当前课程知识点：电子信息科学与技术导引(1) > 第三讲：电路抽象 > 第七节 分层抽象思想 > 第七节 分层抽象思想
好我们下面来讲第七小节
分层抽象思想
前面在讨论电路元件
抽象的时候电阻电源电容
电感都可以直接从
Maxwell方程中找到
直接对应项而受控源
抽象却是在电路端口抽象的
前提下进一步考察端口和
端口之间作用关系的
时候才抽象出来的
受控源是用来描述
端口之间的作用关系
受控源的抽象较电阻
电容电感的抽象更高了一层
这是电路分层抽象
思想的一个具体体现
电路器件的功能由
其端口描述方程
或者说元件约束条件
广义欧姆定律来描述
多个器件连接以后
它们通过端口间的
相互作用
形成某种功能电路
这种功能电路也是
通过整体的重新定义
的对外端口的端口
描述方程表现它的功能
正因为如此我们可以
用分层抽象分层设计
思想来构造大的电路系统
在高层次定义功能
模块的端口并对
功能模块端口
电特性提出要求
对上一层次的应用者而言
他只需知道电子系统或
电路网络的端口
电特性就可以了
换句话说系统对应
用者而言可以是
只有明确端口定义的黑匣子
系统的功能通过
端口得以体现它的内部
如何工作对这个
应用者而言可以不必关心
这样系统设计就
变成了每个层面上
大家做好自己的
设计工作提供良好的
对外端口定义
也就是提供良好
电特性的子系统
高层设计者只需
关注子系统的端口特
考虑如何利用
端口特性设计更高层次的功能
他无需过多关注这些
子系统的内部物理结构
内部场分布情况
内部电路的工作原理是什么
他都不用关心了
例如器件设计者关注如何
利用实体物质和
场物质的相互作用关系
形成具有特定电特性的
基本器件而功能电路
设计者则关注如何
连接具有这些电特性的
基本器件使得整体结构
具有某种电路功能
从而提供具有特定功能的
功能单元电路
而系统设计者则考虑如何
连接这功能电路形成
具有更复杂功能的系统
进一步地我的系统
可以连接为更大的系统
这里以741运算放大器为例
这是741运放的内部电路图
包括20多个晶体管和
10多个电阻
如果你是这个
运放芯片的设计者
你需要清晰了解
每个晶体管的性能
尺寸以及版图结构等
设计中还需要考虑如何
消除寄生电容效应的影响
比如说我们添加
这个补偿电容使得
寄生电容导致的运放
不稳定现在可以稳定了
设置对外端点时
除了两个输入端点
同相输入端点和反
相输入端点以外
还有两个电源端点
正电源和负电源
一个输出端点此外
还设置了两个调零端点
用于抵偿制造工艺流程中
不可避免的失配问题
芯片设计者需要
考虑这些问题
留出了7个对外端点后
将其封装为741芯片
而利用741芯片的高层应用者
他无需过多关注741
内部电路是怎样工作的
他只需关注芯片设计者
提供的7个对外端点
也就是芯片的7个管脚
741芯片内部是
无源的非线性电阻晶体管
线性电阻和线性电容的组合
因而需要添加直流偏置电压源
使得晶体管可以
工作在恒流导通区
从而变成有源电路
于是在正电源端接
正电源电压负电源端接
负电源电压之后以
同相输入端点和反相输入
端点构成输入端口
把电源的地作为公共端点
和输出端点构成输出端口
两个调零端点则接
一个电位器
补偿内部失配
使得输入端口等效电路是
一个简单的电阻
我们用虚框把上
述配置重新虚拟封装一次
只剩下两个对外端口
输入端口和输出端口
这个虚框二端口网络
内由于有直流偏置
电源和晶体管在内
它形成了有源电路
可以用这个三角形
电路符号表示它是
一个放大器
对这个运放二端口网络
我们只关注其输入
端口和输出端口电特性
当运放工作在线性区时
也就是放大通路的
晶体管全部工作于
恒流导通区时自输入
端口到输出端口
它的等效电路就如图所示
除了两个端口电阻外
还有输入端口对
输出端口的电压控制作用
这里用压控压源表述
端口1对端口2的作用关系
而输出端口对输入
端口的作用极小
可以忽略不计
因而端口1只剩下了
一个输入电阻
741输入电阻很大
可以高达2M一般应用
情况下它被极致化为
无穷大因而运放输入
端口电流被抽象为0
这个极致化抽象
我们称它为虚断
输入端口是虚拟断开的
没有电流流入
同时741的电压控制
系数极大可以高达20万倍
注意到输出电压
不可能高于电源电压
而电压放大倍数
却高达20万倍
说明运放输入端口
电压只有微伏量级
这么小的电压可
被极致化为0
因而输入端口电压可
被抽象为0这个极致化
抽象我们定义
它是一个虚短
输入端口两个端点
电压差别在微伏量级
几乎相等犹如短路
虚短虚断的极致化抽象
使得电路分析的
时候直接认定运放输入
端口既没有电流流入
其两个端点电压又是
始终是相等的
这使得工作在线性区的
运放电路分析变得极度的简单。
如前所述741运放
加电源以后再虚拟
封装一次可抽象为
