1、 电电子学子学 电电 电路与电路与 集总电路抽象介绍集总电路抽象介绍 6.002 2000 年秋 第一讲 1 课前说明：课前说明：讲师：讲师：Prof.Anant Agarwal 教材：教材：Agarwal&Lang(A&L)仔细阅读所发资料第三页仔细阅读所发资料第三页 课程任务：课程任务：课后作业练习课后作业练习 实验实验 随堂考试随堂考试 期末考试期末考试 6.002 2000 年秋 第一讲 2 作业中可有两次不做（作业作业中可有两次不做（作业 11 除外）除外）对互相协作的要求对互相协作的要求 课后作业课后作业 可以与其他人合作，但不准抄袭可以与其他人合作，但不准抄袭 实验实验 可以两人
2、结组完成，但自己完成实验报告可以两人结组完成，但自己完成实验报告 所发资料上的信息所发资料上的信息 今天需要阅读的内容今天需要阅读的内容 教材第一章教材第一章 6.002 2000 年秋 第一讲 3 “工程”是什么？对科学知识进行有目的的应用对科学知识进行有目的的应用。6.002 讲的是什么内容？有效运用麦克斯韦方程式有效运用麦克斯韦方程式 从电子到数字门再到运算放大器。从电子到数字门再到运算放大器。6.002 2000 年秋 第一讲 4 6.002 2000 年秋 第一讲 5 集总电路抽象集总电路抽象 如果我们希望回答下面问题：如果我们希望回答下面问题：流过灯泡的电流多大？流过灯泡的电流多大
3、？6.002 2000 年秋 第一讲 6 我们可以用较复杂的方法求解：我们可以用较复杂的方法求解：运用“麦克斯韦方程”运用“麦克斯韦方程”6.002 2000 年秋 第一讲 7 同时，还有一个简单的方法：同时，还有一个简单的方法：首先，让我们先来建立一个认知：首先，让我们先来建立一个认知：如果我问如果我问:加速度多大？加速度多大？你会反问你会反问:质量是多少？质量是多少？如果告知如果告知:质量为质量为 m 完成！完成！6.002 2000 年秋 第一讲 8 同时，还有一个简单的方法：同时，还有一个简单的方法：首先，让我们先来建立一个认知：首先，让我们先来建立一个认知：这样做，你忽略了：这样做，
4、你忽略了：6.002 2000 年秋 第一讲 9 简单的方法简单的方法 考虑灯泡的灯丝考虑灯泡的灯丝 们并不关心们并不关心 电流是如何从灯丝流过的电流是如何从灯丝流过的 电流的温度、形状、方向等电流的温度、形状、方向等 这样，为了计算电流我们以一个这样，为了计算电流我们以一个 分立元件电阻分立元件电阻 来代替灯泡。来代替灯泡。6.002 2000 年秋 第一讲 10 简单的方法简单的方法 这样，为了计算电流我们以这样，为了计算电流我们以 一个独立电阻一个独立电阻 来代替灯泡。来代替灯泡。R 代表我们唯一感兴趣的特性。代表我们唯一感兴趣的特性。就像质点：用质量就像质点：用质量 m 代替物体来求得
5、代替物体来求得 6.002 2000 年秋 第一讲 11 简单的方法简单的方法 R 代表我们唯一感兴趣的特性。代表我们唯一感兴趣的特性。R 元件的电压和电流有以下关系：元件的电压和电流有以下关系：称为元件的伏安关系特性称为元件的伏安关系特性 6.002 2000 年秋 第一讲 12 6.002 2000 年秋 第一讲 13 虽然我们在以后的课程中将运用集总抽象这种较简单的分析方法，但我们首先要确定这种方法是合理的。既然这样虽然我们在以后的课程中将运用集总抽象这种较简单的分析方法，但我们首先要确定这种方法是合理的。既然这样 对于元件是有定义的对于元件是有定义的。就要确定就要确定 6.002 20
6、00 年秋 第一讲 14 元件的元件的 必须定义必须定义 6.002 2000 年秋 第一讲 15 必须被定义。必须被定义。若若 仅仅在灯丝内当仅仅在灯丝内当 时是正确的。时是正确的。6.002 2000 年秋 第一讲 16 6.002 2000 年秋 第一讲 17 6.002 2000 年秋 第一讲 18 6.002 2000 年秋 第一讲 19 那么，这给我们带来什么好处呢？那么，这给我们带来什么好处呢？使用集总电路抽象（使用集总电路抽象（LCA），以简单的代数代替了微分方程。），以简单的代数代替了微分方程。例如：例如：在集总问题规定下，电压循环一周满足什么关系呢？在集总问题规定下，电压循
