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麻省理工开放课程

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麻省理工开放课程:电路与电子学(中文版).pdf,

电路与 电 电子学 集总电路抽象介绍 6.002 2000 年秋 第一讲 1 课前说明: 讲师:Prof. Anant Agarwal ■ 教材:Agarwal&Lang(A&L) ■ 仔细阅读所发资料第三页 ■ 课程任务: 课后作业练习 实验 随堂考试 期末考试 6.002 2000 年秋 第一讲 2 ■ 作业中可有两次不做(作业 11 除外) ■ 对互相协作的要求 课后作业 可以与其他人合作,但不准抄袭 实验 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 ■ 今天需要阅读的内容—— 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。 6.002 讲的是什么内容? 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。 6.002 2000 年秋 第一讲 4 6.002 2000 年秋 第一讲 5 集总电路抽象 如果我们希望回答下面问题: 流过灯泡的电流多大? 6.002 2000 年秋 第一讲 6 我们可以用较复杂的方法求解: 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: 首先,让我们先来建立一个认知: 如果我问: 加速度多大? 你会反问: 质量是多少? 如果告知: 质量为 m 完成!!! 6.002 2000 年秋 第一讲 8 同时,还有一个简单的方法: 首先,让我们先来建立一个认知: 这样做,你忽略了: 6.002 2000 年秋 第一讲 9 简单的方法…… 考虑灯泡的灯丝 们并不关心 ●电流是如何从灯丝流过的 ●电流的温度、形状、方向等 这样,为了计算电流我们以一个 分立元件电阻 来代替灯泡。 6.002 2000 年秋 第一讲 10 简单的方法…… 这样,为了计算电流我们以 一个独立电阻 来代替灯泡。 R 代表我们唯一感兴趣的特性。 就像质点:用质量 m 代替物体来求得 6.002 2000 年秋 第一讲 11 简单的方法…… R 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: 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 就要确定 对于元件是有定义的。 6.002 2000 年秋 第一讲 14 元件的 必须定义 6.002 2000 年秋 第一讲 15 必须被定义。 若 仅仅在灯丝内当 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? 使用集总电路抽象(LCA),以简单的代数代 替了微分方程。 例如: 在集总问题规定下,电压循环一周满足什么关 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? 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 6.002 2000 年秋 第一讲 21 电流有什么特性呢? 考虑 6.002 2000 年秋 第一讲 22 电流有什么特性呢? 基尔霍夫电流定律:(KCL) 在集总参数电路的任一点,流入的电流之 和等于零。 简言之便是电荷守恒。 6.002 2000 年秋 第一讲 23 KVL 和 KCL 总结: 6.002 2000 年秋 第一讲 24 电路与 电 电子学 基本电路分析法 (KCL 和 KVL法) 6.002 2000 年秋 第二讲 1 复习 有关集总的学科 LMD: 简化分析的约束条件 外部因素 内部因素 导线 电阻 电源 让我们建立集总抽象电路 6.002 2000 年秋 第二讲 2 复习 LMD允许我们建立集总抽象电路 集总电路元件 消耗在元件上的电能 = vi Review 6.002 2000 年秋 第二讲 3 复习 基于LMD理论将Maxwell公式简化 为KVL和KCL代数式! 环路 节点 6.002 2000 年秋 第二讲 4 复习 Review 例: 6.002 2000 年秋 第二讲 5 方法1:基本KVL,KCL电路分析法 要点 :找到所有元件的v和i 1.写出元件的v-i关系 (根据集总电路抽象图) 2.列写所有节点的KCL方程 3.列出所有环路的KVL方程 很多未知数 很多等式 很多乐趣 解决 6.002 2000 年秋 第二讲 6 方法1:基本KVL,KCL电路分析法: 对于电阻, V = IR 对于电压源, V =V 0 对于电流源, I = I0 三个集总电路元件 6.002 2000 年秋 第二讲 7 KVL, KCL 例子 演示电路图 6.002 2000 年秋 第二讲 8 相应变量的规定: 元件 e 由正电压端流入的电流规定为正。 元件e消耗的功率 为正 6.002 2000 年秋 第二讲 9 KVL, KCL 例子: 演示电路图 6.002 2000 年秋 第二讲 10 分析: 1. 元件关系 已知 12个未知量 6 个等式 2. 结点KCL方程 3 个独立等式 重复的 3. 环路KVL方程 3 个独立等式 重复的 6.002 2000 年秋 第二讲 11 其它分析方法 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 6.002 2000 年秋 第二讲 12 其它分析方法 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 KVL, KCL方法应用 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 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 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 第1步 第2步 6.002 2000 年秋 第二讲 15 例:旧式可靠正电流源 为计算方便, 可写成: 对于e 1点KCL方程为: 对于e 2点KCL方程为: 6.002 2000 年秋 第二讲 第3步 16 例:旧式可靠正电流源 对于e 1点KCL方程为: 对于e 2点KCL方程为: 移常数项且合并未知数项 第3步 2个等式, 2个未知量 可解e点(比较单位) 第4步 6.002 2000 年秋 第二讲 17 矩阵式可表示为:      导纳阵   解: 未知节点电压阵 电源阵 (同分母) 注意:线性的 V0 、I1,分母中无负数 6.002 2000 年秋 第二讲 18 解,已知h 检验结果是否 与电路符合 如果 V0= 3V, 则 e2 =1.8V 6.002 2000 年秋 第二讲 19 电路与 电子学 叠加原理、戴维宁和诺 顿定理 6.002 2000 年秋 第三讲 1 复复习 习 电路分析方法 · KVL: KCL: VI: ·电路组合规则 ·节点法 ----------- 6.002 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(KCL) (电压定律隐含在 中) 6.002 2000 年秋 第三讲 2 线性电路 考虑 写出节点方程: 注意:其中 e,V, I 满足线性关系 (无 eV,VI 项) 6.002 2000 年秋 第三讲 3 线性电路 考虑 写出节点方程: 整理后得: e,V,I 满足线性关系 电导矩阵 节点电压 G e 6.002 2000 年秋 第三讲 电源的线性叠加 = S 4 线性电路 写出节点方程: 整理后得: e,V,I 满足线性关系 电导矩阵 G 或者 节点电压 e 电源的线性叠加 = S 线性的 6.002 2000 年秋 第三讲 5 线性 => 齐次叠加 6.002 2000 年秋 第三讲 6 线性 => 齐次性 齐次叠加 6.002 2000 年秋 第三讲 7 线性电路 => 齐次叠加 叠加原理: 6.002 2000 年秋 第三讲 8 线性电路 => 叠加原理特例 齐次叠加 6.002 2000 年秋 第三讲 9 方法 4 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。 仅限于独立源 6.002 2000 年秋 第三讲 10 短路 断路 6.002 2000 年秋 第三讲 11 回到上面的例子 运用叠加法 6.002 2000 年秋 第三讲 12 回到上面的例子 运用叠加法 V 电压源 单独作用 I 电流源 单独作用 求和: 叠加 6.002 2000 年秋 第三讲 13 实例 直流 盐水 正弦 输出显示叠加性 6.002 2000 年秋 第三讲 14 另一种方法: 考虑 任意网络 电阻 与外部激励无关 特性类似电压 6.002 2000 年秋 第三讲 15 或者 只考虑外部电路的情况下(目的是获得 I-V 的关系式),任意网络 可等价为: 开路电压 一对端子(或一个端口)两端 端口看进去的等效电阻 (所有独立源为零值) 6.002 2000 年秋 第三讲 16 方法四 戴维南法 将网络 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 6.002 2000 年秋 第三讲 18 例 6.002 2000 年秋 第三讲 19 图解法: 6.002 2000 年秋 第三讲 20 方法五:在复习课中讨论 见课本 诺顿法 6.002 2000 年秋 第三讲 21 小结: ■ 离散事件:LMD Î LCA 物理 Î EE(电气工程) ■R,I,V 线性网络 ■分析方法(线性) KVL,KCL,I-V 合并规则 节点法 叠加法 戴维南 诺顿 下一讲 非线性分析 离散电压 6.002 2000 年秋 第三讲 22 电路与 电 电子学 数字抽象 6.002 2000 年秋 第四讲 1 复习 离散物质同样遵守集总元件规律。 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) 6.002 2000 年秋 第四讲 2 今天 离散数值 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 阅读:Agawal&Wang 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? 过去…… 模拟信号处理 利用叠加定理: 例如:V1和V2可以代表 两个传感器的输出 如果R1 = R2 上述是一个“加法”电路。 6.002 2000 年秋 第四讲 4 噪声问题: 在这条线 上加噪音 接收: 哈?! …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 取值有两种可能 高 低 5V 0V 真 假 1 0 …就像两个阿拉伯数字 0 和 1 为什么这种离散化很有用? (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 9 的数一样。例如,二进制数 101 等于十进制数 5) 6.002 2000 年秋 第四讲 6 数字系统 发射器 噪声 接收器 高 低 有噪声信号 6.002 2000 年秋 第四讲 7 数字系统 好的抗噪声性能 大的“噪声裕量” 对于 1:“噪声裕量”5V to 2.5V = 2.5V 对于 1:“噪声裕量”0V to 2.5V = 2.5V 6.002 2000 年秋 第四讲 8 电压域值和逻辑值 发射器 接收器 6.002 2000 年秋 第四讲 9 但是,但是,但是…… 2.5V 会是什么情况呢? 嗯……这是禁止的情况 例如: 发射器 发射器 接收器 6.002 2000 年秋 第四讲 10 但是,但是,但是…… 哪里是噪声裕量的范围呢? 如果发送器发送 1 呢: V H? 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 那里是噪声容限的极限呢? 如果发送器发送 1 呢? 保证发送器发送的信号严格满足域值 标准! “1” 噪声容限: VIH - V0H “0” 噪声容限: VIL - V0L 6.002 2000 年秋 第四讲 12 发送器 接收器 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 6.002 2000 年秋 第四讲 13 数字信号处理 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 布尔逻辑 6.002 2000 年秋 第四讲 15 组合门 提取 ■静态规则 ■输出仅是输入的函数. 数字逻辑设计不用关心 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 6.002 2000 年秋 第四讲 18 复习… 另一个门电路的例子 如果 (A 是真) 或 那么 C 是真 否则 C 是假 (B 是真) 6.002 2000 年秋 第四讲 19 布尔恒等式 数字电路 6.002 2000 年秋 第四讲 20 电路与 电 电子学 数字门的内部 6.002 2000 年秋 第五讲 1 复习 数字的抽象模型 ●离散量 0,1 ●静态准则 满足不同的域值电压 发送器 接收器 禁区 明确应该设计什么样的门. 