性能?”

电路题(4 分钟): \(\beta=100,r_\pi=2.5\ \mathrm{k\Omega}\),发射极交流负载 \(R_E'=1\ \mathrm{k\Omega}\)。估算从基极看的输入电阻和基极到发射极增益。

改变一个条件题(2 分钟): 只把射极负载减小十倍,输入电阻、电压增益与输出电流需求怎样变?

复习登记(3 分钟): D+1(Day 18)画 CC/CB 端口位置;D+3(Day 20)做一次跟随器加载题;D+7(Day 24)用“源—缓冲—负载”解释阻抗变换。

Day 18 共源与源极跟随器

预计用时:45 分钟

目标: 能把 CE/CC 分析方法迁移到共源(common-source, CS)与源极跟随器,说明 MOS 高输入电阻和体效应边界。

前置知识: Day 13 的 MOS 小信号模型,Day 16–17 的拓扑分析。

定位资料(非整节通读):MOS 三种基本组态只查 6.1 三张完整电路、6.2 CS/源跟随小信号图和 6.3 BJT 对照表;共栅长推导不做。

5 分钟回忆: 完成 Day 11 的 D+7:说明输入过大为何破坏线性;完成 Day 15 的 D+3:用测试源定义 \(R_{in},R_{out}\)

核心学习(27 分钟):

  1. 共源输出取漏极,忽略 \(r_o\)\(A_v\approx-g_m(R_D\parallel R_L)\);源极退化使增益下降而线性改善。
  2. 源极跟随器输出取源极,同相且增益小于 1;理想栅 DC 输入电流近零,但偏置电阻与寄生电容决定实际输入阻抗。
  3. 栅、源、衬底不等电位时体效应增加等效跨导通道,使跟随增益更低;高频还需考虑栅电容。

口述题(4 分钟): 用 90 秒比较共源与共射:先讲相同信号功能,再讲输入端和跨导差异。

电路题(4 分钟): \(g_m=5\ \mathrm{mS},R_D=10\ \mathrm{k\Omega},R_L=10\ \mathrm{k\Omega}\),忽略 \(r_o\)。求共源级 \(v_o/v_{gs}\)

改变一个条件题(2 分钟): 加入未旁路源极电阻后重新调整栅偏置,使 \(I_{DQ}\)\(V_{DQ}\) 保持原值。此条件下判断增益绝对值、线性和输入 DC 电流;再分别说明向 \(V_{DD}\) 的上摆余量与向三极管区的下摆余量(源极 DC 电位升高)如何变化,不能只答“摆幅变大/变小”。

复习登记(3 分钟): D+1(Day 19)默写 CS 与源跟随增益方向;D+3(Day 21)同尺度比较 CE/CS;D+7(Day 25)解释 MOS 输入阻抗的频率边界。

Day 19 耦合、旁路、加载与系统总增益

预计用时:45 分钟

目标: 能区分耦合与旁路电容,写出“源分压×级内增益×输出加载”总增益链,并说明低频失效。

前置知识: Day 4 的 RC、Day 15–18 的端口和基本放大级。

定位资料(非整节通读):耦合、旁路与加载只查 7.2 源—级—负载总图、7.3 单电容低频边界和本节 30 秒回答;其余多极点拓展不读。

5 分钟回忆: 完成 Day 12 的 D+7:比较 BJT 与 MOS“饱和”;完成 Day 16 的 D+3:给 CE 加源阻和负载写总增益。

核心学习(27 分钟):

  1. 耦合电容隔离相邻级 DC 偏置并传递 AC;旁路电容让某退化电阻在中频被交流旁路,两者不能只按位置死记。
  2. \(v_L/v_s=(v_i/v_s)(v_o/v_i)(v_L/v_o)\),分别对应输入分压、级内增益、输出加载,避免把开路增益直接当系统增益。
  3. 低频时 \(|X_C|\) 增大,耦合和旁路不再近似短路;每个电容与其看到的等效电阻形成拐点,多极点贡献会叠加。

口述题(4 分钟): 用 90 秒回答“为什么放大器中频增益正常,但低频会下降?”