7、环一周满足什么关系呢？6.002 2000 年秋 第一讲 20 在集总问题规定下，电压循环一周满足什么关系呢？在集总问题规定下，电压循环一周满足什么关系呢？基尔霍夫电压定律：（基尔霍夫电压定律：（KVL）集总参数电路中延任一回路电压之和为零集总参数电路中延任一回路电压之和为零 6.002 2000 年秋 第一讲 21 电流有什么特性呢？电流有什么特性呢？考虑考虑 6.002 2000 年秋 第一讲 22 电流有什么特性呢？电流有什么特性呢？在集总参数电路的任一点，流入的电流之和等于零。在集总参数电路的任一点，流入的电流之和等于零。基尔霍夫电流定律：（基尔霍夫电流定律：（KCL）简言之便是电荷守
8、恒。简言之便是电荷守恒。6.002 2000 年秋 第一讲 23 KVL 和和 KCL 总结：总结：6.002 2000 年秋 第一讲 24 电电子学子学 电电 电路与电路与 基本电路分析法 基本电路分析法（KCL 和 KVL法）（KCL 和 KVL法）6.002 2000 年秋 第二讲 1 复习复习 有关集总的学科 LMD:有关集总的学科 LMD:简化分析的约束条件 简化分析的约束条件 外部因素外部因素 内部因素内部因素 导线导线 电阻电阻 电源电源 让我们建立集总抽象电路 让我们建立集总抽象电路 6.002 2000 年秋 第二讲 2 复习复习 LMD允许我们建立集总抽象电路 LMD允许我
9、们建立集总抽象电路 集总电路元件集总电路元件 消耗在元件上的电能=消耗在元件上的电能=vi Review 6.002 2000 年秋 第二讲 3 复习复习 基于LMD理论将Maxwell公式简化为KVL和KCL代数式!基于LMD理论将Maxwell公式简化为KVL和KCL代数式!环路环路 节点 节点 6.002 2000 年秋 第二讲 4 复习复习 Review 例：例：6.002 2000 年秋 第二讲 5 方法1：基本KVL,KCL电路分析法 方法1：基本KVL,KCL电路分析法 要点:找到所有元件的v和i 要点:找到所有元件的v和i 1写出元件的v-i关系 1写出元件的v-i关系(根据集
10、总电路抽象图)(根据集总电路抽象图)2列写所有节点的KCL方程 2列写所有节点的KCL方程 3列出所有环路的KVL方程 3列出所有环路的KVL方程 很多未知数 很多未知数 很多等式 很多等式 很多乐趣 很多乐趣 解决 解决 6.002 2000 年秋 第二讲 6 方法1：基本KVL,KCL电路分析法：方法1：基本KVL,KCL电路分析法：对于电阻，对于电阻，V=IR 对于电压源，对于电压源，V=V 0 对于电流源,对于电流源,I=I 0 三个集总电路元件三个集总电路元件 6.002 2000 年秋 第二讲 7 KVL,KCL 例子 KVL,KCL 例子 演示电路图 演示电路图 6.002 20
11、00 年秋 第二讲 8 相应变量的规定：相应变量的规定：元件 e 元件 e 由正电压端流入的电流规定为正。由正电压端流入的电流规定为正。元件e消耗的功率 为正 元件e消耗的功率 为正 6.002 2000 年秋 第二讲 9 KVL,KCL 例子：KVL,KCL 例子：演示电路图 演示电路图 6.002 2000 年秋 第二讲 10 分析：分析：12个未知量 1.元件关系 1.元件关系 已知 6 个等式 2.结点KCL方程 2.结点KCL方程 重复的 3 个独立等式 3.环路KVL方程3.环路KVL方程 重复的 3 个独立等式 6.002 2000 年秋 第二讲 11 其它分析方法 其它分析方法
12、 方法2 利用元件合并规则方法2 利用元件合并规则 令人惊讶的，这些定律（和稍后将要学到的叠加法）也可以求解第8页的电路问题 令人惊讶的，这些定律（和稍后将要学到的叠加法）也可以求解第8页的电路问题 6.002 2000 年秋 第二讲 12 其它分析方法 其它分析方法 方法2 利用元件合并规则 方法2 利用元件合并规则 例：6.002 2000 年秋 第二讲 13 方法3节点分析 方法3节点分析 KVL,KCL方法应用 KVL,KCL方法应用 1选择测量电压的参考节点（地）1选择测量电压的参考节点（地）2标记其它结点对地电压，这些是主要未知量 2标记其它结点对地电压，这些是主要未知量 3 写出
13、除地外其它结点的KCL方程,叠加原理和KVL方程 3 写出除地外其它结点的KCL方程,叠加原理和KVL方程 4解节点电压 4解节点电压 5反求出其它支路电压和电流(即辅助未知量)5反求出其它支路电压和电流(即辅助未知量)6.002 2000 年秋 第二讲 14 例:旧式可靠正电流源 例:旧式可靠正电流源 第 1 步第 1 步 第 2 步第 2 步 6.002 2000 年秋 第二讲 15 例:旧式可靠正电流源 例:旧式可靠正电流源 为计算方便，可写成：为计算方便，可写成：对于e 1点KCLKCL方程为：对于e 2点KCLKCL方程为：第 3 步 第 3 步 6.002 2000 年秋 第二讲
