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2.1半导体三极管2.2基本放大电路2.3放大电路的静态工作点对输出波形的影响2.4放大电路的直流偏置方式2.5放大电路的三种组态2.6放大电路性能指标的估算2.7多级放大电路2.8放大电路的频率特性本章小结2.1半导体三极管12.1半导体三极管

2.1.1三极管的结构三极管是由两个PN结构成的,其基本特性是具有电流放大作用。三极管按其结构不同分为NPN型和PNP型两种。相应的结构示意图及电路符号如图2.1所示。

2.1半导体三极管2.1.1三极管的结构2图2.1三极管的结构及符号图2.1三极管的结构及符号3三极管内部结构分为发射区、基区和集电区,相应的引出电极分别为发射极e、基极b和集电极c。发射区和基区之间的PN结称为发射结,集电区和基区之间的PN结称为集电结。电路符号中,发射极的箭头方向表示三极管在正常工作时发射极电流的实际方向。

三极管内部结构分为发射区、基区和集电区,4三极管在制作时,其内部结构特点是:(1)发射区掺杂浓度高;(2)基区很薄,且掺杂浓度低;(3)集电结面积大于发射结面积。以上特点是三极管实现放大作用的内部条件。三极管在制作时,其内部结构特点是:5三极管按其所用半导体材料不同,分为硅管和锗管;按用途不同,分为放大管、开关管和功率管;按工作频率不同,分为低频管和高频管;按耗散功率大小不同,分为小功率管和大功率管等。一般硅管多为NPN型,锗管多为PNP型。三极管按其所用半导体材料不同,分为硅管和锗管;62.1.2三极管的电流放大作用

1.三极管放大的条件三极管实现电流放大的外部偏置条件:发射结正偏,集电结反偏,此时,各电极电位之间的关系是:NPN型UC>UB>UEPNP型UC<UB<UE如图2.2所示。

2.1.2三极管的电流放大作用7图2.2三极管放大的外部偏置条件图2.2三极管放大的外部偏置条件8

2.电流分配关系

图2.3是NPN管放大实验电路。图2.3放大实验电路2.电流分配关系图2.3放大实验电路9电路中的三极管的偏置满足发射结正偏,集电结反偏。发射结正偏,可使发射区的多子(自由电子)通过PN结注入到基区,以形成基极电流IB;集电结反偏,使集电极电位高于基极电位,于是在集电结上有一个较强的电场,把由发射区注入到基区的自由电子大部分拉到集电区,形成集电极电流IC。调节Rb,改变IB的大小,得出相应的IC和IE的数据,如表2.1所示。电路中的三极管的偏置满足发射结正偏,集电结反偏10表2.1电流放大实验数据

IB(mA)

-0.004

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

IC(mA)

0.0040.01

1.09

2.08

3.07

4.06

5.05

IE(mA)0

0.01

1.10

2.10

3.10

4.105.10由表可得:三极管各电极电流分配关系是:

IE=IB+IC由于基极电流很小,因而IE≈IC。表2.1电流放大实验数据IB(mA)11

通常称为共射极直流电流放大系数,因而有:通常称为共射极交流电流放大系数。

由表2.1还可知:β≈通常12

3.放大作用的实质

由上述实验结果可知,当IB有一微小变化时,能引起IC较大的变化,这种现象称为三极管的电流放大作用。

电流放大作用的实质是通过改变基极电流IB的大小,达到控制IC的目的,而并不是真正把微小电流放大了,因此称三极管为电流控制型器件。

3.放大作用的实质13

例2.1测得工作在放大状态的三极管两个电极的电流如图2.4所示。(1)求另一个电极的电流,并在图中标出实际方向。(2)标出e、b、c极,并判断出该管是NPN型还是PNP型管。(3)估算其β值。例2.1测得工作在放大状态的三极管两个电14图2.4例2.1图图2.4例2.1图15

解:(1)图2.4(a)中①、②管脚的电流均为流入,则③管脚的电流必为流出,且大小为0.1+4=4.1(mA),如图2.4(b)所示。(2)由于③管脚的电流最大,①管脚的电流最小,因此①管脚为b极,②管脚为c极,③管脚为e极。又由于③管脚的发射极电流为流出,故该管为NPN型管。

