X010a-习题课解答-清华大学-电子电路与系统基础

电子电路与系统基础习题课第十讲1、第八周作业讲解2、CMOS反相器李国林清华大学电子工程系习题课第十讲大纲•第八周作业讲解•CMOS反相器李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季2作业1：直流电阻和交流电阻•假设某二极管伏安特性在很大范围内都满足指数律关系–该二极管的反向饱和电流IS0为10fA–给出直流电流为0.1mA，1mA，10mA时对应的直流电压，以及该直流工作点上的直流电阻和微分电阻–分析直流电阻和微分电阻的变化规律李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季310TDvvSDeIiiD（mA）vDRDrd0.1110李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季410TDvvSDeIi01SDvvIieTD01lnSDTDIivv...10,1,1.0100DDSvmAmAmAifAIiD（mA）vDRDrd0.10.5987V5.987k26010.6585V658.526100.7184V71.842.6TDTSDvvTSDDvivIievIdvdiTD00DdRrDTDDdIvdidvrDDDdIVIVR7.0二极管导通恒压源模型，但二极管本质是耗能的非线性电阻微分电阻很小，小信号的电压波动导致较大的电流波动mVqkTvT26非线性电阻的特征：电阻阻值和工作点有关电流大幅变动，电压几乎不变：恒压等效的基础交直流分析李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季510TDvvSDeIiacDDvVv0DDvfidacDacDacDDacDacDDacDDDrvVfiIvVfVfvVfvVfVfvVfvfi000020000...!2acDDiIi0只要交流信号足够小dacacDacDDrvvVfiVfI000直流分析：非线性分析交流小信号线性分析Taylor展开很小acv高阶项影响可忽略不计直流非线性分析和交流小信号线性分析可以分开分别进行微分电阻•DifferentialResistance–微分电阻•IncrementalResistance–增量电阻•DynamicResistance–动态电阻•SmallSignalResistance–交流小信号电阻李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季6OviDDddidvr微分电阻irVvVviIid000增量电阻ivrdtirVtvVvtiIiacdacac000titvracacd动态电阻交流电阻交直流功率李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季7acDDvVv0dacDacDDrvVfiIi00drmsacDDacdDDACDCacacDDacacacDDacDDacacacDDacDDacDacDDDDDrIRIirIVPPivIViviVIvIViviVIvIViIvVivpP2,20200000000000000直流电阻可用于表述直流功率大小，在信号处理中没有什么地位交流电阻（微分电阻）不仅可用于表述交流功率大小，同时可用于表述交流压流的线性转换关系微分元件在非线性电路分析中具有重要的地位作业2：二极管一阶模型的应用•采用一阶模型，分析如下电路，给出输出电阻上的电压大小李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季8D500LRVV20mVtvSsin100SvLLLvVV0直流分量交流分量李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季9D500LRVV20Sv第一步，确认二极管的导通、截止状态！第二步，用折线模型替代mVtvSsin100V7.0500LRVV20SvtvVmVtvVVVLLSDL000sin10013000.7V恒压源模型分析结论！快速，误差有多大？电压在1.9V-2.1V之间波动，二极管均导通viV9.1V1.2V2mA4拓展分析：交直流分析李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季10DLRVV20svtvVtvtvVVtvVtvVvdDlsLlLsD00000tiIrtvVftvVfvfidddDdDDD000假设vd(t)足够小dddDrtvtiVfI00直流分析交流分析直流分析李国林电子电路与系统基础11DLRVV20LLDRIVfVVfVfI00000010TvvSeIvf10000TLvRIVSeII10fA26mV2V500LSTRIIvVI00001ln可牛顿拉夫逊迭代法数值求解mAkRVIL6.25.07.027.0000mARIIvVILST6332.21ln0)0(00)1(0mARIIvVILST6326.21ln0)1(00)2(0mARIIvVILST6326.21ln0)2(00)3(0简单迭代格式VIIvVSTD6837.01ln0300VVVVDL3163.1000交流分析DLRsvdlsdddrtvtvrtvtitvVtvtvVVtvVtvVvdDlsLlLsD00000dr8762.96326.2260mAmVIvrDTdmVtttvrRRtvsdLLlsin06.98sin1008762.9500500mVttvVtvlLLsin9813160mVttvLsin1001300vd(t)足够小，故而交直流分析几乎精确分段折线模型误差小于2%，而且原理性更强，因而对于