6.002 2000 年秋 第五讲 2 复习 组合门模型 输出仅是输入的函数 满足静态准则 与非门 6.002 2000 年秋 第五讲 3 例子: 一个数字电路 ---------------------- 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 ■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 类似下图 能 源 供 给 类似开关 阀门 如果 A 打开并且 B 打开 C 能流出水来, 否则 C 不能。 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 或门 6.002 2000 年秋 第五讲 6 电路模拟 当 A 和 B 都合上时,电灯 C 亮 关键:“开关”器件 6.002 2000 年秋 第五讲 7 电路模拟 开关器件 等效电路 三端装置 如果 C=0 短接 IN 和 OUT 之间的电路 否则 断开 IN 和 OUT 之间的电路 对于机械开关 控制 机械按扭 6.002 2000 年秋 第五讲 8 思考 真值表 6.002 2000 年秋 第五讲 9 这个呢? 真值表 真值表 6.002 2000 年秋 第五讲 10 这个呢? 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 金属氧化物半 导体场效应晶 体管器件 漏极 栅极 源极 G D S 三端的行为表现类似一个开关 G :控制端 D S :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 将它看成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。 为门电压 约为一伏 6.002 2000 年秋 第五讲 13 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 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 连接、RL、GND等等。 (当我门构造门电路时所有门的 是 共用的) 6.002 2000 年秋 第五讲 15 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? 发送器 接受器 我们的反向器满足这个。 6.002 2000 年秋 第五讲 16 又: 我们的反相器能满足静态准则所规定的阈值 吗? 是 否 6.002 2000 年秋 第五讲 17 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 MOS 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 6.002 2000 年秋 第五讲 19 开关电阻模型的应用 真值表 6.002 2000 年秋 第五讲 20 电路与 电 电子学 非线性分析 6.002 2000 年秋 第二讲 1 复习 ■使数值离散化 LCA 方法 1 方法 2 方法 3 方法 4 方法 5 KVL,KCL,i-v 组合方法 节点法 叠加原理 戴维南诺顿定理 任意 电路 线性 电路 6.002 2000 年秋 第二讲 2 复习 ■使数值离散化→数字提取 如果支路中的开关装置(设置已知 0 或 1)(下面电路中的 A、B 相当于开关,当 其状态已知时,(导通为 1、截止为 0))则电 路为线性,前五种方法均可以使用 应用 SR MOSFET 模型 6.002 2000 年秋 第二讲 3 今天 ■ 非线性分析 分析方法是使用方法 1,方法 2,方法 3 图解法 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: 假设图中 D 为非线性装 置 6.002 2000 年秋 第二讲 5 方法一:分析法 使用节点法 (请注意节点法适用于线性和非线性电路) 2 个未知数 2 个方程 通过下面这两种方法来解方程 ■试误法 ■数值法 6.002 2000 年秋 第二讲 6 方法二:图解法 注意: 这种方法适用于方程 和 6.002 2000 年秋 第二讲 7 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 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? 光强 音乐信号 接收到的光强 LED 发出的光 光 非线性 线性 问题!会引起失真 声音 6.002 2000 年秋 第二讲 9 问题: LED 是非线性的 从而导致失真 6.002 2000 年秋 第二讲 10 如果 LED 是非线性 这样就可以了。 我们该怎么做呢? 下一讲我们将得到答案! 6.002 2000 年秋 第二讲 11 电路与 电 电子学 增量分析 6.002 2000 年秋 第二讲 1 复习 非线性分析 ▼分析方法 ▼图解方法 今天的内容 ▼增量分析 阅读:第 4.5 章节 6.002 2000 年秋 第二讲 2 方法三:增量分析法 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? 光强 音乐信号 接收到的光强 LED 发出的光 光 非线性 线性 问题!会引起失真 声音 6.002 2000 年秋 第二讲 3 问题: LED 是非线性的 失真 6.002 2000 年秋 第二讲 4 进一步分析: 技巧: 6.002 2000 年秋 第二讲 5 结果: 非常小 6.002 2000 年秋 第二讲 6 结果: 6.002 2000 年秋 第二讲 7 增量方法: (或小信号方法) 1. 取某一直流偏移量 或偏压点VD,ID 。 2. 将小信号vd (音乐信号)叠加 在VD 上。 3. 响应id 对小信号Vd 近似为线性的。 注意: 总的改变量 直流偏移量 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? 即为什么小信号响应是线性的呢? 替换 用 Taylor 展开式将 在 处展开 由于 很小,故忽略高次 项 6.002 2000 年秋 第二讲 9 关于 的常量 关于 的常量,在 ID,VD 点的斜率 我们可以写出: 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 直流量与增量项相等 6.002 2000 年秋 第二讲 11 图形法 我们将 A 点和 B 点近似看作一点 6.002 2000 年秋 第二讲 12 图解法 我们可以看到小信号:数学法 现在,电路 大信号电路 小信号响应 表现为 小信号电路 6.002 2000 年秋 第二讲 13 电路与 电 电子学 受控电源和放大器 6.002 2000 年秋 第八讲 1 复习 ■非线性电路——可以使用节点方法 ■小信号分析利用线性响应 今天要讲的是: ■受控电源 ■放大器 请看:第七章 7.1 7.2 6.002 2000 年秋 第八讲 2 受控电源 以前看到的有: 电阻器 独立电流源 2-端 一端口器件 新型器件:受控电源 例:电压控制电流源 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 例 1:求出下图中的 V 独立电 流源 受控电源:例 6.002 2000 年秋 第八讲 4 例 2:求出下图中的 V 电压控制 电流源 6.002 2000 年秋 第八讲 5 受控电源:例 例 2:求出下图中的 V 电压控制 电流源 6.002 2000 年秋 第八讲 6 另一受控电源:例 可以发现输出电压 是 的函数。 6.002 2000 年秋 第八讲 7 另一受控电源:例 同样可以发现输出电压 由输入电压 控 制。 6.002 2000 年秋 第八讲 8 另一受控电源:例 同样可以发现输出电压 控制。 由输入电压 6.002 2000 年秋 第八讲 9 受控电源:例 保留这种思想 6.002 2000 年秋 第八讲 10 下一个,放大器 6.002 2000 年秋 第八讲 11 放大原理? 信号放大是模拟和数字处理的关键 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。 6.002 2000 年秋 第八讲 12 放大原理? 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: 6.002 2000 年秋 第八讲 13 有放大过程时: 6.002 2000 年秋 第八讲 14 放大原理? 数字信号: 6.002 2000 年秋 第八讲 15 放大原理? 数字信号: 静态规则需要放大。 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 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”。 我们这样建立系统 6.002 2000 年秋 第八讲 17 还记得以上讲的: 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: 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 VCCS 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 VCCS 是一个无源器件, 也就是说它不能提供电能,这时 负, 所以这时候要注意! 容易知道,我们的模型失效。 不能为 通常, 当 时,将不在有效。 也就是说 饱和(停止增加)。 我们可以看到: 6.002 2000 年秋 第八讲 24 电路与 电 电子学 场效应管放大器 大信号分析 6.002 2000 年秋 第九讲 1 回顾: ■利用独立信号源构造放大器 控制端 ■ 电路中的独立信号源 输出端 ■ 独立信号源的叠加 : 方法:留下所有独立信号源;一次求解一个受 控信号源[文本中 3.5.1 部分] ■下面,快速回顾(一下)放大器…… 阅读:7.3---7.7 节 6.002 2000 年秋 第九讲 2 放大器回顾: 因为 =0 否则 6.002 2000 年秋 第九讲 3 所需关键装置: 电压控制 电流源 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: 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。 6.002 2000 年秋 第九讲 5 图解法: S 模型 SR 模型 6.002 2000 年秋 第九讲 6 图解法: S 模型 SR 模型 当: 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 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 模型更加精确。 6.002 2000 年秋 第九讲 8 模型总结……… 6.002 2000 年秋 第九讲 9 回到放大器 在饱和区: 为了确保场效应管作为电压控制电流源工作, 我们让它仅在饱和区工作。为了做到这点,我 们必须坚持“饱和定律”。 6.002 2000 年秋 第九讲 10 场效应管放大器 在饱和区: 为了确保场效应管作为电压控制电流源工作, 我们让它仅在饱和区工作。为了做到这点,我 们必须坚持“饱和定律”。 换句话说,就是让放大电路始终满足: 并且 6.002 2000 年秋 第九讲 11 让我们分析一下这个电路 首先用电流控制电流源模型替换场效应管 因为: 6.002 2000 年秋 第九讲 12 让我们分析一下这个电路 ① 分析方法: 或者 因为: 因为 因为: (在我们的例 子中: ) (场效应管关断) 6.002 2000 年秋 第九讲 13 ②图解法: 由(A) 因为: 6.002 2000 年秋 第九讲 14 ②图解法: 因为 使 与 相交 6.002 2000 年秋 第九讲 15 ②图示法: 使 与 相交 然后当 已知时,我们即可得到 , 6.002 2000 年秋 第九讲 16 大信号分析放大器 (“饱和状态下”) (1) 与 之间的关系曲线 (2) 输入输出的有效工作区 6.002 2000 年秋 第九讲 17 大信号分析: (1) 与 之间的关系曲线 6.002 2000 年秋 第九讲 18 大信号分析: ②饱和区的范围? 我们使: 6.002 2000 年秋 第九讲 19 大信号分析 ②饱和区间的范围 6.002 2000 年秋 第九讲 20 大信号分析 概述: ① 与: ②饱和规律下的有效运行区间? 有 效输入范围: 相应的输出范围: 6.002 2000 年秋 第九讲 21 电路与 电 电子学 放大器--小信号模型 6.002 2000 年秋 第十讲 1 复习 ■场相应管放大器 ■饱和定律 — 金属氧化物半导体场效应晶 体管只工作在饱和区 ■大信号分析 1. 找出在饱和区内vO和vI之间的关系 2. 饱和区之内有效的vO、vI范围 阅读:小信号模型——第 8 章 6.002 2000 年秋 第十讲 2 大信号复习 vO和vI 在 且 时有效 (同样有 ) 6.002 2000 年秋 第十讲 3 大信号复习 有效的工作范围 相应的 vO 有 效 的区域 vI有效区域。 满足饱和定律 6.002 2000 年秋 第十讲 4 但… 演 示 放大器正常,但是波形失真了 放大器是非线性的… 6.002 2000 年秋 第十讲 5 小信号模型 注意: v v 但是,观察 O和 I上某些点(VO、VI) … 看起来很像线性的! 