x00306第三講習題課第一作業(yè)講解

1、電路基礎II習題課第三講數(shù)字抽象第一講理想抽象作業(yè)講解工程系大綱數(shù)字抽象 數(shù)值離散化 邏輯10與高低 噪聲容限的 對CMOS反相器的簡要說明第一講（理想抽象）作業(yè)講解電路基礎工程系 2014年春季學期21、 數(shù)值離散化8數(shù)字化就是離散化 時間離散化 幅度離散化6420-2-4-6-800.10.20.30.40.50.60.70.80.91（a）模擬信號：時間連續(xù)、幅度連續(xù)876543210-1-2-3-4-5-6-7-8時間離散化 等時間間距采樣05101520253035404550（b）數(shù)字信號：時間離散、幅度離散幅度離散化：數(shù)值離散化 將一定范圍的連續(xù)數(shù)值用一個確定的狀態(tài)表述電路基礎工

2、程系 2014年春季學期3通信：完成source/信號的傳遞sinkmedium以電壓信號作為的表征形式以電纜作為傳輸煤質Noise噪聲transmitterreceivervr= f (vt )+ n vr= a × vt + n vr= vt + n傳輸過來的情況：媒質對信號有影響簡化分析：媒質對信號的影響是衰減簡單分析：信號無衰減，僅有噪聲疊加還能是邏輯1嗎？電路基礎4發(fā)送接收vtvr發(fā)信者傳輸媒質：空間；通道：電纜，光纜，受信者2、邏輯與二值邏輯電路實現(xiàn)方便 對應開關的兩個狀態(tài)的二值邏輯 1、0 真、假 5V 、0V數(shù)字系統(tǒng)進行的是邏輯運算和邏輯，但數(shù)字電路本身處理的、以及互

3、連線（傳輸線）傳輸?shù)膮s是電壓 信號邏輯與是如何的？電路基礎工程系 2014年春季學期5靜態(tài)約束Static discipline數(shù)字器件的靜態(tài)約束就是所有數(shù)字器件都需滿足的-邏輯，從而使得數(shù)字器件互連時，后級電路能夠正確解釋前級電路輸出信號所代表的邏輯 如果數(shù)字器件滿足靜態(tài)約束條件，則不同工藝、 不同生產(chǎn)商提供的數(shù)字器件可以互連通信 能夠正確解釋，能夠相互理解 所有的交換、交流都必須滿足事先的約定，才能有效通信電路基礎工程系 2014年春季學期6最簡單5V5V如果發(fā)信者發(fā)出2.5-d的作為邏輯0輸出，噪聲使得受信者接收到2.5-d+n的邏輯1，則要邏輯1求n< d，否則，受信者必然判斷錯

4、誤，將邏輯0為邏輯12.5V2.5V由于d很小，這種則要求傳輸過程無任何噪聲才能無誤傳輸邏輯0邏輯00V0V電路基礎工程系2014年春季學期7受信者發(fā)信者邏輯狀態(tài)范圍00V-2.5V12.5V-5V為了事實的噪聲對發(fā)信者提出明確區(qū)分的要求5V5V邏輯1VOH邏輯12.5V邏輯0VOL0V邏輯00V發(fā)信者的邏輯1應該為VOH5V，邏輯0應該為0VOL，VOL和VOH遠離，如是，當發(fā)信者發(fā)送邏輯0時，假設發(fā)送為VOL，則受信者可2.5-VOL的噪聲當發(fā)信者發(fā)送邏輯1時，假設發(fā)送為VOH，則受信者可工程系 2014年春季學期VOH-2.5的噪聲電路基礎8受信者發(fā)信者理想發(fā)信者發(fā)出明確的二值，受信者用

