X013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十三讲1、第十一讲作业讲解2、为什么差分放大李国林清华大学电子工程系习题课第十三讲大纲第十一讲作业讲解为什么差分放大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、2、3交流小信号放大器网络参量及其对应等效电路（1）给出图示二端口网络的网络参量（交流小信号参量，自选ZYHG）负阻放大器P32图反射型负阻放大器P33图CE组态晶体管放大器P48图（2）给出对应参量的等效电路模型（3）求放大器输入阻抗和输出阻抗考虑信源内阻、负载电阻的影响（4）根据网络参量具体数值说明其有源性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负阻放大器抽象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4CC1VS005COSTVB025VDCC2RFCRL250VS005COSTRL250负阻放大器负阻放大器就是一个并臂负阻1DLLINOUTPGGGPPG作业1（1）给出图示虚框二端口网络的网络参量（自选ZYHG）（2）给出对应参量的等效电路模型（3）求放大器输入阻抗和输出阻抗0DG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5CC1VS005COSTVB025VDCC2RFCRL250VS005COSTRL250负阻放大器CC1VS005COSTVBRDVLCC2RFCRL250VS005COSTRDVLRL250交流短路交流短路交流开路292直流工作点位于负阻区，微分电阻为负阻李国林电子电路与系统基础6VLVS005COSTRDVLRL250292292292292DDDDRRRRZ2922922292I1292I2I1I1V2VKRRRRRRRLDLDLDIN741250292250292|0|SDOUTRRR并臂电阻，Z参量DDRIIVRIIV2122111121122222211211ZRZZZRZRZZZRSOUTLIN有源性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7292292292292DDDDRRRRZ029222212212221212211212211IIIIRIIIIRIIRIRIIRIRIVIVPDDDDDD只要端口电流之和不为0，只要有电流流过负阻，负阻即向外输出功率，故而有源具有向外输出功率的能力则称之为有源VLVS005COSTRDVLRL2500ZZLSVDR0Z0ZZS反射型负阻放大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800ZRZRDDMAX,MAXMAX,MAX,200MAX,2SPSTSDDSLPGPGPRZRZPPMAX,SPMAX,2SP负阻将直流能量转换为交流能量反射功率高于入射功率环形器提供无功率反射的端口匹配条件信源提供激励负载吸收负阻反射功率作业2（1）给出图示二端口网络的网络参量（自选ZYHG）（2）给出对应参量的等效电路模型（3）求放大器输入阻抗和输出阻抗（端接匹配情况）0DR321000000321000IIIZZZZZZVVV2500Z1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90ZZLSVDR0Z0ZZS1V1I3V3I2V2I321000000321000IIIZZZZZZVVV201031030230201IZIZVIZIZVIZIZV环形器元件约束22IRVD端口2接负阻负阻约束210302IRIZIZVD10302IRZIRZIDD32010201030010201033020120301030030201IRZIZRZIRZIRZZIZIZIZVIZRZIRZIZIRZIRZZIZIZVDDDDDDDD李国林电子电路与系统基础100ZZLSVDR0Z0ZZSMAX,SP3201020330201201IRZIZRZVIZRZIRZVDDDD214464362142002002020DDDDRZZRZZRZRZZ214214336I1464I3I1I1V3V292,2500DRZ00200200202022211211ZZRZZRZZRZRZRZZZZRDDDDLIN00200200202011211222ZZRZZRZZRZRZRZZZZRDDDDSOUT非互易网络通过环形器，可以实现双端同时匹配有源性110ZZLSVDR0Z0ZZSMAX,SPDDDDRZZRZZRZRZ2002002020Z002222312031202320212033201020130201203311DDDDDDDDDRVIIRZIIRZIRZIRZIIRZIZRZIIZRZIRZIVIVP只要端口电流之差不为0，只要有电压加载到负阻两端，负阻即向外输出功率，故有源10302