電子電路基礎(chǔ)下

1、電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)II習(xí)題課第三講數(shù)字抽象第一講理想運(yùn)放抽象作業(yè)講解李國(guó)林電子工程系大綱數(shù)字抽象 數(shù)值離散化 邏輯10與高低電平的 噪聲容限關(guān)系 對(duì)CMOS反相器的簡(jiǎn)要說(shuō)明第一講（理想運(yùn)放抽象）作業(yè)講解李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期21、 數(shù)值離散化8數(shù)字化就是離散化 時(shí)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(hào)：時(shí)間連續(xù)、幅度連續(xù)876543210-1-2-3-4-5-6-7-8時(shí)間離散化 等時(shí)間間距采樣05101520253035404550（b）數(shù)字信號(hào)：時(shí)間離散、幅度離散幅度離散化：數(shù)值

2、離散化 將一定范圍的連續(xù)數(shù)值用一個(gè)確定的狀態(tài)表述李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期3通信：完成信息/信號(hào)的傳遞sourcesinkmedium以電壓信號(hào)作為信息的表征形式以電纜作為傳輸煤質(zhì)Noise噪聲transmitterreceivervr= f (vt )+ nvr= a × vt + n vr= vt + n一般情況：媒質(zhì)對(duì)信號(hào)有影響簡(jiǎn)化分析：媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響是衰減簡(jiǎn)單分析：信號(hào)無(wú)衰減，僅有噪聲疊加傳輸過(guò)來(lái)的電平還能是邏輯1嗎？李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)4設(shè)備接收設(shè)備vtvr發(fā)信者受信者傳輸媒質(zhì)：自由空間；通道：電纜，光纜，2、邏輯與電平的二值邏輯電路實(shí)

3、現(xiàn)方便 對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的兩個(gè)狀態(tài)關(guān)系二值邏輯 1、0 真、假 5V 、0V數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行的是邏輯運(yùn)算和邏輯，但數(shù)字電路本身處理的、以及互連線（傳輸線）傳輸?shù)膮s是電壓 信號(hào)邏輯與電平是如何的？李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)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)字器件都需滿足的電平-邏輯關(guān)系，從而使得數(shù)字器件互連時(shí)，后級(jí)電路能夠正確解釋前級(jí)電路輸出信號(hào)電平所代表的邏輯 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 所有的信息交換、信息交流都必須滿足事先的約定， 才能有效通信李國(guó)林 電

4、子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期6最簡(jiǎn)單5V5V如果發(fā)信者發(fā)出2.5-d的電平作為邏輯0輸出，噪聲使得受信者接收到2.5-d+n的電平，則要求n< d，否則，受信者必然判邏輯1邏輯1斷錯(cuò)誤，將邏輯0為邏輯12.5V2.5V由于d很小，這種則要求傳輸過(guò)程無(wú)任何噪聲才能無(wú)誤傳輸邏輯0邏輯00V0V李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系2015年秋季學(xué)期7受信者發(fā)信者邏輯狀態(tài)電平范圍00V-2.5V12.5V-5V為了事實(shí)存在的噪聲對(duì)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電平應(yīng)該為VOH5V，邏輯0電平應(yīng)該為0VOL，VO

5、L和VOH遠(yuǎn)離，如是，當(dāng)發(fā)信者邏輯0時(shí)，假設(shè)電平為VOL，則受信者可2.5-VOL的噪聲當(dāng)發(fā)信者邏輯1時(shí)，假設(shè)電平為VOH，則受信者可電子工程系 2015年秋季學(xué)期VOH-2.5的噪聲李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)8受信者發(fā)信者理想發(fā)信者發(fā)出明確的二值電平，受信者用均值進(jìn)行區(qū)分VOH=5V5V邏輯1邏輯12.5V邏輯0邏輯00VV=0VOL此時(shí)，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李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期9受信者發(fā)信者反相器理想轉(zhuǎn)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高電平為電源電壓VOH=5V將低

