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01MA，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310TDVVSDEIIID（MA）VDRDRD01110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410TDVVSDEII01SDVVIIETD01LNSDTDIIVV10,1,10100DDSVMAMAMAIFAIID（MA）VDRDRD0105987V5987K260106585V6585261007184V718426TDTSDVVTSDDVIVIIEVIDVDITD00DDRRDTDDDIVDIDVRDDDDIVIVR70二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510TDVVSDEIIACDDVVV0DDVFIDACDACDACDDACDACDDACDDDRVVFIIVVFVFVVFVVFVFVVFVFI0000200002ACDDIII0只要交流信号足够小DACACDACDDRVVVFIVFI000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IRVVVVIIID000增量电阻IVRDTIRVTVVVTIIIACDACAC000TITVRACACD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7ACDDVVV0DACDACDDRVVFIII00DRMSACDDACDDDACDCACACDDACACACDDACDDACACACDDACDDACDACDDDDDRIRIIRIVPPIVIVIVIVIVIVIVIVIVIVIIVVIVPP2,20200000000000000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8D500LRVV20MVTVSSIN100SVLLLVVV0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9D500LRVV20SV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MVTVSSIN100V70500LRVV20SVTVVMVTVVVVLLSDL000SIN100130007V恒压源模型分析结论快速，误差有多大电压在19V21V之间波动，二极管均导通VIV91V12V2MA4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10DLRVV20SVTVVTVTVVVTVVTVVVDDLSLLLSD00000TIIRTVVFTVVFVFIDDDDDDDD000假设VDT足够小DDDDRTVTIVFI00直流分析交流分析直流分析李国林电子电路与系统基础11DLRVV20LLDRIVFVVFVFI00000010TVVSEIVF10000TLVRIVSEII10FA26MV2V500LSTRIIVVI00001LN可牛顿拉夫逊迭代法数值求解MAKRVIL625070270000MARIIVVILST633221LN000010MARIIVVILST632621LN010020MARIIVVILST632621LN020030简单迭代格式VIIVVSTD683701LN0300VVVVDL31631000交流分析DLRSVDLSDDDRTVTVRTVTITVVTVTVVVTVVTVVVDDLSLLLSD00000DR8762963262260MAMVIVRDTDMVTTTVRRRTVSDLLLSIN0698SIN10087629500500MVTTVVTVLLLSIN9813160MVTTVLSIN1001300VDT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07V电压源，反偏开路二极管交流模型正偏短路，反偏开路DVV30SV0CKRL2KRS1KRC213清华大学电子工程系2013年春季MVTVSSIN100V5CV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DVV30SV0CKRL2KRS1KRC2MVTVSSIN100V5CVDVV30SVCLRSRCRMVTVSSIN1000CVDVV30SVCLRSRCRMVTVSSIN100VVC5控制电压使导通15DVV30SVCLRSRCR0CVDVV30CK2K1K2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VVD70V0V531V232MA770DSVC交流分析K1K2K2MVTSIN100MVTSIN50MVTSIN50MVTSIN5016控制电压使截止DVV30SVCLRSRCRVVC5线性电路满足叠加性分别作用DVV30SVCK1K2VVC5直流分析K2V5V0V3DSVCK1K2交流分析K2MVTSIN100MVTSIN100V0V0V0输入输出波形DVV30SV0CKRL2KRS1KRC2MVTVSSIN100V5CVTTTTVSTVCTVL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0，23V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18VVDD51D2D213DDDGNDVSS1D2D213DDD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）D1D2D30007000050701050071005543111VVDD51D2D213DDD与门ANDGATEV1（V）V2（V）V3（V）D1D2D3000000054301150431015543111GNDVSS1D2D213DDD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20ABAZLRBDDVDRABAZLRBDDVDR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21VVDD51D2D213DDD与门ANDGATEGNDVSS1D2D213DDD或门ORGATEVVDD51D2D213DDDGNDVSS1D2D213DDD1D2D1D2D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225VVOUTVINR5VVOUTVINRVINVOUT5VNMOSPMOSRVINVOUT5VRNMOS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235VABABRBAZRBAZ0001111010100110010101110000BABAABPNOS源端高电位NMOS源端低电位NMOS、PMOS位置不能互换BAAB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24ABBAZ5VABBAZ5VPNOS源端高电位NMOS源端低电位NMOS、PMOS位置不能互换0001111011010110101101110000BABAABBAAB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250011011010101100BABAAB0011010110011100BABAABABZBABANANDGATE与非门ABZ等价ABZNORGATE或非门ABZ等价BABACMOSNMOSPMOS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265VVOUTVINRNMOSVINVOUT5VPMOSRVINVOUT5VNMOSPMOSCMOS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27VINVOUT5VVOUTVIN5VCMOS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，一个饱和导通时另一个截止，消耗功率很小AAANZNMOS正向旁路开关输入高电平时，输出低电平，求非输入低电平时，输出悬空5VAPZ100AAAZN悬空101AAAZP悬空NMOS反向传输开关输入低电平时，输出高电平，求非输入高电平时，输出悬空ZP和ZN可以点接在一起点接一起后，实现完整的求非运算李国林电子电路与系统基础28CMOS与非门李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2012年春季学期295VNANDGATEAABB互补N串则P并相同逻辑符号表明它们连在一起，免除连线过多头晕011BABABABAZP悬空010BABABAZN悬空BABAZZZNP并Z开关并联或运算，反向开关先求非开关串联与运算，旁路开关后求非输出只要不矛盾，输出端点可点接输出端口可并联CMOS或非门李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2012年春季学期305VNORGATEABAB100BABABAZN悬空101BABABABAZP悬空BABAZZZNP并Z互补N并则P串开关串联与运算，反向开关先求非开关并联或运算，旁路开关后求非输出只要不矛盾，输出端点可点接输出端口可并联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31VVDD51D2D213DDD与门ANDGATEGNDVSS1D2D213DDD或门ORGATEVVDD51D2D213DDDGNDVSS1D2D213DDD1D2D1D2D正向开关开关并联则求或反向开关先求非，开关并联则求或，旁路开关则求非2121213DDDDDDD作业5转移特性画出如图所示电路的电压转移特性曲线李国林电子电路与系统基础32IVOVIVOVIVOVK2V5DK2DV3作业中，普通PN结二极管均采用一阶模型开关07V偏压二极管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33ODVDI正偏导通反偏截止07VODVDI07VODVDI07VODVDI（A）实测特性（B）正偏戴维南源模型（C）正偏恒压源模型（D）理想整流模型0I7070V0DDBDDRVVI0I7070V0DDVVVIDD0I00V0DDDDVI应用很少高电压应用多采用此模型低电压应用多采用此模型串接负载很小时，戴维南源内阻才会被考虑在内二极管分段折线正偏导通，反偏截止分界判断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34IVOVK2V5DIVOVK2V5D假设D正偏导通，则VOVI070DIV700705RVIIDVVI34IVOVV34V70V5D正偏导通区VOVI07D反偏截止区VO5V二极管分段折线正偏导通，反偏截止分界判断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35假设D正偏导通，则VO23V0DIV700703RVIIDVVI32IVOVV32V32D正偏导通区VO23VD反偏截止区VOVIIVOVK2DV3IVOVK2DV3作业6二极管稳压器一个齐纳稳压电路，输入电压在16V20V之间变动，齐纳二极管为1N4733A，负载电阻RL要求负载电流为6MA20MA才能正常工作，限流电阻RS的取值范围是多少齐纳二极管采用理想电压源模型，反向击穿假设为51V恒压当输入电压、限流电阻、负载电流都取中间值时，求所有元件上释放或消耗的功率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36SVLRLVSR李国林电子电路与系统基础37SVLRLVSR16V20VVZ51VIL620MAIZ0178MAIZ1178MAISMAIZ1780MAIRVVIMALSZSL198184178206MARVVMASZS1842074554520152016201841841520168159MAMAVVRMAVVMAZSSZS54581SR51981SRMAIMAL206SZSSLZRVVIII功率分配情况38SVLRLVSR16V20VVZ51VIL620MA18V13MA54581SR51981SR300MAARVVISZSS4304303001518MAIIILSR301343MWMAVIVPSSVS7744318源释放功率MWMARIPSSRS75543004322限流电阻耗能MWMAVIVPZZD1533015齐纳二极管耗能MWMAVIVPZZL3661315负载电阻耗能LDRVPPPPSS（1）