6.002 2000 年秋 第十讲 6 技巧 ™ 放大器工作在VI-VO曲线上 →直流“偏压”(最好选在:输入工作范围 的中点) ™ 在VI上添加小信号 ™ 对这个小信号的响应看起来是近乎线性的 6.002 2000 年秋 第十讲 7 技巧 ™ 放大器工作在VI-VO曲线上 →直流“偏压”(好的选择:输入工作范围 的中点) ™ 在VI上添加小信号 ™ 对这个小信号的响应看起来是近乎线性的 让我们更细致地看这个问题 — Ⅰ 图解法 Ⅱ 数学分析法 下周 Ⅲ 从电路观点看 6.002 2000 年秋 第十讲 8 Ⅰ 图解法 我们用一个直流偏压VI,让有效输入信号叠加 在其上使输入信号高于VT,而且事实上,大大 高于VT。 6.002 2000 年秋 第十讲 9 图解法 6.002 2000 年秋 第十讲 10 小信号模型 aka 增量模型 aka 线性模型 注释- 6.002 2000 年秋 第十讲 11 Ⅱ 数学推导 (…看我的箭头) 6.002 2000 年秋 第十讲 12 数学推导法 换句话说,我们的电路在小信号下工作类 似于一个线性的放大器。 6.002 2000 年秋 第十讲 13 另一种方法 同样,按照课堂笔记 8.9 的指示用图解法解释 这个结果。 6.002 2000 年秋 第十讲 14 关于下一节的一些知识: 例 范 如何选择偏置点: 1. 增 益 部分 2. 增大 Æ 失真 所以要谨慎选择偏置 3. 输入有效的工作范围。 工作点在输入工作范围的中点处,输入可 以有最大限度的波动。 6.002 2000 年秋 第十讲 15 电路与 电 电子学 小信号电路 6.002 2000 年秋 第十一讲 1 复习 ■ 小信号符号 v v A = VA + a 总的 工作点 小信号 ■ ■ 6.002 2000 年秋 第十一讲 2 复习 I 观察图象(用转移特性) 6.002 2000 年秋 第十一讲 3 复习 II 数学推导 6.002 2000 年秋 第十一讲 4 如何运用另一种方法即图解法在负载线上选 择静态工作点 选择一个静态工作点: 1. 增益gmRL∝VI 2. 在放大器的有效工作范围内输入信号. 3. 静态工作点取决于所选的增益和输入的摆 动幅度。 6.002 2000 年秋 第十一讲 5 III 小信号电路分析 我们能将实际的器件等价成一个小信号模型 电路,因此我们可以直接在电路上进行小信号 分析。 我们也可以用小信号模型代替大信号模型。 理论依据:在 8.2.1 节和这个讲座的最后一张 幻灯片中可以找到。 6.002 2000 年秋 第十一讲 6 小信号电路分析 ① 用大信号模型根据直流偏置输入找出工 作点。 ② 推出小信号线形模型。 ③ 用小信号模型替代原电路中的器件。 线性电路的分析结果…… 提示:可以用叠加原理和其他的一些线性电路 分析工具进行分析。 6.002 2000 年秋 第十一讲 7 小信号模型 MOSFET 小信号呢? 6.002 2000 年秋 第十一讲 8 小信号模型 MOSFET 小信号呢: 6.002 2000 年秋 第十一讲 9 直流电源Vs 6.002 2000 年秋 第十一讲 10 同理,对电阻 R 6.002 2000 年秋 第十一讲 11 放大器示例: 6.002 2000 年秋 第十一讲 12 III 小信号电路分析 为了找到小信号电路中各量之间的关系,我们 可以用相应的器件小信号模型替换大信号模 型,然后分析小信号电路的结果。 原理:(也见8.2.1节中的A&L) 根据 KCL,KVL 有 (1) 用工作点的各变量加上小信号变量替换总的 变量 但是用小信号变量取代(1)中的总的变量之 后,(2)和(1)是相等的。因此,除了用的 是小信号模型以外(2)和(1)反映的是同样 的电路布局(即电路中个参量之间的关系)。 由于小信号模型是线性的,所以我们的所有分 析线性电路的工具都适用… 6.002 2000 年秋 第十一讲 13 电路与 电 电子学 电容器与一阶系统 6.002 2000 年秋 第十二 1 演 示 问题的引出 阅读:第 9 和 10 章 6.002 2000 年秋 第十二 2 电容器 N 沟道 MOSFET 符号 6.002 2000 年秋 第十二 3 理想线性电容器 C = EA d 符合电荷 守恒定律 电容器上 的总电荷 =+q-q=0 库仑 法拉 伏特 6.002 2000 年秋 第十二 4 理想线性电容器 q = Cv i = dq = d (Cv) = C dv dt dt dt [ E = 1 Cv2 ] 2 一个电容器就是一个能量储存 装置 ——〉记 忆 装 置——〉历 史 的 载 体! 6.002 2000 年秋 第十二 5 分析一个 RC 电路 应用节点法: v C − v I + C dv C = 0 R dt RC dv c dt + vC = vI t ≥ t0 v C ( t 0 ) 已知 其中: RC ----时间常数 6.002 2000 年秋 第十二 6 让我们来做一个例题: vI (t) = VI vC(0) =V0 已知 6.002 2000 年秋 第十二 7 例题…… vI (t) = VI vC (0) = V0 已知 vC (t) = vCH (t) + vCP (t) 通解 齐次解 特解 齐次解和特解的求解办法: ① 找到特解; ② 找到齐次解; ③ 通解即特解与齐次解之和; 利用初始条件求出其中余下的常数。 6.002 2000 年秋 第十二 8 ①特解 正常工作时 通常,利用试误法(或:尝试法)。 vCP :任何满足原始方程式(X)的解。 6.002 2000 年秋 第十二 9 齐次解 RCdvCH dt +vCH = 0 -------------- vCH :齐次方程 的解 (令激励源等于零) vCH = Aest 假想的解的形式。 A,S 呢? RC dAest + Aest = 0 dt RCAsste+Aest =0 消去 est ,得 RCAs + A = 0 舍去增根 A = 0,得 RCs + 1 = 0 特征方程 s=− 1 RC −t 则: v CH = Ae RC 其中:RC ----称作时间常数τ 6.002 2000 年秋 第十二 10 通解 vC = vCP + vCH −t vC = VI + Ae RC 从初始条件中找出余下的未知量: 假定 t = 0 时 vC = V0 , 那么 V0 =VI + A 或者 A = V0 −VI 因此 而且 6.002 2000 年秋 第十二 11 6.002 2000 年秋 第十二 12 例题 记住演示 6.002 2000 年秋 第十二 13 电路与 电 电子学 数字电路响应速度 6.002 2000 年秋 第十三讲 1 复习 6.002 2000 年秋 第十三讲 2 让我们把结果应用到一个反相器上 首先,B点的上升延迟时间tr 在 A 点电压由高电平 1 变为低电平 0 6.002 2000 年秋 第十三讲 3 首先,B点的上升延迟时间tr 6.002 2000 年秋 第十三讲 4 首先,B点的上升延迟时间tr 6.002 2000 年秋 第十三讲 5 B 点电压由低电平 0 变为高电平 1 的等 效电路 现在,我们需要得到当vB=B VOH 的时间t 6.002 2000 年秋 第十三讲 6 6.002 2000 年秋 第十三讲 7 6.002 2000 年秋 第十三讲 8 下降延迟时间tf 下降延迟时间是B点电压vB降B 到VOL的时间 B 点电压由高电平 1 变为低电平 0 的等效电路 6.002 2000 年秋 第十三讲 9 下降延迟时间tf B 点电压由高电平 1 变为低电平 0 的等效电路 戴维南替换 6.002 2000 年秋 第十三讲 10 由① 下降延迟时间tf 是B点的电压vBB降到VOL 所 需的时间 或者 6.002 2000 年秋 第十三讲 11 例如: 6.002 2000 年秋 第十三讲 12 为了复习:缓慢也许比较好 问题 因此,工程师决定让速度加快…… 使RL 减小 使RON 减小 6.002 2000 年秋 第十三讲 13 为了复习:缓慢也许比较好 问题 6.002 2000 年秋 第十三讲 14 为什么?想一想…… 演 例① 示 6.002 2000 年秋 第十三讲 15 为什么?想一想…… 演 例② 示 6.002 2000 年秋 第十三讲 16 例③ ……6.002 专家找到了解决办法 过渡期减速 详细的分析在复习课中介绍 6.002 2000 年秋 第十三讲 17 电路与 电 电子学 状态和记忆 6.002 2000 年秋 第十四讲 1 复习 回想: 读:第 10.3 节和 11 章 6.002 2000 年秋 第十四讲 2 这一个演讲将会谈 电容器的记忆特性。 对于早先幻灯片中的 RC 电路 注意该电容器 t≥0 电压与 t = 0 之前的输入 电压无关。该电压仅仅取决于电容器 t=0 时刻 的电压以及 t≥0 时的输入的电压。 6.002 2000 年秋 第十四讲 3 状态 状态:综合过去的相关输入预测未来的特性 对于线性电容器,电容器两 端的电压也是状态变量 目前的状态变量 6.002 2000 年秋 第十四讲 4 状态 回到我们的简单 RC 电路 总结过去与预测未来 6.002 2000 年秋 第十四讲 5 状态 我们通常对电路的响应感兴趣: ■ 零状态 ■ 零输入 与此对应的: ■ 零状态响应或 ZSR ■ 零输入响应或 ZIR 6.002 2000 年秋 第十四讲 6 一个数字状态存储器的应用 数字存储 为什么需要存储? 或者说为什么只有组合逻辑电路还不够? 例子 考虑在你的计算器上加 6 个数 计算器 2 + 9 + 6 + 5 + 3 + 8 “记忆”瞬时输入 6.002 2000 年秋 第十四讲 7 存储抽象模型 一个 1 比特的存储单元 当store信号为高电平时记录输入。 就象一架相机在用户按下快门按钮时照下镜 头前的景物那样记录下输入。 明显地,该输入的值就存储在dOUT。 6.002 2000 年秋 第十四讲 8 如何构建存储单元… 第一步尝试 6.002 2000 年秋 第十四讲 9 如何构建存储单元… 6.002 2000 年秋 第十四讲 10 如何构建存储单元… 演 示 6.002 2000 年秋 第十四讲 11 如何构建存储单元… 没有任何外部的值能 影响蓄电储能节点 6.002 2000 年秋 第十四讲 12 如何构建存储单元… 这样就可以工作了! 6.002 2000 年秋 第十四讲 13 一个存储队列 四位存储器 解码器 6.002 2000 年秋 第十四讲 14 解码器的真值表 6.002 2000 年秋 第十四讲 15 Agarwal 在存储器清单最前面的 10 项 10 参叁议院议员阁下,我想不起来了。 9 我忘记了家庭作业是今天交。. 8 音效卡≡ ZSR 7 我想,因此我是。 6 我想那是对的。 5 我忘记了其余的… 6.002 2000 年秋 第十四讲 16 电路与 电 电子学 二阶系统 6.002 2000 年秋 第十五讲 1 二阶系统 演 示 相关电路 6.002 2000 年秋 第十五讲 2 二阶系统 演 示 我们的老朋友反向器,驱动另一个反向器 如图所示为线路的寄生电感和MOSFET门极与源 极之间的电容 [复习附录中的复数运算,为下节课做准备] 6.002 2000 年秋 第十五讲 3 测得输出 2KΩ 现在,我们试着通过将开关S闭合来减小有效电 阻并使反相器加速。 6.002 2000 年秋 第十五讲 4 测得输出 50Ω 6.002 2000 年秋 第十五讲 5 首先我们来分析LC电路 节点法 回想 二次方 V,i状态变量 6.002 2000 年秋 第十五讲 6 求解 回想,求齐次解和特解的方法 ①求出特解 ②求出齐次方程的解 4步法 ③方程的解即为特解和齐次方程的解之和 根据初始条件求解剩余常量 6.002 2000 年秋 第十五讲 7 现在我们来求解 输入 初始条件: 6.002 2000 年秋 第十五讲 8 ① 特解 是一个解 6.002 2000 年秋 第十五讲 9 ②齐次解 对如下方程 回想 :齐次方程的解(方程右端设为0) 4步法: 按以下形式设待定解 特征方程 求解 微分方程一般猜测法 6.002 2000 年秋 第十五讲 10 ③通解 根据初始状态求出未知常量 6.002 2000 年秋 第十五讲 11 ③通解 记住欧拉方程 (证明可通过泰勒公式展开) 所以 输出为正弦曲线 6.002 2000 年秋 第十五讲 12 画出通解 6.002 2000 年秋 第十五讲 13 方法总结 ① 利用节点法列出DE方程 ②通过猜测法求出特解 ,并验证 ③求出齐次方程解 A.按 形式设待定解 B.得到特征方程 C.解特征方程求根 D.累加 得到 ④方程的通解为 根据初始状态求得剩余常量 6.002 2000 年秋 第十五讲 14 例 对于如图所示电路 通过求解齐次方程可直接得到方程的解(V0 =0) 6.002 2000 年秋 第十五讲 15 例: 过求解齐次方程可直接得到方程的解(V0 =0) 6.002 2000 年秋 第十五讲 16 例 6.002 2000 年秋 第十五讲 17 能量 注意: 该系统中的总能量是个常量,但它在电容和电感 之间来回转换 6.002 2000 年秋 第十五讲 18 RLC电路 加上电阻R后的阻尼正弦曲线----记住这个例子 见A&L的13.2章 6.002 2000 年秋 第十五讲 19 电路与 电 电子学 正弦稳态 6.002 2000 年秋 第十六讲 1 复习 ■ 我们现在理解了 ■今天,看一下电路对正弦驱动信 号的响应 正弦波信号之所以重要是因为其它 信号可以表示成一系列正弦信号的 叠加。 