(3)由于IB=0.1mA,IC=4mA,故:解:16

2.1.3三极管的特性曲线

1.输入特性曲线三极管的输入特性曲线如图2.5所示。图2.5三极管的输入特性曲线2.1.3三极管的特性曲线图2.5三17由图2.5所示的输入特性曲线可以看出:曲线是非线性的,也存在一段死区,当外加UBE电压小于死区电压时,三极管不能导通,处于截止状态。三极管正常工作时,UBE变化不大,对于硅管,UBE约为0.7V左右,锗管的约为0.3V左右。由图2.5所示的输入特性曲线可以看出:18

2.输出特性曲线当IB取值不同时,就有一条不同的输出特性曲线,如图2.6所示。

图2.6三极管的输出特性曲线2.输出特性曲线图2.6三极管的输出19

3.三极管的三个工作区(1)三极管输出特性曲线中,IB=0的输出特性曲线以下,横轴以上的区域称为截止区。其特点是:发射结和集电结均为反偏,各电极电流很小,相当于一个断开的开关。(2)输出特性曲线中,截止区以上平坦段组成的区域称为放大区。其特点是:发射结正偏,集电结反偏。此时IC受控于IB;同时IC与UCE基本无关,可近似看成恒流。此区内三极管具有电流放大作用。3.三极管的三个工作区(2)输出特性20(3)输出特性曲线中,UCE≤UBE的区域,即曲线的上升段组成的区域称为饱和区。饱和区的特点是:发射结和集电结均为正偏。

饱和时的UCE称为饱和压降,用UCES表示,UCES很小,一般约为0.3V。工作在此区的三极管相当于一个闭合的开关,没有电流放大作用。(3)输出特性曲线中,UCE≤UBE的区域21

2.1.4三极管的主要参数

1.电流放大系数电流放大系数是反映三极管电流放大能力的基本参数,主要有和β

2.极间反向电流(1)ICBO是指发射极开路时从集电极流到基极的反向电流。如图2.7(a)所示。2.1.4三极管的主要参数2.极22图2.7极间反向电流

第2章三极管及放大电路ppt课件23(2)穿透电流ICEO是指基极开路(IB=0)、集电极与发射极之间加上规定的电压时,从集电极流到发射极的电流。如图2.7(b)所示。它与ICBO之间的关系为:

ICEO=(1+β)

ICBO3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICM

(2)集电极—发射极间击穿电压U(BR)CEO(3)集电极最大允许功耗PCM(2)穿透电流ICEO24

例2.2若测得放大电路中工作在放大状态的三个三极管的三个电极对地电位U1、U2、U3分别为下述数值,试判断它们是硅管还是锗管?是NPN型还是PNP型?并确定c、b、e极。(1)U1=2.5VU2=6VU3=1.8V(2)U1=-6VU2=-3VU3=-2.7V(3)U1=-1.7VU2=-2VU3

=0V例2.2若测得放大电路中工作在放大状态的三25解:(1)由于U13=U1-U3=0.7V,故该管为硅管,且1、3管脚中一个是e极,一个是b极,则2脚为c极。又因为2脚电位最高,故该管为NPN型,从而得出1脚为b极,3脚为e极。(2)由于∣U23∣=0.3V,故该管为锗管,且2、3管脚中一个是e极,一个是b极,则1脚为c极。又因为1脚电位最低,故该管为PNP型,从而得出2脚为b极,3脚为e极。解:26(3)由于∣U12∣=0.3V,故该管为锗管,且1、2管脚中一个是e极,一个是b极,则3脚为c极。又因为,3脚电位最高,故该管为NPN型,从而得出1脚为b极,2脚为e极。(3)由于∣U12∣=0.3V,故该管为锗27

2.1.5三极管的测试及手册的使用

1.万用表测试三极管常见几种国产三极管管脚图排列如表2.2所示。2.1.5三极管的测试及手册的使用28表2.2常用三极管管脚排列表2.2常用三极管管脚排列29

①基极及管型的判别:具体测试方法如图2.8(a)所示。

②集电极和发射极的判别:具体测试方法如图2.8(b)所示,在实际测试中,常用手指代替100kΩ的电阻。

30(a)基极的测试(b)集电极和发射极的测试图2.8三极管管脚的测试(a)基极的测试(31

(2)判别ICEO的大小对于NPN管,将万用表置于电阻档的R×100或R×1K档后,将黑表笔接c极,红表笔接e极,测量阻值,所测阻值越大,表明ICEO越小。PNP管的接法与之相反。(3)判别β的大小将万用表置于hFE档,将三极管的c、b、e管脚插入面板上相映的插孔中,利用表头读数即可。

