电子技术电路(模拟部分)康华光版课件 第八章
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8.3.2 分析计算
1. 输出功率 o 输出功率P
+VCC
2
Vom Vom Vom Po = Vo I o = = 2 2 RL 2 R L
假设 vi 为正弦波且幅度足 够大, 够大,T1、T2导通时均能饱 此时输出达到最大值。 和,此时输出达到最大值。 最大不失真输出功率P 最大不失真输出功率 omax
甲类功率放大器存在的缺点: 甲类功率放大器存在的缺点: 输出功率小 静态功率大,效率低 静态功率大, 功放电路提高效率的主要方法: 功放电路提高效率的主要方法 减少静态时的损耗,即降低静态工作点。 减少静态时的损耗,即降低静态工作点。
8
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
3. BJT的几种工作状态 的几种工作状态 iC iC
+VCC
ic1 T1
vo T2 ic2
-
RL
VCC
13
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
工作原理( 为正弦波) 工作原理(设vi为正弦波) 输入输出波形图 由于BJT 存在 由于 BJT存在 BJT 死区电压, 死区电压,在无偏 置的情况下, 置的情况下,当输 入信号小于死区电 压时, 压时,两个管子均 截止,负载上无电 截止, 流,输出电压出现 一 段 死 区 。
PV = P E 1 + P E 2 = 2V CC PVM
2 2V CC = πR L
V OM 2V CC V OM = πR L πRL
3.管耗 T 管耗P 管耗 一个管子的管耗: 一个管子的管耗: v 1 π PT1 = (VCC v o ) o d( ω t ) 2 π ∫0 RL
18
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
3. BJT的几种工作状态 的几种工作状态
甲乙类: 介于两者之间, 甲乙类 : 介于两者之间 ,
导通角大于180° ° 导通角大于
iC
ICQ 动画演示
VCC vCE
Q3
乙类和甲乙类放大电路的效率提高了, 乙类和甲乙类放大电路的效率提高了,但同时出现了严重的非线性失 为解决这一矛盾,选用两只特性完全相同的BJT,使它们轮流工 真,为解决这一矛盾,选用两只特性完全相同的 , 作于信号的正负半周进行放大,最后在负载上合成完整的信号波形。 作于信号的正负半周进行放大,最后在负载上合成完整的信号波形。
1 π V sin ωt PT1 = (VCC Vom sinω t ) om d( ω t ) ∫0 2π RL 1 VCCVom Vom ( ) = RL 4 π
2
最大, 问:Vom=? PT1最大 PT1max=? ? ? 求导,并令导数等于零,得出: 用PT1对Vom求导,并令导数等于零,得出:PT1max发生 代入P 表达式: 在Vom=0.6VCC处。将Vom=0.64VCC代入 T1表达式:
2.提高效率的途径 .
甲类功率放大器分析 若 VCEQ
1 = VCC 2
则 PT = PRL
1 = VCC I CQ 2
无信号输入时, 无信号输入时,电源功率全部消耗在管子和电阻上 (2)动态功耗 ) 输出功率: 输出功率
Vom I om Po = × 2 2 1 = Vom I om 2
6
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
信 号 提 取
电 压 放 大
功 率 放 大
2
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
1.功放电路 power amplifiers)的特点 功放电路( 功放电路 的特点
尽可能大。 (1)输出功率 尽可能大。 )输出功率Po尽可能大 功放电路中电流、电压要求都比较大, 功放电路中电流、电压要求都比较大,必须注意电路参 数不能超过晶体管的极限值: 数不能超过晶体管的极限值 ICM 、VCEM 、 PCM 。
vi 死区电压 vo vo uo
14 交越失真
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
iC1
iC
1
将T2的特性曲线倒置在 T1特性曲线的右下方。 特性曲线的右下方。
V
Oຫໍສະໝຸດ Baidu
VCC
动画演示 VCE
1
iC2 VCE2
VO
iC2
15
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
电路中增加 R1、D1、D2、R2支路 静态时: 静态时 T1、T2两管发射结电压分 别为二极管D 别为二极管 1、 D2的正向导通 压降, 压降,致使两管均处于微弱导 通状态——甲乙类工作状态。 通状态 甲乙类工作状态。 甲乙类工作状态
ICQ
Q1 ICQ
VCEQ
Q2 VCC
VCC
vCE
vCE
甲类: 点适中 点适中, 甲类 : Q点适中, 在正弦信号的
整个周期内均有电流流过BJT。 。 整个周期内均有电流流过
乙类:静态电流为0, 乙类:静态电流为 ,BJT只在 只在
正弦信号的半个周期内均导通。 正弦信号的半个周期内均导通。
9
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
10
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
互补对称:电路中采用两个晶体管: 互补对称:电路中采用两个晶体管:NPN、 、 PNP各一支;两管特性一致。组 各一支; 各一支 两管特性一致。 成互补对称式射极输出器。 成互补对称式射极输出器。 类型: 类型:
互补对称功放的类型
