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電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)
本課程是對原電路原理模擬電路通信電路和數(shù)字電路等課程重構(gòu)形成的新電路原理課程,體系架構(gòu)為一條主干四個分支。電路抽象為主干,包括端口或支路抽象下的電路基本定律、定理,電路方程列寫方法和電路基本分析方法,開關(guān)抽象、數(shù)字邏輯、CMOS門電路,有源、無源等。四個分支為線性電阻電路,包括電阻分壓、電橋、衰減電路,理想變壓、回旋、環(huán)行器,理想受控源、負阻、負反饋放大器,噪聲、阻抗、傳輸?shù);非線性電阻電路,包括二極管、晶體管,反相器、電流鏡、差分對、乘法器,CE、CB、CC組態(tài)和cascode結(jié)構(gòu),運放電路及其正負反饋應用,ADC、DAC,非線性失真,線性化處理方法等;一階動態(tài)電路,包括一階RC、RL濾波器時頻分析,半波整流器、張弛振蕩器,開關(guān)電容,延時、帶寬等;二階動態(tài)電路,包括二階RLC濾波器時頻分析,阻抗匹配與變換電路,高頻放大器,正弦波振蕩器,DC-AC,DC-DC,諧振、匹配等。
為了解決膨脹的知識量與有限的學制之間的矛盾,提高教學效率和質(zhì)量,培養(yǎng)拔尖型創(chuàng)新人才,清華大學電子工程系進行了全面的教學改革。在梳理出電子信息科學與技術(shù)知識構(gòu)架的基礎(chǔ)上,構(gòu)建起了全新的課程體系。本書是清華大學電子工程系核心課系列教材之一,由清華大學副校長王希勤教授作序推薦。本課程是首次將電路原理模擬電路通信電路數(shù)字電路及場路整合一體的新電路原理課程。課程以電路抽象為主干,把包括放大器、濾波器、振蕩器、數(shù)字門電路及存儲器、能量轉(zhuǎn)換電路等諸多基本單元電路掛靠在線性電阻電路、非線性電阻電路、一階動態(tài)電路、二階動態(tài)電路四個分支上。讀者通過本課程學習可在更高層面上理解、分析和設(shè)計電路。(1)將晶體管歸類于非線性電阻,使得模擬電路、通信電路課程內(nèi)容可融合于電路原理新框架中,并增加了對有源、無源、穩(wěn)定性等內(nèi)容的討論。(2)將器件、單元電路、系統(tǒng)統(tǒng)一為單端口或多端口網(wǎng)絡,以網(wǎng)絡參量整合線性電路,以非線性的線性化處理整合非線性電路,以電路抽象為主干,以電路分析方法的展開為明線,以基本元件、受控源、負阻、開關(guān)的應用為暗線,將多門電路課程內(nèi)容有機融合于一體。(3)在新框架下重新排布和解讀相關(guān)電路定律、定理和電路工作原理。
前言電路作為信息系統(tǒng)的物理層支撐滲透到了人類生活的方方面面,電路知識成為理工科大學生的基本素養(yǎng)。由于其極為重要的歷史地位,在發(fā)展過程中形成了多門在電子信息類專業(yè)課程中占據(jù)很大比重的電路課程。但是隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展,電子信息類專業(yè)學生需要掌握的各類知識和技能呈現(xiàn)高速擴張態(tài)勢,尤其是頂層的信號處理和數(shù)據(jù)挖掘需求旺盛,但是學生仍然不得不花費大量的課時修全電路相關(guān)課程以掌握作為基本素養(yǎng)的底層電路知識,這顯然不適宜于當前高校電子信息類專業(yè)的全面均衡發(fā)展,因而有必要對現(xiàn)有的多門電路課程重新構(gòu)架,形成一門全新的電路原理課程,在有限的課時內(nèi)全面把握電路的核心精髓。除了電路課程外,整個電子信息類專業(yè)本科教學的各門課程也存在著各種各樣的原因期望課程內(nèi)容的改革變動,但本科課程之間的高度關(guān)聯(lián)導致牽一發(fā)而動全身,各科教師有心對課程內(nèi)容進行整合卻不敢有太大的動作。