IZIZV环形器负阻向外释放的纯功率全部是负阻释放的晶体管放大器抽象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12VCCRCRB1RERB2TRSVSRLCCCECBVSRSRLAMPLIFIER作业3（1）给出图示二端口网络的网络参量（自选ZYHG）（2）给出对应参量的等效电路模型（3）求放大器输入阻抗和输出阻抗李国林电子电路与系统基础13VCCRCRB1RERB2TRSVSRLVLCCCECBRCRBTVSRSRLRCRBVSRSRLGMVBERCERBE（A）（B）（C）VSRSRLGMVBEROUTRIN（C）MSGGGGGGGGCCEMBBEOUTMIN18905410256000YKKKRRGGRKKKRRGGRCCECCEOUTBBEBBEIN28565|692|1903488|227|1有源性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14RCVSRSRLGMVBEROUTRIN（C）MSGGGGGGGGCCEMBBEOUTMIN18905410256000Y222121212112211VGGVVGVGGVGGVGVVGGVIVIVPCCEMBBECCEMBBE0402CCEBBEMGGGGGP01722189025604541422CCEBBEMGGGGGP21,VV存在P0的可能性，则可向外释放功率，故而有源作业4非线性局部线性化练习430如图所示，假设某非线性电路中包含两个单端口的非线性电阻器件，剩余的电路则是线性电阻电路和理想电源构成的线性网络。（1）假设两个非线性电阻器件都是压控器件，则二端口的线性网络应该采用什么参量描述比较适当（2）假设两个非线性电阻器件都是流控器件，则二端口的线性网络应该采用什么参量描述比较适当（3）假设两个非线性电阻器件一个是压控器件，一个是流控器件，则二端口的线性网络应该采用什么参量描述比较适当（4）不妨假设两个非线性电阻器件都是流控器件，并且假设线性网络中的源等效中包含直流分量和交流小信号分量，请描述该网络的交直流分析全过程。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15RNL2RNL1线性网络两个非线性电阻都是压控器件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16RNL2RNL1线性网络1V1I2I2V简单对接关系，每个端口只需定义一套端口电压、端口电流即可压控器件11,11,11VFVFIIIVNLIVNL22,22,22VFVFIIIVNLIVNLRNL1RNL2线性网络所谓压控，就是以电压作为自变量描述其他因变量，如电流故而应首先获得电压，其次由电压获得电流212121NNIIVVIIY0212122,11,NNIVIVIIVVVFVFY由此方程求出V1，V2，再代回求I1，I2最适电路方程全部采用压控形式，则最终电路方程中只有电压为未知量两个非线性电阻都是流控器件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17RNL2RNL1线性网络1V1I2I2V简单对接关系，每个端口只需定义一套端口电压、端口电流即可流控器件11,11,11IFIFVVVINLVINL22,22,22IFIFVVVINLVINLRNL1RNL2线性网络所谓流控，就是以电流作为自变量描述其他因变量，如电压故而应首先获得电流，其次由电流求取电压212121THTHVVIIVVZ212122,11,THTHVIVIVVIIIFIFZ由此方程求出I1，I2，再代回求V1，V2最适电路方程两个非线性电阻一压控一流控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18RNL2RNL1线性网络1V1I2I2VRNL1压控RNL2流控，G参量描述线性网络最适当获得最适电路方程RNL1流控RNL2压控，H参量描述线性网络最适当获得最适电路方程压控器件11,11,11VFVFIIIVNLIVNL22,22,22IFIFVVVINLVINLRNL1RNL2线性网络流控器件需要先确认其电流，压控器件需要先确认其电压212121THNVIIVVIG212122,11,THNVIIVVIIVIFVFG由此方程求出V1，I2，再代回求I1，V2流控器件最适电路方程两个非线性电阻都是流控器件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19RNL2RNL1线性网络1V1I2I2V212122,11,THTHVIVIVVIIIFIFZ21212211THTHVVIIIFIFZ21201021IIIIII222111202101222202111101220211012211IIFIIFIFIFIIFIFIIFIFIIFIIFIFIF22011021THTHTHTHTHTHVVVVVV