6、于半電源電壓的電平解釋為邏輯0 邏輯0反相輸出為1將高于半電源電壓的電平解釋為邏輯1 邏輯1反相輸出為0輸出邏輯0低電平為地電壓VINVOL=0V0V2.5V5V李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)受信者：在中間位置2.5V區(qū)分二值10實(shí)際反相器非理想轉(zhuǎn)移特性曲線VS:翻轉(zhuǎn)點(diǎn)：邏輯0、1的分界點(diǎn)VOUT斜率為-15VVOUT= VINV ：門電路認(rèn)定輸入VIL為邏輯0的最高輸入電平OHVOUH斜率為+1VIH：門電路認(rèn)定輸入為邏輯1的最低輸入電平輸入小于VS，輸出則大于VVSS輸入大于VS，輸出則小于VSVS是邏輯0、1分界點(diǎn)VOL：門電路輸出電平為邏輯0的最小輸出電平（³0V）VOULVOL

7、VIN0V5VVIL VS VIHV：門電路輸出電OH平為邏輯1的最大輸出電平（£VDD）11李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系2015年秋季學(xué)期= f (Vin )為何斜率-1Vout+ n= f (V+ n )VVOUT斜率為-1out ,0oin,0if (V)+ f ¢(V)n +.5VVOUT= VIN=VOHVOUHin,0in,0i斜率為1n» f ¢(V)noin,0iVSf ¢(V)n»< nnoin,0iiVOULf ¢(V) < 1VOLVINin,00V5VVIL VVSIH低于VIL，

8、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(nèi)，輸入噪聲的變化導(dǎo)致輸出y有劇烈變化李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)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(shí)， 輸出為VOH，最壞為VOUH， 輸出電平幾乎不變化，因此低電平噪聲容限為NML= VIL-VOL邏輯1NMHVIH禁區(qū)VILNML輸入在VOHVIH之間變化時(shí)， 輸出為VOL，最壞為VOUL， 輸出電平幾乎不變化，因此高電平噪聲容限為邏輯0

9、邏輯0VOL0V0V李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)NMH= VOH-VIH13受信者發(fā)信者3、 CMOS反相器轉(zhuǎn)移特性回顧說(shuō)明+5V+5V= VDD= VDD-Vin-VoutVSG, pVSD, pPMOSAVout= Vin= VoutVGS ,nVDS ,nNMOS李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系2015年秋季學(xué)期14VinAVin = VGS ,n < VTH ,nNMOS截止，PMOS導(dǎo)通（電阻區(qū)）輸入電壓很低= 0 = ID, pID,n+5V= VDD= VOHVoutVPMOSOUTu邏輯1的正常輸出電平，最高輸出電平5VVOHVoutNMOSVIN0V5VVTH,n電子

10、工程系李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)2015年秋季學(xué)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)vNMOS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)> V

11、THn ,VGDn> VTHn ,歐姆區(qū)NMOS :VGSnPMOS :V> V,V> V,歐姆區(qū)SGpTHpDGpTHp李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)16VinN截止P歐姆vP恒流wN恒流N歐姆xP截止y關(guān)鍵拐點(diǎn)位置VOUT= V+VV= VinoutinTH , pVoutuVDDV= V-VoutinTH ,n原則上可求解VIL，VIH，VSVIN0VVDD-VTH,pVDDVTH,n-VTH,pVILVSVIH李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期17vwxy大綱數(shù)字抽象 數(shù)值離散化 邏輯與電平的 噪聲容限 CMOS反相器分析關(guān)系第一講（理想運(yùn)放抽象）作

12、業(yè)講解李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期18vout作業(yè)1同相電壓放大器vinR2 : 9kWR1 :1kW講義練習(xí)5.1 用理想運(yùn)放的虛短、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(fù)反饋連接方式，說(shuō)明閉環(huán)放大器實(shí)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 電路模型性區(qū)，其輸入電阻為Rin=2MW，輸出 其中運(yùn)放工作電阻為Rout=75W，其電壓增益為Av0=200000。李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期19虛短虛斷分析voutvin首先確認(rèn)負(fù)反饋

