S015-清华大学-电子电路与系统基础

电子电路与系统基础I《基础I---电阻电路》期末复习李国林清华大学电子工程系课程内容规划李国林电子电路与系统基础2(1)电阻、电源(2)基本电路定律基本电路定理基本概念基本分析方法(6)电容、电感第一学期上半学期分压器、分流器、衰减器、桥、理想受控源、理想变压器、回旋器、环形器、…放大器、比较器、电流镜、与或非门、整流器、稳压器、逆变器、…滤波器、变压器、延时电路、移相电路、积分电路、…振荡器、放大器、…2(5)电路抽象第一学期下半学期第二学期上半学期第二学期下半学期第一学期上半学期重点内容•电路基本定律，基本定理及其运用–第一重点：电路分析的基础•线性电阻电路–可用线性代数方程描述的电路–第二重点：线性电路分析是简单的矩阵运算•电路基本概念–第三重点：线性，传递函数，噪声，阻抗，…李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季3第一学期下半学期重点内容•非线性分析方法–第一重点：对非线性进行线性化处理是工程惯例•基本单元电路–重点是晶体管电路–第二重点：借助于晶体管的受控特性实现各种功能•电路基本概念–第三重点：非线性，失真，负反馈，…李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季41.非线性电路的分析方法•存在非线性元件的电路为非线性电路–非线性电阻元件•元件约束方程为非线性代数方程–非线性动态元件•元件约束方程为非线性的微积分关系•非线性电路方程求解比线性电路方程求解困难多多–线性电路有成熟的分析方法，其数学本质就是矩阵运算，列方程矩阵求逆即可得解•采用变换域方法、叠加定理、戴维南定理可以大大简化分析复杂度–非线性电路没有成熟的统一的方法，一般是具体问题具体分析•非线性的线性化是工程惯例，通过线性化实现对非线性的初级处理李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季5非线性电阻电路分析的基本方法•解析法–非线性元件数目少，描述方程简单–具有某种对称结构，描述方程可化简–以差分对放大器为例•数值法–牛顿-拉夫逊迭代法，是一种线性化方法–以非线性保护电路为例•分段线性法–将非线性曲线分割为数段折线，每段在各自范围内都可用线性约束•折线化方法：可用某点切线、两点割线或者拟合直线替代包含该点的一个范围内的曲线•以二极管整流器、稳压器、MOSFET、BJT电流镜、反相器为例•局部线性法–只要交流信号足够小，交流信号看不到曲线（非线性约束），它只能感受到局部的切线（线性约束）–交直流分析法：确定直流工作点（非线性分析，分段折线分析），在直流工作点上进行交流小信号分析（局部线性分析）–以负阻放大器、晶体管放大器为例•准线性法–电路中存在滤波机制，使得非线性产生的高次谐波分量被滤除，外在看似线性，从而可以用线性方法进行处理（并非真线性，故称准线性）–下学期内容：以晶体管振荡器为例李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季6经典方法2牛顿-拉夫逊迭代法李国林电子电路与系统基础70xf非线性方程求解0*xf真实解未知猜00xf猜对了00xf猜错了：接着猜001xxxkkkxxx1kkkkkkkkkkkxxfxfxxfxxfxfxxfxf...21021期望下一次猜对了kkkxfxfx前一次猜测基础上的猜测对前一次猜测的修正kkkkxfxfxx1NR迭代：对前一次猜测的线性修正李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季8xyxfy*x0x1x2xkkkkkkkkkkkxxfxfxxfxxfxfxxfxf...'21021保留零阶项和一阶线性项：就是用切线替代原曲线：多次修正牛顿-拉夫逊迭代法一般线性修正次数（迭代次数）不会超过10步kkkkxfxfxx1nxf迭代结束nxx*1nnxx多变量非线性方程求解李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季90,...,,211nxxxf0,...,,212nxxxf0,...,,21nnxxxftohxxxxxxxfxfxfxfxfxfxfxfxfffffffknknkkkkknnnnnnknkkknkk...........12121112122212121112111211xxxxxxxxxxxxxxxxxkkkkkxxxJxfxf011kkkkkkkxfxfxxfxJxx111为了降低方程维数，所有方程都应是非线性方程，线性方程应提前化简：电路上的处理就是线性网络用多端口网络的戴维南-诺顿等效处理后，和非线性网络对接，列写最少个数的非线性方程：一个单端口非线性器件（如二极管），则只需一个非线性方程，一个二端口非线性器件（如晶体管），只需两个非线性方程3、分段折线法•非线性特性中有明显分区特性的，均可分段折线处理–二极管：正偏导通，反偏截止，反向击穿–晶体管：截止区、恒流导通区、欧姆导通区•如果所处理的信号有明确的离散状态转换，对应于不同状态所处的非线性工作点位置，分别做局部线性化并拓展为分段折线–处理方波信号、数字信号李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季10-20-15-10-505101520-2-1.5-1-0.500.511.52150,150V150,150V干扰区间干扰区间三段折线ODvDi正偏导通反偏截止0.7