能量守恒电源之外都是阻性器件578774366SVLPP30MA43MA（2）效率很低（3）负载端口向内部看，齐纳二极管提供的是恒压特性，VS则提供能量，整体等效为51V恒压源313SR结论差不多，自算作业7限幅器分析说明图示电路为什么有这样的输出电压波形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39稳压二极管串接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401V2V串联相同电流下电压相加1V1I1I2I2V2I2V2IV70ZV70ZV分段折线电路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41VIVIV70ZV70ZV07070700070IVVVVVIIVVZZZZ恒压源开路恒压源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42TVTVPS0COSSRLR1D2DTVTHTHR1D2DTVTVRRRTVPSSLLTH0COSSLSLTHRRRRR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43TVTHTHR1D2DTVTHTHRTVTHTHRTVTHTHR7070ZTHZVTVV70ZTHVTV0I0I70ZV70ZV0I70ZTHVTVTVTVPS0COSSR1D2DLR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4470ZV70ZVVS在某个范围之内，输出和输入为线性关系幅度超过这个范围，则切顶；输入正弦信号幅度极大，输出切顶近似方波输入输出转移特性曲线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45SVSR1D2DLRSVLV70ZV70ZVLSLZRRRV70VS在某个范围之内，输出和输入为线性关系；幅度超过这个范围，则切顶（饱和）O二、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46VDDM2VOUTM1VIN例416VDD33VNMOSFETN25MA/V2VTHN08VPMOSFETP1MA/V2VTHP07V用分段折线电路模型分析反相特性理论课讨论了NMOS，作业做过PMOS，两者配合就是CMOSCMOS反相器图解直观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47VDDM2VOUTM1VINVOUTIDOVIN2V3V4V5VNMOS伏安特性曲线PMOS伏安特性曲线VDS,NVGS,NVSD,PVSG,PVOUTIDOVDD3V2V1V0VVINPSGDDINVVV,PSDDDOUTVVV,PMOS伏安特性曲线（反褶，平移）输入端口并联，同受VIN激励输出端口并联，输出开路，对接关系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4800511522530020406081121416X103VDSN，VOUTIDNVIN12PMOSVIN12VNMOSVIN09VNMOSVIN18VNMOSVIN24VPMOSVIN21VPMOSVIN18VPMOSVIN15VNMOSVIN15VPMOSVDDM2VOUTM1VINVDD33VNMOSFETN25MA/V2VTHN08VVDD33VPMOSFETP1MA/V2VTHP07VINVINVINVINVVVIN80VVIN62反相特性曲线李国林电子电路与系统基础490051152253005115225335VINVOUTVTHN08VVDDVTHP26VVDD33VVS15VVSVTHN07VVSVTHP22VVTHP07VVOUTVINVOUTVINVTHNVGDNVTHNVOUTVINVTHPVDGPVTHP00511522530020406081121416X103VDSN，VOUTIDNVIN12PMOSVIN12VNMOSVIN09VNMOSVIN18VNMOSVIN24VPMOSVIN21VPMOSVIN18VPMOSVIN15VNMOSVIN15VPMOSNMOS截止区NMOS欧姆区NMOS恒流区PMOS截止区PMOS欧姆区VDDM2VOUTM1VINPMOS恒流区分段折线电路模型分析区李国林电子电路与系统基础00511522530020406081121416X103VDSN，VOUTIDNVIN12PMOSVIN12VNMOSVIN09VNMOSVIN18VNMOSVIN24VPMOSVIN21VPMOSVIN18VPMOSVIN15VNMOSVIN15VPMOSVDDM2VOUTM1VINVDDRON2VOUTVDDM1VINVINVTHPID01VIN08V15VTHPINDDPTHPSGPONVVVVVR2121222201THNINNTHNGSNNDVVVVITHPINDDTHNINPNDDONDDDOUTVVVVVVRIVV22012分段折线电路模型分析区分界00511522530020406081121416X103VDSN，VOUTIDNVIN12PMOSVIN12VNMOSVIN09VNMOSVIN18VNMOSVIN24VPMOSVIN21VPMOSVIN18VPMOSVIN15VNMOSVIN15VPMOS区NMOS恒流导通，PMOS欧姆导通区NMOS恒流导通，PMOS恒流导通NTHINVV,THPINDDTHNINPNDDONDDDOUTVVVVVVRIVV22012201202THNINNDTHPINDDPDVVIVVVIVOUT下降到22V，PMOS脱离欧姆区，进入恒流区两个恒流必须相等VDDM2VOUTM1VINSPNTHNPNTHPDDINVVVVVV50101521800152703310THPDGPVVVVVVVVTHPINOUT2270510PMOS沟道夹断分段折线电路模型分析区00511522530020406081121416X103VDSN，VOUTIDNVIN12PMOSVIN12VNMOSVIN09VNMOSVIN18VNMOSVIN24VPMOSVIN21VPMOSVIN18VPMOSVIN15VNMOSVIN15VPMOS区NMOS恒流导通，PMOS恒流导通VDDM2VOUTM1VINVDDVOUT22V07VID01VIN15VID02SPNTHNPN