32

2.手册的使用(1)根据电路对三极管的要求查阅手册,从而确定选用三极管的型号,其极限参数ICM、U(BR)CEO和PCM应分别大于电路对管子的集电极最大允许电流、集电极—发射极间击穿电压和集电极最大允许功耗的要求。(2)当三极管的型号确定后,应选极间反向电流小的管子。2.手册的使用33(3)在维修电子设备时,若发现三极管损坏,应该用同型号的管子替换。若找不到同型号的管子而需要用其它型号的管子来替换时,应注意:要用同种材料、同种类型的管子替换;替换管子的参数ICM、U(BR)CEO和PCM一般不得低于原管。

三极管的命名方法见附录1,型号参数举例见附录4及附录5。(3)在维修电子设备时,若发现三极管损坏,34

2.1.6特种三极管简介1.光电三极管光电三极管如图2.9所示。

(a)结构示意图(b)电路符号(c)基本电路图2.9光电三极管2.1.6特种三极管简介(a)结构示意35

2.光电耦合器光电耦合器如图2.10所示。图2.10光电耦合器2.光电耦合器图2.10光电耦合器36试说出三极管的各种分类。如何在三极管输出特性曲线的放大区求出某一工作点Q的和β?如何利用万用表检测三极管的管脚及其好坏?比较普通三极管和特殊三极管的异同。2.1思考题返回试说出三极管的各种分类。2.1思考题返回372.2基本放大电路

2.2.1放大电路的基本知识1.放大的概念

所谓放大,就是用较小的输入信号去控制较大的输出信号,且输出与输入之间有相应的变化关系。其方框图如图2.11所示。2.2基本放大电路2.2.1放大电路的基本38图2.11放大电路方框图图2.11放大电路方框图39

2.放大电路的性能指标(1)放大倍数2.放大电路的性能指标40(2)输入电阻riri就是向放大电路输入端看进去的等效电阻,ri越大,表明放大电路从信号源索取的电流越小,放大电路输入端所得的电压越接近信号源电压,对于电压放大器,要求ri要大。(3)输出电阻ro对于负载来说,放大器相当于一个带有内阻的信号源,这个内阻就是输出电阻,ro的大小反映了放大器带负载能力的强弱。如图2.12所示。

(2)输入电阻ri 41图2.12求输出电阻的等效电路图2.12求输出电阻的等效电路42(4)非线性失真放大器的输出信号波形与输入信号波形如图2.13所示。(a)不失真波形(b)失真波形图2.13放大器的非线性失真(4)非线性失真(a)不43

2.2.2基本放大电路的组成及原理

1.电路组成电路如图2.14所示。

图2.14基本放大电路2.2.2基本放大电路的组成及原理图2.144

2.2.2基本放大电路的组成及原理

1.电路组成电路如图2.14所示。

图2.14基本放大电路直流通路

交流通路例2.5图2.14基本放大电路直流通路交流通路45

2.工作原理设输入正弦交流信号为ui,则

uBE=UBE+ui

iB=IB+ib

iC=IC+ic

uCE=UCC

iCRC,最后,通过隔直电容的作用,uCE中的交流成分uce到达输出端,形成输出电压uo。上述各电流、电压波形如图2.15所示。2.工作原理46图2.15放大器有关电流、电压波形

图2.15放大器有关电流、电压波形47由图2.15可以看出:uo的幅度远大于ui的幅度,可见该电路将ui进行了放大,且uo与ui的相位相反。晶体管放大电路中各电流、电压的名称和符号如表2.3所示。由图2.15可以看出:uo的幅度远大于ui的幅48名称静态值正弦交流分量总电流或电压直流电源瞬时值有效值瞬时值对地电压基极电流IBibIbiB集电极电流IC

icIciC发射极电流IE

ieIeiE集-射极电压UCE

uceUceuCE基-射极电压UBEubeUbeuBE集电极电源VCC基极电源VBB发射极电源VEE表2.3放大电路中各电流、电压的名称和符号名称静态值正弦交流分量总电流或电压492.2思考题