各种频率正弦信号的响应——aka 频率响应——能够告诉我们更多有 关系统的东西 6.002 2000 年秋 第十六讲 2 问题的引出 为了进一步讨论,先回想一下我们 的老朋友放大器 演 示 当输入 vi 的频率改变时观察 v0 的幅值 注意到它随着频率增加而减小。 同时也观察 v0 随着频率变化相位发 生变化。 需要研究正弦驱动下的电路特性。 6.002 2000 年秋 第十六讲 3 RC 电路的正弦响应 例: 6.002 2000 年秋 第十六讲 4 我们的方法 例: 6.002 2000 年秋 第十六讲 5 让我们使用通常的做法… ①建立 DE 。 ②求 vp 。 ③求 vH 。 ④vC = vp + vH ,使用初始条件求解未知数 6.002 2000 年秋 第十六讲 6 通常的做法… ①建立 DE 这很容易! 6.002 2000 年秋 第十六讲 7 ②.找到 首先尝试: 第二次尝试: 第三次尝试: 不行 也不行 可行,但是简直太复杂 6.002 2000 年秋 第十六讲 8 让我们用点技巧 找到另外一个输入的特解… 试解 于是 是 的特解 为 的解此处,s 用 s= jω替换 复数的幅值 6.002 2000 年秋 第十六讲 9 ②第四步尝试找 vp … 使用简便的方法 事实 1: 找到 的响应是容易 的。 事实 2: 由欧拉公式有 叠加原理的反向运用, 假设系统是真实、线性的。 6.002 2000 年秋 第十六讲 10 ②第四步尝试找 vp … 复数 想一下, 是 的特解 6.002 2000 年秋 第十六讲 11 ③求解 vH 回想一下有 6.002 2000 年秋 第十六讲 12 ④找到通解 给定 所以 完成了! 啊! 6.002 2000 年秋 第十六讲 13 正弦稳态 我们通常只是对正弦量的特解感兴 趣,也就是在暂态已经结束之后。 注意当 描述为 SSS: 正弦稳态 6.002 2000 年秋 第十六讲 14 正弦稳态 关于 SSS 的所有信息都包含在: 中, 为复数的模 回想一下: 步骤 是浪费时间! 模: 相位 : 6.002 2000 年秋 第十六讲 15 正弦稳态 使找到特解 的过程形象化如下: 6.002 2000 年秋 第十六讲 16 画幅值特性图 转移特性 从示范: 解释 v 由高的频率降落! o 6.002 2000 年秋 第十六讲 17 画相位特性 阅读:第 10.3 节和 11 章 6.002 2000 年秋 第十六讲 18 电路与 电 电子学 阻抗模型 6.002 2000 年秋 第十七讲 1 复习 ■正弦波稳态分析(SSS) 阅读 14.1,14.2 节 ■注意电路的稳态,只须关心vP随vH的 衰减 ■注意正弦曲线。 ■正弦波稳态(SSS) 阅读 14.1,14.2 节 阅读:课件的 14.3 节 6.002 2000 年秋 第十七讲 2 复习 VP包含了我们需要的所有信息 |VP|输出余弦的幅值 ∠VP相角 3 6.002 2000 年秋 第十七讲 3 复习 传递函数 频率图 6.002 2000 年秋 第十七讲 4 是 否 有 一 个 更 简 单 的 获 得 VP 的 方 法 呢? 分子分母同时除以 让我们进一步研究 6.002 2000 年秋 第十七讲 5 阻抗模型 是否有一个更简单的获得VP的方法呢? 6.002 2000 年秋 第十七讲 6 阻抗模型 换句话说 对 形式的驱动,VC复数的模和IC复 数的模之间的代数关系式满足欧姆定 律。 6.002 2000 年秋 第十七讲 7 重新回到 RC 电路的例子 阻抗模型 完成! 我们所有的老朋友都可以拿来用了! KCL 定律, KVL 定律,叠加定理…… 6.002 2000 年秋 第十七讲 8 另一个例子,请回忆 RLC 串联电路: 记住,我们只研究稳态正弦波的响应 我们下一讲将更详细的研究这个式子以及其 它函数式。 6.002 2000 年秋 第十七讲 9 大图 6.002 2000 年秋 第十七讲 10 大图 6.002 2000 年秋 第十七讲 11 大图 不用判定电路元件,复杂的数学运算化简 6.002 2000 年秋 第十七讲 12 回到 让我们研究这个传递函数 可以看出 6.002 2000 年秋 第十七讲 13 图上看, 请尽快记住这个画传递函数的技巧 更多讲解 请见下周…… 6.002 2000 年秋 第十七讲 14 电路与 电 电子学 滤波器 6.002 2000 年秋 第十八讲 1 复习 阅读A和L的14.5, 14.6, 15. 6.002 2000 年秋 第十八讲 2 滤波器 6.002 2000 年秋 第十八讲 3 阻抗电路的快速回顾 如 6.002 2000 年秋 第十八讲 4 阻抗电路的快速回顾 类似的 6.002 2000 年秋 第十八讲 5 我们也可以利用不同阻抗组合来搭建 其它滤波器电路 6.002 2000 年秋 第十八讲 6 我们也可以利用不同阻抗组合来搭建 其它滤波器电路 6.002 2000 年秋 第十八讲 7 验证电路 6.002 2000 年秋 第十八讲 8 带阻滤波器 6.002 2000 年秋 第十八讲 9 在实验室中验证Vl 和Vc 另外一个例子 6.002 2000 年秋 第十八讲 10 应用:见马上就要学习的AM广播系统 AM广播接收器 6.002 2000 年秋 第十八讲 11 AM 广播接收器 6.002 2000 年秋 第十八讲 12 “选择性”的重要--对于滤波器来说涉及到一个参数 Q。下面… 选择性: 6.002 2000 年秋 第十八讲 13 了解更多关于 RLC 串联电路的细节 品质因数 Q 6.002 2000 年秋 第十八讲 14 品质因数 Q 6.002 2000 年秋 第十八讲 15 品质因数 Q 6.002 2000 年秋 第十八讲 16 R(串联)值越低,则 Q 的值越大,峰越 陡。 品质因数 Q 6.002 2000 年秋 第十八讲 17 从另一方面看品质因数: 6.002 2000 年秋 第十八讲 18 电路与 电 电子学 运算放大器抽象 6.002 2000 年秋 第十九讲 1 复习 ■ MOSFET 放大器——三端 输入端 ■ 放大器抽象: 电源端 输出端 v1 的函数 6.002 2000 年秋 第十九讲 2 复习 vO为vI的函数 ■对于更加复杂的电路可看作一个模块来使 用(当然需要注意输入和输出) ■今天的任务: 介绍一个更为强大的放大器抽象模型,并用其 构建更为复杂的电路。 阅读:十六章 A&L 6.002 2000 年秋 第十九讲 3 运放 更抽象的表示: 6.002 2000 年秋 第十九讲 4 电路模型(理想) 注: ◆输入阻抗为∞ ◆输出阻抗为 0 ◆放大倍数“A”为∞ ◆没有饱和 6.002 2000 年秋 第十九讲 5 用法…… 演示 例: (注意:MOSFET 饱和带来的问题) 6.002 2000 年秋 第十九讲 6 让我们构建一个电路…… 电路:同相比例放大器 等效电路模型: 6.002 2000 年秋 第十九讲 7 让我们分析这个电路: 根据 vIN 求 v0 当“A”很大时会怎样? 6.002 2000 年秋 第十九讲 8 我们看,当 A 很大时 假设: 演示 增益: ■取决于电阻的比 ■对 A、温度、其它变量不敏感 6.002 2000 年秋 第十九讲 9 为什么会这样呢? 解析: 例 假设我给电路加一个扰动……(如使 瞬时 升至 12V) 稳定点是当 关键:负反馈->输出的一部分反馈至 例子:轿车的防抱死刹车—〉微小的修正 6.002 2000 年秋 第十九讲 10 问题:如何控制高速变化的设备? 防抱死刹车: 6.002 2000 年秋 第十九讲 11 更多运放解析: 在负反馈条件下观察 我们已经知道: —〉这样就获得一个简单的分析方法(在负反 馈条件下) 6.002 2000 年秋 第十九讲 12 在负反馈下的分析方法:. 6.002 2000 年秋 第十九讲 13 问题: 6.002 2000 年秋 第十九讲 14 为什么这个电路有用? 缓冲: 电压增益=1 输入阻抗=∞ 输出阻抗=0 电路增益=∞ 功率增益=∞ 6.002 2000 年秋 第十九讲 15 电路与 电 电子学 运算放大器电路 6.002 2000 年秋 第二十讲 1 复习 „ 运算放大器的模型 ‹ 输入阻抗 ‹ 0 输出阻抗 ‹ 增益“A”非常大 „ 模拟系统的组成模块 „ 我们看下面的例子: 数模转换 滤波器 时钟发生器 放大器 加法器 积分电路和微分电路 阅读:16.5&16.6 的 A&L 部分 6.002 2000 年秋 第二十讲 2 思考下面的电路: 减法! 6.002 2000 年秋 第二十讲 3 另一种解决方案:利用叠加原理 还是减法! 6.002 2000 年秋 第二十讲 4 让我们构建一个积分电路: 让我们从下面的思路开始: 和 成比例,但是我们需要把 转换 成电流。 6.002 2000 年秋 第二十讲 5 首先试着使用电阻器 但是 必须远小于 ,否则 什么时候 小于 ? 增大 RC,减 小v0 当 理想情况: 演 或者:: 示 6.002 2000 年秋 第二十讲 6 有一个更好的方法: 注意 在负反馈情况下因此 我们得到了我们的积分电路! 6.002 2000 年秋 第二十讲 7 现在让我们构建一个微分电路: 从下面的思路开始: i和 成正比例 但是我们需要把电流转换成电压。 6.002 2000 年秋 第二十讲 8 想一下: 微分器 电流转换为电压 演 示 6.002 2000 年秋 第二十讲 9 电路与 电 电子学 运放的正反馈 6.002 2000 年秋 第二十一 1 正负反馈 观察这个电路——负反馈 还有这个——正反馈 它们有什么不同? 考虑当出现扰动时会发生什么情况… 正反馈驱使运放进入饱和状态: 6.002 2000 年秋 第二十一 2 正反馈电路的静态分析 6.002 2000 年秋 第二十一 3 运放的动态描述模型 6.002 2000 年秋 第二十一 4 运放的动态描述 观察这个电路并分析它的动态特性以加深印 象。 R1 R2 vo 电路模型 R3 R4 下面让我们推出描述vOUT 的时间特性的等式。 6.002 2000 年秋 第二十一 5 运放的动态特性 Vo=A v * 或 v* = v0 A d RC v* dt +v* = v+ −v− v v RC dv0 + v0 = + − − A dt A +− = (γ −γ )v0 或者: v γv + = v0R1 = R1 + R2 + 0 v γ − = v0 R3 R3 + R4 = − v0 γ γ dv0 dt + ⎡ ⎢ ⎣ 1 RC + A+ ( RC − −⎤ )⎥v0 ⎦ = 0 γ γ dv0 dt + A+ ( RC − − )v0 =0 ︸time −1 或者: dv 0 + v 0 = 0 dt T 其中 T= RC +− A(γ −γ ) v0 (0) = 0 6.002 2000 年秋 第二十一 6 考虑对 v0 的微小干扰(噪声)。 如果 −+ γ >γ T 是正的 e v0 = K −t T 稳定 如果 + − γ >γ T 是负的 t e v0 = K |T| 不稳定 如果 + γ − =γ T 是非常大 v0 = K 中等 现在,让我们用正反馈搭建一些实用电路。 6.002 2000 年秋 第二十一 7 运放不稳定性方面的应用:用普通运放 构造一个比较器 6.002 2000 年秋 第二十一 8 现在,利用正反馈: 6.002 2000 年秋 第二十一 9 现在,利用正反馈: 6.002 2000 年秋 第二十一 10 6.002 2000 年秋 第二十一 11 没有滞后作用: 6.002 2000 年秋 第二十一 12 振荡器—能产生时钟脉冲 演 示 假设: v0 =VS 在 t=0 时 vc =0 6.002 2000 年秋 第二十一 13 数字系统的时钟 ■ 我们利用运放构成一振荡器: 能作为时钟使用 ■为什么我们要在数字系统中使用时钟? (见《A & L》的 735 页) ① 1,1,0? ② 信号何时有效? 共用时基——什么时候“看”信号(例如: 在时钟为高电平时) 时间离散化 信息的一位与时间周期有关。 6.002 2000 年秋 第二十一 14 电路与 电 电子学 电能和功率 6.002 2000 年秋 第二十二讲 1 为什么担忧能源问题? 今天: ■电池能使用多久? 在待机时 在正常工作时 ■芯片会不会因过热而烧坏? 6.002 2000 年秋 第二十二讲 2 下面我们看看在MOSFET门中的能量损 耗 C:分布电容和下列门的CGS 我们先确定一下 待机功率 正常工作时的功率 首先看一些相关的例子 6.002 2000 年秋 第二十二讲 3 例1: 功率 在时间T期间内的能量损耗 E = VIT 6.002 2000 年秋 第二十二讲 4 例1: 对于门 6.002 2000 年秋 第二十二讲 5 例2: 我们考虑下面的情况 求出每个周期中的能量损耗。 求出平均功率 6.002 2000 年秋 第二十二讲 6 T1: S1 关闭, S2 打开 在T1期间内由源极提供的总能量 6.002 2000 年秋 第二十二讲 7 T2: S2 关闭, S1 打开 6.002 2000 年秋 第二十二讲 8 所以,初始时, 电容C中储存的能量= 那么, 电容器在T2 时间内完全放电 因此, 在T2 时间内R2 中损耗的能量 6.002 2000 年秋 第二十二讲 9 下面我们将两个过程综合起来看 则在每个周期中的能量损耗 假设电容C完全充电和放电 则平均功率 6.002 2000 年秋 第二十二讲 10 我们再回过来看一下反相器 下列输入的平均功率 是多少? 6.002 2000 年秋 第二十二讲 11 等效电路如下 下列输入的平均功率 是多少? 6.002 2000 年秋 第二十二讲 12 门的平均功率 是多少? 