5、均值進行區(qū)分VOH=5V5V邏輯1邏輯12.5V邏輯0邏輯00VV=0VOL此時，具有最大的噪聲容限：2.5V低于0V解釋為邏輯0 高于5V解釋為 邏輯1電路基礎工程系 2014年春季學期9受信者發(fā)信者反相器理想轉移特性曲線發(fā)信者受信者VOUT發(fā)信者：只發(fā)出二值：5V和0V輸出邏輯1高為電源電壓VOH=5V將低于半電源電壓將高于半電源電壓的解的解釋為邏輯0 邏輯0反相輸出為1釋為邏輯1 邏輯1反相輸出為0輸出邏輯0低VIN為地電壓VOL=0V0V2.5V5V電路基礎受信者：在中間位置2.5V區(qū)分二值10實際反相器非理想轉移特性曲線VS:翻轉點：邏輯0、1的分界點VOUT斜率為-15VVOUT=

6、 VINV ：門電路認定輸入VIL為邏輯0的最高輸入OHVOUH斜率為+1VIH：門電路認定輸入為邏輯1的最低輸入輸入小于V ，輸出則大于VVSSS輸入大于VS，輸出則小于VSVS是邏輯0、1分界點VOL：門電路輸出電平為邏輯0的最小輸VOUL（³0V）出VOLVIN0V5VVIL VS VIHV：門電路輸出電OH平為邏輯1的最大輸（£VDD）出電路基礎工程系2014年春季學期11= f (Vin )為何斜率-1Vout+ n= f (V+ n )VVOUT斜率為-1out ,0oin,0if (V)+ f ¢(V)n +.5VVOUT= VIN=VOHVOUHi

7、n,0in,0i斜率為1n» f ¢(V)noin,0iVSf ¢(V)n»< nnoin,0iiVOULf ¢(V) < 1VOLVINin,00V5VVIL VVSIH低于VIL，則高于VIH，則輸入為邏輯0 輸入為邏輯1斜率小于1的區(qū)域內，輸入噪聲的變化導致輸出y有劇烈變化電路基礎工程系 2014年春季學期12VOUT噪聲容限Noise Margin5VVOUT = VINVOHVOUHVS發(fā)信者受信者VOUL VOLVIN5V0V5VVVVVVV5VILOLSIHOHOH邏輯1輸入在VOLVIL之間變化時，輸出為VOH，最壞

8、為VOUH，邏輯1NMHVIH輸出低幾乎不變化，因此噪聲容限為禁區(qū)NML= VIL-VOLVILNML輸入在VOHVIH之間變化時， 輸出為VOL，最壞為VOUL，邏輯0邏輯0輸出高幾乎不變化，因此噪聲容限為VOL0V0V電路NMH= VOH-VIH基礎13受信者發(fā)信者3、 CMOS反相器轉移特性回顧說明+5V+5V= VDD= VDD-Vin-VoutVSG, pVSD, pPMOSAVout= Vin= VoutVGS ,nVDS ,nNMOS電路基礎工程系2014年春季學期14VinAVin = VGS ,n < VTH ,nNMOS截止，PMOS導通（電阻區(qū)）輸入電壓很低= 0

9、= ID, pID,n+5V= VDD= VOHVoutVPMOSOUTu邏輯1的正常輸出，最高輸出5VVOHVoutNMOSVIN0V5VVTH,n工程系電路基礎2014年春季學期15Vin= Vin+VTH , pVout全狀態(tài)分析VDD -VSD, p= VDD-VSG, p +VTH , pVOUT= VV= VinDG , pTH , pVoutuVDD= Vin-VTH ,nVDDVoutVDS ,n = VGS ,n -VTH ,nVGD,n = VTH ,nPMOSVoutVINNMOS0VVDD-VTH,p VDDV-VTH,nTH,puNMOS截止區(qū)，PMOS歐姆區(qū)vNMO