清華大學電子工程系關(guān)注到這個問題的存在,于2007年啟動了本科生課程教學改革,在王希勤、黃翊東兩位主任的直接領(lǐng)導下,在各方反復調(diào)研的基礎(chǔ)上,于2009年整理出了電子信息科學知識圖七層結(jié)構(gòu),并基于七層結(jié)構(gòu)構(gòu)建了一個新的本科課程體系,包括10門必修的核心課程、24門限選的專業(yè)限選課程、36門自由選修的專業(yè)選修課程和40門各類實驗課程,除了10門核心課外,其他專業(yè)課仍在緩慢持續(xù)擴張中。電路位于電子信息科學知識圖七層結(jié)構(gòu)的第二層,基于該層的電路核心課最終被定名為電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)(簡稱電路基礎(chǔ)),用于取代原課程體系中的多門必修電路課程,包括電路原理模擬電路通信電路,以及數(shù)字電路中的晶體管門級電路部分,是10門核心課中改革力度最大的一門課程。數(shù)字電路中的邏輯級部分和微機原理被合并為核心課數(shù)字邏輯與處理器基礎(chǔ)。在新課程體系中,電路原理課程被電路基礎(chǔ)核心課完全取代,而其他4門和電路直接相關(guān)的課程則分別更名進化為模擬電路原理通信電路原理數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)代計算機體系架構(gòu),作為專業(yè)限選課供對電路專業(yè)感興趣的學生選修,以使學生更加深入地掌握電路與系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)知識。集成電路設(shè)計是當前電路設(shè)計的頂層核心需求,大學應該培養(yǎng)在掌握電路核心知識基礎(chǔ)上具有較高電路素養(yǎng)的集成電路設(shè)計專業(yè)人才。由于集成電路設(shè)計和制作有一個相對較高的門檻,因而最終進入電路專業(yè)深造的學生將是一個小的群體,故而改革啟動時我們就已經(jīng)預期新課程體系建成后,電路類相關(guān)專業(yè)限選課較原體系作為必修課時其選修人數(shù)將會大幅縮水,教改推進數(shù)年來的教學實踐也確認了電路限選課課堂規(guī)模大體僅是原規(guī)模的十五分之一。因而在建設(shè)電路基礎(chǔ)核心課時,我考慮的主要問題是如何打破原電路原理模擬電路通信電路和數(shù)字電路課程各自相對獨立的知識體系框架,進而構(gòu)建出一個新的體系架構(gòu)將這些課程中的核心電路知識融為一體,通過這一門所有電子系本科學生必修的電路核心課程的學習,使得電子系本科生具有電路的最基本素養(yǎng): ①電路基本定律和基本定理的掌握; ②電路抽象工程思維方式的培育; ③基本電路器件、基本單元電路工作原理的把握; ④電路相關(guān)基本概念的建立。2010年7月我全面接手負責電路基礎(chǔ)課程的改革。首先確認這門課需要分設(shè)在兩學期授課,原因是相關(guān)概念較多,在一學期授課信息量過大,學生將無法接受,課程教學容易變成夾生飯。其次就是如何劃分兩學期的課程內(nèi)容。我通篇翻閱了大量的現(xiàn)有的相關(guān)課程教材,基于我近8年通信電路授課經(jīng)驗和多年來電路設(shè)計經(jīng)驗所建立的對電路的基本認識,將兩學期的課程劃分為可用代數(shù)方程描述的電阻電路(大一下春季學期)和需用微分方程描述的動態(tài)電路(大二上秋季學期)兩部分。在規(guī)劃具體授課內(nèi)容時,考慮到先簡單后復雜的推進次序,進而把內(nèi)容規(guī)劃為線性電阻電路、非線性電阻電路、線性動態(tài)電路和非線性動態(tài)電路4部分。在2011年開始的27人小班試講中,我大體按照這個設(shè)想,將多門電路課程內(nèi)容全部打散后重新整合串講。系里同時配備攝像師全程錄像,并將錄像錄音資料交給上課學生,轉(zhuǎn)為文字資料交給我,便于新課程講義整理工作的開展。由于課程安排在大一下和大二上,信號與系統(tǒng)課程安排在大二下,但模擬電路通信電路課程的部分內(nèi)容又需要信號與系統(tǒng)的相關(guān)知識支撐,因而實際授課時,還補充了部分信號與系統(tǒng)課程相關(guān)內(nèi)容,同時還有少量器件、電磁場相關(guān)基礎(chǔ)知識,因而小班試講課程內(nèi)容量十分龐大。