電子電路分析理論

電子電路分析理論,根據已知的電路元器件、電路結構和輸入信號(激勵),計算並求解輸出信號(回響)的理論。

又稱網路分析。電子電路是由電阻、電感、電容等無源元件,晶體二極體、晶體三極體、場效應管、負阻器件、集成運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不同分為線性器件和非線性器件;當工作在小信號條件下,等效駝尋朽為線性器件,當工作在大信號或開關狀態下,等效為非線性器件。不含非線性器件的電路是線性電路,含一個以上非線性器件的電路是非線性電路。當電路工作頻率較低,即波長λ遠大於電路尺寸L時,電路是集總參數電路。當λ與L可比擬時,表征電路特性的參數已不能只用一種常規定義下的物理量來表征,而要用無限多個連續分布的基本電路參數來表征,這種元件稱為分布參數元件,由分布元件組成的電路是分布參數電路。在λ<L的情況下,表征電路特性的參數已不是電壓和電流,而是電場強度和磁場強度,這種電路是微波電路。當電路中的信號是連續時間信號時,電路稱為模擬電路;當信號是離散時間信號時,電路稱為離散時間電路;當信號是二值化(0,1兩個狀態)信號時,電路是數字電路。特性或參數隨時間變化的元件稱為時變元件,含時變元件的電路是時變電路;否則分別稱為時不變元件和時不變電路。電路分析通常用基爾霍夫定律列出電路拓撲方程,還要根據元件特性列出元器件約束方程,聯合求解電路方程。電路方程包括代數方程、微分方程和差分方程等。針對不同電路和不同激勵,有不同的電路分析理論。19世紀以來,對於集總參數時不變線性電路,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象。對於分布參數電路,已有用電路的方法分析傳輸線的理論,時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。儘管等效電路只能近似地反映電子器件的外部特性,但在分析和設計電子電路時卻有著十分重要的作用。通常,按信號幅度的大小,可將電子器件等效電路分為兩類:小信號等效電路和大信號等效電路。二極體交流小信號可等效為電阻與電容的並聯;晶體三極體和場效應管等效為雙連線埠網路,其中h參量、Y參量、Z參量和A參量四種參數的等效電路較為常用。高頻工作情況下,混合π型高頻等效電路可雅甩船表徵結電容對電路高頻性能的影響。在大信號工作時,必須考慮電子器件的非線性,建立大信號等效電路。線性電路分析理論 包括以下幾個方面: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、電流和功率這組變數描述。用基爾霍夫定律建立電路的代數方程並求解。為了減少電路方程的數目,可用迴路分析法和節點分析法使求解過程簡化;對於單口線性電路,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。電阻電路中的電求囑漏危壓和電流視晚局囑戒為不隨時間變化的常量,電路的回響與激勵的歷史無關,並且不考慮回響產生的過程。②動態電路的交流穩態分析。分析包含電容元件、電感元件和正弦交流源的電路。動態電路的穩態回響是同頻率的正弦交流信號,只是幅度和相位發生變化。電路中的電壓或電流可用複數表示,把微分運算d/dt變為乘jω因子,把積分運算∫dt變為乘習凳囑1/jω,從而把解微分、積分方程變為解代數方程。元件上電壓和電流之間的關係用復阻抗表示,電感的復阻抗ZL=jωL,電容的復阻抗ZC=1/jωC。穩己想欠態電路方程的建立和求解,常套用歐姆定理、疊加定理、戴維南定理。③動態電路的瞬態分析。分析當激勵源突然加入電路或電路中的狀態突然變動時,電路中電壓或電流從變動時刻到穩定的變化過程。常用時域分析和頻域分析方法,後者還包括復頻域分析。時域分析直接用電路的微分方程求解,後者是對電路變數的方程加以變換,如拉普拉斯變換、傅立葉變換,將微分方程簡化為代數方程,在變換域求解,再用反變換得到最終結果。較大規模的電路的瞬態分析還可用數字計算機求數值解,或進行模擬試驗研究。時域分析中,通常求電路的零輸入回響、零狀態回響和完全回響,當電路為僅含一個動態元件(電容或電坑拔感)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。含有兩個動態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。電路的階數與電路的複雜度有關。對於一個正則的RLC元件電路,電路的階數n等於儲能元件個數。若存在純電容或純電感的情況下,階數會減少。n階電路可用階線性常微分方程描述和求解。