无输出变压器形式 电路) ( OTL电路) 电路
无输出电容形式 电路) ( OCL电路) 电路
11
OTL: Output TransformerLess OCL: Output CapacitorLess
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.1 电路的组成
(1)由NPN型、PNP型三极 ) 型 型三极 管构成两个对称的射极输出 器对接而成。 器对接而成。
2
VCC PT1max ≈ 0.2 = 0.2Pom 2RL
动画演示
20
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
2 VCC 2. 功率 功率BJT的选择: P / 2 RL 的选择: 的选择 1.27 (1) PCM≥ PT1max =0.2Pom 1.2
8.3.2 分析计算
Vom sin ω t 1 π = ∫0 (VCC Vom sinωt ) RL d( ω t ) 2π
2
1 VCCVom Vom ( ) = RL 4 π
2 VCCVom Vom ( ) 两管管耗: 两管管耗: PT = 2 PT1 = RL π 4
2
4.效率η (efficiency) 效率 最高效率ηmax:
T1 vi T2
-
VOmax
vo
RL
Pomax
(VCC VCES ) 2 VCC = ≈ 2 RL 2 RL
2
VCC
16
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.2 分析计算
2. 电源提供的直流平均功率 每个电源中的电流为半个正弦波,其平均值为 每个电源中的电流为半个正弦波,其平均值为:
8 功率放大电路
8.1 8.2 8.3 8.4 功率放大电路的一般问题 射极输出器— 射极输出器—甲类放大的实例 乙类双电源互补对称功率放大电路 甲乙类互补对称功率放大电路
甲乙类双电源互补对称电路 甲乙类单电源互补对称电路
1
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
什么是功率放大器? 在电子系统中,模拟信号被放大后, 什么是功率放大器? 在电子系统中,模拟信号被放大后,往 往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出 较大功率的放大器称为功率放大器。 较大功率的放大器称为功率放大器。 例:扩音系统 扩音系统
+VCC
T1 vo T2
RL
vi
(2)双电源供电。 )双电源供电。 (3) 输入输出端不加隔直电容。 ) 输入输出端不加隔直电容。
-
VCC
12
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
工作原理( 为正弦波) 工作原理(设vi为正弦波) 静态时: 静态时: vi = 0V → ic1、ic2均=0(乙类工作 ( 状态) 状态) → vo = 0V 因此,不需要隔直电容。 因此,不需要隔直电容。 动态时: 动态时: 导通, vi > 0V → T1导通,T2截止 vi → iL= ic1 ; 正半周时: 正半周时: vo = VCC - vce1 vi < 0V → T1截止,T2导通 截止, → iL=ic2 负半周时: 负半周时: vo =- VCC - vce2
2.提高效率的主要途径 .
甲类功率放大器分析
+
VCC
IcQ
Ic Q
R b1
RL
vi
VceQ
vce
(1)三极管的静态功耗: P = V )三极管的静态功耗: T CEQ I CQ 电源提供的平均功耗: 电源提供的平均功耗:
PV = VCC I CQ
5
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
I av 1
1 = 2π
∫
π
0
V OM V OM sin ω td ( ω t ) = RL πR L
I av 2 = I av 1
V OM = πR L
VOM RL
ic1
ωt
17
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.2 分析计算
两个电源提供的总功率为: 两个电源提供的总功率为:
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
乙类互补对称功放的缺点
存在交越失真( 存在交越失真(crossover distortion) ) vi
+VCC
T1
ωt
vo
交越失真
vi T2
vo
RL
ωt
-
VCC
22
动画演示
§8.4 甲乙类互补对称功率放大电路
8.4.1甲乙类双电源互补对称电路 甲乙类双电源互补对称电路 1. 基本原理
Vom ≈ VCC 时, η max =
Po π Vom η= = PE 4 VCC
π
4
≈ 78.5 %
19
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.3 功率 功率BJT的选择 的选择
1.最大管耗(power dissipation)和最大输出功率的关系 最大管耗( 最大管耗 )
Ic ICM PCM
safe operating region
VCEM
vce
3
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
1.功放电路(power amplifiers)的特点 功放电路
(2)电源提供的能量应尽可能多地转换给负载,尽 )电源提供的能量应尽可能多地转换给负载, 量减少晶体管及线路上的损失。 量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路 的效率( 的效率(η)。 PO η= × 100%
2.提高效率的途径 .
