电路理论基础

零基础硬件工程师入门指南:从电路理论到PCB设计的完整学习路径 电路设计是电子工程领域的核心基础,它涉及将抽象需求转化为具体物理实现的过程。其基本原理基于电路理论、模拟与数字电子技术,通过EDA工具实现从原理图到PCB的转化。掌握电路设计能力对于开发消费电子、汽车电子和工业控制系统等产品具有重要价值,能够帮助工程师构建可靠、高效的硬件解决方案。在实际应用中,电路设计需要结合单片机编程、信号调试和工程实践,例如通过STM32等平台实现软硬件协同工作。本文围绕硬件工程师的成长路径,系统介绍了从电路仿真到实物制作的关键步骤,并分享了LTspice仿真、PCB布局等实用技巧,为 阅读详情

电路理论基础

[电路理论基础].梁贵书.扫描版(ED2000.COM).pdf

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书名作者出版社阅读日期
电路理论基础梁贵书、董华英中国电力出版社2020年10月8日

前提

理论类书籍通常都是由浅入深的讲解,从一个最简单的特例作为引子,再引申为更普遍的结论。这篇笔记里不对特例结论进行记载,直接记录普遍结论。

基本概念

电路理论有两个组成部分

  1. 电路分析:给定激励求响应
  2. 电路方法:实现响应搭电路

电的物理量

电流、电压、电荷、磁链、功率、能量

基尔霍夫定律

  1. KCL:节点电流代数和为零

  2. KVL:回路电压代数和为零

图论

  • 回路:每个节点连接2条支路
  • 树:连通,包含所有节点,不含回路
  • 割集:将图割成两个子图的一组最少支路

稳态电路分析方法

名称简介备注优点缺点
2b分析法(n-1)个KCL+(b-n+1)个KVL+b个VAR=2b个方程n:节点数 b:支路数列方程简单,能求出所有节点、支路、元件的各个参数有的时候只需要求解某一路或某几路的参数,计算过于繁琐
等效变换法拥有相同VAR关系的等效网络间的变换如电源模型等效变换化简电路,方便求解需要经验和灵感
支路分析法(n-1)个KCL+(b-n+1)个KVL结合VAR=b个方程***或***(b-n+1)个KVL+(n-1)个KCL结合VAR=b个方程将2b分析法中的b个VAR结合到了KCL或KVL中方程数比2b少了一半
节点分析法(n-1)个节点电压方程 G n u n = I n \boldsymbol G_n\boldsymbol u_n=\boldsymbol I_n Gn​un​=In​记忆 G i i G i j i s i i G_{ii}G_{ij}i_{sii} Gii​Gij​isii​的含义便于计算机编程计算需要一定的记忆量
网孔分析法(b-n+1)个网孔电流方程 R n i n = U n \boldsymbol R_n\boldsymbol i_n=\boldsymbol U_n Rn​in​=Un​记忆 R i i R i j u s i i R_{ii}R_{ij}u_{sii} Rii​Rij​usii​的含义和节点分析法对应需要一定的记忆量
回路分析法(b-n+1)个回路电流方程网孔分析法的推广,记忆 R i i R i j u s i i R_{ii}R_{ij}u_{sii} Rii​Rij​usii​的含义能用于非平面电路寻找回路较为抽象
改进节点分析法 [ G n B C D ] [ u n i ] = [ I S U S ] \begin{bmatrix}\boldsymbol G_n&\boldsymbol B\\\boldsymbol C& \boldsymbol D\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\boldsymbol u_n\\\boldsymbol i\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}\boldsymbol I_S\\\boldsymbol U_S\end{bmatrix} [Gn​C​BD​][un​i​]=[IS​US​​]n+m-1个方程,m为附加电流变量数目记忆 G n B C D I S U S \boldsymbol G_n\boldsymbol B\boldsymbol C\boldsymbol D\boldsymbol I_S\boldsymbol U_S Gn​BCDIS​US​的含义适用于各种电路记忆量大

常用等效变换

  1. 星形网络和三角网络变换 R i j = R i R j + R i R k + R j R k R k R_{ij}=\frac{R_iR_j+R_iR_k+R_jR_k}{R_k} Rij​=Rk​Ri​Rj​+Ri​Rk​+Rj​Rk​​ R i = R i j R i k R i j + R i k + R j k R_i=\frac {R_{ij}R_{ik}}{R_{ij}+R_{ik}+R_{jk}} Ri​=Rij​+Rik​+Rjk​Rij​Rik​​