瞬態頻域分析的基本思想是將激勵展開為許多存在於−∞<t<∞的正弦或復指數函式形的諧波,再根據疊加性分別計算各諧波在電路中產生的回響。這種情況下,回響等於電路的傳遞函式H(ω)與激勵相乘。傳遞函式完全確定了電路的特性,並將它們相加即可得到所需的瞬態回響。當激勵為周期性時間函式的情況下,激勵展開為傅立葉級數,所得回響亦表示為級數形式。當激勵為非周期時間函式的情況下,激勵是傅立葉積分,所得的回響亦表示為積分形式。亦可將激勵展開為許多不同大小和時延的衝激信號a∫(t−τ)dt之和,分別求出它們通過電路的回響h(t)(稱衝激回響),再將所有的回響積分得到瞬態回響。還可將激勵展開為許多不同大小和時延的階躍信號au(t−τ)之和,分別求出它們通過電路的階躍回響g(t),再將所有的回響積分得到電路的瞬態回響。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式,若要精確地分析非線性電路,只有採用數值分析法。也有一些非線性器件可有合理的近似解析式,如用冪級數或泰勒級數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。確定解的局部或全局性質的分析稱為定性分析;確定解的數值關係的分析稱為定量分析。電路的穩態的定性分析的研究範圍是:①平衡點與周期解的存在性和唯一性,解的個數和解的穩定性問題。②非線性現象發生的條件。定量分析的範圍是:平衡點的坐標位置、穩態周期解的波形和頻譜以及狀態變數與電路參數的關係。定性分析可確定電路的全局性質;而定量分析只能得到局部的結果。非線性電路分析理論主要有:①定性分析法中的穩定性理論。各種穩定性判據、考慮擾動的判據、特性方程分析法和李雅普諾夫分析法。②近似解析法。對於二階電路常用緩變振幅法、奇異擾動法、漸進法和相平面法;對於高階電路常用等效小參量法。③圖解法(拓撲方法)。④數字計算機輔助分析法(CAA)。⑤用模擬計算機或積體電路進行模擬仿真。分布參數電路分析理論 分布參數電路中的電壓和電流不僅是時間的函式,還是空間坐標的函式。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)構想為許多個無窮小長度元dx,在dx範圍內參數可集中,每個長度元可抽象為一個集總參數電路,這些集總參數電路級聯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的個數無限多時,鏈形電路才能準確地代表傳輸線。接著是根據模型寫方程,方程是參照長度元dx抽象成的集總參數電路,利用基爾霍夫定律和元件約束寫出的偏微分方程組。最後是解方程求解答,再根據解答討論電路(傳輸線)的性能。分布參數電路作為一個電磁系統還可採用電磁場理論進行分析,雖然嚴格與精確,但因電磁場方程求解比電路理論方程困難得多,通常不便採用。時變電路分析理論 用時變係數微分方程描述時變電路並求解。這種方程一般求不出解析解,只能作數值分析或求近似解,而且求解過程也很複雜。若時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,疊加定理仍然適用。線性時變電路中的全回響等於其零狀態回響與零輸入回響之和,而且可由衝激回響和激勵的卷積求其零狀態回響。信號流圖分析法 用於分析線性電路的一種方法。特點是利用一個有向圖來描述一些變數之間的關係。當這些關係是線性的,則有向圖可用來表示一組聯立的代數方程。同時方程組的代數變換將與圖的變換具有對應的關係,方程組的求解還可根據圖的結構,憑直觀的方法來進行。另外,信號流圖把變數描述為沿著支路流動的“信號”。這些“信號”將被它所經過支路的“特性”所改變,因此這種有向圖可把電路的因果關係清楚地在圖上表示出來。對於較複雜的信號流圖,S.J.梅森公式對所涉及的方程式解答的展開式作出圖形上的解釋。信號流圖分析方法與控制電路系統中最常用的框圖表示法非常相似,由電路框圖作相應的信號流圖也是可用的方法。狀態變數分析理論 用狀態變數建立狀態方程的分析電路的方法。電路的狀態變數具有下述特點:知道這組變數在某一時刻(t=t0)的值和施加於此電路在此後(t≥t0)的輸入值,就能完全確定此電路在任何時刻(t≥t0)的性狀。同一電路可用多組狀態變數中的任一組去描述。選取怎樣的一組往往視方便和需要而定。狀態變數分析法不僅對線性電路適用,也可推廣到非線性電路和離散時間電路。連續時間電路的狀態方程是一組聯立的一階微分方程。離散時間電路的狀態方程是一組聯立的一階差分方程。但狀態方程的編寫常常比較複雜,有時甚至不可能寫成標準形式。對於較為複雜的電路常常採用數值解法。

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