要想P 要想 O大, 就要使功率三 角形的面积大, 角形的面积大, 即必须使Vom 即必须使 都要大。 和Iom 都要大。 Iom 功率三角形
iC M ICQ Q N
VCEQ
VCC Uom
vCE
最大输出功率: 最大输出功率
Pom
1 1 = ( VCC ) I CQ 2 2
7
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
2.提高效率的途径 .
电源提供的功率: 电源提供的功率
1 PV = 2π
∫
2π
0
1 VCC iC d (ωt ) = 2π
∫
2π
0
VCC ( I CQ + I Cm sin ωt )dωt = VCC I CQ
Pom 1 Vom I om 此电路的最高效率: 此电路的最高效率 η = = ≈ 0.25 PV 2 VCC I CQ
PV
Po: 负载上得到的交流信号功率。 负载上得到的交流信号功率。 PV :电源提供的直流功率。 电源提供的直流功率。 (3)电流、电压信号比较大,必须注意防止波形非线性失真。 )电流、电压信号比较大,必须注意防止波形非线性失真。 (4)功放管散热和保护问题 ) 分析功放电路一般应用图解法
4
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
4 y= x π
PoM
VCC = 2RL
2
1.0 0.8 0.76 0.6
PV
y = x2
(2) V ( BR ) CEO ≥ 2V CC
Po
1 2 2 y= x + x 2 π
(3)
I CM >
VCC
RL
0.4 0.36 0.2 0.137 0.2 0.4 0.6
PT1
0.8
21 1.0 Vom /VCC
1. 输出功率 o 输出功率P
+VCC
2
Vom Vom Vom Po = Vo I o = = 2 2 RL 2 R L
假设 vi 为正弦波且幅度足 够大, 够大,T1、T2导通时均能饱 此时输出达到最大值。 和,此时输出达到最大值。 最大不失真输出功率P 最大不失真输出功率 omax
甲类功率放大器存在的缺点: 甲类功率放大器存在的缺点: 输出功率小 静态功率大,效率低 静态功率大, 功放电路提高效率的主要方法: 功放电路提高效率的主要方法 减少静态时的损耗,即降低静态工作点。 减少静态时的损耗,即降低静态工作点。
8
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
3. BJT的几种工作状态 的几种工作状态 iC iC
+VCC
ic1 T1
vo T2 ic2
-
RL
VCC
13
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
工作原理( 为正弦波) 工作原理(设vi为正弦波) 输入输出波形图 由于BJT 存在 由于 BJT存在 BJT 死区电压, 死区电压,在无偏 置的情况下, 置的情况下,当输 入信号小于死区电 压时, 压时,两个管子均 截止,负载上无电 截止, 流,输出电压出现 一 段 死 区 。
PV = P E 1 + P E 2 = 2V CC PVM
2 2V CC = πR L
V OM 2V CC V OM = πR L πRL
3.管耗 T 管耗P 管耗 一个管子的管耗: 一个管子的管耗: v 1 π PT1 = (VCC v o ) o d( ω t ) 2 π ∫0 RL
18
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
3. BJT的几种工作状态 的几种工作状态
甲乙类: 介于两者之间, 甲乙类 : 介于两者之间 ,
导通角大于180° ° 导通角大于
iC
ICQ 动画演示
VCC vCE
Q3
乙类和甲乙类放大电路的效率提高了, 乙类和甲乙类放大电路的效率提高了,但同时出现了严重的非线性失 为解决这一矛盾,选用两只特性完全相同的BJT,使它们轮流工 真,为解决这一矛盾,选用两只特性完全相同的 , 作于信号的正负半周进行放大,最后在负载上合成完整的信号波形。 作于信号的正负半周进行放大,最后在负载上合成完整的信号波形。
1 π V sin ωt PT1 = (VCC Vom sinω t ) om d( ω t ) ∫0 2π RL 1 VCCVom Vom ( ) = RL 4 π
2
最大, 问:Vom=? PT1最大 PT1max=? ? ? 求导,并令导数等于零,得出: 用PT1对Vom求导,并令导数等于零,得出:PT1max发生 代入P 表达式: 在Vom=0.6VCC处。将Vom=0.64VCC代入 T1表达式:
2.提高效率的途径 .