​ 2.电源位移

电路定理

  • 线性电路特性:

    1. 叠加:总响应等于各个激励单独作用时的响应之和。不作用的电压源短路,电流源开路。
    2. 齐性:激励和响应同时放大缩小相同倍数仍成立。
    3. 戴维南:二段网络等效为电压源串电阻。开路电压、等效电阻与端口u,i的关系式。
    4. 诺顿:二段网络等效为电流源并电阻。短路电流、等效电阻与端口u,i的关系式。
    5. 互易:仅含电阻的单一激励电路,激励和响应互换位置仍然成立。三种形式:电流源和短路电流,电压源和开路电压,电压源换短路电流、电流源换开路电压。
  • 也适用于非线性电路定理:

    1. 替代:支路上的无耦合元件可以用等于该支路电压/电流的电压源/电流源替代。
    2. 特勒根:第一定理本质是能量守恒,提供功率和等于消耗功率和,电路的支路电压和支路电流的乘积代数和为零。第二定理比较有意思。两个拓扑结构一样的电路,一个电路的支路电压(电流)和另一个电路对应支路的电流(电压)乘积代数和也为零。
    3. 对偶:对偶元素全部互换仍成立。

双口网络

双口网络常用类型

  • 开路电阻

    [ u 1 u 2 ] = [ R 11 R 12 R 21 R 22 ] [ i 1 i 2 ] \begin{bmatrix}u_1\\u_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}R_{11}&R_{12}\\R_{21}&R_{22}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_1\\i_2\end{bmatrix} [u1​u2​​]=[R11​R21​​R12​R22​​][i1​i2​​] R i i = u i i i ∣ i j = 0 R_{ii}=\frac {u_i}{i_i}|_{i_j=0} Rii​=ii​ui​​∣ij​=0​ R i j = u i i j ∣ i i = 0 R_{ij}=\frac {u_i}{i_j}|_{i_i=0} Rij​=ij​ui​​∣ii​=0​

  • 短路电导

    [ i 1 i 2 ] = [ G 11 G 12 G 21 G 22 ] [ u 1 u 2 ] \begin{bmatrix}i_1\\i_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}G_{11}&G_{12}\\G_{21}&G_{22}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}u_1\\u_2\end{bmatrix} [i1​i2​​]=[G11​G21​​G12​G22​​][u1​u2​​] G i i = i i u i ∣ u j = 0 G_{ii}=\frac {i_i}{u_i}|_{u_j=0} Gii​=ui​ii​​∣uj​=0​ G i j = i i u j ∣ u i = 0 G_{ij}=\frac {i_i}{u_j}|_{u_i=0} Gij​=uj​ii​​∣ui​=0​

  • 传输
    [ u 1 i 1 ] = [ A B C D ] [ u 2 − i 2 ] = T [ u 2 − i 2 ] \begin{bmatrix}u_1\\i_1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}A&B\\C&D\end{bmatrix}\begin{bmatrix}u_2\\-i_2\end{bmatrix}=\boldsymbol T\begin{bmatrix}u_2\\-i_2\end{bmatrix} [u1​i1​​]=[AC​BD​][u2​−i2​​]=T[u2​−i2​​]

    A = u 1 u 2 ∣ i 2 = 0 A=\frac {u_1}{u_2}|_{i_2=0} A=u2​u1​​∣i2​=0​ B = u 1 − i 2 ∣ u 2 = 0 B=\frac {u_1}{-i_2}|_{u_2=0} B=−i2​u1​​∣u2​=0​ C = i 1 u 2 ∣ i 2 = 0 C=\frac {i_1}{u_2}|_{i_2=0} C=u2​i1​​∣i2​=0​ D = i 1 − i 2 ∣ u 2 = 0 D=\frac {i_1}{-i_2}|_{u_2=0} D=−i2​i1​​∣u2​=0​

