電子電路分析理論

又稱網(wǎng)絡(luò)分析。電子電路是由電阻、電感、電容等無源元件，晶體二極管、晶體三極管、場效應(yīng)管、負(fù)阻器件、集成運(yùn)算放大器等有源電子器件，以及電壓源、電流源、受控源等電源元器件組成的電路。無源器件和電源器件一般視為線性器件。電子器件由其工作狀態(tài)不同分為線性器件和非線性器件；當(dāng)工作在小信號(hào)條件下，等效為線性器件，當(dāng)工作在大信號(hào)或開關(guān)狀態(tài)下，等效為非線性器件。不含非線性器件的電路是線性電路，含一個(gè)以上非線性器件的電路是非線性電路。當(dāng)電路工作頻率較低，即波長λ遠(yuǎn)大于電路尺寸L時(shí)，電路是集總參數(shù)電路。當(dāng)λ與L可比擬時(shí)，表征電路特性的參數(shù)已不能只用一種常規(guī)定義下的物理量來表征，而要用無限多個(gè)連續(xù)分布的基本電路參數(shù)來表征，這種元件稱為分布參數(shù)元件，由分布元件組成的電路是分布參數(shù)電路。在λ＜L的情況下，表征電路特性的參數(shù)已不是電壓和電流，而是電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，這種電路是微波電路。當(dāng)電路中的信號(hào)是連續(xù)時(shí)間信號(hào)時(shí)，電路稱為模擬電路；當(dāng)信號(hào)是離散時(shí)間信號(hào)時(shí)，電路稱為離散時(shí)間電路；當(dāng)信號(hào)是二值化（0,1兩個(gè)狀態(tài)）信號(hào)時(shí)，電路是數(shù)字電路。特性或參數(shù)隨時(shí)間變化的元件稱為時(shí)變元件，含時(shí)變元件的電路是時(shí)變電路；否則分別稱為時(shí)不變元件和時(shí)不變電路。電路分析通常用基爾霍夫定律列出電路拓?fù)浞匠?，還要根據(jù)元件特性列出元器件約束方程，聯(lián)合求解電路方程。電路方程包括代數(shù)方程、微分方程和差分方程等。針對(duì)不同電路和不同激勵(lì)，有不同的電路分析理論。19世紀(jì)以來，對(duì)于集總參數(shù)時(shí)不變線性電路，已有成熟通用的分析理論。而非線性電路還缺少通用理論，但對(duì)某些非線性電路，在特定條件下，有近似分析方法研究一些重要的非線性現(xiàn)象。對(duì)于分布參數(shù)電路，已有用電路的方法分析傳輸線的理論，時(shí)變電路還缺少有效的求解方法。電子器件等效電路分析　電子器件與其他電子元件組合，構(gòu)成功能不同的各種電路。為了分析這些電路，必須把電子器件表示成由某些電路元件組成的簡單等效電路。它們可是無源電子元件，也可是受控電流源或受控電壓源。盡管等效電路只能近似地反映電子器件的外部特性，但在分析和設(shè)計(jì)電子電路時(shí)卻有著十分重要的作用。通常，按信號(hào)幅度的大小，可將電子器件等效電路分為兩類：小信號(hào)等效電路和大信號(hào)等效電路。二極管交流小信號(hào)可等效為電阻與電容的并聯(lián)；晶體三極管和場效應(yīng)管等效為雙端口網(wǎng)絡(luò)，其中h參量、Y參量、Z參量和A參量四種參數(shù)的等效電路較為常用。高頻工作情況下，混合π型高頻等效電路可表征結(jié)電容對(duì)電路高頻性能的影響。在大信號(hào)工作時(shí)，必須考慮電子器件的非線性，建立大信號(hào)等效電路。線性電路分析理論　包括以下幾個(gè)方面：①電阻電路的直流分析。分析只含電阻元件和直流電源的電路，電路的性能用電壓、電流和功率這組變量描述。用基爾霍夫定律建立電路的代數(shù)方程并求解。為了減少電路方程的數(shù)目，可用回路分析法和節(jié)點(diǎn)分析法使求解過程簡化；對(duì)于單口線性電路，可用疊加定理求解，或用戴維南定理得到等效電路，也可使求解過程簡化。