大多数二极管电路，我们更喜欢用分段折线模型作业3：二极管开关•如图所示为二极管开关控制的信号传输电路，这里假设电容对直流信号是开路的，对交流小信号是短路的，分别求出控制电压Vc为0V和5V时的输出电压vL波形–分别画出直流等效电路和交流等效电路•二极管直流模型：正偏0.7V电压源，反偏开路•二极管交流模型：正偏短路，反偏开路DVV30Sv0CkRL2kRS1kRC213清华大学电子工程系2013年春季mVtvSsin100V5CV叠加定理不适用于非线性电路，直流分析是非线性分析交流小信号在直流基础上起作用，是线性分析二极管分段线性首要判定其工作区DVV30Sv0CkRL2kRS1kRC2mVtvSsin100V5CVDVV30SvCLRSRCRmVtvSsin1000CVDVV30SvCLRSRCRmVtvSsin100VVC5控制电压使导通15DVV30SvCLRSRCR0CVDVV30Ck2k1k2直流分析二极管抽象为恒压源线性电路满足叠加性分别作用VVD7.0V0V53.1V23.2mA77.0DSvC交流分析k1k2k2mVtsin100mVtsin50mVtsin50mVtsin5016控制电压使截止DVV30SvCLRSRCRVVC5线性电路满足叠加性分别作用DVV30SvCk1k2VVC5直流分析k2V5V0V3DSvCk1k2交流分析k2mVtsin100mVtsin100V0V0V0输入输出波形DVV30Sv0CkRL2kRS1kRC2mVtvSsin100V5CVttttvStVCtvL想象中的电阻性瞬时变化，实际有拖尾：电容充放电动态效应：下学期讨论作业4：二极管数字门电路•我们将大于3V的电压视为逻辑状态1，将小于2V的电压视为逻辑状态0，2-3V的电压不定义其逻辑状态–（1）给出如下两个电路的输出逻辑状态–（2）用一句话说明逻辑与和逻辑或的逻辑运算规则（决策原则）•其中逻辑1用‘同意’一词表述，逻辑0用‘不同意’一词表述–（3）回答：联合国安理会‘一票否决制’采用的是与运算还是或运算？18VVDD51D2D213DDDGNDVSS1D2D213DDD与门：andgate或门：orgateV1（V）V2（V）V3（V）D1D2D30000050150105511二极管：一阶模型李国林电子电路与系统基础与门、或门逻辑李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季19V1（V）V2（V）V3（V）D1D2D3000.7000050.7010500.7100554.3111VVDD51D2D213DDD与门：andgateV1（V）V2（V）V3（V）D1D2D3000000054.3011504.3101554.3111GNDVSS1D2D213DDD或门：orgate两个都同意方可通过有一个同意即可通过开关逻辑李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季20ABAZLRBDDVDRABAZLRBDDVDR第5周作业总结：开关串联与运算开关并联或运算开关旁路非运算二极管开关李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季21VVDD51D2D213DDD与门：andgateGNDVSS1D2D213DDD或门：orgateVVDD51D2D213DDDGNDVSS1D2D213DDD1D2D1D2D高电平开关闭合低电平开关闭合反向开关正向开关晶体管开关与反向开关李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季22+5VVoutVinR+5VVoutVinRVinVout+5VNMOSPMOSRVinVout+5VRNMOS正向开关开关旁路则求非PMOS反向开关反关开关自求非源端接地开关一端接地为旁路源端接源NMOS和PMOS不能互换位置PMOS源端高电位NMOS源端低电位串联则与，旁路则非，反向先非李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季23+5VABABRBAZRBAZ0001111010100110010101110000BABAABPNOS源端高电位NMOS源端低电位NMOS、PMOS位置不能互换BAAB与非非与+5V并联则或，旁路则非，反向先非李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季24ABBAZ+5VABBAZ+5VPNOS源端高电位NMOS源端低电位NMOS、PMOS位置不能互换0001111011010110101101110000BABAABBAAB或非非或DeMorgan律李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季250011011010101100BABAAB0011010110011100BABAABABZBABANANDgate与非门ABZ等价ABZNORgate或非门ABZ等价BABACMOS=NMOS+PMOS李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季26+5VVoutVinRNMOSVinVout+5VPMOSRVinVout+5VNMOSPMOSCMOS非门原理李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季27VinVout+5VVoutVin+5VCMOS非门PMOS逻辑与NMOS逻辑输出可点接并联两个逻辑输出可点接并联的前提条件：输出一致或一个输出是悬空的+5VCMOSNOTGatePMOS和NMOS，一