  • 混合

    [ u 1 i 2 ] = [ h 11 h 12 h 21 h 22 ] [ i 1 u 2 ] = H [ i 1 u 2 ] \begin{bmatrix}u_1\\i_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}h_{11}&h_{12}\\h_{21}&h_{22}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_1\\u_2\end{bmatrix}=\boldsymbol H\begin{bmatrix}i_1\\u_2\end{bmatrix} [u1​i2​​]=[h11​h21​​h12​h22​​][i1​u2​​]=H[i1​u2​​]

    h 11 = u 1 i 1 ∣ u 2 = 0 h_{11}=\frac {u_1}{i_1}|_{u_2=0} h11​=i1​u1​​∣u2​=0​ h 12 = u 1 u 2 ∣ i 1 = 0 h_{12}=\frac {u_1}{u_2}|_{i_1=0} h12​=u2​u1​​∣i1​=0​ h 21 = i 2 i 1 ∣ u 2 = 0 h_{21}=\frac {i_2}{i_1}|_{u_2=0} h21​=i1​i2​​∣u2​=0​ h 22 = i 2 u 2 ∣ i 1 = 0 h_{22}=\frac {i_2}{u_2}|_{i_1=0} h22​=u2​i2​​∣i1​=0​

    [ i 1 u 2 ] = [ h 11 ′ h 12 ′ h 21 ′ h 22 ′ ] [ u 1 i 2 ] = H ′ [ u 1 i 2 ] \begin{bmatrix}i_1\\u_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}h^\prime_{11}&h^\prime_{12}\\h^\prime_{21}&h^\prime_{22}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}u_1\\i_2\end{bmatrix}=\boldsymbol H^\prime\begin{bmatrix}u_1\\i_2\end{bmatrix} [i1​u2​​]=[h11′​h21′​​h12′​h22′​​][u1​i2​​]=H′[u1​i2​​]

    H ′ = H − 1 \boldsymbol H^\prime=\boldsymbol H^{-1} H′=H−1

    双口网络参数矩阵互换表

双口网络连接

  • 级联:1输出接2输入。采用传输参数分析, T = T 1 T 2 ⋯ T n \boldsymbol T=\boldsymbol T_1\boldsymbol T_2\cdots\boldsymbol T_n T=T1​T2​⋯Tn​ 、
  • 串联:输入输出分别串接。 R = R 1 + R 2 + ⋯ + R n \boldsymbol R=\boldsymbol R_1+\boldsymbol R_2+\cdots+\boldsymbol R_n R=R1​+R2​+⋯+Rn​
  • 并联:输入输出分别并联。 G = G 1 + G 2 + ⋯ + G n \boldsymbol G=\boldsymbol G_1+\boldsymbol G_2+\cdots+\boldsymbol G_n G=G1​+G2​+⋯+Gn​

运放端口特性

u o = A ( u + − u − ) u_o=A(u_+-u_-) uo​=A(u+​−u−​)

运放基本应用不在本书总结,会在其他随笔中做总结

回转器

[ u 1 u 2 ] = [ 0 − r r 0 ] [ i 1 i 2 ] \begin{bmatrix}u_1\\u_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0&-r\\r&0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_1\\i_2\end{bmatrix} [u1​u2​​]=[0r​−r0​][i1​i2​​]

可以将一个端口的电流(电压)转为另一个端口的电压(电流),可以将一个端口的电容(电感)转为另一个端口的电感(电容)

动态线性电路分析

n阶电路输入输出方程(n为电路中独立储能源元件数目):
a n d n y ( t ) d t n + a n − 1 d n − 1 y ( t ) d t n − 1 + ⋯ + a 1 d y ( t ) d t + a 0 y ( t ) = f s ( t ) a_n\frac {d^ny(t)}{dt^n}+a_{n-1}\frac {d^{n-1}y(t)}{dt^{n-1}}+\cdots+a_1\frac {dy(t)}{dt}+a_0y(t)=f_s(t) an​dtndny(t)​+an−1​dtn−1dn−1y(t)​+⋯+a1​dtdy(t)​+a0​y(t)=fs​(t)

换路:电源的接通和切断,电路参数的突然变化,电路结构的改变。

换路定则:电容电流(电感电压)为有限值时,电容上的电荷和电压(电感上的电流和磁链)不能跃变。

初始响应求解步骤:

  • 根据换路前稳态电路求出 u C ( 0 − ) 和 i L ( 0 − ) u_C(0_-)\text 和i_L(0_-) uC​(0−​)和iL​(0−​)
  • 根据换路定则和 t = 0 + t=0^+ t=0+时刻电路响应

全响应

自由响应:在有损电路中也叫暂态响应

强迫响应:输入为常数或周期函数时也叫稳态响应

过渡过程求解步骤:

  • 求初始响应
  • 求强破响应(特技)
  • 求自由响应(通解),需要使用常微分方程相关知识
  • 全响应=强迫响应+自由响应

三要素法:对应一般一阶电路,求得初始值、稳态值和时间常数可以直接得出全响应方程
y ( t ) = y p ( t ) + [ y ( t 0 + ) − y p ( t 0 + ) ] e − t − t 0 + τ ( t ⩾ t 0 + ) y(t)=y_p(t)+[y(t_{0+})-y_p(t_{0+})]e^{-\frac {t-t_{0+}}\tau} \qquad (t\geqslant t_{0+}) y(t)=yp​(t)+[y(t0+​)−yp​(t0+​)]e−τt−t0+​​(t⩾t0+​)
全响应也可以表示为:全响应=零输入响应+零状态响应

特殊零状态响应

  • 阶跃函数 ε ( t ) \varepsilon(t) ε(t):用来表征电路中的开关动作

  • 冲激函数 δ ( t ) \delta(t) δ(t):筛选函数瞬间值,冲激响应可以使电容电压和电感电流跃变

  • 冲激响应为阶跃响应的导数

卷积

u s ( t ) ⊗ h ( t ) = ∫ 0 − t u s ( τ ) h ( t − τ ) d τ u_s(t)\otimes h(t)=\int_{0_-}^tu_s(\tau)h(t-\tau)d\tau us​(t)⊗h(t)=∫0−​t​us​(τ)h(t−τ)dτ

卷积满足交换律

状态方程

y = C x + D u \boldsymbol y=\boldsymbol C\boldsymbol x+\boldsymbol D\boldsymbol u y=Cx+Du y \boldsymbol y y为输出向量,对于 n n n个状态变量, m m m个输入, l l l个输出的电路。 C \boldsymbol C C为 l × n l\times n l×n的矩阵, D \boldsymbol D D为 l × m l\times m l×m的矩阵。

直观法列写多阶线性时不变电路状态方程的步骤:

  • 选取独立电容电压和独立电感电流为状态量
  • 对每个独立电容,选用一个节点或割集;对每个独立电感,选用一个回路
  • 将方程中输入以外的非状态变量用状态变量和输入表示

正弦稳态电路分析

相量:描述了正弦量三要素中的振幅和初相,不包含频率信息

相量运算特性:唯一性,线性,微分 p h [ d n i ( t ) d t n ] = ( j ω ) n I ˙ ph[\frac{d^ni(t)}{dt^n}]=(j\omega)^n\dot {\boldsymbol I} ph[dtndni(t)​]=(jω)nI˙,积分 p h [ ∫ ⋯ ∫ i ( t ) d t ⋯ d t ] = 1 ( j ω ) n I ˙ ph[\int\cdots\int i(t)dt\cdots dt]=\frac 1{(j\omega)^n}\dot{\boldsymbol I} ph[∫⋯∫i(t)dt⋯dt]=(jω)n1​I˙

平均功率 P = U I cos ⁡ θ P=UI\cos\theta P=UIcosθ θ = φ u − φ i \theta=\varphi_u-\varphi_i θ=φu​−φi​ 无功功率 Q = U I sin ⁡ θ Q=UI\sin\theta Q=UIsinθ

视在功率 S = U I S=UI S=UI 功率因数 cos ⁡ θ \cos\theta cosθ 复功率 S ~ = P + j Q = S ∠ θ \tilde{S}=P+jQ=S\angle\theta S~=P+jQ=S∠θ

相量分析法:使用几何知识求解电路正弦网络函数

正弦网络函数: A u ( j ω ) A_u(j\omega) Au​(jω)、 A i ( j ω ) A_i(j\omega) Ai​(jω)、 Y T ( j ω ) Y_T(j\omega) YT​(jω)、 Z T ( j ω ) Z_T(j\omega) ZT​(jω)