在此之前我只講過通信電路課程,事實上我也是借著這個機會,希望能夠?qū)⑺须娐废嚓P(guān)課程全部串講一遍,以充分理解它們之間到底是如何關(guān)聯(lián)的。第一年小班試講時,理論課和實驗課全部由我負責,我直接占用了實驗課時用于授課,實驗另行安排其他時間做,又應同學要求開設(shè)了習題課,通過各種手段爭取了足夠多的授課時間,使得我能夠?qū)⑽以O(shè)想的所有關(guān)聯(lián)課程內(nèi)容全部過了一遍。這次全面串講對我全面把握各門電路課程之間的關(guān)聯(lián)起到了至關(guān)重要的作用,因而這里首先感謝陪伴我這一年的無01班全體同學、助教宋紅艷同學和攝像師龔穎。電子系課改整體規(guī)劃要求2011級學生全面進入新課程體系,因而2012年電路基礎(chǔ)課程對2011級大一學生實施大班推廣,我把前一年的錄音文字資料按課件順序逐頁整理作為第一版講義發(fā)給同學,由于時間緊張等原因,課程仍然按照前一年的進度授課,學生和教師壓力都較大。在2012年暑期進行的電路課程改革例行研討會上,為了回復各位老師對我將晶體管歸類為電阻、課程按電阻電路和動態(tài)電路劃分等認識及實際操作方面的疑慮,我提供了一張圖,這張圖是我對多門課程內(nèi)容之間關(guān)聯(lián)的理解,即多門電路課程內(nèi)容可大體劃分為基本元件和單元電路兩個大層次,在這兩個大層次之間,多門課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)集中在電阻電路部分的受控源負阻(正反饋、雙穩(wěn))開關(guān)等幾個衍生元件上,充分理解這些衍生元件有助于實現(xiàn)各門電路課程內(nèi)容的全面融合。除了我自己基本厘清各門課程內(nèi)部關(guān)聯(lián)之外,給我足夠信心支撐的另外一個外援是2012年國慶節(jié)期間我在學校圖書館翻看到蔡少棠先生的linear and nonlinear circuits一書,他的電阻電路加動態(tài)電路的整體結(jié)構(gòu)完全契合我對電路的整體認識。這本教材是1987年出版的,其前言表明該教材是為大三學生準備的電路入門之后的后續(xù)課程,然而之前我從來就沒有關(guān)注過這本教材,它也從未流行過。我分析了造成這本教材被埋沒的可能原因,我個人認為這本教材過于注重非線性但其列舉的非線性卻是人為構(gòu)造而實際器件的非線性討論太少,過于注重電路的數(shù)學理論及計算機仿真應用下的電路拓撲分析,使得這本教材的受眾是小眾而非大眾,換句話說它不太實用。由于這本教材的整體結(jié)構(gòu)完全契合我對電路的基本認識,因而在國慶節(jié)放假期間研讀這本教材時,我之前積累的對電路的認識一下就落實了下來,新課程內(nèi)容的一個主干四個分支的基本架構(gòu)至此完全成形,我之后的工作重點考慮的將是在安排新課程具體內(nèi)容時應避免該教材存在的問題,使得同學能夠接受新體系框架和對電路核心內(nèi)容的重新安排。2012年秋季大班授課期間,我與高文煥老師、劉潤生老師、魏琦博士等交流了我對新課程體系的規(guī)劃以及我已著手編寫的按新體系框架展開的第二版講義內(nèi)容。2013年第二版講義按新體系框架全面展開。新體系中,晶體管被歸類于二端口非線性電阻,這打開了將模擬電路、通信電路課程內(nèi)容全面融入電路原理框架的大門。新框架中,器件、單元電路、系統(tǒng)被統(tǒng)一為單端口或多端口網(wǎng)絡,電路定律、定理和電路工作原理分析被重新排布和解讀,打破了原課程體系對低頻/高頻、模擬/數(shù)字、線性/非線性的人為隔離。(1) 一條主干四個分支的架構(gòu)。以電路抽象為主干,以線性電阻電路、非線性電阻電路、一階動態(tài)電路、二階動態(tài)電路為四個分支。電路抽象主干包括四個基本元件(歐姆定律)、基本電路定律(基爾霍夫定律)、基本電路定理(戴維南定理、疊加定理、替代定理等)和基本分析方法。線性電阻電路是由線性代數(shù)方程描述的電路,要求把握的是線性傳遞關(guān)系、輸入電阻、輸出電阻、功率傳輸?shù)雀拍,典型單元電路如分壓器、分流器、電阻衰減器、理想變壓器、理想回旋器等,其數(shù)學分析簡而言之就是實矩陣分析,其簡化分析多用疊加定理和戴維南定理。