二端口放大器这个二端口
放大网络可以直接
被用来实现其他功能电路
大家看这张图这个
运放工作在线性区
通过虚短虚断分析可知
它完成了一个反相积分功能
将其再次封装为二端口网络
这个二端口网络就是
一个反相积分器
而在这个电路中
运放是工作在非线性区的
通过非线性区运放
电路模型分析可知
图中运放加两个
电阻重新封装后作为
二端口网络它是一个
同相施密特触发器
它的输入电压和输出
电压之间的关系是
一个滞回曲线
将反相积分器和
同相施密特触发器头尾环接
就可以形成一个张弛振荡器
施密特触发器输出端
将会产生一个方波信号
而积分器输出端则
会产生一个三角波信号
事实上，当我们分析出来
同相施密特触发器和
反相积分器环接以后
可形成张弛振荡器
那么张弛振荡器设计就
可以采用任意的电路
结构来实现同
相施密特触发器和
反相积分器不一定
我们采用运放电路了
任意方法只要能够
实现这两个功能电路
只要符合端口要求
同相施密特触发器和
反相积分器环接后就
可以产生需要的
方波信号和三角波信号
至此我们可以对
分层设计思想做一个小结
分层设计可以构造
出功能复杂的电子系统
上层设计者只需给出
下层模块的各种规范
下层设计者可以
采用任何结构任何
方法实现这个模块的功能
只要满足要求的
规范就可以了这里
的规范除了功能要求以外
还可能包括尺寸功耗
接口等等
只要符合规范
模块就可以相互替换
具有可移植性
系统维护和升级都很方便
在每个抽象层次上
人们都可以考虑是否
采用现有的成熟电路
或已有商用产品
从而以最短的时间
构造出符合要求的
具有特定功能的电子系统
正是由于分层设计的实施
使得我们现在有了
各种功能复杂的电子系统
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁学和分析数学发展史：磁学
-第三节 电磁学与分析数学发展史：静电
-第四节 电磁学和分析数学发展史：动电
-第五节 电子器件的发明及电子技术的发展
-第六节 电磁学的广泛应用
-第七节 电磁系统理论
-第八节 电子科学技术各学科间的关系
-第九节 电子科学技术的学科体系
-第一讲：电磁学与分析数学史概览--第一次作业
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁场（一）
-第三节 电磁场（二）
-第四节 物质
--第四节 物质
-第五节 电磁场与物质的相互作用：非共振作用
-第六节 电磁场与物质的相互作用：共振作用
-第七节 电磁场理论与电路理论
-第一节 空间离散化
-第二节 静场电路分析
-第三节 非静场电路抽象
-第三讲：电路抽象--电路抽象 练习题
-第四节 电路元件抽象
-第五节 非线性元件抽象
-第六节 电路抽象三原则
-第七节 分层抽象思想
-第八节 电路基本问题
-第九节 数字化抽象
-第三讲：电路抽象--Quiz 3
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 什么是比特
-第三节 比特与编码
-第四节 比特与信息
-第五节 比特的用途示例
-第六节 什么是逻辑
-第七节 逻辑的用途示例
-第八节 与数字电路的关系
-第九节 小结
--第九节 小结
-第四讲：比特与逻辑--Quiz4
-第一节：从算盘到ENIAC
-第二节：通用计算机模型
-第三节：指令集体系结构
-第四节：程序和程序设计语言
-第五节：处理器的工作原理
-第六节：性能问题
--第六节：性能问题
-第七节：小结
--第七节：小结
-第一节：数据与数据处理技术的发展
-第二节：数据处理举例
-第三节：数据模型和算法的概念
-第四节：问题的抽象和建模
-第五节：数值分析问题研究
-第六节：数据和算法的关系I
-第七节：数据和算法的关系II
-第八节：大数据
--第八节：大数据
-第九节：数据挖掘技术和数据算法的展望
-第六讲：数据与算法--Quiz6
-第一节：基本内容简介
-第二节：信息的基本概念和传输的几种方式
-第三节：交换的概念和网络的几种形式
-第四节：模拟与数字通信
-第五节：调制和解调
-第六节：传输涉及的基本理论
-第七节：信息论和几种相关的编码方式
-第八节：多址方式
--第八节：多址方式
-第九节：交换的基本概念
-第十节：网络分层的基本概念
-第十一节：互联网的基本原理和有限状态机模型
-第七讲：通讯与网络--Quiz7
-第一讲：内容简介
--第一讲：内容简介
-第二讲：信息与媒体
-第三讲：人类感知与认知
-第四讲：智能信息处理
-第五讲：媒体与认知相互作用
-第六讲：媒体认知应用
-第七讲：总结
--第七讲：总结
-第八讲：媒体与认知--Quiz8
-期末考试--Final Exam