我们可用下面的式子来表示 (见第 12.2 节 的A & L) 6.002 2000 年秋 第二十二讲 13 门的平均功率 是多少? 6.002 2000 年秋 第二十二讲 14 我们来看一些数字… 对于一个有106个门时钟,频率为100 MHZ 的芯片 6.002 2000 年秋 第二十二讲 15 电路与 电 电子学 能耗 ,CMOS 管 6.002 2000 年秋 第二十三讲 1 复习 ■ T1: 开 关 T2: 关 开 阅读:A&L 的 12.5 6.002 2000 年秋 第二十三讲 2 复习 反相器-- 方波输入: 演 示 时间常数 为直流分量 为动态分量. 与频率无关, 与转换电容有关 MOS 工作半个周期 在待机状态下,可以假设 在芯片中一半的门电路是 导通的. 在静止模式下,频率是零,电 能的交流分量是零. 6.002 2000 年秋 第二十三讲 3 复习 有 10 的 6 次方个门电路的芯片通以 100MHz 的时钟信号 =1.25kw + 有问题! ·与频率无关 ·仍然是待机损耗, (假设 ,半数的 MOS 管导通), ·一定要解决这个问题 2.5w 不错 Vs 降低 5vÆ1v 2.5wÆ150mw 6.002 2000 年秋 第二十三讲 4 怎样消除静态损耗 直觉是: 高电平 理想的: 低点平 低电平 Mos 管 关断 高电平 高电平 低电平 6.002 2000 年秋 第二十三讲 5 新式 P 沟道场效应应管: N 沟道 mos 管 p沟道mos管 举例来说 当 当 举例来说 时导通 时关断 低于 4v 时导通 6.002 2000 年秋 第二十三讲 6 分析这个电路: PU 代表上拉 PD 代表下拉 像一个反相器一样: 输入 输出 6.002 2000 年秋 第二十三讲 7 分析这个电路: 像一个反相器一样: 输入 输出 (输入高电平) (输入低电平) 叫做 CMOS 逻辑 互补 MOS 管 (我们先前的逻辑叫“NMOS 逻辑”) 6.002 2000 年秋 第二十三讲 8 解:Vs 与地之间没有通道,没有静态 损耗: 计算 : 当vI为低电平时关 当vI为高电平时关 由 得出 6.002 2000 年秋 第二十三讲 9 关于先前的例子: 对于有 1000000 个门电路的芯片 奔腾? 6.002 2000 年秋 第二十三讲 10 怎样降低电能 好一些,但还是高 而且用散热器 当不使用时关掉时钟信号 根据需要改变 Vs 6.002 2000 年秋 第二十三讲 11 CMOS 逻辑 与非门: 打开 关断 6.002 2000 年秋 第二十三讲 12 总之,如果我们要实现 F 记住摩根定律 6.002 2000 年秋 第二十三讲 13 电路与 电 电子学 电源变换电路与二极管 6.002 2000 年秋 第二十四讲 1 电源变换电路(pcc) 太阳能电池组 直--直升压变换器 电能转换效率对于变换器来说是很重要的,所 以采用许多的措施和策略: MOSFET 开关,钟控电路,电感,电容,运 算放大器,二极管... 阅读:A 和 L 的 17 章 6.002 2000 年秋 第二十四讲 2 首先,我们看看这个二极管: k: 玻尔兹曼常数 T:温度(单位:开) q:单位电子电荷 我们可以将这个指数函数模型与以前的分析 方法联系起来: ■数学分析法,■图解法,■增量法 6.002 2000 年秋 第二十四讲 3 另一种分析方法:分段线性分析法 分段线性分析法二极管模型: 理想二极管模型: 6.002 2000 年秋 第二十四讲 4 另一种分析方法:分段线性分析法 实际二极管模型:有正向电压 开路段 短路段 6.002 2000 年秋 第二十四讲 5 另一种分析方法:分段线性分析法 分段线性分析法: ■ 将非线性特性曲线用线性段代替。 ■ 在每个线性段内采用线性分析法。 6.002 2000 年秋 第二十四讲 6 例: (我们建立一个交流—直流变换器) 认为: vI为正弦波 6.002 2000 年秋 第二十四讲 7 例: 短路段: 等效 电路 开路段: 6.002 2000 年秋 第二十四讲 8 例: 6.002 2000 年秋 第二十四讲 9 现在我们看看一个半波整流器: 6.002 2000 年秋 第二十四讲 10 半波整流器 演 示 MIT 的电源在峰值处 有失真 6.002 2000 年秋 第二十四讲 11 直—直升压变换器: 负载不用 阻性元件 本电路分为三段时序状态: (Ⅰ)开关 S 闭合,二极管关断,电流 i 线性 增加; (Ⅱ) 开关S关断,二极管导通,电容C开始 充电,v0增加; (Ⅲ) 开关S保持关断,二极管关断,电容C 保持电压v0(对负载放电)。 6.002 2000 年秋 第二十四讲 12 细节分析: Ⅰ假设 二极管关断。 当 t=0 时,S 导通, 斜 率 T 时刻储存的能量 为一 斜线 6.002 2000 年秋 第二十四讲 13 Ⅱ t=T 时 S 关断,二极管导通(忽略二极管 压降) 第 3 种状态始于此处 在 时刻 i 极性反向时二极管关闭。 6.002 2000 年秋 第二十四讲 14 Ⅱt=T 时 S 关断,二极管导通 我们看看电压变化情况: 电容电压 忽略二 极管压 降 时刻I极性反向时二极管关闭。 6.002 2000 年秋 第二十四讲 15 Ⅱt=T 时 S 关断,二极管导通 我们看看电压变化情况: 电容电压 忽略二 极管压 降 时刻I极性反向时二极管关闭。 6.002 2000 年秋 第二十四讲 16 ⅢS关断,二极管关断。 例:无负载 时刻后C保持电压 , 为0 6.002 2000 年秋 第二十四讲 17 ⅢS关断,二极管关断。 无负载 时刻后C保持电压 , 为0 直到 时刻,开关S导通, 如此循环下去, 这样,在无负载的情况下, 在每个循环周 期都会增加, 6.002 2000 年秋 第二十四讲 18 那么,n个循环之后 根据能量的论点...(KVL定律),每个周期 电容中储存的能量为 那么N个周期之后,电容中的能量为: 由: 所以: 或 6.002 2000 年秋 第二十四讲 19 如何保持 为一给定值? 负反馈的另一个例子: 如果: ,那么 如果: ,那么 6.002 2000 年秋 第二十四讲 20 电路与 电 电子学 违背抽象模型 6.002 2000 年秋 第二十五讲 1 情形1:二级跳 问题: 当V1“0” “1” 预期的图象 观察到的图象 在禁区内! 6.002 2000 年秋 第二十五讲 2 (a) 直流情况 V1 有非常大的阻 抗,就象是开路。 Vi =5V DC VO =5V DC V1 =5V DC 正常 6.002 2000 年秋 第二十五讲 3 (b)阶跃信号 阻抗非常大,就 相当于开路 6.002 2000 年秋 第二十五讲 4 特性阻抗 瞬时电阻分压网络限制了信号 的传播速度。 6.002 2000 年秋 第二十五讲 5 问题:那么,如何让电路正常工作? 1,只看V1 终端接负载 2,保持电线短路(采用短导线) 3,加入终端电阻R 终端并联电阻 6.002 2000 年秋 第二十五讲 6 情形2:一举两得 问题:奇异的尖峰波形 驱动一个 50 欧的电阻 输入 驱动一个 50 欧的 电阻 6.002 2000 年秋 第二十五讲 7 电感上的压降 倒相电流 电感上电压 解决:1.用短电线 2.用低电感电线 3.避免电流波动 6.002 2000 年秋 第二十五讲 8 情形3: 组合运用,慢可能意味着快 问题 让我们加快它,通过用更强的驱动。 理想的 实际的 灾难! 6.002 2000 年秋 第二十五讲 9 为什么? 考虑: 互相干扰! 6.002 2000 年秋 第二十五讲 10 这与芯片有什么联系? 解决 负载输出 —在电路的输出端接上电容。 — 抖动边缘 — 摆动边缘 6.002 2000 年秋 第二十五讲 11 情形4:二级跳 注意与抽象模型的不同(违背抽象模型)。 想一下 预期的图像 但,实际的图像 6.002 2000 年秋 第二十五讲 12 情形4:二级跳 注意与抽象模型的不同(违背抽象模型)。 这样,拉高了 驱动电压,相 当于输出增加 6.002 2000 年秋 第二十五讲 13 6.002 演示#01(下载安装演示#01) 几种元件的伏安特性 Fall 00 Lecture 1 Agarwal 目的: 本演示将给大家展示几个元件的伏安特性,既包括理想条件下的特性也涉及了实际应用 中的局限性。这些在教材电路理论介绍部分已经用到过,而且在线性、集总电路抽象过程中 强调过。下面将给大家演示的是元件在有电激励和无电激励时的简单伏安特性以及元件在受 激励时所产生的有趣的光、烟等非电现象。目的是向同学们展示我们为简化分析所作的集总 抽象所忽略的一些因素,以及集总抽象在什么条件下将不成立。 为了让大家感兴趣,我们会将高电压加到一个烂黄瓜(开始发热并发出令人难忘的臭味) 上,来告诉大家,仅考虑伏安特性的话,元件是可以被模拟成集总元件的。而其他的特性, 无法模拟。 同样有趣的,将一个高电压加在一个小电阻上——他将会飞溅并爆发出可以听到的噼啪 声。目的是说明在实际系统中,集总抽象只能到此而已,即简单的电阻模型,而不能模拟能 量损耗限制等。 触发:内部 6.002示范 #02(下载安装#02.) KVL& KCL 第2讲 Agarwal 2000 秋 目的: 本演示提供了通过测量回路电压来验证KVL以及通过测量结点电流来验证KCL的实例,同时通 过实测值与计算值比较将本实例与结点分析法加以比较。采用的电路是由五个电阻构成的桥式拓 扑结构,并包含一个交流电压源和一个直流电压源,做KCL实验时用到交流电压源和一个钳形电流 表,用直流电源和万用表对电路进行测量并与计算值加以比较。 步骤: 1. 为了验证KVL,沿回路测量各电压分量并验证其代数和为0。 2. 为了验证KCL,测量流入某一结点的电流分量并验证其代数和为0。此外,用钳形表将下图右侧 结点处拉出的三根线同时套上,验证电流值为0。 注意: 这个演示用到的电路与在黑板上进行结点分析计算时用到的电路相同。 描述: 结点分析 用五个电阻和三根长导线(导线外套有棕色的布)组成的桥路验证KVL和KCL,(由Agarwal教授 完成)。 验证 KVL , FG1偏置设在 VDC 3 V, 且只有直流。 验证 KCL , FG1应设在3Vp-p(峰峰值),频率为 1 KHz,偏置为0 V 我们使用数字表(我的表)代替示波器来验证KVL。 为验证KCL我们用到一个旧的电流表并将其设置成ch4@10 mV/ div(表的量程选为1mA 而不是 1A), 依次钳住三根电线并测出相应的电流后将三根电线同时钳住发现各个电流的代数和为0。 注意:为验证KVL设置偏置为3Vp-p(峰峰值)因为内部为高阻。 示波器设置 信号发生器设置 KVL&KCL 节点的分析 FG1 的 直流偏 置 注意 # 插头和 BNC 连接器 电源设置 6.002 示范#03(下载安装) 盐水: Agarwal 秋天 00 第 3 讲: 目的: 这个演示用一盘盐水来演示线性、叠加和戴维宁等效电路的概念。盐水被作为复杂的电 阻模型,利用简单的等效电路它的特性被简化了。两对输入端和一对输出端被联到盘子上, 同时盐水被当作“黑盒子”来处理。两路不同的信号从输入端输入一路为直流信号,另路为 正弦交流信号,通过对输出进行测量,可以发现输出量为信号源单独作用所产生响应的总和。 步骤: 1(选做)在给学生描述实验的时候(以复杂的线性电阻网络为例),提到一般的水特别是 蒸馏水比盐水的阻抗高得多。这个可以通过观察输出波形来实现,当向水中加入盐的时候, 可以看到波形幅值会增长(注意:如果搅拌过多的话,波形可能出现不规律性,还可以利 用这个机会讲一个关于剑桥的水导电性强的笑话。 2 在示波器上同时显示两个输入即直流和正弦信号以及合成之后的输出信号,然后通过移除 正弦波信号对应的线缆来去除正弦波信号,然后在示波器上显示三角波信号。 3 同时接通正弦波信号和三角波信号,在示波器上观察三角波叠加在正弦波信号上的波形 图。 当教授问道这些水从哪里弄来的时候, 有学生说是查尔斯河 描述:线性,叠加,戴维宁等效电路 连接:蓝线用作输入线路,红线用作输出线路 示波器选用 1 通道和 4 通道 FG1 设定 频率 1 千赫、幅值为 1 V p- p 的正弦波 FG2 设定频率 10 千赫、幅值为 1 V p- p 的三角形波 注意:更多的细节请看下面的电路图 **因为连接用的端子板在没有水的情况下也可以获取信号,所以我们选择直接连 接的方式。 **我们使用上面的连接来代替上页的连接,两者都可行。 示波器的设置: 通道 V/DIV 偏置 1 on 1 0 2 off 3 off 4 on 200 mV 0 水平:500us 模式 功能 DC off off off DC off 采集:(自动) 数学 垂直 水平 触发 波形发生器设置 设备 FG1 FG2 波形 正弦波 三角波 AMP(幅值) 偏置 2* 0 1 0 频率 1 Khz 10 Khz 1)注意:盖瑞教授把电缆完全地从 FG2 移开而且 3 通道没有显示。增加蒸馏水并显示输出 通道 4,然后添加剑桥水,显示输出。 2)移开 FG1 的电缆并连接 FG2 的电缆并且不让显示 1 通道,过会儿连接上 FG1 并打开 1 通 道+3 通道和输出的 4 通道,两个通道的叠加值用 4 通道显示。 以上的连接使用的是同轴电缆,这样可以在移除电缆的时候减少噪声带来的 影响。 盐水演示#03GS 示波器和波形发生器的设置如上个实验 电缆连接如下图: 所有的接地连接到一起 为了将信号置零,先把同轴电缆线从信号发生器的输出端移开并接上 50 欧姆的 终端电阻。把输入信号 FG1 和 FG2 面朝外,便于摄象机观察。 6.002演示#4(下载安装演示#4) 非线性器件 第 6,7讲 目的: 在这个演示中,通过一个非线性器件(光电二极管)的实验引出非线性以及小信号模型的 概念。