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2021212211THTHVVIIIFIFZ21201021IIIIII22211120210122021101220110220110IIFIIFIFIFIIFIIFVVVVIIIITHTHTHTHZ20210120102010IFIFVVIITHTHZ22112221112121IRIRIIFIIFVVIIDDTHTHZ直流非线性分析交流线性分析分析直流分析和交流小信号分析RNL2RNL1线性网络10V10I20I20VRD2RD1线性网络1V1I2I2V线性网络中只有直流电源起作用，交流电源不起作用（交流电压源短路，交流电流源开路），耦合电容开路，高频扼流圈短路线性网络中只有交流电源起作用，直流电源不起作用（直流电压源短路，直流电流源开路），耦合电容短路，高频扼流圈开路交流分析时，两个单端口非线性电阻用其直流工作点上的微分电阻替代直流分析时，两个单端口非线性电阻无变动202101201020102010IFIFVVVVIITHTHDCZ2211212121IRIRVVVVIIDDTHTHACZ作业5线性范围练习433已知某非线性电阻器件的伏安特性曲线具有如下特性，（1）（2）请给出线性范围最大的直流工作点位置，以及1DB线性范围大小。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22TVVII2TANH0XKYDSINV为输入，I为输出X为输入，Y为输出双曲正切函数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23TVVII2TANH0XXXXEEEEXYTANHXYX2COSH1XY123762096409950OXYTANHXYX2COSH1最大的线性区在X0位置BJT差分对管非线性跨导转移特性24TIDOVVII2TANH0TIDTIDOMVVVIDVDIG2COSH1220TCTEETIDMMVIVIVIVGG0005020TIDTIDTTCMMVVVVVIVIGG2COSH2COSH1222000DBVVTDBID12COSHLOG201,2102011,2102COSHTDBIDVV2011,2102COSHTDBIDVV0591102COSH4011,TDBIDVVMVVVVTTDBID81768500591COSH211,178MV作为BJT差分对的线性范围IEE，差分对尾电流IC0，差分对管直流电流IDMIDTTIDTIDOVGVVIVVIVVII0000222TANH1DB线性范围内正弦函数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25XKYDSINXKYDXCOSXKYDSINXKYDXCOS最大的线性区在X0，位置来源正弦鉴相特性P415用乘法器实现相位鉴别XY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26XKYDSINXKYDXCOSDDXKKY0COSMAXXXKKYYDDXXCOS1COSMAXDBXDB1COS1LOG20110201110COS1DBX27471010ARCCOS2011DBX方便记忆30作为SINX的线性范围1DB线性范围内XKXKYDDSIN输入信号幅度1DB线性范围内，非线性用线性替代分析产生的误差一定程度上可以接受习题6CG组态放大器确认直流工作点在恒流区求电压放大倍数和功率放大倍数李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期27V5V5K20K20EDSTHGSDVVVVI12VVVVVMAETH20112A200K1SVOVSOVVVAMAX,SLPPPG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28V5V5K20K20A200K1SVOV0DV0SV00GVAIS2000AID2000VRIVVDDDDD14500ESTHSNESDTHSGNEDSTHGSNDVVVVVVVVVVVVVVI0200020002001111VVVVVMAETHN201122011120020SSVV方程化简后，只有一个未知量VS0待求直流非线性分析非线性方程求解简单迭代法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292011120020SSVV201120100SSVV4471120100SV42212044711120120112010010SSVV42212042211120120112011020SSVV有意义解无意义解自己分析不考虑厄利效应的解作为初始值迭代结果在有效位数内看已无差别，迭代结束直流工作点决定微分元件李国林电子电路与系统基础V5V5K20K20A200K1SVOVVVD10VVS4221000GVAIS2000AID2000EDSTHGSNDVVVVI12