電阻電路中的電壓和電流視為不隨時(shí)間變化的常量，電路的響應(yīng)與激勵(lì)的歷史無關(guān)，并且不考慮響應(yīng)產(chǎn)生的過程。②動(dòng)態(tài)電路的交流穩(wěn)態(tài)分析。分析包含電容元件、電感元件和正弦交流源的電路。動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是同頻率的正弦交流信號(hào)，只是幅度和相位發(fā)生變化。電路中的電壓或電流可用復(fù)數(shù)表示，把微分運(yùn)算d/dt變?yōu)槌薺ω因子，把積分運(yùn)算∫dt變?yōu)槌?/jω，從而把解微分、積分方程變?yōu)榻獯鷶?shù)方程。元件上電壓和電流之間的關(guān)系用復(fù)阻抗表示，電感的復(fù)阻抗ZL=jωL，電容的復(fù)阻抗ZC=1/jωC。穩(wěn)態(tài)電路方程的建立和求解，常應(yīng)用歐姆定理、疊加定理、戴維南定理。③動(dòng)態(tài)電路的瞬態(tài)分析。分析當(dāng)激勵(lì)源突然加入電路或電路中的狀態(tài)突然變動(dòng)時(shí)，電路中電壓或電流從變動(dòng)時(shí)刻到穩(wěn)定的變化過程。常用時(shí)域分析和頻域分析方法，后者還包括復(fù)頻域分析。時(shí)域分析直接用電路的微分方程求解，后者是對(duì)電路變量的方程加以變換，如拉普拉斯變換、傅里葉變換，將微分方程簡化為代數(shù)方程，在變換域求解，再用反變換得到最終結(jié)果。較大規(guī)模的電路的瞬態(tài)分析還可用數(shù)字計(jì)算機(jī)求數(shù)值解，或進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。時(shí)域分析中，通常求電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)，當(dāng)電路為僅含一個(gè)動(dòng)態(tài)元件（電容或電感）的電路，稱為一階電路，可用線性一階常微分方程描述和求解。含有兩個(gè)動(dòng)態(tài)元件的電路稱為二階電路，可用線性二階常微分方程描述和求解。電路的階數(shù)與電路的復(fù)雜度有關(guān)。對(duì)于一個(gè)正則的RLC元件電路，電路的階數(shù)n等于儲(chǔ)能元件個(gè)數(shù)。若存在純電容或純電感的情況下，階數(shù)會(huì)減少。n階電路可用階線性常微分方程描述和求解。瞬態(tài)頻域分析的基本思想是將激勵(lì)展開為許多存在于?∞＜t＜∞的正弦或復(fù)指數(shù)函數(shù)形的諧波，再根據(jù)疊加性分別計(jì)算各諧波在電路中產(chǎn)生的響應(yīng)。這種情況下，響應(yīng)等于電路的傳遞函數(shù)H(ω)與激勵(lì)相乘。傳遞函數(shù)完全確定了電路的特性，并將它們相加即可得到所需的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)激勵(lì)為周期性時(shí)間函數(shù)的情況下，激勵(lì)展開為傅里葉級(jí)數(shù)，所得響應(yīng)亦表示為級(jí)數(shù)形式。當(dāng)激勵(lì)為非周期時(shí)間函數(shù)的情況下，激勵(lì)是傅里葉積分，所得的響應(yīng)亦表示為積分形式。亦可將激勵(lì)展開為許多不同大小和時(shí)延的沖激信號(hào)a∫(t?τ)dt之和，分別求出它們通過電路的響應(yīng)h(t)（稱沖激響應(yīng)），再將所有的響應(yīng)積分得到瞬態(tài)響應(yīng)。還可將激勵(lì)展開為許多不同大小和時(shí)延的階躍信號(hào)au(t?τ)之和，分別求出它們通過電路的階躍響應(yīng)g(t)，再將所有的響應(yīng)積分得到電路的瞬態(tài)響應(yīng)。非線性電路分析理論　非線性器件的特性常找不到其解析表達(dá)式，若要精確地分析非線性電路，只有采用數(shù)值分析法。