VODvDi0.7VODvDi0.7VODvDi（a）实测特性（b）正偏戴维南源模型（c）正偏恒压源模型（d）理想整流模型整流二极管分段折线李国林电子电路与系统基础11DvDi开路0.7V恒压0i7.07.0v0DDBDDRvVi0i7.07.0v0DDVvViDD0i00v0DDDDvi应用很少高电压应用多采用此模型低电压应用多采用此模型*本页内容重点记忆稳压二极管分段折线李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季12mAIZM178FIFVVVZ1.5RIRVRVRI正偏导通反偏截止反向击穿0.7V恒压开路5.1V恒压特别注意：击穿区恒压模型条件IR0，或者IRIknee分段折线电路模型都存在适用范围：超出范围，模型则不适用MOSFET分段折线模型李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季13iGvGSvDSiDiG=0vGSVTHvDS0iD=0vDSiDOvGSvDS=VDS,satMiGvGSvDSiDiG=0vGSVTHvDSVDS,satiDronvDSiDOvGSvDS=VDS,satMvDSiDOiGvGSvDSiDvGSvDS=vGS-VTHiGvGSVTHvDSVDS,satiDID0=n(vGS-VTH)2M牢记：分区模型限定条件BJT分段折线模型李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季14iBvBEvCEiCBCEEvCEiCiB=0vBEvCEiC=0iBvBEvCEiCBCEEvCEiCiBvBE=0.7VvCE=0.2ViCVCEsatiBvBEvCEiCBCEEvCEiCVCEsatBECEiBIC0=IB0rceiC0.7VIB0牢记：分区模型限定条件4、局部线性化•只要交流信号足够小，交流信号只能感受到局部线性特性–对交流小信号而言，非线性元件对其实施的是微分线性处理李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季15txXfXftxXftxXfXftxXftxfacDCDCacDCacDCDCacDC...212交流信号足够小，高阶非线性项和线性项的影响力相比较，可以忽略不计交流小信号感受到的是线性作用关系信号作用到元件上单端口非线性电阻局部线性化李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季16VTH0vittVvimTHacsintVvomacsin00,IVQOvaciacdacacrviRNLVTH0RTHvNLiNLiTH直流非线性分析RNLvTH0RTHV0I0交流小信号线性分析rdvTHacRTHvaciacvTHacacTHTHddacvRrrv,可以分段线性化处理：线性电阻，戴维南源，诺顿源等效替代微分线性电阻替代二端口非线性电阻局部线性化方法17线性网络NQ线性网络NQCBECBEEBCEvBEvCEv2v1i1i2iCiB0,,201020102221121120102010NNCBIIVVYYYYVVfVVf0212122211211,2121202101NNVvVvCCBBiivvyyyyvfvfvfvf直流非线性分析交流小信号线性分析并并连接y相加线性网络中的直流偏置源二端口诺顿等效电流源线性网络中的交流激励源二端口诺顿等效电流源端口电压直流分量压控器件：以端口电压为变量列方程端口电压交流分量非线性二端口网络微分y参量线性网络交流y参量线性网络直流y参量非线性压控网络端口直流电流恒流区NPN-BJT交直流分析电路模型李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季18iBvBEvCEiCBCEEBECEIB0IB0IC00.7Vbeceibgmvberceicrbevbevce（a）二端口网络表述（b）直流分析电路模型（c）交流分析y参量等效电路恒流区分段折线电路模型恒流区微分元件电路模型00,1,CAcembeTCmIVrgrvIg微分跨导增益BE结微分电阻厄利效应等效电阻直流工作点上的微分元件cembeBJTggg0y00BCII*本页内容重点记忆恒流区NMOSFET交直流分析电路模型李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季19（a）二端口网络表述（b）直流分析电路模型（c）交流分析y参量等效电路恒流区分段折线电路模型恒流区微分元件电路模型微分跨导增益厄利效应等效电阻GSDSIG0ID0gsdsiggmvgsrdsidvgsvdsiGvGSvDSiDn(VGS0-VTH)2MVGS000,2DAdsodDmIVrVIg直流工作点上的微分元件dsmMOSFETgg00y200THGSnDVVI*本页内容重点记忆非线性电阻电路的交直流分析•直流非线性分析–直流偏置源保留，交流激励源不起作用–耦合电容开路，高频扼流圈短路–非线性电阻处理•解析表述：解析求解，或数值求解•分段线性处理，或其他近似法求解•交流小信号线性分析–直流偏置源不起作用，交流激励源保留–耦合电容短路，高频扼流圈开路–非线性电阻用其微分元件电路模型替代•根据非线性控制特性表述其微分元件电路模型–初始模型：压控器件用y参量电路模型，流控器件用z参量电路模型，混控器件用h、g参量电路模型–例：本讲义中，晶体管的元件约束是压控形式，故而其初始微分元件电路模型是y参量模型（跨导