14、16 例:旧式可靠正电流源 例:旧式可靠正电流源 对于e 1点KCLKCL方程为：对于e 2点KCLKCL方程为：第 3 步第 3 步 移常数项且合并未知数项 移常数项且合并未知数项 2个等式,2个未知量 可解e点(比较单位)2个等式,2个未知量 可解e点(比较单位)第4步第4步 6.002 2000 年秋 第二讲 17 矩阵式可表示为:矩阵式可表示为:导纳阵导纳阵 未知节点电压阵未知节点电压阵 电源阵电源阵 解：解：(同分母)(同分母)注意:线性的注意:线性的 V V0 0、I I1 1，分母中无负数分母中无负数 6.002 2000 年秋 第二讲 18 解，已知解，已知h h 如果 V0=
15、3V,则 e2=1.8V 检验结果是否检验结果是否 与电路符合与电路符合 6.002 2000 年秋 第二讲 19 电电子学子学 电路与电路与 叠加原理、戴维宁和诺顿定理叠加原理、戴维宁和诺顿定理 6.002 2000 年秋 第三讲 1复习复习 复习复习 电路分析方法电路分析方法 KVL：KCL:VI:电路组合规则电路组合规则 节点法节点法 -6.002 的重点的重点 利用对地参考电压在节点处使用基尔霍夫电流定律利用对地参考电压在节点处使用基尔霍夫电流定律(KCL)(电压定律隐含在电压定律隐含在 中中)6.002 2000 年秋 第三讲 2线性电路线性电路 考虑考虑 写出节点方程：写出节点方程
16、：注意：其中注意：其中 e,V,I 满足线性关系满足线性关系 （无 eV,VI 项）6.002 2000 年秋 第三讲 3线性电路线性电路 考虑考虑 写出节点方程：写出节点方程：e,V,I 满足线性关系满足线性关系 整理后得：整理后得：电导矩阵电导矩阵 节点电压节点电压 电源的线性叠加电源的线性叠加 G e =S 6.002 2000 年秋 第三讲 4线性电路线性电路 写出节点方程写出节点方程：e,V,I 满足线性关系满足线性关系 整理后得：整理后得：电导矩阵电导矩阵 节点电压节点电压 电源的线性叠加电源的线性叠加 G e =S 或者或者 线性的线性的 6.002 2000 年秋 第三讲 56
17、.002 2000 年秋 第三讲 6 线性线性 =齐次叠加齐次叠加 线性线性 =齐次叠加齐次叠加 齐次性齐次性 6.002 2000 年秋 第三讲 7线性电路线性电路 =齐次叠加齐次叠加 叠加原理：叠加原理：6.002 2000 年秋 第三讲 8线性电路线性电路 =齐次叠加齐次叠加 叠加原理特例叠加原理特例 6.002 2000 年秋 第三讲 9方法方法 4 叠加法叠加法 电路输出是由每个独立源单独作用的总和所决定的。电路输出是由每个独立源单独作用的总和所决定的。仅限于独立源仅限于独立源 6.002 2000 年秋 第三讲 10 短路短路 断路断路 6.002 2000 年秋 第三讲 11回到
18、上面的例子回到上面的例子 运用叠加法运用叠加法 6.002 2000 年秋 第三讲 12 回到上面的例子回到上面的例子 运用叠加法运用叠加法 V 电压源电压源 单独作用单独作用 I 电流源电流源 单独作用单独作用 求和：求和：叠加叠加 6.002 2000 年秋 第三讲 13实例实例 盐水盐水 正弦正弦 输出显示叠加性输出显示叠加性 直流直流 6.002 2000 年秋 第三讲 14另一种方法：另一种方法：考虑考虑 任意网络任意网络 电阻电阻 与外部激励无关与外部激励无关 特性类似电压特性类似电压 6.002 2000 年秋 第三讲 15或者或者 只考虑外部电路的情况下（目的是获得只考虑外部电
19、路的情况下（目的是获得 I-V的关系式），任意网络的关系式），任意网络可等价为：可等价为：开路电压 开路电压 一对端子（或一个端口）两端 一对端子（或一个端口）两端 端口看进去的等效电阻端口看进去的等效电阻（所有独立源为零值）（所有独立源为零值）6.002 2000 年秋 第三讲 16 方法四方法四 戴维南法戴维南法 将网络将网络用其戴维南等效电路代替，然后求解外电路用其戴维南等效电路代替，然后求解外电路 E 6.002 2000 年秋 第三讲 17例例 6.002 2000 年秋 第三讲 18例例 6.002 2000 年秋 第三讲 19图解法：图解法：6.002 2000 年秋 第三讲 2