10、S飽和區(qū)，PMOS歐姆區(qū)wNMOS飽和區(qū)，PMOS飽和區(qū)xNMOS歐姆區(qū)，PMOS飽和區(qū)yNMOS歐姆區(qū)，PMOS截止區(qū)> VTHn ,VGDn> VTHn ,歐姆區(qū)NMOS :VGSnPMOS :V> V,V> V,歐姆區(qū)SGpTHpDGpTHp電路基礎16VinN截止P歐姆vP恒流wN恒流N歐姆xP截止y關鍵拐點位置VOUT= V+VV= VinoutinTH , pVoutuVDDV= V-VoutinTH ,n原則上可求解VIL，VIH，VSVIN0VVDD-VTH,pVDDVTH,n-VTH,pVILVSVIH電路基礎工程系 2014年春季學期17vwxy大綱

11、數(shù)字抽象 數(shù)值離散化 邏輯與 噪聲容限 CMOS反相器分析的第一講（理想抽象）作業(yè)講解電路基礎工程系 2014年春季學期18vout作業(yè)1同相電壓放大器vinR2 : 9kWR1 :1kW講義練習5.1 用理想的虛短、虛斷特性分析該電路，證明電壓放大倍數(shù)為= vout= 1 + R2AvvRin1 分析負反饋連接方式，說明閉環(huán)放大器實現(xiàn)了接近理想壓控壓源的電壓放大器，給出該電壓放大器的 輸入電阻，輸出電阻和閉環(huán)電壓增益，并畫出等效 電路模型工作在線性區(qū)，其輸入電阻為Rin=2MW，輸出 其中電阻為Rout=75W，其電壓增益為Av0=200000。電路基礎工程系 2014年春季學期19虛短虛斷

12、分析voutvin首先確認負反饋，其 次虛短、虛斷分析R2viniR1vv= i = inR1 outR1 + R2= vout= 1+ R2A同相電壓放大器vFvRin1電路基礎工程系 2014年春季學期20串并連接分析RoRiAvev0voutAv0veveRvinvout2vinv并聯(lián)串聯(lián)fR1R2同相電壓放大器Rv1f電壓串聯(lián)負反饋檢測輸出電壓在輸入端口形成串聯(lián)負反21饋電路基礎= i1Ri= i2 Rov1v2串并連接h相加+ Av0v1RoAA11Ri=- v0 v=- v0 R iivv2212i 1RRRRoooovoutAv0veveév ùé0

13、 ùé iùR1êú = êi1úêúëi2 ûë- Av0 Ri GoGo ûëv2 ûvin并聯(lián)串聯(lián)R2Rv1f1R1=- iiv221R + RR + R1212h1éR1 | R2ùé iév ùù2RR= êú11= i R + i= i R+1v- i 1vRêi úúêv ú-hêë1

14、11211121R + RR + Rë 2 ûûë 2 ûR + R121212R1R2R1= i1+Rv2R1R + R+ Rh =22R1 + R21212v1 = (i1 + i2 )R1v2 = i2 R2 + (i1 + i2 )R1 = i1R1 + i2 (R1 + R2 )= é0 ùo ûRih串并連接h相加Av0 RiGoi1ê- AR GúAGëv0ioh1éR1 | R2ùúúûh = êh FRi-h

15、êë+ R2R1RovoutR1veR + R12= h A + h Fh AF串聯(lián)并聯(lián)vinR| RhR + R | Réùúúû12i12= ê- AR G -h1G +êR1 + R2v0ioo+ RRvëf12R1 + R2 >> Ro R1 | R2 << Ri»h ùo ûéRihv2hi1ê- AR GúGëv0io由于本身是電壓放大器，同串并連接形成的接近理想的壓控壓源的阻抗要求一致，反

16、饋電路基礎23網(wǎng)絡的負載效應大多情況下可以忽略不計理想反饋網(wǎng)絡與開環(huán)放大器= h A + h FRi + R1 | R2h AFR + R | Ri12(A R G +h)ih1éùúv0io1(+ R2 )Ro | R1= ê-hAv0 Ri Goêë)ú|(R+ RRûo12vveoutRi + R1éù| R201h ù0ûé0= ê- AR G -hú + êúê)úë0|(R串聯(lián)并聯(lián)v0