13、，其 次虛短、虛斷分析R2viniR1vv= i = inR1 outR1 + R2= vout= 1+ R2A同相電壓放大器vFvRin1李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期20串并連接關(guān)系分析RoRiAvev0voutAv0veveRvinvout2vinv并聯(lián)串聯(lián)fR1R2同相電壓放大器Rv1f電壓串聯(lián)負(fù)反饋檢測(cè)輸出電壓在輸入端口形成串聯(lián)負(fù)反21饋李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)= i1Ri= i2 Rov1v2串并連接h相加+ Av0v1RoAA11Ri=- v0 v=- v0 R iivv2212i 1RRRRoooovoutAv0veveév ù&

14、#233;0 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-hê&

15、#235;111211121R + 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

16、 FRi-hêë+ 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由于運(yùn)放本身是電壓放大器，同串并連接形成的接近理想的壓控壓源的

17、阻抗要求一致，反饋 網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載效應(yīng)大多情況下可以忽略不計(jì)李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)理想反饋網(wǎng)絡(luò)與開(kāi)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)ú

18、ë0|(R串聯(lián)并聯(lián)v0io+ RvinRëû開(kāi)環(huán)放大網(wǎng)絡(luò)o12開(kāi)環(huán)放大網(wǎng)絡(luò)v2v fhv2éùé0F ùr0理想反饋網(wǎng)絡(luò)= êinú + êvúë- Av¢0 rin goutgout ûë00 û李國(guó)林電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期24= é gin0 ùout û-1閉環(huán)放大器= hgê A¢úA,openA,openrëv0= é&#

19、249; + é0Fv ù = hrin0+ hhê- 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 (

20、1+ Av¢0 Fv )éêêùúú =úúûgin0rout1+ Av¢0 Fv¢1+ AF11+ Av¢0 Fv單向化條件»v0vg A,openAv¢0êêë1+ Av¢0 Fv李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期25R1h = 0.1 = F具體數(shù)值例分析vR + R12= Ri + R1| R2 = 2.0009MW » 2MWrinrout= Ro |(R1 + R

21、2 ) = 74.44W » 75W+h = 198422 » 200000Av0Av0 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李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系2015年秋季學(xué)期26R1h = 0.

22、1 = F具體數(shù)值例分析vR + R12= Ri + R1| R2 = 2.000009MW » 2MWrinrout= 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

23、+ T£ ISC (R1 + R2 ) = 20mA´100W = 2Vvout27R1h = 0.1 = 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= 200000

24、R = 2MWR= 75Wv0ioA= 9.9993 » 10R= 9MWR = 1MWvf1+ T21F < 0.1共模輸入電阻影響，導(dǎo)致R1不再是R1，而是R1|Ric28R1F = 0.1結(jié)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=®= 1

25、0vf1+ TFv同相電壓放大器電阻的取值范圍在kW -100kW范圍，運(yùn)放虛短、虛斷特性應(yīng)用才是毫無(wú)異議的運(yùn)放理想運(yùn)放抽象的限定性條件：Avf<<Av0(T>>1)，Ri>>Rext>>Ro李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期29壓控流源：串串連接關(guān)系圖電流串聯(lián)負(fù)反饋ioutRRioveioutRLA vvv0 eevRinLvinvv fin串聯(lián)串聯(lián)R1輸出端口存在反饋網(wǎng)v fR111»R=RGmf絡(luò)的負(fù)載效應(yīng)F1F = R= ZfR» (1+ T )R» (1+ T )RF12Rifiof1