20、0方法五：在复习课中讨论方法五：在复习课中讨论 见课本见课本 诺顿法诺顿法 6.002 2000 年秋 第三讲 21小结：小结：离散事件：离散事件：LMD?LCA 物理物理?EE（电气工程）（电气工程）R,I,V 线性网络线性网络 分析方法（线性）分析方法（线性）KVL,KCL,I-V 合并规则合并规则 节点法节点法 叠加法叠加法 戴维南戴维南 诺顿诺顿 下一讲下一讲 非线性分析非线性分析 离散电压离散电压 6.002 2000 年秋 第三讲 22电电子学子学 电电 电路与电路与 数字抽象数字抽象 6.002 2000 年秋 第四讲 1 复习复习离散物质离散物质同样遵守集总元件规律。同样遵守集
21、总元件规律。分析工具：分析工具：KVL/KCL,节点法，叠加定理，戴维宁和诺顿定理（叠加定理，戴维宁和诺顿定理仅适用线性电路）节点法，叠加定理，戴维宁和诺顿定理（叠加定理，戴维宁和诺顿定理仅适用线性电路）6.002 2000 年秋 第四讲 2 今天今天 离散数值离散数值 数字提取（抽象）数字提取（抽象）有意思的是，我们很快就会发现在前三讲中学到的解题工具足够用来分析简单的数字电路有意思的是，我们很快就会发现在前三讲中学到的解题工具足够用来分析简单的数字电路 阅读：阅读：Agawal&Wang 第五章第五章 6.002 2000 年秋 第四讲 3 但是首先我们为什么引入数字信号？但是首先我们为什
22、么引入数字信号？过去过去 模拟信号处理模拟信号处理 例如：例如：V1和和V2可以代表两个传感器的输出可以代表两个传感器的输出 利用叠加定理：利用叠加定理：如果如果R1=R2 上述是一个“加法”电路。上述是一个“加法”电路。6.002 2000 年秋 第四讲 4 噪声问题：噪声问题：接收:接收:哈？！哈？！在这条线上加噪音在这条线上加噪音 噪声信号妨碍了我们对数值的微小差别加以区分的）能力。例如3.1V和3.2V之间。噪声信号妨碍了我们对数值的微小差别加以区分的）能力。例如3.1V和3.2V之间。6.002 2000 年秋 第四讲 5 数值离散化数值离散化 取值有两种可能取值有两种可能 高高 低
23、低 5 V 0 V 真真 假假 1 0 就像两个阿拉伯数字 0 和 1 就像两个阿拉伯数字 0 和 1 为什么这种离散化很有用?为什么这种离散化很有用?(记住，大于记住，大于 1 的数可以用多位二进制数表示和编码，就像用多位十进制数来表示大于的数可以用多位二进制数表示和编码，就像用多位十进制数来表示大于 9的数一样。例如，二进制数的数一样。例如，二进制数 101 等于十进制数等于十进制数5)6.002 2000 年秋 第四讲 6 数字系统数字系统 噪噪 声声 发射器发射器 接收器接收器 高高低低有噪声信号有噪声信号 6.002 2000 年秋 第四讲 7 数字系统数字系统 好的抗噪声性能 好的
24、抗噪声性能 大的“噪声裕量”大的“噪声裕量”对于 1：“噪声裕量”对于 1：“噪声裕量”5V to 2.5V=2.5V5V to 2.5V=2.5V 对于 1：“噪声裕量”对于 1：“噪声裕量”0V to 2.5V=2.5V0V to 2.5V=2.5V 6.002 2000 年秋 第四讲 8 电压域值和逻辑值电压域值和逻辑值 发射器发射器 接收器接收器 6.002 2000 年秋 第四讲 9 但是，但是，但是 但是，但是，但是 2.5V 会是什么情况呢？2.5V 会是什么情况呢？嗯这是禁止的情况嗯这是禁止的情况 例如：例如：发射器发射器 接收器接收器发射器发射器 6.002 2000 年秋
25、第四讲 10 但是，但是，但是 但是，但是，但是 哪里是噪声裕量的范围呢？哪里是噪声裕量的范围呢？如果发送器发送 1 呢:V 如果发送器发送 1 呢:V H H?保持发送器发送的信号严格在域值范围内！保持发送器发送的信号严格在域值范围内！6.002 2000 年秋 第四讲 11 但是，但是，但是但是，但是，但是 那里是噪声容限的极限呢？那里是噪声容限的极限呢？如果发送器发送如果发送器发送 1 呢？呢？保证发送器发送的信号严格满足域值标准！保证发送器发送的信号严格满足域值标准！“1”噪声容限:V1”噪声容限:VIHIH-V-V0H 0H “0”噪声容限:V “0”噪声容限:VILIL-V-V0L