电路题(4 分钟): \(R_s=1\ \mathrm{k\Omega},R_{in}=9\ \mathrm{k\Omega},A_{v0}=-20,R_{out}=1\ \mathrm{k\Omega},R_L=4\ \mathrm{k\Omega}\),求中频 \(v_L/v_s\)

改变一个条件题(2 分钟): 只把输入耦合电容减小十倍,对 DC Q 点、中频增益和低频截止趋势分别有什么影响?

复习登记(3 分钟): D+1(Day 20)默写三段总增益;D+3(Day 22)从一个耦合电容估算拐点;D+7(Day 26)口述低频多极点来源。

Day 20 削顶、非线性与故障诊断

预计用时:45 分钟

目标: 能从输出波形判断截止、饱和/三极管区、重载或耦合故障,并提出可证伪的节点测量。

前置知识: Day 10 的负载线,Day 15–19 的 Q 点、组态与耦合加载。

定位资料(非整节通读):失真与故障诊断只查 8.2 削顶波形、8.3 波形—状态—验证表和 8.4 四步检查;不浏览章末其他题。

5 分钟回忆: 完成 Day 13 的 D+7:解释 \(r_o\) 来源与趋势;完成 Day 17 的 D+3:做跟随器加载判断。

核心学习(27 分钟):

  1. 诊断顺序固定为“描述波形→映射输出节点上下边界→猜器件状态→测 DC 节点证伪”,不从一个波形直接宣布元件损坏。
  2. CE/CS 反相,因此输入增大造成的输出下沿/上沿削顶要结合参考方向和电源轨判断;Q 点偏置决定哪一侧先撞界。
  3. 区分幅度过大造成的非线性、负载过重造成的增益/摆幅下降、耦合或旁路电容开短路造成的频率/偏置异常。

口述题(4 分钟): 用 90 秒给出“看到单边削顶后,你会怎样定位原因”的最小诊断链。

电路题(4 分钟): 一个 CE 级输出静态为 \(6\ \mathrm V\),电源 \(12\ \mathrm V\);正弦输出向下只能到约 \(0.2\ \mathrm V\)、向上接近 \(12\ \mathrm V\)。若下沿先变平,指出对应的晶体管状态和验证节点。

改变一个条件题(2 分钟): 只把负载电阻减小,增益、输出电流和削顶风险如何变化?怎样与 Q 点错误区分?

复习登记(3 分钟): D+1(Day 21)写四步诊断链;D+3(Day 23)诊断一个旁路电容开路故障;D+7(Day 27)用 90 秒解释单边削顶。

Day 21 第三关卡:基本放大器与系统信号链

预计用时:50 分钟

目标: 从给定 Q 点与小信号模型分析 CE/CC/CB/CS/源跟随,并把端口加载、耦合和失真纳入同一证据链。

前置知识: Day 15–20,以及 Week 2 的判区与小信号参数。

定位资料(非整节通读): 关卡前不读教材;评分后的 5 分钟只查章末检查表中对应步骤和常见错误的一行。

5 分钟回忆: 完成 Day 14 的 D+7:口述“判区→Q 点→参数→模型”;完成 Day 18 的 D+3:比较 CE 与 CS 的增益和端口。

核心闭卷题单(27 分钟,90 分):

  1. 0–9 分钟,25 分。 电压级 \(A_{v0}=-20,R_{in}=10\ \mathrm{k\Omega},R_{out}=1\ \mathrm{k\Omega}\),由 \(R_s=10\ \mathrm{k\Omega}\) 驱动 \(R_L=1\ \mathrm{k\Omega}\):求输入分压、输出加载和总电压增益(15 分);再分别写测量 \(R_{in}\)\(R_{out}\) 的测试源步骤(10 分)。
  2. 9–18 分钟,35 分。 (a)CE 有 \(g_m=40\ \mathrm{mS},R_C\parallel R_L=1.5\ \mathrm{k\Omega}\):求 \(v_o/v_{be}\) 并解释相位(10 分)。(b)表格填 CE/CC/CB 的相位、典型输入电阻等级和主要用途(9 分)。(c)CS 有 \(g_m=5\ \mathrm{mS},R_D\parallel R_L=5\ \mathrm{k\Omega}\):求电压增益(8 分)。(d)各用一句话说明射极/源极跟随器为何能承担缓冲作用(8 分)。
  3. 18–27 分钟,30 分。 (a)写同一放大器的 DC、AC 两次等效规则,并说明 Q 点偏置与单边削顶的关系(10 分)。(b)只把输入耦合电容减小十倍,分别判断 DC Q 点、中频增益和低频拐点并给理由(10 分)。(c)看到 CE 输出下沿削顶,按“描述—状态—测量—证伪”写四步,至少选择两个 DC 节点测量(10 分)。