频率特性曲线:幅频特性曲线、相频特性曲线

通频带BW:幅值大于最大值 1 2 \frac 1{\sqrt2} 2 ​1​的部分的频率范围,截止频率(转折频率) ω c \omega_c ωc​

谐振与互感

谐振内容见电磁学相关内容

互感:电流从同名端流入,互感为正。耦合系数 k = M L 1 L 2 k=\frac M{\sqrt{L_1L_2}} k=L1​L2​ ​M​

互感电路分析:

  • 互感消除:仅有二端和三端耦合电感的电路
  • 回路分析
  • 反映阻抗法:适用于变压器

三相电路

三组频率相同,相位差120°的交流系统

  • Y接法: I l = I p h \boldsymbol I_l=\boldsymbol I_{ph} Il​=Iph​ U l = 3 U p h ∠ 3 0 ∘ \boldsymbol U_l=\sqrt3\boldsymbol U_{ph}\angle30^\circ Ul​=3 ​Uph​∠30∘

  • △ \triangle △接法: U l = U p h \boldsymbol U_l=\boldsymbol U_{ph} Ul​=Uph​ KaTeX parse error: Undefined control sequence: \ang at position 41: …ldsymbol I_{ph}\̲a̲n̲g̲-30^\circ

非正弦周期信号分析

傅里叶展开: f ( t ) = A 0 + ∑ k = 1 ∞ A k m sin ⁡ ( k ω t + θ k ) f(t)=A_0+\sum_{k=1}^\infty A_{km}\sin (k\omega t+\theta_k) f(t)=A0​+∑k=1∞​Akm​sin(kωt+θk​) A0为直流分量

谐波分析法:通过傅里叶展开后再由叠加原理叠加

周期性非正弦三相电中的6k+1次谐波组成正序,6k+5组成负序,6k+3组成零序,偶数次谐波都为0

非线性电路分析

PN结二极管低频下可以视为非线性电阻 i = I S ( e u / U T − 1 ) i=I_S(e^{u/U_T}-1) i=IS​(eu/UT​−1)

N形负阻、S形负阻

静态电阻和动态电阻(电阻变化率)

DP图图解法:将两个或多个非线性元件特性曲线进行叠加

静态工作点:DP图的交点

小信号分析法:在静态工作点附近使用泰勒级数展开,省略二次项。
{ △ i ( t ) + △ i R ( t ) = 0 △ u ( t ) − △ u R ( t ) = 0 △ u ( t ) = R △ i ( t ) + u s ( t ) △ u R ( t ) = R d Q △ i R ( t ) \begin{cases} \triangle i(t)+\triangle i_R(t)=0\\ \triangle u(t)-\triangle u_R(t)=0\\ \triangle u(t)=R\triangle i(t)+u_s(t)\\ \triangle u_R(t)=R_{dQ}\triangle i_R(t) \end{cases} ⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧​△i(t)+△iR​(t)=0△u(t)−△uR​(t)=0△u(t)=R△i(t)+us​(t)△uR​(t)=RdQ​△iR​(t)​
小信号电路于原电路有相同结构,差别在于把直流电源置零,非线性电阻用直流工作点处动态电阻代替

分段线性法:将特性曲线分段,每段都为线性特征,分别求解,可以使用动态路径法

线性动态电路复频域分析

主要思想是把时域的积分微分方程转化为s域的代数方程,方便运算,再将运算结果反变换还原为时域方程

拉氏变换的性质:

  • 唯一性

  • 线性

  • 时域微分性质: L [ d n f ( t ) d t n ] = s n F ( s ) − s n − 1 f ( 0 − ) − s n − 2 f ′ ( 0 − ) − ⋯ − f ( n − 1 ) ( 0 − ) \mathscr{L}[\frac {d^nf(t)}{dt^n}]=s^nF(s)-s^{n-1}f(0_-)-s^{n-2}f^\prime(0_-)-\cdots -f^{(n-1)}(0_-) L[dtndnf(t)​]=snF(s)−sn−1f(0−​)−sn−2f′(0−​)−⋯−f(n−1)(0−​)