26、0L6.002 2000 年秋 第四讲 12 接收器接收器 发送器发送器 数字系统遵守静态规律：如果数字系统遵守静态规律：如果 输入信号在输入信号的域值范围内则系统可以保证输出信号大小在输出信号域值范围输入信号在输入信号的域值范围内则系统可以保证输出信号大小在输出信号域值范围 6.002 2000 年秋 第四讲 13 数字信号处理 数字信号处理 回想一下,我们仅有两个值 回想一下,我们仅有两个值 6.002 2000 年秋 第四讲 14 处理数字信号 处理数字信号 布尔逻辑 布尔逻辑 6.002 2000 年秋 第四讲 15 组合门 组合门 提取 提取 静态规则静态规则 输出仅是输入的函数.输
27、出仅是输入的函数.数字逻辑设计不用关心 数字逻辑设计不用关心 内部门电路的结构。内部门电路的结构。6.002 2000 年秋 第四讲 16 6.002 2000 年秋 第四讲 17 复习举例复习举例 6.002 2000 年秋 第四讲 18 复习复习 另一个门电路的例子 另一个门电路的例子 如果 (A 是真)或 (B 是真)如果 (A 是真)或 (B 是真)那么 C 是真 那么 C 是真 否则 C 是假 否则 C 是假 6.002 2000 年秋 第四讲 19 布尔恒等式布尔恒等式 数字电路数字电路 6.002 2000 年秋 第四讲 20 电电子学子学 电电 电路与电路与 数字门的内部 数字
28、门的内部 6.002 2000 年秋 第五讲 1 复习复习 数字的抽象模型数字的抽象模型 离散量离散量 0，1 静态准则静态准则 满足不同的域值电压满足不同的域值电压 明确应该设计什么样的门.明确应该设计什么样的门.发送器发送器 接收器接收器 禁区禁区 6.002 2000 年秋 第五讲 2 复习复习 组合门模型组合门模型 输出仅是输入的函数输出仅是输入的函数 满足静态准则满足静态准则 与非门与非门 6.002 2000 年秋 第五讲 3 例子：例子：一个数字电路一个数字电路 -包含三个门的电路包含三个门的电路-一个奔腾三的微处理器包含了四百万多个门一个奔腾三的微处理器包含了四百万多个门 麻省
29、理工大学计算机科学实验室设计的计算机读写芯片大约包含三百万个门。麻省理工大学计算机科学实验室设计的计算机读写芯片大约包含三百万个门。6.002 2000 年秋 第五讲 4 如何建造一个数字门电路如何建造一个数字门电路 类似下图类似下图 类似开关类似开关 阀门阀门 能源供给能源供给 如果如果 A 打开并且打开并且 B 打开打开C 能流出水来，能流出水来，否则否则 C 不能。不能。用这个例子建立一个与门电路用这个例子建立一个与门电路 6.002 2000 年秋 第五讲 5 如何建造一个数字门电路如何建造一个数字门电路 或门或门 6.002 2000 年秋 第五讲 6 电路模拟电路模拟 当 A 和
30、B 都合上时，电灯 C 亮 当 A 和 B 都合上时，电灯 C 亮 关键：“开关”器件 关键：“开关”器件 6.002 2000 年秋 第五讲 7 电路模拟电路模拟 开关器件开关器件 等效电路等效电路 三端装置三端装置 如果 C=0 如果 C=0 短接 IN 和 OUT 之间的电路 短接 IN 和 OUT 之间的电路 否则 否则 断开 IN 和 OUT 之间的电路 断开 IN 和 OUT 之间的电路 对于机械开关 对于机械开关 控制 机械按扭控制 机械按扭 6.002 2000 年秋 第五讲 8 思考思考 真值表真值表 6.002 2000 年秋 第五讲 9 这个呢这个呢?真值表真值表 真值表
31、真值表 6.002 2000 年秋 第五讲 10 这个呢？这个呢？也能搭建组合电路也能搭建组合电路 6.002 2000 年秋 第五讲 11 MOSFET 场效应晶体管器件场效应晶体管器件 金属氧化物半金属氧化物半导体场效应晶导体场效应晶体管器件体管器件 漏极漏极 栅极栅极 源极源极 G D S 三端的行为表现类似一个开关三端的行为表现类似一个开关 G：控制端：控制端 D S：以相应的方式运行（根据我们的需要）：以相应的方式运行（根据我们的需要）6.002 2000 年秋 第五讲 12 金属氧化物半导体场效应晶体管装置金属氧化物半导体场效应晶体管装置将它看成一个二端元件来理解其工作原理将它看成