17、io+ RvinRëû開環(huán)放大網(wǎng)絡o12開環(huán)放大網(wǎng)絡v2v fhv2éùé0F ùr0理想反饋網(wǎng)絡= êinú + êvúë- Av¢0 rin goutgout ûë00 û電路基礎24= é gin0 ùout û-1閉環(huán)放大器= hgê A¢úA,openA,openrëv0= éù + é0Fv ù = hrin0+ hh

18、4;- A¢ r gúê00 úAFA,openF ,idealgëout ûëûv0 inoutéê rùFv1-r g(1+ A¢ F )ú(1+ A¢ F )-1= êêêëúúúûg AF = h AFinv0vinoutv0vA¢1 v01+ Av¢0 Fv gout (1+ Av¢0 Fv )éêê

19、9;úú =úúûgin0rout1+ Av¢0 Fv¢1+ AF11+ Av¢0 Fv單向化條件»v0vg A,openAv¢0êêë1+ Av¢0 Fv電路基礎工程系 2014年春季學期25R1h = 0.1 = F具體數(shù)值例分析vR + R12= Ri + R1| R2 = 2.0009MW » 2MWrinrout= Ro |(R1 + R2 ) = 74.44W » 75W+h = 198422 » 200000Av

20、0Av0 Ri GoA¢=v0r ginoutR2vinvout1+ T = 1+ Av¢0 Fv = 19843R1= rin (1+ T ) = 39.7GW » 40GWrinf同相電壓放大器rout= 0.00375WroutfA= 200000R = 2MWR= 75W1+ T Av¢0v0ioA= 9.9995 » 10R= 9kWR = 1kW2vf11+ T電路基礎工程系2014年春季學期26R1h = 0.1 = F具體數(shù)值例分析vR + R12= Ri + R1| R2 = 2.000009MW » 2MWrinr

21、out= Ro |(R1 + R2 ) = 42.86W+h = 114285Av0Av0 Ri GoA¢=v0r ginoutR2vinvout1+ T = 1+ Av¢0 Fv = 11430R1= rin (1+ T ) = 22.9GWrinf同相電壓放大器rout= 0.00375WroutfA= 200000R = 2MWR= 75W1+ T Av¢0v0ioA= 9.9991 » 10R= 90WR = 10W2vf11+ T£ ISC (R1 + R2 ) = 20mA´100W = 2Vvout27R1h = 0.1

22、 = F具體數(shù)值例分析vR + R12= Ri + R1| R2 = 2.9MWrinrout= Ro |(R1 + R2 ) = 74.99W » 75W+h = 137920Av0Av0 Ri GoA¢=v0r ginoutR2vinvout1+ T = 1+ Av¢0 Fv = 13793R1 = rin (1+ T ) = 40GWrinf同相電壓放大器rout= 0.00544Wroutf1+ T Av¢0A= 200000R = 2MWR= 75Wv0ioA= 9.9993 » 10R= 9MWR = 1MWvf1+ T21F &l

23、t; 0.1共模輸入電阻影響，導致R1不再是R1，而是R1|Ric28R1F = 0.1結論vR + R12= Ri + R1 | R2 » Ri= Ro |(R1 + R2 ) » Rorinrout+h » AAv0 Ri GoA¢=v0v0r gAinoutv0= rin (1+ T ) ® ¥rinfroutfRvv2inroutout=1+ T® 0Av¢01R1A=®= 10vf1+ TFv同相電壓放大器電阻的取值范圍在kW -100kW范圍，虛短、虛斷特性應用無異議的理想抽象的限定性條件：A

24、vf<<Av0(T>>1)，Ri>>Rext>>Ro電路基礎工程系 2014年春季學期29壓控：串串連接電流串聯(lián)負反饋圖ioutRRioveioutRLA vvv0 eevRinLvinvv fin串聯(lián)串聯(lián)R1輸出端口反饋網(wǎng)v fR111»R=RGmf絡的負載效應F1F = R= ZfR» (1+ T )R= (1+ T )RF12Rifiof1R= Z+ R» Zff22out22o電路基礎工程系2014年春季學期30流控：并串連接電流并聯(lián)負反饋圖iinieioutRoieRiioutiRAv0veinveRLLR