简述基本放大电路的工作原理。放大电路的性能指标有那些?返回2.2思考题简述基本放大电路的工作原理。502.3放大电路的静态工作点对输出波形的影响

放大电路输入端未加交流信号(即ui=0)时,电路的工作状态称为直流状态,简称静态。将静态时IB、UBE、IC、UCE称为静态工作点,用Q表示。

Q点过高或过低都将产生非线性失真,所以必须设置合适的Q点。静态工作点对输出波形的影响如图2.16所示。2.3放大电路的静态工作点放大电路输入端未加51图2.16静态工作点的影响图2.16静态工作点的影响52

当静态工作点位置适当(Q0)时,输出信号将随输入信号相应变化,无非线性失真。在(b)图中,若Q点位置偏高(Q1),由于在输入信号正半周的部分时间内三极管工作于饱和状态,使输出电压uo=uce出现了下平顶失真,这种失真称为饱和失真。当静态工作点位置适当(Q0)时,输出信号将随53若Q点位置偏低(Q2),由于在输入信号负半周的部分时间内三极管工作于截止状态,使输出电压uo=uce出现了上平顶失真,这种失真称为截止失真。有时,尽管静态工作点位置适当(如Q),但当输入信号幅度过大时,输出信号将会同时出现饱和失真和截止失真,称之为双向失真。若Q点位置偏低(Q2),由于在输入信号负半周的部分时542.3思考题放大电路的静态工作点对输出波形有什么影响?返回2.3思考题放大电路的静态工作点对输出波形有什么552.4放大电路的直流偏置方式

1.固定偏置方式

(1)电路组成静态情况下放大器各电流的通路称为放大器的直流通路。画直流通路的原则是:电容开路,电感短路。

图2.14电路的直流通路如图2.17所示,这种直流通路称为固定偏置电路。2.4放大电路的直流偏置方式1.固定偏置方式56图2.17固定偏置电路图2.17固定偏置电路57

(2)Q点的计算(2)Q点的计算58

2.具有发射极电阻的偏置方式(1)电路组成电路如图2.18所示。图2.18具有发射极电阻的偏置电路2.具有发射极电阻的偏置方式图2.18具59(2)Q点的计算(2)Q点的计算60与固定偏置的放大器相比,这种偏置方式有一定的稳定静态工作点的作用。简单表示如下:T↑→ICQ↑→IEQ↑→IEQRe↑

ICQ↓←IBQ↓←UBEQ↓与固定偏置的放大器相比,这种偏置方式有一定的稳61

3.分压偏置方式(1)电路组成及原理电路如图2.19所示。图2.19分压式偏置电路3.分压偏置方式图2.19分压式偏置电62该电路的热稳定作用的原理简单表示如下:T↑→ICQ↑→IEQ↑→(UBQ­-IEQRe)↓↓

ICQ↓←

IBQ↓←UBEQ↓

该电路的热稳定作用的原理简单表示如下:T↑63(2)Q点的计算(2)Q点的计算64

例2.3电路如图2.17所示,若Rb=250KΩ,Rc=1KΩ,VCC=10V,三极管的=100。求电路的静态工作点。解:

ICQ=

IBQ=100×40μA=4mAUCEQ=VCC

ICQ

RC=6V例2.3电路如图2.17所示,若Rb=265

例2.4电路如图2.19所示,若Rb1=36kΩ,Rb2=24kΩ,Rc=3kΩ,Re=2kΩ,RL=4kΩ,VCC=12V,三极管的=80,求Q。解:

例2.4电路如图2.19所示,若Rb1=66

例2.4电路如图2.19所示,若Rb1=36kΩ,Rb2=24kΩ,Rc=3kΩ,Re=2kΩ,RL=4kΩ,UCC=12V,三极管的=80,求Q。解:

UCEQ≈VCC

ICQ

(Rc+Re)=2V例2.6例2.4电路如图2.19所示,若Rb1=672.4思考题

放大电路的直流偏置方式有哪几种?如何计算其静态工作点?返回2.4思考题放大电路的直流偏置方式有哪几种68

2.5.1共发射极放大电路电路如图2.20(a)所示。交流输入信号经电容C1从基极输入,交流输出信号从集电极经电容C2隔直后传送给负载RL。电路图的下方为交流通路,可以看出,发射极是交流信号的公共端,故称为共发射极放大器。2.5放大电路的三种组态2.5.1共发射极放大电路2.5放大电路的三69