32、一个二端元件来理解其工作原理 开关模仿金属氧化物半导体场效应晶体管器件，金属氧化物半导体场效应晶体管器件的开关模型。开关模仿金属氧化物半导体场效应晶体管器件，金属氧化物半导体场效应晶体管器件的开关模型。为门电压为门电压 约为一伏约为一伏 6.002 2000 年秋 第五讲 13 在示波器上检测 MOS 器件 在示波器上检测 MOS 器件 6.002 2000 年秋 第五讲 14 一个由金属氧化物半导体场效应晶体管构成的反相器一个由金属氧化物半导体场效应晶体管构成的反相器 注意抽象模型的电源 注意抽象模型的电源 反相器的符号隐去了内部的细节如电源 反相器的符号隐去了内部的细节如电源 连接、连接、
33、R RL L、GNDGND等等。等等。（当我门构造门电路时所有门的（当我门构造门电路时所有门的是共用的）是共用的）6.002 2000 年秋 第五讲 15 例如；例如；T1000 型的手提电脑要求门电路满足如图所示的电压阈值（静态准则），而我们的反相器能满足要求吗？型的手提电脑要求门电路满足如图所示的电压阈值（静态准则），而我们的反相器能满足要求吗？发送器发送器 接受器接受器 我们的反向器满足这个。我们的反向器满足这个。6.002 2000 年秋 第五讲 16 又：又：我们的反相器能满足静态准则所规定的阈值吗？我们的反相器能满足静态准则所规定的阈值吗？是是 否否 6.002 2000 年秋 第
34、五讲 17 开关电阻型的金属氧化物半导体场效应晶体管开关电阻型的金属氧化物半导体场效应晶体管 更多精确的更多精确的 MOS 模型模型 6.002 2000 年秋 第五讲 18 开关电阻型的金属氧化物半导体场效应晶体管开关电阻型的金属氧化物半导体场效应晶体管 6.002 2000 年秋 第五讲 19 开关电阻模型的应用开关电阻模型的应用 真值表真值表 6.002 2000 年秋 第五讲 20 电电子学子学 电电 电路与电路与 非线性分析非线性分析 6.002 2000 年秋 第二讲 1 复习复习使数值离散化使数值离散化 LCA 任意电路任意电路 方法 1方法 1KVL，KCL，KVL，KCL，i
35、-v i-v 方法方法 2组合方法组合方法 方法方法 3节点法 节点法 方法方法 4叠加原理 叠加原理 线性电路线性电路 方法方法 5戴维南诺顿定理戴维南诺顿定理 6.002 2000 年秋 第二讲 2 复习复习 使数值离散化使数值离散化数字提取数字提取 如果支路中的开关装置（设置已知如果支路中的开关装置（设置已知 0或或 1）（下面电路中的）（下面电路中的 A、B 相当于开关，当其状态已知时，（导通为相当于开关，当其状态已知时，（导通为 1、截止为、截止为 0）则电路为线性，前五种方法均可以使用）则电路为线性，前五种方法均可以使用 应用应用 SR MOSFET 模型模型 6.002 2000
36、 年秋 第二讲 3 今天今天 非线性分析非线性分析 分析方法是使用分析方法是使用方法 1,方法 2,方法 3 方法 1,方法 2,方法 3 图解法 图解法 增量分析方法介绍增量分析方法介绍 6.002 2000 年秋 第二讲 4 我们怎样分析非线性电路呢，例如：我们怎样分析非线性电路呢，例如：假设图中假设图中 D 为非线性装置为非线性装置 6.002 2000 年秋 第二讲 5 方法一：分析法方法一：分析法 使用节点法使用节点法（请注意节点法适用于线性和非线性电路）（请注意节点法适用于线性和非线性电路）2 个未知数个未知数 2 个方程个方程 通过下面这两种方法来解方程 通过下面这两种方法来解方
37、程 试误法 试误法 数值法 数值法 6.002 2000 年秋 第二讲 6 方法二：图解法方法二：图解法 注意：注意：这种方法适用于方程这种方法适用于方程和和 6.002 2000 年秋 第二讲 7 结合两个约束条件结合两个约束条件 e.g.V=1 vD=0.5V R=1 iD=0.4A a=0.25 b=1 6.002 2000 年秋 第二讲 8 方法三：增量分析法方法三：增量分析法 问题的引出：我们采取线偏振光束问题的引出：我们采取线偏振光束 作为测试源我们能实现么？作为测试源我们能实现么？光强光强 接收到的光强接收到的光强音乐信号音乐信号LED 发出的光发出的光 光光声音声音 非 线 性
38、非 线 性线性线性 问题！会引起失真问题！会引起失真 6.002 2000 年秋 第二讲 9 问题：问题：LED 是非线性的 从而导致失真 LED 是非线性的 从而导致失真 6.002 2000 年秋 第二讲 10 如果如果 LED 是非线性是非线性 这样就可以了。这样就可以了。我们该怎么做呢？我们该怎么做呢？下一讲我们将得到答案！下一讲我们将得到答案！6.002 2000 年秋 第二讲 11 电电子学子学 电电 电路与电路与 增量分析增量分析 6.002 2000 年秋 第二讲 1 复习复习 非线性分析非线性分析 分析方法 分析方法 图解方法图解方法 今天的内容今天的内容 增量分析增量分析