也有一些非線性器件可有合理的近似解析式，如用冪級(jí)數(shù)或泰勒級(jí)數(shù)逼近非線性器件特性，也可用分段線性作近似。分析非線性電路的目的是確定電路的解和解的性質(zhì)。確定解的局部或全局性質(zhì)的分析稱為定性分析；確定解的數(shù)值關(guān)系的分析稱為定量分析。電路的穩(wěn)態(tài)的定性分析的研究范圍是：①平衡點(diǎn)與周期解的存在性和唯一性，解的個(gè)數(shù)和解的穩(wěn)定性問題。②非線性現(xiàn)象發(fā)生的條件。定量分析的范圍是：平衡點(diǎn)的坐標(biāo)位置、穩(wěn)態(tài)周期解的波形和頻譜以及狀態(tài)變量與電路參數(shù)的關(guān)系。定性分析可確定電路的全局性質(zhì)；而定量分析只能得到局部的結(jié)果。非線性電路分析理論主要有：①定性分析法中的穩(wěn)定性理論。各種穩(wěn)定性判據(jù)、考慮擾動(dòng)的判據(jù)、特性方程分析法和李雅普諾夫分析法。②近似解析法。對(duì)于二階電路常用緩變振幅法、奇異擾動(dòng)法、漸進(jìn)法和相平面法；對(duì)于高階電路常用等效小參量法。③圖解法（拓?fù)浞椒ǎ?。④?shù)字計(jì)算機(jī)輔助分析法(CAA)。⑤用模擬計(jì)算機(jī)或集成電路進(jìn)行模擬仿真。分布參數(shù)電路分析理論　分布參數(shù)電路中的電壓和電流不僅是時(shí)間的函數(shù)，還是空間坐標(biāo)的函數(shù)。首先用無限逼近法建立理論模型，將電路（如均勻無耗傳輸線）設(shè)想為許多個(gè)無窮小長度元dx，在dx范圍內(nèi)參數(shù)可集中，每個(gè)長度元可抽象為一個(gè)集總參數(shù)電路，這些集總參數(shù)電路級(jí)聯(lián)而成的鏈形電路就成為傳輸線的電路模型。顯然，只有無窮小長度元dx的個(gè)數(shù)無限多時(shí)，鏈形電路才能準(zhǔn)確地代表傳輸線。接著是根據(jù)模型寫方程，方程是參照長度元dx抽象成的集總參數(shù)電路，利用基爾霍夫定律和元件約束寫出的偏微分方程組。最后是解方程求解答，再根據(jù)解答討論電路（傳輸線）的性能。分布參數(shù)電路作為一個(gè)電磁系統(tǒng)還可采用電磁場理論進(jìn)行分析，雖然嚴(yán)格與精確，但因電磁場方程求解比電路理論方程困難得多，通常不便采用。時(shí)變電路分析理論　用時(shí)變系數(shù)微分方程描述時(shí)變電路并求解。這種方程一般求不出解析解，只能作數(shù)值分析或求近似解，而且求解過程也很復(fù)雜。若時(shí)變電路中的元件都是線性元件，描述電路的方程就是仍是線性的。具有線性電路的線性性質(zhì)，疊加定理仍然適用。線性時(shí)變電路中的全響應(yīng)等于其零狀態(tài)響應(yīng)與零輸入響應(yīng)之和，而且可由沖激響應(yīng)和激勵(lì)的卷積求其零狀態(tài)響應(yīng)。信號(hào)流圖分析法　用于分析線性電路的一種方法。特點(diǎn)是利用一個(gè)有向圖來描述一些變量之間的關(guān)系。當(dāng)這些關(guān)系是線性的，則有向圖可用來表示一組聯(lián)立的代數(shù)方程。同時(shí)方程組的代數(shù)變換將與圖的變換具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，方程組的求解還可根據(jù)圖的結(jié)構(gòu)，憑直觀的方法來進(jìn)行。另外，信號(hào)流圖把變量描述為沿著支路流動(dòng)的“信號(hào)”。這些“信號(hào)”將被它所經(jīng)過支路的“特性”所改變，因此這種有向圖可把電路的因果關(guān)系清楚地在圖上表示出來。對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)流圖，S.J.