26、R= Z+ R» Zff22out22o開(kāi)環(huán)放大器不是原始放大器！李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)30流控流源：并串連接關(guān)系圖電流并聯(lián)負(fù)反饋iinieioutRoieRiioutiRAv0veinveRLLR2i f并聯(lián)串聯(lián)R1輸出端口存在反饋網(wǎng)輸入端口存在反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)i f1= -1- R2RA»R1ifFR2i1絡(luò)的負(fù)載效應(yīng)載效應(yīng)F = F= gf» R2 + R1R» (1+ T )(R| R )i12Rof12ifR= g+ R» gff221+ Tout22oG= g+ G » gff李國(guó)林電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系2015年秋

27、季學(xué)期31in11i11作業(yè)2： 舉出生 活中的 一個(gè)負(fù) 反饋例 子，簡(jiǎn) 要通俗 地說(shuō)明： 由于負(fù)反饋的= h(s)sssoutoutininh沒(méi)有負(fù)反饋負(fù)反饋深度不夠= s- f (s)seinout有負(fù)反饋hf深負(fù)反饋系統(tǒng)穩(wěn)定sss存在， 使得系統(tǒng)變得穩(wěn)定了ineouth= h(se )負(fù)sout= h(sin - f (sout)s f= hf (s)sout反饋in李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)32f3、已知運(yùn)放的電源電壓為±15V，如果輸入信號(hào)是峰峰值為2V的正弦波，輸出是什么波形？如果輸入信號(hào)為峰峰值為5V的正弦波，輸出是什么波形？ 畫出波形示意圖作業(yè)3v= 9kWRin2v

28、outv= 1kWinR11R®= 1+ 2 = 10R1AvfFv性區(qū)：voÎ-Vsat,+Vsat虛短假設(shè)：運(yùn)放工作虛斷假設(shè)：運(yùn)放工作性區(qū)和飽和區(qū)李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)33線性負(fù)反饋vOUTvINvOUTvidv- Fv= vINOUTidR1 R1 + R2F =vINR2- vid= vINR1vOUTFvOUT= 0vIN= -F ×VsatvINÎ-Vsat ,+Vsat < -F ×Vsat= 0, vOUTvINvid線性區(qū)æöR21= ç1+R÷vIN=vOUTvINFvid&

29、#232;1 ø> +F ×VsatvIN李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)34= +F ×VsatvIN-FVsat+Vsat+ FVsatO-Vsat線性負(fù)反饋：唯一輸出確保為負(fù)反饋，則假設(shè)運(yùn)放工作性區(qū)，運(yùn)用虛短、虛斷原則分析，如果輸出電壓超出±Vsat，則令輸出為±VsatvOUTvINvOUT+VsatR1 R1 + R2F =- FV+ FVvsatsatINR2OR1-Vsat李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)35= Vim cos wtvIN已知運(yùn)放 的電源電 壓為±15V， 如果輸入 信號(hào)是峰 峰值為2V 的正弦波， 輸出是什

30、么波形？ 如果輸入 信號(hào)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 wtvIN-Vsatì-13Vcos wt £ - 13ïï= í25cos wtï251313- < cos wt < +2525vOUT13ï + 13Voswt ³

31、+ïî電子工程系 2015年秋季學(xué)期25李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)36作業(yè)4調(diào)整的是什么？用理想運(yùn)放的虛短、虛斷性質(zhì)分析如下電路，根據(jù) 輸出與輸入之間的關(guān)系，說(shuō)明這個(gè)電路可實(shí)現(xiàn)什么 功能？R20.5R10.5R1vinvoutR0.5R0.5RW11 R237李國(guó)林 電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)電子工程系 2015年秋季學(xué)期R2i1-i1R2 + i1 0.5R10.5R10.5R1i1 + iwi1-i1R2vi+ iwi1inw-i Ri112voutRW0.5R0.5R11 R2i1-i1R2 - i1 0.5R1負(fù)反饋連接關(guān)系，則可假設(shè)工作手工分析采用支路電流法性區(qū)，利用虛短、虛斷特性分析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÷ = v2R2R2v= -i R -