这一系统包括光电二极管的非线性特性可在示波器中显示出来。将一个音乐信号加 在输入端,那么输出显示的为输入的函数(为传输特性的一部分)。输出同时接到扬声器上。 通过调整输入信号的幅值和偏置,其非线形特征可在示波器上观察到,同时可以听出失真。 很有趣是,(挡住光束)事实上音乐信号是作为光强的调制信号发送的。 步骤: 1. 输入采用一个幅值比较大的正弦信号,在示波器上显示非线形器件的传输特性同时也显示输 入信号和失真的输出信号波形。可以通过扬声器来播放声音信号.可以听出音调的失真。(第 6讲的内容讲到这之后进行非线形分析) 2.(在第7讲中作法如下)减小线形信号的幅值 (由小信号线性逼近法)由显示可以观察到输出 的信号已经与输入的信号非常的接近了(不考虑信号的缩放比) 3. 将输入信号转换成能够明显听出失真的音乐信号(CD播放器)。调整信号幅值观察非线形的 影响. 6.002 演示#5(下载安装 DEMO#5.SET) 利用电阻验证叠加原理 第4讲 Agarwal教授 2000秋 目的:本演示作为数字电路课程的一个序幕,用来引出数字逻辑的应用。本演示用两个信号 源和两个电阻来演示叠加原理。我们可以在示波器上观察输入波形(一个方波和一个正弦波 形)以及输出波形。输出应该是两个输入的叠加。这一点可以很容易地通过关闭其中一个输 入,然后观察相应的输出的变化来证实。这个演示用来观察模拟信号的处理过程,并引出数 字电路的电路模型。 步骤: 1:在示波器上观察两个输入波形(方波和正弦波)以及输出的叠加波形。 2:分别关闭每一个信号源,验证叠加原理。 3:下面的图不是用来演示的,而是画出来的。如果信号被干扰了,就很难读懂。 描述:利用电阻验证叠加原理 注意:更多细节见下页的图表 示波器设置 水平:200u 采集:自动 自动 4 触发:CH1 信号发生器设置 电源设置 利用电阻器验证叠加原理 6.002演示# 05A ( 下载安装#05A-RP.set) 与门输出, 噪声干扰 2000年 秋 第四讲 2000年 秋 目的:“电链锯演示”是一个有趣的数字电路演示。从与门输入两个方波,输入与输出波形 均可利用示波器进行观察。一个电链锯信号作为干扰从一个端口输入。(课堂上,Agarwal 教授等三人一袭黑衣,一边开动电锯一边唱起GIG的歌曲进入教室,合适的服装,合适的音 乐,后来教授还开玩笑地要锯开他的手提电脑 ). 通过电位计调整干扰的强度,能看出数 字电路具有抗干扰性。但当电路干扰足够大时,数字门模型或门的输出信号会无效。 1.通过调整“Coil”旋钮位置,将FG2的频率从2.5KHZ调到1.2KHZ输入到演示用的“与 门”,然后再调回2.5KHZ。 2.通过调整“Aux”旋钮位置,将FG2的占空比调到50%,同时将从FG3输出的正弦波 (Aux旋钮)从16脚输入(辅助端口)。 3.通过调整“Coil”旋钮位置,使输入干扰能在屏幕上显示(预先设置,并避免干扰大 到使(与门)失效)。 4.通过调整“Coil”旋钮位置,使输入干扰能在屏幕上显示(预先设置并使干扰大到让 (与门)失效)。 说明: 有电锯波干扰的与门输出 同轴电缆: 从FG1的sync (前面板)到FG2 的Ext Trig 外部触发(后面板)。 先按[ SHIFT]按键,然后按[Single]激活外部触(FG2)。 注意:详细见下一页。 示波器设置 注意:音乐为教授等人真人演示,而不需要通过 CD 播放器。 信号发生器设置 电源设置 FG3 正弦波应足够大偏置0~ 5 KHZ, 振幅应保持在不致使“与门”失效. 调整FG3偏置使 FG1(居中的轨迹)上的正弦波便于观察,但是,不可能让正弦波与脉冲波同步。 · FG1和FG1应设置为高阻态 锯齿波演示 帕克教授 01 年秋 6.002 演示#06 (下载安装 Demo#06.set) S/SR/SCS 模型 第 6 讲(和第 8 讲) Agarwal 2000秋 目的: 本演示研究了 MOS 管的各种状态模型, 即 S, SR, 和 SCS 模型。用正弦电压信号驱动 MOS v 管 VS 时,在示波器上显示电流 iD (用电阻上的电压间接得到)和对应的电压 DS 的关系曲线 v 而不是简单的点。S 和 SR 模型的演示通过控制 GS 高于(导通状态)或低于(关断状态) MOS 管门限电压来实现。SCS 模型以同样的方式演示, 即增加 vGS 使之从小于 vT 增加到大 于 vT 的某一数值上。这表明当 vGS 很大时,MOS 管的饱和区域(当前电源电压下)不明显。 步骤: 1.开关模演示型, vIN 加一个大的电压, 并且时断时续。从示波器上观察到的漏源极间的i-v 特性如下所示。曲线看起来像开路(水平线)和短路(垂直线)。 2.开关电阻器模型, vIN加一个很小的电压, 并且时断时续。从示波器上观察到的漏源极间的 i-v特性如下所示。曲线看起来象开路(水平线)和电阻器特性(倾斜的线) 。 3.源极控制开关模型, vIN开始设置为小于vT,然后逐渐增加, 得到一组曲线。 说明:MOS 管开关模型(S);开关电阻模型 (SR);源极控制开关模型(SCS); 设置 FG2@高阻抗模式,频率@500Hz 正弦,幅值@3v p-p,偏置@1.5v p-p 1) 设置 FG1@高阻抗模式(直流偏置),按 DC offset 按钮直到你听到 一个喀哒声。 a) S模型,设置FG1 的DC offset为 5V,(不要高于 5V,否则会损坏管)把计算机上的开 关S1 拨到FG1,显示VGS>VT,关上则显示VGSVT, 关上则显示 VGS >0 > 0.4v v < 高阻 > 50Ω *微机面板上的插脚#号和 BNC 插接元件 BNC () Pins 6.002 演示 7(下载安装 Demo#07PG.set) MOS 反相器 讲座 6 agarwal 2000 秋 目的:这个演示展示的是在一个 MOS 反相器输入端加上一个方波,研究输出端输出的相应 波形。 步骤:在示波器观察输入波形(方波)和相应的反向输出波形。 描述:MOS 反向器 显示输入输出波形 注意:更多详细情况请查阅下页的电路图,Fg1 注意:将开关打到音乐位置! 注意:设置 FG1 为高阻态!!! 6.002 演示# 08 (下载安装 DEMO#08.set) 场效应管反相放大器、转移特性、大信号 Agarwal教授2000年秋 第8讲 目的:通过绘出输出电压与输入电压之间的关系特性曲线,演示场效应管反相放大器的转移 特性。通过调节输入的直流偏移量,我们能让特性曲线的最右端部分隐藏或显示。使得能够 只对自己感兴趣的区域加以讨论。通过对曲线上的点进行测量并验证已经推导出来的转移特 性方程的准确性。 描述:放大器、工作点,动静态分析以及偏置 (1)当直流偏置为-2.7v 时,整个转移特性曲线只显示出一半,见图 1 (2)当直流偏置为 0v 时,转移特性曲线全部显示,见图 2 注意:电路的连接和管脚请详见下页。 示波器设置 通道 V/格 1 关闭 2 2 关闭 1 3 关闭 2 4 关闭 2 水平:500 微秒 偏移量 模式 运行 运算 竖直 水平 状态 3.74 直流 关 CH2-CH3 -1.00 直流 关 F1/1K -2.27 直流 开 CH3vsCH1 1v 偏 移 量 1.33v 偏 移 量 2.86 2.45 -1.49 直流 关 CH2-CH1 采集:自动 自动 4 触发:从 FG1 到 AUX 信号发生器设置 单位 波形 放大器 偏置 频率 电源设置 +6 +25 -25 输出 FG1 正弦波 720mv 0 1kHZ 高阻 2.6v 5v 触发:从 FG1 到 AUX 注意:FG1 起始偏置为-2.00v 之后回到 0V! 15v *注意:#PC 板上的插脚和同轴电缆的连接 6.002演示范例# 09GS (下载安装demo#09GS.set) MOS管反相放大器 小信号 第9&10讲 2000 秋 目的:这一范例演示了利用金属氧化物半导体场效应晶体管构成的放大器电路并分析了这种放 大器的局限性。用偏置正弦波作为输入,输出为一个反相的三角波。随着振幅的增大或者偏压 的改变,输出波形出现失真。这是由于放大器进入饱和区。 步骤: 1. 在示波器上显示一个小幅值正弦波和反向放大的输出波形。 2. 逐渐增大输入的幅值直到输出波形开始失真。〔还可以先显示失真的输出波形(放大器为非 线性)便于大家理解,然后降低幅值观察大致的线性输出波形〕。 小信号输入输出 大信号输入输出 说明:小信号,关断/线性区域失真 1) 为显示失真应在50mv至500mv之间增大FG1的幅值,看看输出波形是如何失真的;参阅下 一页的图Fg1。 2) 当输入信号衰减到100mv,输出波形应该不再失真;参阅下一页的图Fg2。 注意:电路连接及插脚请仔细参照下一页 示波器设置 信号发生器设置 电源设置 注意:Sussman教授喜欢用#20插脚(蓝色同轴电缆)连接示波器的信道2, 因为绿色线迹比紫 色迹线更容易观察。 Sussman 教授像 Agarwal教授一样喜欢调整 FG1。 6.002范例演示10(下载安装demo#10PG.set) : (下载安装Demo#10AA.set) IDS vs. VDS 负载线 Agarwal/Fall 00 第10讲、11讲 目的:在这个演示中,MOS 管放大器的特性如图一所示,在一组已知的伏安特性曲线上作 出一条负载线。这条负载线穿过伏安特性曲线(family 族)的饱和区并终止于可变 电阻区。在放大器输入端加上音乐作为输入信号,并将输出信号引至喇叭,这样当信 号在饱和区以外时,失真就能被听出来。在示波器上可以看出:负载特性线(局部) 在饱和区时(没有失真),在可变电阻区有失真,在截止区附近有可能出现失真或音 量很低。有趣的是,我们可以发现古典音乐比重金属音乐更容易失真,让人听起来不 是那么舒服。 步骤: 1. 先在一组已知的 MOS 管伏安特性曲线上作出负载线,用正弦输入信号来展示整条 负载线。 2. 将正弦输入信号设定为一个较小的值,然后打开喇叭并调整输入信号的大小已展示 MOS 管在不同工作区域的放大特性。 3. 用一个来自于 CD 播放器的古典音乐信号代替正弦输入信号重复上面的步骤,注意 声音的失真状况。 4. 切换到重金属音乐,指出这种音乐失真度较小。(在展示这个示范的过程中,我们还 观察到这样一个现象:从输出端到喇叭系统这部分负载电路使得工作特性有些奇怪。 加一个缓冲器可以解决这个问题。) 描述:小信号电路模型分析 从 WAVEFORM MEMORY 中装载 IVCURVE5.WFM 连接 CD 输出端到放大器输入端用 EXT2 电缆(红色) 用 Tee BNC 连接 CH3 到喇叭 *****************确信 FG1 是关断的(非常重要!)***************** 对于音乐,用 CD1#10 输出第一种音乐;第二种用 AC/DC#1。 不用在意负载特性线具体在哪个位置,听起来都一样的! 注意:示意图和管脚见下页 1 注意:这个实验开始时只是将 FG2 置为 0 示波器设置 信号发生器设置 电源设置 注意:我们必须设置放大器和喇叭,否则系统可能停止工作或使我们演示板上的放大器 (MOS 管)损坏。 注意:用 CD#1 钢琴曲替换朗教授的小提琴曲。 2 确信 FG1 是关断的! 3 6.002 范 例 演 示 #11 , 11A , 11B ( 下 载 安 装 demo#11.set );( 下 载 安 装 demo#11A.set):(下载安装 demo#11B.set) 门延迟 Agarwal 2000 年 秋季 第 12 课、13 课 目的:这个演示研究的是门延迟,利用的是两个级联的 MOSFET 反相器,它也是一个 RC 电路模型。一个方波输入被加到第一个反相器上,三个相关的波形(输入、中间、输出)都 显示在示波器上。提高输入的频率,门延迟现象变得更加显著(相对于方波周期而言)。中 间波形显示了通常的衰减指数响应,在第二个反相器处产生了一个延迟响应。 演示的第二部分展示了方波输入对 RC(LPF 低通滤波器 low-pass filter)电路时的响应。这 被用来引出和验证 MOSFET 的门-源极电容模型。 步骤: 1, 将方波输入设定为低频(100Hz)加到级联的反相器上,在示波器上观察输入波形、中 间波形(在两个反相器之间)和输出波形。注意这些信号都与 MOSFET 的 S〔Switch 开关模型)或者 SR(switch resistor 开关电阻模型〕模型是相一致的。 2, 将方波输入设定为较高的频率(3k Hz),在示波器上重新观察这三个波形。注意中间波 形的缓慢上升段和相应的在输出转变时的延迟(以及随后占空比发生的变化)。 3, 将方波输入驱动改加到 RC 电路上。注意衰减指数响应。这将引出 MOSFET 的门源极之 间的电容器模型。(注意:它可能适合利用电阻上的电压降来表示流过这个电容器的电 流。) 1 描述:门延迟 1) 首先设置 FG1 为 100Hz 方波,幅值为 5v(峰—峰值),偏置为 2.5v(峰—峰值),在 CH1、CH2、和 CH3 处观察这三个波形,看不到延迟现象。 2) 改变频率(FG1)从 100Hz 改为 3KHz,幅值和偏移量保持不变。然后下载安装和演示 #11A,再在 CH1、CH2、和 CH3 处观察这三个波形,可以看到延迟现象。 3) 将面板上的开关打到 RC CKT(CKT 为 circuit 的缩写),设置 FG2 为频率为 1 KHz 的方 波,幅值为 5v(峰—峰值),偏移量为 2.5v(峰—峰值)。然后加载设置和演示#11B, 观察 CH1 和 CH4 处的波形。 注意:FG1 和 FG2 必须设定为“HiZ(高阻状态)”! 参看下页的原理图和波形,可以得到更多的信息,并指出来!! 而且参看下页的 Fg1 和 Fg2 。 