(a)共发射极放大器

图2.20放大器的三种组态(a)70(a)共发射极放大器

图2.20放大器的三种组态例2.6(a)共发射极放大器71交流通路的下方是输入输出信号波形。从波形图可以看出,输出信号电压比输入信号电压的幅度大,具有电压放大作用,且相位相反。交流通路的下方是输入输出信号波形。从波形图可722.5.2共基极放大电路电路如图2.20(b)所示。交流信号从发射极输入,从集电极输出,电路的下方为交流通路,由交流通路可看出,三极管的基极为公共端,因此,该电路称为共基极放大电路。图(b)中还画出了输出电压波形,从波形图中可以看出,输出信号电压的幅度比输入信号电压的幅度大,具有电压放大作用,且相位相同。2.5.2共基极放大电路73

(b)共基极放大器图2.20放大器的三种组态(b)共基极放大器74

2.5.3共集电极放大电路

电路如图2.20(c)所示。交流信号从基极输入,发射极输出,故该电路又称为射极输出器。电路图的下方为交流通路,可以看出,集电极为交流输入输出的公共端,故称为共集电极放大电路。图(c)中还画出了输出信号电压与输入信号电压波形,从图中可以看出,二者幅度大致相等,无电压放大作用,且相位相同。但由于ie»ib,故该电路具有电流放大作用。2.5.3共集电极放大电路75(c)共集电极放大器图2.20放大器的三种组态(c)共集电极放大器76(c)共集电极放大器图2.20放大器的三种组态例2.7(c)共集电极放大器例2.7772.5思考题三种基本放大电路各自有什么特点?返回2.5思考题三种基本放大电路各自有什么特点?返回78

1.放大电路的交流通路及微变等效电路(1)放大电路的交流通路放大器交流信号的流经途径叫放大器的交流通路。画交流通路的原则是:电容短路,直流电压源短路。其余元件按原连接关系画出。

交流通路用作分析放大器的交流工作状态。图2.14的交流通路如图2.21所示。2.6放大电路性能指标的估算

1.放大电路的交流通路及微变等效电路2.6放79图2.21放大器的交流通路图2.21放大器的交流通路80(2)放大电路的微变等效电路三极管的输入回路可用一个等效电阻rbe来等效,如图2.22(b)所示,rbe称做三极管的等效输入电阻,且

当三极管的输入信号是微小的交流量时,其等效输入电阻也可表示为(2)放大电路的微变等效电路81

图2.22三极管输入等效电路

(a)输入特性曲线(b)输入等效电路图2.22三极管输入等效电路(a)输入特性曲82低频小功率三极管的等效输入电阻可用下式估算:三极管的输出回路可用一个受控的恒流源来等效。综上所述,三极管在小信号条件下工作时,其完整的等效电路如图2.23(b)所示。低频小功率三极管的等效输入电阻可用下式估算:83图2.23三极管简化微变等效电路

(a)输出特性曲线(b)简化微变等效电路图2.23三极管简化微变等效电路(a)输出特性曲线84

2.性能指标的估算

例2.5已知共射放大器如图2.14所示。已知Rb=220kΩ,Rc=3kΩ,RL=4kΩ,VCC=12v,晶体管的rbe=800Ω,=40,求放大器的输入电阻ri、输出电阻ro、电压放大倍数Au。2.性能指标的估算85图2.24固定偏置共射放大器的微变等效电路

解:(1)画微变等效电路,如图2.24所示。图2.24固定偏置共射放大器的微变等效电路86

(2)性能指标计算ri=Rb//rbe800Ωro=Rc=3kΩ图中,=RL//Rc=1.7kΩ则:

式中的“”号表示输出信号电压与输入信号电压相位相反。(2)性能指标计算87

例2.6电路如图2.20(a)所示,已知条件如例2.4,求此分压式偏置放大器的输入电阻ri、输出电阻ro、电压放大倍数Au。例2.6电路如图2.20(a)所示,已知条88解:(1)画微变等效电路,如图2.25所示。