39、阅读：第阅读：第 4.5 章节章节 6.002 2000 年秋 第二讲 2 方法三：增量分析法方法三：增量分析法 问题的引出：我们采取线偏振光束问题的引出：我们采取线偏振光束 作为测试源我们能实现么？作为测试源我们能实现么？光强光强 接收到的光强接收到的光强音乐信号音乐信号LED 发出的光发出的光 光光声音声音 非 线 性非 线 性线性线性 问题！会引起失真问题！会引起失真 6.002 2000 年秋 第二讲 3 问题：问题：LED 是非线性的 失真 LED 是非线性的 失真 6.002 2000 年秋 第二讲 4 进一步分析：进一步分析：技巧：技巧：6.002 2000 年秋 第二讲 5 结
40、果：结果：非常小非常小 6.002 2000 年秋 第二讲 6 结果：结果：6.002 2000 年秋 第二讲 7 增量方法:增量方法:(或小信号方法)(或小信号方法)1.取某一直流偏移量取某一直流偏移量 或偏压点或偏压点VD，ID。2.将小信号将小信号vd (音乐信号音乐信号)叠加叠加 在在VD 上。上。3.响应响应id 对小信号对小信号Vd近似为线性的。近似为线性的。注意：注意：总的改变量总的改变量 直流偏移量直流偏移量 叠加的小信号叠加的小信号 6.002 2000 年秋 第二讲 8 这在数学上怎么解释呢？这在数学上怎么解释呢？即为什么小信号响应是线性的呢？即为什么小信号响应是线性的呢？
41、替换替换 用 Taylor 展开式将 在 处展开 用 Taylor 展开式将 在 处展开 由于由于 很小，故忽略高次项很小，故忽略高次项 6.002 2000 年秋 第二讲 9 关于关于的常量 关于的常量 关于的常量，在的常量，在,DDI V点的斜率 点的斜率 我们可以写出：我们可以写出：直流部分与随时间变化的部分相等直流部分与随时间变化的部分相等 6.002 2000 年秋 第二讲 10 在我们的例子中在我们的例子中 直流量与增量项相等直流量与增量项相等 6.002 2000 年秋 第二讲 11 图形法图形法 我们将 A 点和 B 点近似看作一点 我们将 A 点和 B 点近似看作一点 6.0
42、02 2000 年秋 第二讲 12 图解法图解法 我们可以看到小信号：数学法我们可以看到小信号：数学法 现在，电路现在，电路 大信号电路大信号电路 小信号电路小信号电路 小信号响应小信号响应 表现为 表现为 6.002 2000 年秋 第二讲 13 电电子学子学 电电 电路与电路与 受控电源和放大器 受控电源和放大器 6.002 2000 年秋 第八讲 1 复习复习 非线性电路可以使用节点方法非线性电路可以使用节点方法 小信号分析利用线性响应小信号分析利用线性响应 今天要讲的是：今天要讲的是：受控电源受控电源 放大器放大器 请看：第七章请看：第七章 7.1 7.2 6.002 2000 年秋
43、第八讲 2 受控电源受控电源 以前看到的有：以前看到的有：电阻器电阻器 独立电流源独立电流源 2-端端 一端口器件一端口器件 新型器件：受控电源新型器件：受控电源 例：电压控制电流源例：电压控制电流源 输出电流受输入电压的控制。输出电流受输入电压的控制。6.002 2000 年秋 第八讲 3 受控电源：例受控电源：例 例 1：求出下图中的 V 例 1：求出下图中的 V 独立电流源 受控电源：例受控电源：例 6.002 2000 年秋 第八讲 4 例 2：求出下图中的 V 例 2：求出下图中的 V 电压控制 电压控制 电流源电流源 6.002 2000 年秋 第八讲 5 受控电源：例受控电源：例
44、 例例 2：求出下图中的：求出下图中的 V 电压控制电压控制 电流源电流源 6.002 2000 年秋 第八讲 6 另一受控电源：例另一受控电源：例 可以发现输出电压可以发现输出电压 是是的函数。的函数。6.002 2000 年秋 第八讲 7 另一受控电源：例另一受控电源：例 同样可以发现输出电压同样可以发现输出电压由输入电压由输入电压控制。控制。6.002 2000 年秋 第八讲 8 另一受控电源：例另一受控电源：例 同样可以发现输出电压同样可以发现输出电压由输入电压由输入电压控制。控制。6.002 2000 年秋 第八讲 9 受控电源：例受控电源：例 保留这种思想保留这种思想 6.002