25、2i f并聯(lián)串聯(lián)R1輸出端口輸入端口反饋網(wǎng)絡的負i f1= -1- R2RA»R1ifFR2反饋網(wǎng)i1絡的負載效應載效應F = F= gf» R2 + R1R= (1+ T )(R| R )i12Rof12ifR= g+ R» gff221+ Tout22oG= g+ G » gff電路基礎工程系2014年春季學期31in11i11作業(yè)2： 舉出生 活中的 一個負 反饋例 子，簡 要通俗 地說明： 由于負反饋的= h(s)sssoutoutininh沒有負反饋負反饋深度不夠= s- f (s)seinout有負反饋hf深負反饋系統(tǒng)sss， 使得系統(tǒng)變得了

26、ineouth= h(se )負sout= h(sin - f (sout)s f= hf (s)sout反饋in電路基礎32f3、已知的電作業(yè)3源電壓為±15V，如果輸入信號是峰峰值為2V的正弦波，輸出是什么波形？如果輸入信號為峰峰值為5V的正弦波，輸出是什么波形？ 畫出波形示意圖v= 9kWRin2voutv= 1kWinR11R®= 1+ 2 = 10R1工作在線性區(qū)：voÎ-Vsat,+VsatAvfFv虛短假設： 虛斷假設：工作在線性區(qū)和飽和區(qū)電路基礎33線性負反饋vOUTvINvOUTvidv- Fv= vINOUTidR1 R1 + R2F =vIN

27、R2- vid= vINR1vOUTFvOUT= 0vIN= -F ×VsatvINÎ-Vsat ,+Vsat < -F ×Vsat= 0, vOUTvINvid線性區(qū)æöR21= ç1+R÷vIN=vOUTvINFvidè1 ø> +F ×VsatvIN電路基礎34= +F ×VsatvIN- FVsat+Vsat+ FVsatO-Vsat線性負反饋：唯一輸出確保為負反饋，則假設工作在線性區(qū)，運用虛短、虛斷原則分析，如果輸出電壓超出±Vsat，則令輸出為

28、7;VsatvOUTvINvOUT+VsatR1 R1 + R2F =- FV+ FVvsatsatINR2OR1-Vsat電路基礎35= Vim cos wtvIN已知的電源電 壓為±15V， 如果輸入 信號是峰 峰值為2V 的正弦波， 輸出是什 么波形？ 如果輸入 信號為峰 峰值為5V 的正弦波，輸出是什么波形？æöR21=vIN = ç1+FR÷vINø= 10Vim cos wt= 10vINvOUTè1v= 1× cos wt+VINsat= 10cos wtvOUTt= 2.5× cos wt

29、vIN-Vsatì-13Vcos wt £ - 13ïï= í25cos wtï251313- < cos wt < +2525vOUT13ï + 13Voswt ³ +ïî25電路基礎工程系 2014年春季學期36作業(yè)4調整的是什么？用理想的虛短、虛斷性質分析如下電路，根據(jù)輸出與輸入之間的功能？，說明這個電路可實現(xiàn)什么R20.5R10.5R1vinvoutR0.5R0.5RW11 R237電路基礎工程系 2014年春季學期R2i1-i1R2 + i1 0.5R10.5R10.5R1i1 + iwi1-i1R2vi+ iwi1inw-i Ri112voutRW0.5R0.5R11 R2i1-i1R2 - i1 0.5R1負反饋連接，則可假設工作在線性區(qū)，利用虛短、虛斷特性分析手工分析采用支路電流法R1i R= (- i R + i 0.5R )-(- i R - i 0.5R ) = i Ri= iww121112111 1w1Rwvinv+ (i + i )0.5R + (i R )+ (i + i )0.5R = 0i = -in1w1ww1w112R+ 1 Rw12R1æöç÷ç-vin