甲类功率放大器分析 若 VCEQ
1 = VCC 2
则 PT = PRL
1 = VCC I CQ 2
无信号输入时, 无信号输入时,电源功率全部消耗在管子和电阻上 (2)动态功耗 ) 输出功率: 输出功率
Vom I om Po = × 2 2 1 = Vom I om 2
6
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
信 号 提 取
电 压 放 大
功 率 放 大
2
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
1.功放电路 power amplifiers)的特点 功放电路( 功放电路 的特点
尽可能大。 (1)输出功率 尽可能大。 )输出功率Po尽可能大 功放电路中电流、电压要求都比较大, 功放电路中电流、电压要求都比较大,必须注意电路参 数不能超过晶体管的极限值: 数不能超过晶体管的极限值 ICM 、VCEM 、 PCM 。
vi 死区电压 vo vo uo
14 交越失真
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
iC1
iC
1
将T2的特性曲线倒置在 T1特性曲线的右下方。 特性曲线的右下方。
V
Oຫໍສະໝຸດ Baidu
VCC
动画演示 VCE
1
iC2 VCE2
VO
iC2
15
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
电路中增加 R1、D1、D2、R2支路 静态时: 静态时 T1、T2两管发射结电压分 别为二极管D 别为二极管 1、 D2的正向导通 压降, 压降,致使两管均处于微弱导 通状态——甲乙类工作状态。 通状态 甲乙类工作状态。 甲乙类工作状态
ICQ
Q1 ICQ
VCEQ
Q2 VCC
VCC
vCE
vCE
甲类: 点适中 点适中, 甲类 : Q点适中, 在正弦信号的
整个周期内均有电流流过BJT。 。 整个周期内均有电流流过
乙类:静态电流为0, 乙类:静态电流为 ,BJT只在 只在
正弦信号的半个周期内均导通。 正弦信号的半个周期内均导通。
9
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
10
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
互补对称:电路中采用两个晶体管: 互补对称:电路中采用两个晶体管:NPN、 、 PNP各一支;两管特性一致。组 各一支; 各一支 两管特性一致。 成互补对称式射极输出器。 成互补对称式射极输出器。 类型: 类型:
互补对称功放的类型
无输出变压器形式 电路) ( OTL电路) 电路
无输出电容形式 电路) ( OCL电路) 电路
11
OTL: Output TransformerLess OCL: Output CapacitorLess
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.1 电路的组成
(1)由NPN型、PNP型三极 ) 型 型三极 管构成两个对称的射极输出 器对接而成。 器对接而成。
2
VCC PT1max ≈ 0.2 = 0.2Pom 2RL
动画演示
20
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
2 VCC 2. 功率 功率BJT的选择: P / 2 RL 的选择: 的选择 1.27 (1) PCM≥ PT1max =0.2Pom 1.2
8.3.2 分析计算
Vom sin ω t 1 π = ∫0 (VCC Vom sinωt ) RL d( ω t ) 2π
2
1 VCCVom Vom ( ) = RL 4 π
2 VCCVom Vom ( ) 两管管耗: 两管管耗: PT = 2 PT1 = RL π 4
2
4.效率η (efficiency) 效率 最高效率ηmax:
T1 vi T2
-
VOmax
vo
RL
Pomax
(VCC VCES ) 2 VCC = ≈ 2 RL 2 RL
2
VCC
16
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.2 分析计算
2. 电源提供的直流平均功率 每个电源中的电流为半个正弦波,其平均值为 每个电源中的电流为半个正弦波,其平均值为:
8 功率放大电路
8.1 8.2 8.3 8.4 功率放大电路的一般问题 射极输出器— 射极输出器—甲类放大的实例 乙类双电源互补对称功率放大电路 甲乙类互补对称功率放大电路
甲乙类双电源互补对称电路 甲乙类单电源互补对称电路
1
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
什么是功率放大器? 在电子系统中,模拟信号被放大后, 什么是功率放大器? 在电子系统中,模拟信号被放大后,往 往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出 较大功率的放大器称为功率放大器。 较大功率的放大器称为功率放大器。 例:扩音系统 扩音系统
+VCC
T1 vo T2
RL
vi
(2)双电源供电。 )双电源供电。 (3) 输入输出端不加隔直电容。 ) 输入输出端不加隔直电容。
-
VCC
12
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
工作原理( 为正弦波) 工作原理(设vi为正弦波) 静态时: 静态时: vi = 0V → ic1、ic2均=0(乙类工作 ( 状态) 状态) → vo = 0V 因此,不需要隔直电容。 因此,不需要隔直电容。 动态时: 动态时: 导通, vi > 0V → T1导通,T2截止 vi → iL= ic1 ; 正半周时: 正半周时: vo = VCC - vce1 vi < 0V → T1截止,T2导通 截止, → iL=ic2 负半周时: 负半周时: vo =- VCC - vce2
2.提高效率的主要途径 .