这个演示中,我们利用电源给电容器充电、通过一个电灯泡给它放电…… 示波器设置 波形发生器设置 电源设置 注意:在 Agarwal 教授加载的演示#11AA.set 中,他也把 FG1 的频率置成了 500Hz 注意:演示#11C 只显示了输入和输出波形,门极波形被隐藏了起来,但是可以点击使之显 示出来。 2 门延迟 3 6.002 演示#12 门振荡 第 15 讲 2000 年秋 目的:这个演示用两个级联的反相器来观察二阶响应。通过降低第一个反相器的电阻值RL (试图加速RC电路减少延时),B点的电压(两个反相器之间)会出现振荡。这是由地和中 间B点电压之间的回路感抗导致的。 步骤: 1. 把电阻RL设为高阻值(2K欧姆)时,显示电路的输入电压,中间点电压和输出电压。注 意RC电路的中间点B的电压变化,以及所导致的输出延时。 2. 把 300 欧姆的变阻器并入电路中。观察中间点 B 的电压的变化情况 描述:门振荡 为了显示振荡的发生,将面板上的开关置于恰当位置并 观察 CH1,CH2,CH3 的波形 注意: 电路图和管脚情况,更多细节见下一页的 Fg1 和 Fg2。 示波器设置 信号发生器设置 注意:FG1 应当设置为高阻 电源设置 门振荡 6.002 范例演示#13 一阶正弦稳态 第 16 讲 Agarwal 2000 年秋 目的:这个演示用来检测反相放大器和 RC 电路的一阶正弦稳态响应。对于低频正弦信号来 说,MOS 管放大器的输入输出特性是可以预知的。随着频率增加,输出逐渐消失。这可以 用源极电阻(本演示门极接了一个 100K 的电阻)和作为低通滤波器的门极电容来加以解释。 正弦稳态响应也引入了频率响应和波德图的概念。 步骤: 1. 首先采用低频输入(2KHz)。注意输入正弦信号的幅值,门极电压和相应的输出。 2. 将频率逐渐调到 20KHz,注意显示电压的幅值和相位的变化。这可以通过微分方程同 RC 模型联系起来。导出幅值和相位的方程。 3. 利用动态分析,画出 RC 响应的幅值和相位图。其输出可以接扬声器,信号的大小可以 听出来。注意,耳朵本身也存在响应的问题!它不是平的,所以同一幅值处的频率感觉 起来可能不同。(因此,扬声器的响应不是平坦的曲线) 随着频率增加,门极电容相当于短路。因此 MOSFET 有一个很小的输入信号,输出也很小。 说明:一阶正弦稳态响应 (用门极电容演示板) 本演示我们选用的是 KH 信号发生器而不是推车上的 HP 信号发生器。找到序列号为 140 的 信号发生器并将其外部触发连接到示波器的 AUX 上。 偏置设置为 1.17V。 频率范围从2KHz到20KHz,从10KHz改变频率,观察CH1、CH2和 CH4。 RG/short和 RL/short开关应处于下裆位(关断位置)。如果教授想短阶门极或负载电阻,他会 告诉你。 注意:电路和管脚图详见下页Fg 1 这个演示我们用到了demo #12-B、用到了动态信号分析、放大器和扬声器来说明波德图! 见下页Fg 2 示波器设置 信号发生器设置 电源设置 注意:将 KH 的外部触发连到示波器的 AUX 触发! 一阶正弦稳态响应 Demo#12-B采用了动态信号分析(以前的演示) 信号源输入 输出接放大器/扬声器 6.002 演示 15 数字存储器 第 15 讲 Agarwal 2000 秋 目的∶这个演示用以观察利用一个电容器和反相器(缓冲器)所设计的数 字存储器的工作情况。几个设计方案均通过负荷特性检测(包括存储器超 时损耗、存储器成功读取的损耗等等负荷特性)。演示装置的输出端均装 有发光二极管,便于同学们在课堂上观察线路上的实验数值。 步骤∶ 描述∶ 数字存储器 按下一页的电路图将相应元件安装在数字电路板上,目的是观察电源断 开时电容器仍能保持电压。这些可以通过观察电路中的两个反向器的状 态来加以证实。 注意:详见下一页示意图。 安装在数字电路板上的存储器演示装置 6.002 演示 #17(Load Set up demo#17.set) 积分和微分运算放大器 第20讲 2000年秋 目的:本演示演示了用运算放大器所构成的积分器和微分器的特性 。作为运算放大器的一个应 用,也是对运算放大器电路的分析。 步骤: 1.画出微分器的输入和输出。注意微分器工作在很宽的频率范围内。 2.画出积分器的输入和输出。注意假如没有与电容器串联的电阻,积分曲线将趋向于一条直线, 甚至可以对小直流偏移量求积分。 3.加上旁路电阻,积分器将更稳定的工作。 描述:通过OP放大器构成积分器和微分器 为了得到积分器,开关设置如下:Down、Down、 Up(旁路开关断开,偏置开关闭和) 为了得到微分器,开关设置如下:UP、Up 、 Down(从左向右) 给微分器输入三角波,调整CH4增益以得到方波。 给积分器输入三角波,将得到抛物线波形,与正弦波类似。需要改变并调整CH4增益和位 置以便看到信号波形。 电路图详见下页 注意:如果想让微分波形稳定,CH4应置于AC档而不是DC档。 示波器设置 信号发生器设置 电源设置 6.002 示例 #17 运算放大器构成的积分器和微分器 6.002 演示#17 A(下载并安装示范#17 A) RC 积分电路和微分电路 第 20 讲 Agarwal 2000 秋季 目的: 这个演示表明一个 RC 电路可以近似看成一个积分电路(高频时电容器上的电压)或近似 看成一个微分电路(低频时电阻上的电压) 步骤: 1.在低频(10 0 赫兹)时,示波器上显示微分输入波形(方波)和输出波形(电阻上的电压 波形),注意输出看起来象给输入信号求导。 2. 增加频率到 (1 kHz, 然后到10 kHz),相应地对示波器加以调节。 注意输出 开始逐渐变得不像输入的求导(微分),而更像衰减的指数响应。 3.在高频(10 kHz)时,示波器上显示积分输入波形(方波)和输出波形(电容上的电压波 形),注意输出看起来象输入信号的积分。 4. 降低频率到 (1 kHz, 然后到100 Hz),相应地对示波器加以调节。 注意输出 开始逐渐变得不像输入的积分,而更像衰减的指数阶跃响应。 输入(方波) 积分电路输出 HF 积分器输出 LF 积分器输出 HF 微分器输出 LF 微分器输出 说明:用 RC 电路演示积分电路和微分电路 做微分电路实验时,将板上的开关设置为微分器。 做积分电路实验时,将板上的开关设置为积分器。 微分电路使用下列频率 100 HZ, 1000 HZ and 10,000 HZ 积分电路使用下列频率 10,000 HZ, 1000 HZ and 100 HZ 监测并确保输入(方波) 更多细节见下页图表 示波器设置 1 信号发生器设置 电源设置 幅值取决于教授 见上面的积分器频率设置 6.002 示范#17 A 积分电路和微分电路 Lang 教授 99 年春季 2 6.002 演示#18(下载安装#18.set) RC 电路的能量和功率 第 22 讲(第 23 讲复习) agarwal 2000 秋 说明:用 MOSFET 管和 RC 电路来研究功率消耗 以频率接近 300HZ 的方波来开始,卡上的 S1 应该打开,然后监控电表的读数。当频率 增大时,电表的读数跟随增大,当频率下降时,电表的读数也跟着线性下降。 如果卡上的 S1 在关闭的位置上,不管频率如何变化,输出基本保持不变。 电路图详见下页 [这一演示需要两个带视频转换和闪光灯的照相机来显示电表的读数] 注意如果设置偏移量小于 450mV,输出信号会出现干扰。应该将其设置为 660mV 以上以保持 正常工作。 注意郎教授希望从频率为 200Hz 的方波开始,用模拟仪表的公共端和正极性端,没有必要换 到电流专用端,将电流设置为 10mA 就可以了。 6.002 演示18(下载安装demo#18RP.set) COMS中的能量和功率 Fall 01第22讲 Prof. Parker 目的:演示如何使用热电偶实验来测量互补型金属氧化物半导体的温度,并证明其消耗功率 同Vs2 F成正比。(Vs是电压,F为转换频率)。假定晶体管温度与室温(20℃)之间的温度 差值与晶体管所消耗的能量成比例。 步骤: 1、 在电压为 10V,频率为 2KHz 时,在示波器上显示 CMOSF 管反相器的输入输出波形。 2、 将显示转换到摄影机显示测量电路和万用表测量热电偶的读数,此时热电偶的温度 大概在 30 度左右(比室温高了大约 10 度左右)。用扬声器播放输出波形,听众可 以通过音调的音量变化和音调的高低变化感受输出波形的变化,对于观众来说,因 为波形是通过摄像机并在大屏幕上的显示出来比用示波器的屏幕效果要好的多。 3、 调整频率 F 到 8 千赫,在理想状态下晶体管的温度将达到 60 度(较环境温度高出 40 度左右),此时需要等待一段时间以使温度稳定。 4、 将电压降低到 5V,此时的晶体管温度降下降到 30 度左右(较环境温度高出 10 度)。 5、 有趣的是,我们可以将电压加到 15V 频率提高到 100 千赫,此时晶体管就会烧毁。 说明:CMOS 中的能量和功率 1)用电胶布(宽度为正常宽度的一半)将热电偶很好的绕在 PMOS 管圆形的壳体 上)。热电偶的尖端必须与壳体接触良好。对摄影机进行设置以便观察电路和热电 偶的读数。安装扬声器用来播放 CMOS(CH2)的输出。 2)示波器波形显示出来以后,切换到视频显示并按步骤对 Vs 和 F 等进行设置。 示波器设置 信号发生器的设置 电源设置 6.002 演示19 干扰 第13至15 讲 Agarwal 2000秋 目的: 这个演示说明了两个相邻导线的信号间存在电容性耦合。作为违反了 6.002 课中介绍的抽 象的特例。这种耦合可以看成一个电容模型,其影响是基于其物理性质,与电路设计无关。 步骤: 1. 在一侧电路上输入正弦波,另一侧输入方波,在示波器上观察到正弦波电路的输出,正弦波 输出波形在对应于方波转折处的位置出现毛刺。 2. 把方波转换为三角波,正弦波输出上的毛刺消失了。 正弦曲线 + - 方波/三角波 图表描述:串模干扰演示 详细说明见下页图表 示波器设置 信号发生器 电源设置 6.002 演示#19A 引线电感 Agarwal Fall 00 目的:本演示是在采用长导线供电的情况下,当电流出现跳变时(由于反相器状态转换而引 起的),通过观察电压上出现的毛刺来演示长导线上的电感效应。当采用短引线时,则这种 现象消失。 步骤: 1. 采用长引线,用示波器观察反相器的输出电压(输入为方波时)和电源电压(经过长引 线后的某一点)。注意电源电压上出现的毛刺,并注意毛刺的出现和反相器输出状态转 换之间的关系。 2. 输入为高电平时,观察反相器输出信号的干扰情况,可以作为一个具体实例来解释其它 电源存在干扰的电路中干扰对输出的影响。 3. 换成短引线,则这种影响消失 长/短引线 6.002 演示#19A 导线电感 Prof. Agarwal Fall 00 描述:导线电感实验演示 电路图详见下页。 示波器设置: 信号发生器设置 电源设置 6.002 演示 19B 阻抗匹配 第 21 讲 Agarwal 2000 秋 目的:为了显示延迟的效果(光速不是无穷大),电路在开路时的特性并不总是像 6.002 中 所叙述的那样。不同长度的电缆连接到方波的输出端同时连接到示波器上(输入端)。当阻 抗不与 50Ω 的终端电阻匹配时,观察从另一端反射回来的信号。 步骤: 1、在示波器上显示方波波形。 2、连接一条长的线缆,远端开路。在示波器上显示新的波形(输入信号+反射信号)。光速 的大小可以利用线缆的长度以及输入信号与反射信号到达之间的时间延迟来计算出来。 3、采用 50 欧姆的终端电阻后,反射现象消失。 (同时连接到示波器上) 开路 开路时/接入终端电阻时 接入终端电阻 描述:采用 50 欧姆终端电阻 使之与一条长电缆达到阻抗匹配 更多细节见下页 示波器设置 信号发生器 电源设置 RG59 长电缆 无终端电阻 有终端电阻 6.002 示例#20 显示RC低通滤波器和高通滤波器的转移特性 第16讲、第17讲 Agarwal00年秋 目的: 本演示是在动态信号分析仪上显示RC低通滤波器的幅值和相位图。 同时让学生听正弦音调。 步骤: 第 1 部分: 低通情况下 第 2 部分: 高通情况下 过程描述:低通/高通RC电路 1. 按下电源开关按钮(就绪) 2. 按下预先设定按钮 3. 按下中止/连续按钮 4. 按下选择/定量分析按钮 5. 按下Freq Resp按钮 6. 按下测量模式按钮 7. 按下Log查找按钮 8. 按下正弦扫描按钮 9. 按下信号源按钮 10.按下信号源标准按钮 11. 按下1按钮 12. 按下V按钮 13. 按下范围选择按钮 14. 按下自动选择1上+下按钮 15. 按下自动选择2上+下按钮 16. 按下Coord 按钮 17. 按下增益(分贝)按钮 18. 按下刻度按钮 19. 按下X轴刻度按钮 20. 按下01,100按钮 21. 按下kHz按钮 22. 按下0,-38按钮( 使用– 42 对于 10 K 和 0.022) 23. 按下分贝按钮 24. 按下B按钮 25. 按下Coord按钮 26. 按下定相分析按钮 27. 按下刻度分析按钮 28. 按下X 轴刻度按钮 29. 按下01,100按钮 30. 按下kHz按钮 31. 按下Y 轴刻度按钮 32. 按下0,-90按钮( 高通的途径 0,90) 33. 按下幅度按钮 34. 按下频率按钮 35. 按下起始频率按钮 36. 按下10按钮 37. 按下kHz按钮 38. 按下停止频率按钮 39. 按下100按钮 40. 按下kHz按钮 41. 按下扫描速度按钮 42. 按下5按钮 43. 按下Sec/Dec按钮 44. 