  • 时域积分性质: L [ ∫ 0 − t f ( τ ) d τ ] = F ( s ) s \mathscr{L}[\int^t_{0_-}f(\tau)d\tau]=\frac {F(s)}s L[∫0−​t​f(τ)dτ]=sF(s)​

  • 时域位移性质:时域位移后,象函数多一项因子 e − s t 0 e^{-st_0} e−st0​

  • 频域位移性质: L [ f ( t ) e − a t ] = F ( s + a ) \mathscr{L}[f(t)e^{-at}]=F(s+a) L[f(t)e−at]=F(s+a)

  • 卷积定理: L [ u s ( t ) ⊗ h ( t ) ] = U s ( s ) ⋅ H ( s ) \mathscr{L}[u_s(t)\otimes h(t)]=U_s(s)\cdot H(s) L[us​(t)⊗h(t)]=Us​(s)⋅H(s)

时域经过拉式变换后,会将象函数化简为常用函数的象函数中的有的象函数形式,其中,让分母为零的点为极点,分子为零的点为零点。

运算电路:将时域模型替换为s域模型

复频域的网络函数中,极点为电路固有频率,零点为输出为零的点。

电路代数方程矩阵形式

基本概念:

  • 关联矩阵:节点电流写出来的矩阵 A a \boldsymbol A_a Aa​

  • 基本回路矩阵:回路电压写出来的矩阵 B f \boldsymbol B_f Bf​

  • 基本割集矩阵:割集包含支路写出来的矩阵 Q f \boldsymbol Q_f Qf​

  • A B f T = 0 Q f B f T = 0 \boldsymbol {AB}^T_f=\boldsymbol 0 \qquad \boldsymbol Q_f\boldsymbol B_f^T=\boldsymbol 0 ABfT​=0Qf​BfT​=0

  • A = [ A l A t ] , B = [ 1 l B t ] , Q f = [ Q l 1 t ] \boldsymbol A=[\boldsymbol A_l \quad \boldsymbol A_t],\boldsymbol B=[\boldsymbol 1_l \quad \boldsymbol B_t],\boldsymbol Q_f=[\boldsymbol Q_l \quad \boldsymbol 1_t] A=[Al​At​],B=[1l​Bt​],Qf​=[Ql​1t​]

  • 支路方程:
    I ˙ b = Y b U ˙ b + Y b U ˙ s − I ˙ s U ˙ b = Z b I ˙ b + Z b I ˙ s − U ˙ s M I ˙ b + N U ˙ b = U ˙ s + I ˙ s \boldsymbol {\dot I}_b=\boldsymbol Y_b\boldsymbol {\dot U}_b+\boldsymbol Y_b\boldsymbol {\dot U}_s-\boldsymbol {\dot I}_s\\ \boldsymbol {\dot U}_b=\boldsymbol Z_b\boldsymbol {\dot I}_b+\boldsymbol Z_b\boldsymbol {\dot I}_s-\boldsymbol {\dot U}_s\\ \boldsymbol M\boldsymbol {\dot I}_b+\boldsymbol N\boldsymbol {\dot U}_b=\boldsymbol {\dot U}_s+\boldsymbol {\dot I}_s I˙b​=Yb​U˙b​+Yb​U˙s​−I˙s​U˙b​=Zb​I˙b​+Zb​I˙s​−U˙s​MI˙b​+NU˙b​=U˙s​+I˙s​

分析方法:

  • 节点电压:
    Y n = A Y b A T J ˙ n = A I ˙ s − A Y b U ˙ s Y n U ˙ n = J ˙ n \boldsymbol Y_n=\boldsymbol A\boldsymbol Y_b\boldsymbol A^T\\ \boldsymbol {\dot J}_n=\boldsymbol A\boldsymbol {\dot I}_s-\boldsymbol A\boldsymbol Y_b\boldsymbol {\dot U}_s\\ \boldsymbol Y_n\boldsymbol {\dot U}_n=\boldsymbol {\dot J}_n Yn​=AYb​ATJ˙n​=AI˙s​−AYb​U˙s​Yn​U˙n​=J˙n​