梅森公式對(duì)所涉及的方程式解答的展開式作出圖形上的解釋。信號(hào)流圖分析方法與控制電路系統(tǒng)中最常用的框圖表示法非常相似，由電路框圖作相應(yīng)的信號(hào)流圖也是可用的方法。狀態(tài)變量分析理論　用狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程的分析電路的方法。電路的狀態(tài)變量具有下述特點(diǎn)：知道這組變量在某一時(shí)刻(t=t0)的值和施加于此電路在此后(t≥t0)的輸入值，就能完全確定此電路在任何時(shí)刻(t≥t0)的性狀。同一電路可用多組狀態(tài)變量中的任一組去描述。選取怎樣的一組往往視方便和需要而定。狀態(tài)變量分析法不僅對(duì)線性電路適用，也可推廣到非線性電路和離散時(shí)間電路。連續(xù)時(shí)間電路的狀態(tài)方程是一組聯(lián)立的一階微分方程。離散時(shí)間電路的狀態(tài)方程是一組聯(lián)立的一階差分方程。但狀態(tài)方程的編寫常常比較復(fù)雜，有時(shí)甚至不可能寫成標(biāo)準(zhǔn)形式。對(duì)于較為復(fù)雜的電路常常采用數(shù)值解法。

《電子電路分析與設(shè)計(jì):模擬電子技術(shù)》第1部分所討論的電路絕大部分都是分立電子電路，所謂分立電子電路，就是由分立的電阻、電容和晶體管所構(gòu)成的電路。對(duì)這些基本電路的分析使我們對(duì)這些電路的工作原理和電路特性有了一個(gè)初步的了解。書中通過一些設(shè)計(jì)、討論介紹了電子電路設(shè)計(jì)的概念，在討論過程中還考慮了各種不同的折衷方案。

《電子電路分析與設(shè)計(jì):模擬電子技術(shù)》的第2部分將逐步深入地分析和設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的模擬電子電路。這些較為復(fù)雜的電路是由第1部分所學(xué)的基本電路進(jìn)行組合和擴(kuò)展而形成的。但是接下來的大部分內(nèi)容還是繼續(xù)分析和設(shè)計(jì)分立電路，因?yàn)榧呻娐肪褪遣捎眠@些分立電路構(gòu)成的。在此簡短的序言中，將討論一下電子設(shè)計(jì)過程中的一些基本問題。

本書按照最新的職業(yè)教育教學(xué)改革要求，結(jié)合國家示范院校建設(shè)項(xiàng)目成果及作者多年的校企合作經(jīng)驗(yàn)編寫而成。本書從應(yīng)用電子電路分析入手，涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)的基本內(nèi)容。本書主要包括三位簡易搶答器電路的分析與調(diào)試、叫號(hào)顯示電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試、數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試、直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與調(diào)試、電子秤壓力信號(hào)放大電路的制作與調(diào)試、變速運(yùn)動(dòng)小車功率放大電路的分析與調(diào)試、可燃?xì)怏w報(bào)警器的制作與調(diào)試、電子秤低通濾波電路的制作與調(diào)試、小車變速運(yùn)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換電路的分析與測試、水溫控制系統(tǒng)的分析與調(diào)試、以及小型電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與調(diào)試等。

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