图2.25分压偏置式共e放大器的微变等效电路解:图2.25分压偏置式共e放89(2)性能指标计算

rbe=300+(1+)=1353Ωri=Rb1//Rb2//rbe

1.3kΩro=Rc=3kΩ其中,=RL//Rc=1.7kΩ

则(2)性能指标计算90

例2.7共集电极放大电路如图2.20(c)所示,其中硅三极管的β=100,电阻Rb=200KΩ,Re=2KΩ,RL=2KΩ,RS=1KΩ,电源VCC=12V。试:(1)画出微变等效电路(2)求Au的值(3)求ri的值(4)求ro的值。例2.7共集电极放大电路如图2.20(c91解:(1)画微变等效电路,如图2.26(a)所示。图2.26共c放大器的微变等效电路(a)微变等效电路(b)求ro的微变等效电路解:图2.26共c放大器的微变等效电路92(3)ri=Rb∥[rbe+(1+β)RL']=67.5KΩ(2)IBQ=(VCC–UBEQ)/[Rb+(1+β)Re]=28μA

IEQ=(1+β)IBQ≈2.8mA

rbe=300+(1+β)×26/IE≈1.2KΩ

Au=(1+β)RL'/[rbe+(1+β)RL']=0.99(3)ri=Rb∥[rbe+(1+β)RL93

(4)ro的估算在图2.26(a)中,令us=0,并去掉负载RL′,在输出端加一电压uo,则可画成如图2.26(b)所示的形式。由图可得:ro=Re∥ro'

ro'=uo/-ie=-uo/[(1+β)ib]uo=-ib(rbe+RS

∥Rb)ro'=(rbe+RS∥Rb)/(1+β)ro=Re∥[(rbe+RS∥Rb)/(1+β)]

=20Ω

(4)ro的估算94通过上述计算结果,可得共集电极放大电路的特点是:

①Au<1,而又近似等于1。②ri很大。③ro很小。通过上述计算结果,可得共集电极放大电路的特点是953.三种基本放大电路的性能比较三种组态的基本放大电路的比较见表2.4。3.三种基本放大电路的性能比较96表2.4三种组态的基本放大电路的比较共射放大电路共基放大电路共集放大电路电路形式交流等效电路Au

-βRL'rbe(RL'=Rc∥RL)大

βRL'rbe(RL'=Rc∥RL)大

(1+β)RL‘(rbe+(1+β)RL')≈1(RL'=Re∥RL)

riRb∥rbe中Re∥[rbe/(1+β)]低Rb∥[rbe+(1+β)RL']高roRc高Rc高Re∥[rbe/(1+β)]低相位180º(ui与uo反相)0º(ui与uo同相)0º(ui与uo同相)高频特性差好较好表2.4三种组态的基本放大电路的比较共射放大电路共基放97怎样画放大电路的微变等效电路。画出基极放大电路的微变等效电路,并求出性能指标Au、ri、ro。返回2.6思考题怎样画放大电路的微变等效电路。返回2.6思考题98

2.7多级放大电路2.7.1多级放大电路的组成多级放大电路的框图如图2.27所示。图2.27多级放大器一般结构框图2.7多级放大电路图2.27多级放大器一般结99

2.7.2多级放大电路性能指标的估算两级阻容耦合放大器如图2.28(a)所示。

图2.28(a)两极阻容耦合放大器2.7.2多级放大电路性能指标的估算图2100两级阻容耦合放大器的微变等效电路如图2.28(b)所示。图2.28(b)两级阻容耦合放大器微变等效电路两级阻容耦合放大器的微变等效电路如图2.28(101

1.输入电阻与输出电阻ri=ri1=

Rb11//Rb12//rbe1ri2=Rb21//Rb22//rbe2ro1=Rc1ro=ro2=Rc2

1.输入电阻与输出电阻102

2.电压放大倍数

2.电压放大倍数103

推论可知:多级放大器总电压放大倍数等于各单级电压放大倍数的乘积。

例2.8设图2.28(a)所示阻容耦合两级放大器中各元件参数如下:Rb11=100kΩRb12=27kΩRe1=5.1kΩ,Rc1=12kΩ,Rb21=33kΩ,Rb22=8.2kΩ,Re2=3kΩ,Rc2=3.3kΩ,RL2=3kΩ,C1=C2=50μF,C

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