MSVVIVVVVVIGTHGSDEDSTHGSNQGSDM94701422120022120000VVVVVMAETHN20112SVIGSVVVVIGEDDSETHGSNQDSDDS109282014220110220KRKRDSDS100112交流小信号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31V5V5K20K20A200K1SVOVSVK1K20K20SRDRLRDSRK112GSMVGGSVSGM947GSDDSG32INVK1K20K20SRDRLRDSRK112GSMVGGSVSGM947DSGINVK1K20K20SRDRLRDSRK112SMVGSGM947DSSVDIDILDDDSSMDSDINRRIRVGIRIV|SSDINVRIVSDINSRIVVLDDDSSDINMDSDINRRIRRIVGIRIV|INLDSDSMDSSDSMDVRRRRGRRRGI|1DBKKKKKMKKKKMRRRRGRRRRRGVRRIVVALDSDSMDSSLDDSMINLDDINLV4136744064229641070101112947011211011294701|1|DBKKVVRRRVRVGRMSSRMSLLSSRMSSLRMSLP463694674420144422,2,2,功率增益和电压增益不同电流缓冲器模型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33INVK1K20K20SRDRLRINVK1K20K20SRDRLRKRKRDSL112101I1IINMFINSMMINMSVGVRGGVGRI1111INLMFLLVRGRIV1DBKMKKMMRGVVLMFINL71386441048640101947019470差03DB误差可以容忍MG1K061二、为何差分放大差模与共模为何差分放大如何理解差分放大失配导致的问题共模抑制比下降直流失调偶次失真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3421差模与共模IPVINVOPVONVOVIDV全差分结构双端输入两个端点作为输入端，两个端点电压可以分别加入双端输出两个端点作为输出端，两个端点电压可以分别引出共模信号两个端点信号中的共有部分同上同下差模信号两个端点信号中的差异部分一上一下VIP,VIN,VOP,VON都是端点对地电压IDICINIPINIPIPVVVVVVV5022IDICINIPINIPINVVVVVVV5022李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期1M2MSSIDDVOV1DR2DR35ICVICVIDV50IDV50共模与差模IPVINVODVICVIDV50ODVIDV50IPVINVIDICIPVVV50IDICINVVV50共模地差模地李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期36ODOCOPVVV50ODOCONVVV50OCMIDCDICCCOCVVAVAV线性放大器IDDDICDCODVAVAV理想全差分放大器屏蔽共模输入信号OCMOCVVIDDDODVAV共模输出不变差模输出仅对差模输入放大22消除共模干扰信号李国林电子电路与系统基础IVOVIPVINVODV单端放大器全差分放大器不干净的电源和地数模混合电路，高速电路理想电源和理想地电压恒定不变，交流设定为零VVVSI有用信号干扰信号VAVAVVSVO无法区分有用信号和干扰信号VVVVSICMIP50VVVVSICMIN50人为设定的共模信号需要放大的信号以差分形式出现从电源、地混入的干扰信号理想全差分放大器SVIDDDODVAVAV0仅有用信号得以放大23差分结构平衡电桥结构1R2R4R3RDDVP4321|RRRRTESTIPVDDVRRRRRR212434P如果平衡，则看不到VDD1M2MDDVOV1DR2DRIPVINVDDVOV1DR2DRIPMVR1INMVR2DDV两侧完全对称，则为平衡电桥，输出电压中看不到VDD共模抑制的基本原理平衡电桥（对称）两个输入不同，存在差模信号，则不对称，输出电压反映这种不对称差分放大晶体管为受控的非线性电阻为何加尾电流源抑制共模李国林电子电路与系统基础391M2MDDVONVDRDRIPVINV1M2MDDVOVDRDRIPVINVSSIDIDICDDDDIPDDDONRVVIVRVIVV5011OPVDIDDDSSDDDDSSDDDDDDONRVIRIVRIIVRIVV505050501输出共模VOC和输入共模VIC无关，输出差模VOD仅由差模输入VID决定输出共模VOC和输入共模VIC有关，输出差模VOD仅由差模输入VID决定输入共模范围很大，在共模输入范围内，晶体管一直工作在恒流区共模/差模无法有效区分，输入共模范围很小，晶体管很快就会进入欧姆区和截止区李国林电子电路与系统基础401M2MDDVONVDRDRIPVINVOPV1M2MDDVOVDRDRIPVINVSSIINVOPVIPVONVINVOPVDSSDDRIV501ICV2ICV3ICV共模、差模混合一起无法区分共模、差模明确区分共模范围很大截止恒流欧姆恒流截止截止恒流正常放大区很窄电路不宜调试正常放大区很宽电路很容易调试电桥理解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411M2MDDVOV1DR2DRIPVINVSSIOV1DR2DRIPMVR1INMVR2DDVSSIOV1DR2DRIPMVR1INMVR2SSI加了尾电流源之后，电桥的偏置源由恒压源变化为恒流源如果对称，则两个输出端电压仅由RD决定，和非线性电阻无关，也就和输入共模电压无关24失配MISMATCH前面对差分放大器的分析中，假设差分对的两个支路完全对称，因而只放大差模信号，不放大共模信号实际制造工艺中存在的不确定性，标称相同的器件其实是不同的，理论上要求匹配的两个支路失配，将导致如下问题直流失调OFFSET偶次失真EVENORDERDISTORTION共模抑制度降低CMRR李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期42失配的数学描述统计方差代表参数精度WLATHTHVV221THGSDVVLWKIWLAKKK2211LWALWWLLWTHVTHVTHV3THVTHV399730333DP95450268270PP李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期43OXNCKNKTHKTHVVVNTH12,1直流失调现象IDVOVOV0,0OIDVV匹配0,OOSIDVVV失配OSVOSIDVV李国林电子电路与系统基础44两侧完全对称不放大共模信号两侧存在不对称性产生直流失调输入为0，输出不为0失调来源失配451M2MDDVOV1DR2DRIPVINVSSIOV1DR2DRIPMVR1INMVR2SSI1211111121DTHGSDDDDDDONRVVLWKVRIVV2222222221DTHGSDDDDDDOPRVVLWKVRIVV21021021021050,5050,50DDDTHTHTHRRRLWLWLWVVVKKKKKKKKK50500201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461M2MDDVOV1DR2DRIPVINVSSI2222222221DTHGSDDDDDDOPRVVLWKVRIVV1211111121DTHGSDDDDDDONRVVLWKVRIVV0000000000000000000022222111112222221211112,50505050,50,50,50,50,2121THGSVDRLWKDTHGSRDVTHLWKRDVTHLWKDTHGSRDVTHGSLWKDTHGSDTHGSDTHGSDTHGSONOPOVVRLWKRVVLWKFRFVFLWFKFRFVFLWFKFRVVLWKFRVVLWKFRVVLWKFRVVLWKFRVVLWKRVVLWKVVVTHDDTHDTHDTH471M2MDDVOV1DR2DRIPVINVSSI00000000002,THGSVDRLWKDTHGSONOPOVVRLWKRVVLWKFVVVTHD下面假设两侧完全对称，但是输入存在差分把不对称性折合为输入失调电压020000025021DTHOSGSDDDDDDOPRVVVLWKVRIVV020000015021DTHOSGSDDDDDDONRVVVLWKVRIVV0000000000000000000200000200002,50,50,50,50215021THGSOSDTHGSOSGSOSGSDTHGSDTHOSGSDTHOSGSDTHOSGSDTHOSGSONOPOVVVRVVLWKFVVFVVFRVVLWKFRVVVLWKFRVVVLWKFRVVVLWKRVVVLWKVVV把不对称性折合为输入失调电压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4800000000002,THGSVDRLWKDTHGSONOPOVVRLWKRVVLWKFVVVTHD0000002,THGSOSDTHGSOSGSONOPOVVVRVVLWKFVVFVVV输入为0，由不对称性导致的输出不为0假设完全对称，输入不为0导致的输出不为0把失配效应折合为输入失调电压000000022THGSVDRLWKTHGSOSVVRLWKVVVTHDTHDVDRLWKTHGSOSRLWKVVV000002李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2011年春季学期492022022022002,222RLWKVVVRLWKTHGSVRMSOSTH1R2R1M2MOSVSSIDDV0OSV等同噪声处理0OUTVTHDVDRLWKTHGSOSRLWK