  • 回路电流:
    Z l = B f Z b B f T U ˙ l = B f U ˙ s − B f Z b I ˙ s Z l I ˙ l = U ˙ l \boldsymbol Z_l=\boldsymbol B_f\boldsymbol Z_b\boldsymbol B_f^T\\ \boldsymbol {\dot U}_l=\boldsymbol B_f\boldsymbol {\dot U}_s-\boldsymbol B_f\boldsymbol Z_b\boldsymbol {\dot I}_s\\ \boldsymbol Z_l\boldsymbol {\dot I}_l=\boldsymbol {\dot U}_l Zl​=Bf​Zb​BfT​U˙l​=Bf​U˙s​−Bf​Zb​I˙s​Zl​I˙l​=U˙l​

  • 割集电压:

Y t = Q f Y b Q f T   J ˙ t = Q f   I ˙ s − Q f Y b   U ˙ s Y t   U ˙ t =   J ˙ t \boldsymbol Y_t=\boldsymbol Q_f\boldsymbol Y_b\boldsymbol Q_f^T\\ \boldsymbol  {\dot J}_t=\boldsymbol Q_f\boldsymbol  {\dot I}_s-\boldsymbol Q_f\boldsymbol Y_b\boldsymbol  {\dot U}_s\\ \boldsymbol Y_t\boldsymbol  {\dot U}_t=\boldsymbol  {\dot J}_t Yt​=Qf​Yb​QfT​ J˙t​=Qf​ I˙s​−Qf​Yb​ U˙s​Yt​ U˙t​= J˙t​

  • 稀疏表格法:2b+n个变量的矩阵

KCL: A I ˙ b = 0 KVL: U ˙ b − A T U ˙ n = 0 M I ˙ b + N U ˙ b = U ˙ s + I ˙ s \text {KCL:}\boldsymbol {A{\dot I}}_b=\boldsymbol 0\\ \text {KVL:}\boldsymbol {\dot U}_b-\boldsymbol {A^T{\dot U}}_n=\boldsymbol 0\\ \boldsymbol M\boldsymbol {\dot I}_b+\boldsymbol N\boldsymbol {\dot U}_b=\boldsymbol {\dot U}_s+\boldsymbol {\dot I}_s KCL:AI˙b​=0KVL:U˙b​−ATU˙n​=0MI˙b​+NU˙b​=U˙s​+I˙s​

​ 合并为:
[ A 0 0 0 1 − A T M N 0 ] [ I ˙ b U ˙ b U ˙ n ] = [ 0 0 F s ] \begin{bmatrix}\boldsymbol A&\boldsymbol 0&\boldsymbol 0\\ \boldsymbol 0&\boldsymbol 1& -\boldsymbol A^T\\ \boldsymbol M&\boldsymbol N&\boldsymbol 0\end{bmatrix} \begin{bmatrix} \boldsymbol {\dot I}_b\\\boldsymbol {\dot U}_b\\\boldsymbol {\dot U}_n\end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \boldsymbol 0\\\boldsymbol 0\\\boldsymbol F_s\end{bmatrix} ⎣⎡​A0M​01N​0−AT0​⎦⎤​⎣⎡​I˙b​U˙b​U˙n​​⎦⎤​=⎣⎡​00Fs​​⎦⎤​

分布参数电流

电报方程:
− ∂ u ∂ x = R 0 i + L 0 ∂ i ∂ t − ∂ i ∂ x = G 0 u + C 0 ∂ u ∂ t -\frac {\partial u}{\partial x}=R_0i+L_0\frac{\partial i}{\partial t}\\ -\frac {\partial i}{\partial x}=G_0u+C_0\frac{\partial u}{\partial t} −∂x∂u​=R0​i+L0​∂t∂i​−∂x∂i​=G0​u+C0​∂t∂u​
频域形式:
− d U ˙ d x = ( R 0 + j ω L 0 ) I ˙ = Z 0 I ˙ − d I ˙ d x = ( G 0 + j ω C 0 ) U ˙ = Y 0 U ˙ γ = α + j β = Z 0 Y 0 = ( R 0 + j ω L 0 ) ( G 0 + j ω C 0 ) Z c = Z 0 Y 0 = ( R 0 + j ω L 0 ) ( G 0 + j ω C 0 ) -\frac {\mathrm{d} \dot U}{\mathrm{d} x}=(R_0+j\omega L_0)\dot I=Z_0\dot I\\ -\frac {\mathrm{d} \dot I}{\mathrm{d} x}=(G_0+j\omega C_0)\dot U=Y_0\dot U\\ \gamma=\alpha+j\beta=\sqrt {Z_0Y_0}=\sqrt {(R_0+j\omega L_0)(G_0+j\omega C_0)}\\ Z_c=\sqrt{\frac {Z_0}{Y_0}}=\sqrt \frac{(R_0+j\omega L_0)}{(G_0+j\omega C_0)} −dxdU˙​=(R0​+jωL0​)I˙=Z0​I˙−dxdI˙​=(G0​+jωC0​)U˙=Y0​U˙γ=α+jβ=Z0​Y0​ ​=(R0​+jωL0​)(G0​+jωC0​) ​Zc​=Y0​Z0​​ ​=(G0​+jωC0​)(R0​+jωL0​)​ ​