本关卡总分严格为:核心题单 90 + 下方口述 4 + 电路 4 + 改变条件 2 = 100。

口述题(4 分钟,计入关卡): 90 秒比较 CE、射极跟随器和 CS,包含相位、增益、输入/输出阻抗与用途。满分 4 分。

电路题(4 分钟,计入关卡): \(g_m=40\ \mathrm{mS},R_C=3\ \mathrm{k\Omega},R_L=3\ \mathrm{k\Omega}\) 的旁路 CE,由 \(R_s=5\ \mathrm{k\Omega}\) 驱动,级输入电阻 \(5\ \mathrm{k\Omega}\)。忽略 \(r_o\),求 \(v_L/v_s\)。满分 4 分。

改变一个条件题(2 分钟,计入关卡): 只移除旁路电容,列出 DC Q 点、中频增益、输入电阻、线性度和低频响应的变化或不变项。满分 2 分。

交卷后展开:标准答案与评分点(交卷前禁止打开)

核心题 1(25 分): 输入分压 \(R_{in}/(R_s+R_{in})=0.5\),输出加载 \(R_L/(R_{out}+R_L)=0.5\),故 \(v_L/v_s=0.5(-20)0.5=-5\),三项各 5 分。测 \(R_{in}\) 时输入端加测试源并取 \(v_t/i_t\);测 \(R_{out}\) 时令独立信号源为零、保留受控源,再从输出端加测试源。两套步骤各 5 分。

核心题 2(35 分): (a)CE 为 \(-g_m(R_C\parallel R_L)=-60\);集电流增大使集电极电压下降,所以反相。数值 6、解释 4 分。(b)CE:反相/输入中等/电压放大;CC:同相/输入高/缓冲驱动;CB:同相/输入低/低阻源或宽带。九格各 1 分。(c)CS 为 \(-g_m(R_D\parallel R_L)=-25\),式与值各 4 分。(d)两种跟随器虽电压增益近 1,却以较高输入、较低输出阻抗隔离源和负载;每种器件的完整说明各 4 分。

核心题 3(30 分): (a)DC 时耦合/旁路电容开路,AC 中频时电源为交流地、相关大电容近短路;Q 点离哪侧边界更近,该侧对应输出先削顶。规则 6、削顶关系 4 分。(b)耦合电容变小不改 DC Q,中频近似仍不变,但由 \(f_L\propto1/C\) 可知相应低频拐点升高;DC 判断 3、中频判断 3、低频判断与理由 4 分。(c)下沿变平先描述波形,再假设 BJT 接近饱和,测 \(V_C,V_B,V_E\) 中至少两个以检查两结/余量,并用结果证伪其他原因。四步共 8、测量点 2 分。

口述(4 分): 相位、增益、输入/输出阻抗、用途各 1 分。

电路(4 分): \(R_C\parallel R_L=1.5\ \mathrm{k\Omega}\)、级内增益 \(-60\)、输入分压 \(0.5\)、总增益 \(-30\),各 1 分。

改变条件(2 分): 旁路电容不参与 DC,故 Q 点不变 1 分;中频增益绝对值下降、输入电阻和线性提高、该旁路电容形成的低频转折消失,合计 1 分。

评分与补救(5 分钟): 80–100 分进入运放;60–79 分按“拓扑识别→小信号图→级内增益→端口加载→边界”修首个断点;低于 60 分用 Day 22 的深入时间重画三张基本组态图。若把开路增益当总增益、漏画负载或无工作区检查,对应题最高一半分。

复习登记(3 分钟): D+1(Day 22)重做最低分拓扑;D+3(Day 24)换 BJT/MOS 做同功能比较;D+7(Day 28)在第四关卡用一张图串起 DC 与 AC。

第三周关卡出口

你应能从“电路原图”依次得到 DC 等效、小信号等效、级内增益和系统总增益,并能从异常波形反推状态。如果只能识别公式而不能重画小信号图,把该组态标为未过关。