甲类功率放大器分析
+
VCC
IcQ
Ic Q
R b1
RL
vi
VceQ
vce
(1)三极管的静态功耗: P = V )三极管的静态功耗: T CEQ I CQ 电源提供的平均功耗: 电源提供的平均功耗:
PV = VCC I CQ
5
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
I av 1
1 = 2π
∫
π
0
V OM V OM sin ω td ( ω t ) = RL πR L
I av 2 = I av 1
V OM = πR L
VOM RL
ic1
ωt
17
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.2 分析计算
两个电源提供的总功率为: 两个电源提供的总功率为:
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
乙类互补对称功放的缺点
存在交越失真( 存在交越失真(crossover distortion) ) vi
+VCC
T1
ωt
vo
交越失真
vi T2
vo
RL
ωt
-
VCC
22
动画演示
§8.4 甲乙类互补对称功率放大电路
8.4.1甲乙类双电源互补对称电路 甲乙类双电源互补对称电路 1. 基本原理
Vom ≈ VCC 时, η max =
Po π Vom η= = PE 4 VCC
π
4
≈ 78.5 %
19
§8.3乙类双电源互补对称功率放大电路 乙类双电源互补对称功率放大电路
8.3.3 功率 功率BJT的选择 的选择
1.最大管耗(power dissipation)和最大输出功率的关系 最大管耗( 最大管耗 )
Ic ICM PCM
safe operating region
VCEM
vce
3
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
1.功放电路(power amplifiers)的特点 功放电路
(2)电源提供的能量应尽可能多地转换给负载,尽 )电源提供的能量应尽可能多地转换给负载, 量减少晶体管及线路上的损失。 量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路 的效率( 的效率(η)。 PO η= × 100%
2.提高效率的途径 .
要想P 要想 O大, 就要使功率三 角形的面积大, 角形的面积大, 即必须使Vom 即必须使 都要大。 和Iom 都要大。 Iom 功率三角形
iC M ICQ Q N
VCEQ
VCC Uom
vCE
最大输出功率: 最大输出功率
Pom
1 1 = ( VCC ) I CQ 2 2
7
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
2.提高效率的途径 .
电源提供的功率: 电源提供的功率
1 PV = 2π
∫
2π
0
1 VCC iC d (ωt ) = 2π
∫
2π
0
VCC ( I CQ + I Cm sin ωt )dωt = VCC I CQ
Pom 1 Vom I om 此电路的最高效率: 此电路的最高效率 η = = ≈ 0.25 PV 2 VCC I CQ
PV
Po: 负载上得到的交流信号功率。 负载上得到的交流信号功率。 PV :电源提供的直流功率。 电源提供的直流功率。 (3)电流、电压信号比较大,必须注意防止波形非线性失真。 )电流、电压信号比较大,必须注意防止波形非线性失真。 (4)功放管散热和保护问题 ) 分析功放电路一般应用图解法
4
§8.1功率放大电路的一般问题 功率放大电路的一般问题
4 y= x π
PoM
VCC = 2RL
2
1.0 0.8 0.76 0.6
PV
y = x2
(2) V ( BR ) CEO ≥ 2V CC
Po
1 2 2 y= x + x 2 π
(3)
I CM >
VCC
RL
0.4 0.36 0.2 0.137 0.2 0.4 0.6
PT1
0.8
21 1.0 Vom /VCC