通解:
U ˙ = A 1 e − γ x + B 1 e γ x I ˙ = A 1 Z C e − γ x − B 1 Z C e γ x \dot U=A_1e^{-\gamma x}+B_1e^{\gamma x}\\ \dot I=\frac {A_1}{Z_C}e^{-\gamma x}-\frac {B_1}{Z_C}e^{\gamma x} U˙=A1​e−γx+B1​eγxI˙=ZC​A1​​e−γx−ZC​B1​​eγx
传输矩阵:
T = [ cosh ⁡ γ l Z c sinh ⁡ γ l Y c sinh ⁡ γ l cosh ⁡ γ l ] \boldsymbol T=\begin{bmatrix}\cosh \gamma l&Z_c\sinh \gamma l\\ Y_c\sinh \gamma l &\cosh \gamma l \end{bmatrix} T=[coshγlYc​sinhγl​Zc​sinhγlcoshγl​]
波的反射:

电报方程的频域通解形式中的两项分别是入射波分量和反射波分量

反射系数: N = Z 2 − Z C Z 2 + Z C e − 2 γ x ′ N=\frac {Z_2-Z_C}{Z_2+Z_C}e^{-2\gamma x\prime } N=Z2​+ZC​Z2​−ZC​​e−2γx′ Z2为终端阻抗,Zc为传输线特性阻抗,x’为点到终端的距离,γ为传播常数

输入阻抗与反射系数的关系: N = Z − Z c Z + Z c N=\frac {Z-Z_c}{Z+Z_c} N=Z+Zc​Z−Zc​​ Z为输入阻抗

无畸变线

L 0 R 0 = C 0 G 0 γ = R 0 G 0 + j ω L 0 C 0 Z c = L 0 C 0 \frac {L_0}{R_0}=\frac {C_0}{G_0}\qquad \gamma=\sqrt{R_0G_0}+j\omega \sqrt{L_0C_0}\qquad Z_c=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}} R0​L0​​=G0​C0​​γ=R0​G0​ ​+jωL0​C0​ ​Zc​=C0​L0​​ ​

无损耗线

是无畸变线的特例

R 0 = 0 G 0 = 0 γ = j ω L 0 C 0 Z C = L 0 C 0 R_0=0\quad G_0=0\qquad \gamma=j\omega \sqrt{L_0C_0}\qquad Z_C=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}} R0​=0G0​=0γ=jωL0​C0​ ​ZC​=C0​L0​​ ​

驻波:波腹、波节位置固定

有限长无损线:可以作为储能元件,可以作为阻抗变换器

高频传输线可以当作无损耗线

无损号线的反射:柏德生法则,将反射瞬间电路等效为集中参数电路

无损号线的折射:略

电路知识分享 在电阻、电容、电感并联电路中,出现电路端电压和总电流同相位的现象。其特点是:并联谐振是一种完全的补偿,电源无需提供无功功率,只提供电阻所需要的有功功率,谐振时,电路的总电流最小,而支路电流往往大于电路中的总电流。其理想电压源的数值为有源二端电路的两个端子的开路电压,串联的内阻为内部所有独立源等于零 时两端子间的等效电阻。电流定律KCL:在电路中,任何时刻,对任一节点,所有流出节点的支路电流的代数和恒等于零。电压定律KVL:在集总电路中,任何时刻,沿任一回路,所有支路电压的代数和恒等于零。 阅读详情

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HWironman
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