按下开始按钮 仪器: 音量控制器系统和(2)照相机 小型监视器 HP 动态信号分析器 (2) 1 K .01 uF的 RC 线路, ( 在 6.002示例图中) (2) BNC-处理器,BNC T型插座 放大器和扬声器 示波器设定: 通道CH1=2 v/ 每格, CHOP显示 通道CH2=2 v/ 每格 通道模式=左边 通道CH3& CH4=.5 v/ 每格 水平CH2=.2V/每格,CH2显示 触发放大器 模式=正常 耦合方式 =直流 信号源=内部触发) 扫描时基=10 ms/每格 6.002 演示#21RP(下载并安装 demo#21.set) 施密特触发器 第 21 讲 目的: 演示施密特触发器。 步骤: 第一步:观察在没有反馈时放大器的转换速率 注意:延迟范围应该被设置为 610 时间常数=1 微秒 第二步:输入的慢扫描可以观察到在输出上有滞后现象 第三步:用施密特触发器清除正弦波干扰 输入方波(有干扰) 第四步:设置一个反馈环节并接入一个电容输出矩形波和方波 第一部分: 注意:延迟范围应该被设置为 610 设备: 衰减器和 2 个照相机 微型监视器 惠普动态信号分析仪 2 个 1K,0.01μF 的 RC 电路。 (2)BNC-Clip,BNC Tees 放大器和扬声器 范围设置: Vert CH1=2v/Div,显示斩波 Vert CH2=2v/Div Vert 模式=左 Vert CH3&CH4=.5v/Div Horiz.CH2=.2v/Div 显示 CH2 时间常数=1 微秒 放大器 模式=普通 耦合=直流 来源=内部 扫描=10ms/Div 第二部分: 第三部分: 注意同步自锁 第四部分: 6.002 演示稿#21RP 张弛振荡器 第21讲 Prof. Parker 2001秋 目的:本演示说明正反馈在建立振荡中的作用,振荡频率取决于反馈环路的 RC 弛豫时间。 步骤: 1) 显示输入输出迟滞曲线; 2) 显示输入输出波形; 3) 调节反馈环路中的电位计来改变振荡频率,如果愿意的话,输出波形可以在扬声器上播 放。 输出 输入 迟滞曲线 描述:张弛振荡器 1):设置开关 S1,S2 向上,确认 SYMM 拨到 CW,HYS 拨到 CCW,FREQ 拨到 CW。 2)按下按钮‘3’,‘4’,在示波器上显示输入输出波形。 3)将频率滑块拨到 CCW,增加振荡器频率,将 CH4 接到扬声器上并播放。 示波器设置: 信号发生器设置: 电源设置 张弛振荡器: 6.002 demo#22( 这是一个动态的信号分析的示例 ) 演示RLC带通滤波器的转移特性 2000秋 第17讲、第18讲 目的: 分析动态性号通过RLC带通滤波器后的幅值和相位。 步骤: Agarwal 小电阻时: 幅值 大电阻时: 幅值 实验步骤描述:低通/高通 RC 1.按 Power On (等待) 2. 按 Preset 3. 按 Pause/Cont. 4. 按 Select Meas. 5. 按 Freq Resp. 6. 按 Meas. Mode 7. 按 Log. Res. 8. 按 Swept Sine 9. 按 Source 10. 按 Source Level 11. 按 1 12. 按 V 13. 按 Range 14. 按 Auto 1 Up + Down 15. 按 Auto 2 Up + Down 16. 按 Coord. 17. 按 Mag (dB) [LIN] ENTER 18. 按 Scale 19. 按 X FIXD Scale 20. 按 .1,10 21. 按 kHz 22. 按 Y FIXD Scale 23. 按 32, -48 24. 按 dB 25. 按 Freq 26. 按 Start Freq. 27. 按 100 28. 按 Hz 29. 按 Stop Freq. 30. 按 10 31. 按 kHz 32. 按 B 33. 按 Coord 34. 按 Phase 35. 按 Scale 36. 按 X FIXD Scale 37. 按 .1, 10 38. 按 KHZ 39. 按 90, -90 40. 按 Degree 41. 按 Freq. 42. 按 Sweep Rate 43. 按 5 44. 按 Sec/Dec 45. 按 Resltn 5 46. 按 Resltn AU 47. 按 A+B 48. 按 Start 通常线性的话看起来会更漂亮!!! 6.002 实验 23 LC 谐振电路演示 第 15 讲 Agarwal 2000 秋 一:实验目的: 演示 LC 振荡电路在阶跃信号、脉冲信号、正弦信号的条件下的响应 二:电路图 三:实验步骤 1. 演示电路在阶跃信号下的响应 2. 演示电路在脉冲信号下的响应 3. 演示电路对正弦波信号下的响应 6.002 演示#23A 实验步骤: RLC 串联实验 长脉冲下载安装 Demo#23L.set Lang 教授 2002 年 春季 (1) 利用 IEC 信号发生器产生频率为 4HZ 的长脉冲方波 参数及设备设置 示波器时基=20ms 旋钮时基 =0.5ms (将旋钮拉动到 0.5ms 处,并按下) 信号扫描 设置为 ON 状态 存储 设置为 ON 状态 Ch1=2v/Div Ch2=2v/Div 时间延时χ ~645 使用不同的安培档测量电流,Ch3=5v/Div Ch4=5v/Div (当前档位为 0.1V/格) 波形图如下: 二:短脉冲负载 (2)信号发生器(PG 501 ser # B010124)参数设置 周期=20ms 可变衰减~9.30 脉冲宽度=10ms 可变衰减 ~11.30 幅值 最大 示波器参数 Ch2=0.5v/Div 时间延时χ~570 Ch3=5v/Div Ch4=5v/Div (当前档位为 20mv/格) 当教师要求你演示衰减信号时,把示波器的扫描周期设置为 5ms (3) 手动扫描(IEC 信号发生器) 从频率 0.3x1 Khz 到谐振频率 信号发生器峰峰值电压 3V 示波器时基=0.5ms (通过调节量程和相应的旋钮获得) Ch1= 5v/Div Ch2= 5v/Div 注意: 1. 在电路板(印刷版)已经提供了 50 欧的电阻,所以不要再使用 50 欧电阻。 2. 设置 +/-25V 时,应提供 +/-15V 的余量。 3. 首先产生脉冲,然后演示由信号发生器产生的长脉冲 6.002 范例#24 运算放大器示例 第 19 讲 Agarwal 00 年秋 目的: 本演示研究由运算放大器构成的开环,反相加法器和同相放大器的结构。 步骤: 第 1 部分:开环 滞后现象随温度而变化,即使是一罐寒冷液体或是一支热气枪所引起的温度变化,也能对 滞后现象产生影响。 第 2 部分:反相加法器 这部分不在课堂中演示。 1 第 3 部分:同相放大器 这部分在课堂上演示并展示其具有温度抗扰性。 2 描述: 运算放大器特性 第 1)部分:开环 示波器: 竖直方向 5 V/Div(5V/格) 水平方向 50 uV/Div(50uV/格) 衰减器: 80 分贝 储存单一扫描曲线以避免迟滞现象。 第 2)部分:反相加法器 第 3)部分:同相放大器 将在 2 号运算放大器插板上的开关设置为上,下。 去掉衰减器。 改变通道 2 的极性。 示波器: 通道 4 2 V/Div(2V/格) 通道 2 5 V/Div(5V/格) 函数发生器=100Hz 3 仪器: 可调衰减器 (2)50 欧姆终端 双功率电源插板插入容量 运算放大器转换功能&输入输出插板 同相运算放大器电路 2 IEC(国际电工委员会)发生器 加热枪和冷却器。 示波器设置: 竖直模式 =左侧,触发输入=右侧 竖直方向通道 2=5 V/Div(5V/格)(反相的) 竖直方向通道 4=2 V/Div(2V/格),触发输入通道 4 7B53A 设置: 模式=标准 耦合方式=直流 电源=内部供电 磁装置=内置 扫描时间=Amp ( Fully CCW ) IEC(国际电工委员会)信号发生器设置: 3V P-P Cal 频率 =0.3 赫兹正弦波 4 6.002 演示#25 二极管电路和特性 Lang 教授 2002 春 步骤:下载安装6.002 Demo#25A 第一部分:显示二极管特性曲线,然后逐渐增加水平电压到 20V 观察二极管理想曲线(用 MATH/FFT 数学/快速付氏变换算法改变水平电压) 图 1 本 demo 示波器的设置为 16V P-P(峰-峰值),频率 100HZ 正弦波 对应 2mv 每分度 然后显示非常陡峭的曲线 有电阻的二极管曲线 第二部分:下载安装 6.002 演示 25 安装程序 显示输入信号、整流信号和滤波信号,首先只显示 C1,注意纹波,然后切换到 C2(× 10 倍)观察纹波几乎消失,只有当你改变振幅刻度才能观察到一些纹波。最后转换到 C2(× 1000 倍)纹波完全消失了。 图 1 本 demo 示波器的设置为 16V P-P(峰-峰值),频率 100HZ 正弦波 交流(电线)演示程序安装 probe :探针 switch box:开关箱 我们在不同的放大器 7A22 上用两个×10 倍的探针,小心不要使任何点接地,并且放大 器插栓设置为 AC 耦合而不是 DC 耦合,设置电压范围为 5V。 因为许多计算机连接到交流(AC)电源线上,观察到上下两侧均出现失真,不是一个 完美的正弦波。 6.002 示范#26 RC 响应 第 12 讲 目的:演示 RC 电路在各种初始和稳态值下的响应 agarwal 2000 秋 步骤: 1) 预先输入触点4电压5伏,使示波器不显示刻度 2) 输入触点1电压0伏 ,记录曲线[ #1 ] 3) 触点4接地@ (19). 触点1输入负10伏,记录曲线 [#2] 触点1输入+10伏,记录曲线 [#3] 4)触点4悬空,记录曲线 [#4] 实验设备: 7633/ / 7B53A 嵌入式波形发生器 标签 6.002-7 连接着2.2 K电阻器的10 K滑动变阻器 示波器设置: 通道模式 =左边 无功功率保持开关 = 开 保持旋钮 = 最大 存储水平 ~ 12:00 拨动按钮 =普通模式 通道2 = .5伏/单位(实际情况 = 5v/单位在电阻10:1和1兆欧姆限流电阻) 主触发器设定: 模式= 单通道,耦合方式=交流, 源=线, 延时=.5 秒/单位 (记录波形时按复位键) 确认最大可用增益开关为接通状态 6.002 演示# 27 LC 并联收音机 第 18 讲 目的: RLC 滤波电路与调幅收音机 步骤: Agarwal 00 年 秋 实验中使用的是 radio shack 晶体管收音机,二极管的正向压降应该很小,所以不宜使 用硅二极管。我们还发现,只有在室外才可以收到广播,因此需要用长导线将电源拉到室外。 我们用近处的调制器发射我们自己事先录制的广播,下面是广播内容(这一周期间在佛 罗里达发生的布什和高尔之间著名的计票战争) 几分钟的音乐 逐渐消失 -- 这是 WBUL ,波士顿。 我们在节目期间插入一则来自佛罗里达棕榈滩的最新报道。 当大选进入第 7天时,副总统高尔把希望寄予严阵以待的民主程序。 在参加了一个在佛罗 里达棕榈滩举行的新闻发布会之后 ,副总统高尔表示总统职位志在必得。布什的阵营仍然没 有任何消息放出。 高尔的宣言引起了一些团体的紧张的反应。 Al Pringle, Foxwoods的副 主席表示现在已经到了极为关键性的时刻。克林顿总统委婉的讽刺说: "或许我们就该这样 选举". 我们将为您带来更多的报道。 这是丹 Slotnic , WBUL 新闻。 ——音乐 我们的广播结束,来自麻省理工学院的宗教广播节目替代了我们的广播。 示波器设置 ch2=每格 2 伏 垂直模式=left 触发=left 主触发=自动,直流,INT 示波器用来监测输入,不需要摄影机。 收音机配套元件 使用长的 AC 电缆,然后我们用晶体收音机接受电台广播。长的 AC 线仅用来接入 MAC 放 大器,你便可从收音机里接收信号了。 6.002 示例28 升压斩波变换器 第24讲 目的: 应用升压斩波技术设计一个直流/直流变换器 第一步: 1. 将二极管短路观察LC振荡过程 输入: 输出: 2 . 输入+5V电压,脉动通断开关(保持二极管短路) 输入: 输出: 3. 输入+ 5V电压, 脉动通断开关 (接入二极管) 输出: 过程说明: 示例1 * 信号发生器 ( 开关S1合向信号发生器 ) [ 信号发生器输出+2V方波,方波宽度16ms ] * 脉冲发生器 ( 关闭 ) * 二极管 D1 ( 短路, 开关S4将二极管短接 ) 示波器参数设置: Vert CH2 = 1v/Div Vert CH4 = .1v/Div x 10 ( 利用探头 ) Sweep = 2 ms/Div(扫描速度) Coupling = DC(触发耦合) Trig = EXT(触发信号为外触发通道) 示例 2 * 5 v 电源电压( S1 合向+5V ) * 脉冲发生器( S2 打开 ) [ 脉冲宽度 = .1 ms; 微调 ~ 10:00 ; 周期 = 20 ms, 微调 ~ 1:00 ] * 二极管D1 ( 短路, S4闭合 ) 示波器参数设置: Vert CH2 = 5v/Div Vert CH4 = .5v/Div x 10 (利用探头) Sweep = 10 ms/Div(扫描速度) Coulping = DC(触发耦合) Trig = EXT(触发信号为外触发通道) 示例 3 * 5 v 电源电压( S1 合向+5V ) * 脉冲发生器( S2 打开 ) [ 脉冲宽度 = .1 ms; 微调 ~ 12:00 ; 周期 = 20 ms, 微调 ~ 11:00 ] * 二极管 D1 ( 打开, S4打开 ) 示波器参数设置: Vert. Ch2 = 5v/Div Vert. CH4 = 1v/Div x 10 (利用探头) Single sweep = .2 ms/Div(扫描速度) Coupling = DC(触发耦合) Trig = EXT(触发信号为外触发通道) 6.002 示例28 升压变换器 郎教授
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