45、2000 年秋 第八讲 10 下一个，放大器下一个，放大器 6.002 2000 年秋 第八讲 11 放大原理？放大原理？信号放大是模拟和数字处理的关键信号放大是模拟和数字处理的关键 模拟信号：模拟信号：除了我们所知的显而易见的放大作用外，放大也是信号传输过程中噪声容限的关键。除了我们所知的显而易见的放大作用外，放大也是信号传输过程中噪声容限的关键。6.002 2000 年秋 第八讲 12 放大原理？放大原理？放大作用是信号传输过程中噪声容限的关键：放大作用是信号传输过程中噪声容限的关键：在没有放大时：在没有放大时：6.002 2000 年秋 第八讲 13 有放大过程时：有放大过程时：6.00
46、2 2000 年秋 第八讲 14 放大原理？放大原理？数字信号：数字信号：6.002 2000 年秋 第八讲 15 放大原理？放大原理？数字信号：数字信号：静态规则需要放大。静态规则需要放大。所需的最小放大要求：所需的最小放大要求：6.002 2000 年秋 第八讲 16 放大器是一个三端口网络，实际上放大器是一个三端口网络，实际上 我们一般不在图中画出电源端。我们一般不在图中画出电源端。也为了方便起见，我们要观察“公共地”。也为了方便起见，我们要观察“公共地”。也就是说，所有的端口一般都有一个共同的参考点，这个参考点叫做“地”。也就是说，所有的端口一般都有一个共同的参考点，这个参考点叫做“地
47、”。我们这样建立系统我们这样建立系统 6.002 2000 年秋 第八讲 17 还记得以上讲的：还记得以上讲的：注意：这是一个放大器注意：这是一个放大器 6.002 2000 年秋 第八讲 18 现在让我们看它的放大作用：现在让我们看它的放大作用：放大放大 6.002 2000 年秋 第八讲 19 6.002 2000 年秋 第八讲 20 6.002 2000 年秋 第八讲 21 6.002 2000 年秋 第八讲 22 如果如果 VCCS 是可以提供电源的装置，利用数学可知其特性曲线变为：是可以提供电源的装置，利用数学可知其特性曲线变为：6.002 2000 年秋 第八讲 23 如果如果 V
48、CCS 是一个无源器件，是一个无源器件，也就是说它不能提供电能，这时也就是说它不能提供电能，这时不能为负，不能为负，所以这时候要注意！所以这时候要注意！容易知道，我们的模型失效。容易知道，我们的模型失效。通常，通常，当当时，将不在有效。时，将不在有效。也就是说也就是说饱和（停止增加）。饱和（停止增加）。我们可以看到：我们可以看到：6.002 2000 年秋 第八讲 24 电电子学子学 电电 电路与电路与 场效应管放大器场效应管放大器 大信号分析大信号分析 6.002 2000 年秋 第九讲 1 回顾：回顾：利用独立信号源构造放大器利用独立信号源构造放大器 控制端控制端输出端输出端 电路中的独立
49、信号源电路中的独立信号源 独立信号源的叠加独立信号源的叠加:方法方法:留下所有独立信号源；一次求解一个受控信号源留下所有独立信号源；一次求解一个受控信号源文本中文本中 3.5.1 部分部分 下面，快速回顾（一下）放大器下面，快速回顾（一下）放大器 阅读：阅读：7.3-7.7 节节 6.002 2000 年秋 第九讲 2 放大器回顾：因为因为0 否则否则 6.002 2000 年秋 第九讲 3 所需关键装置：所需关键装置：电压控制电压控制 电流源电流源 让我们回顾一下我们的老朋友：场效应管让我们回顾一下我们的老朋友：场效应管 6.002 2000 年秋 第九讲 4 所需关键装置：所需关键装置：我
50、们的老朋友：场效应管我们的老朋友：场效应管 首先，我们分析其特性，场效应管的导通状态比你所想象的理想开关和电阻模型要复杂得多。首先，我们分析其特性，场效应管的导通状态比你所想象的理想开关和电阻模型要复杂得多。6.002 2000 年秋 第九讲 5 图解法：图解法：S 模型模型 SR 模型模型 6.002 2000 年秋 第九讲 6 图解法：图解法：S 模型模型 SR 模型模型 当：当：注意场效应管相当于电流源注意场效应管相当于电流源 6.002 2000 年秋 第九讲 7 场效应管 SCS 模型 场效应管 SCS 模型 当：当：处于饱和状态的场效应管的开关电流源模型要比 S 或 SR 模型更加