非線性電阻電路是由非線性代數(shù)方程描述的電路,要求把握的是有源性來源、能量轉(zhuǎn)換、放大、反饋等概念,典型單元電路如二極管整流電路、穩(wěn)壓電路、晶體管放大電路等,多采用線性化分析方法以簡化對非線性的分析,包括分段線性化和局部線性化。一階動態(tài)電路是只包含一個動態(tài)元件如一個電容或一個電感的電路,要求把握的是電容充放電、電感充放磁、能量轉(zhuǎn)儲過程中的電荷守恒、能量守恒以及相應的延時、相移、濾波、微分、積分、電荷轉(zhuǎn)移等特性,典型單元電路有積分器、一階濾波器、開關(guān)電容電路、張弛振蕩器等; 二階動態(tài)電路是包括兩個獨立動態(tài)元件的電路,要求把握的是諧振、濾波、阻抗變換、振蕩、穩(wěn)定性等概念,典型單元電路有晶體管高頻小信號放大器、正弦波振蕩器、DCDC轉(zhuǎn)換電路等。這里,眾多的單元電路,包括整流器、逆變器、穩(wěn)壓器、放大器、濾波器、振蕩器、AD/DA轉(zhuǎn)換器、存儲器等,均自然掛在四個分支上。(2) 各個分支內(nèi)容的展開以電路分析方法為明線脈絡,以基本元件、受控源、負阻、開關(guān)為暗線關(guān)節(jié),用網(wǎng)絡參量整合線性電路,用非線性的線性化處理方法整合非線性電路,實現(xiàn)了電路課程內(nèi)容的全面融合。線性電阻電路因其最為簡單而作為推出電路基本定律、基本定理的例子,兩者同時展開,將各種電路方程列寫方法和電路基本定理(尤其是戴維南定理)視為降低分析復雜度的基本方法,并將戴維南定理以網(wǎng)絡參量形式推廣到對多端口線性網(wǎng)絡的表征。非線性電阻電路則以非線性的線性化方法為主線,用分段折線法考察二極管相關(guān)電路和晶體管反相器、電流鏡電路,用局部線性化方法考察放大器電路。引入負反饋提高系統(tǒng)性能,如穩(wěn)定直流工作點、穩(wěn)定放大增益、實現(xiàn)接近理想的受控源等; 引入正反饋實現(xiàn)負阻器件、滯回特性或記憶功能。一階動態(tài)電路則以一階線性時不變RC電路為核心展開,通過對一階常系數(shù)微分方程的解析考察充放電、充放磁導致的延時特性,進而考察一階濾波器的濾波、移相特性,對一階非線性電路則采用分段折線法分析,以分段線性電阻對電容的充放電考察整流電路、張弛振蕩電路等。一階電路要求熟練應用三要素法。二階動態(tài)電路以二階線性時不變RLC諧振電路為核心,通過對二階常系數(shù)微分方程的解析考察諧振和阻尼特性,進而考察二階濾波器的時頻對應關(guān)系和LC電路實現(xiàn)的阻抗變換功能; 對二階非線性動態(tài)電路,用局部線性化方法分析高頻小信號放大器高頻功率增益及其穩(wěn)定性,用準線性化方法分析正弦波振蕩器振蕩條件,用分段線性化方法考察DCAC和DCDC電路的能量轉(zhuǎn)換機制。二階電路要求在時域熟練應用五要素法,在頻域熟練應用向量法。(3) 新電路基礎(chǔ)課程和原電路原理課程對比,并重線性和非線性,單端口和二端口,無源RLC電路和有源晶體管電路。同時將組合邏輯電路對應電阻電路,時序邏輯電路對應動態(tài)電路,以開關(guān)、雙穩(wěn)(負阻)為紐帶,實現(xiàn)模擬電路和數(shù)字電路的自然過渡。課程內(nèi)容中同時適當引入數(shù)值法,如非線性代數(shù)方程求解的牛頓拉夫遜迭代法,微分方程求解的歐拉法,便于和現(xiàn)代計算機數(shù)值計算相結(jié)合,同時通過數(shù)值法討論引入微分電阻、狀態(tài)轉(zhuǎn)移等概念,以便于后續(xù)內(nèi)容的進一步展開。課程內(nèi)容適當引入系統(tǒng)級概念,如線性與非線性,噪聲與失真,正負反饋等,便于和實際應用背景相結(jié)合。除了功能實現(xiàn)外,電路性能方面也略有涉及。(4) 為了有效融合相關(guān)課程內(nèi)容于一體并有所闡發(fā),有一些概念需要重點考察甚至全新定義,有一些電路則需要重新解讀。例如,為了解決將晶體管歸類為電阻后晶體管電路是無源網(wǎng)絡還是有源網(wǎng)絡的疑問,本書對有源和無源進行了特別闡述; 晶體管歸類為電阻后,用電橋觀點解讀差分放大器以闡述其差模放大共模抑制就是一種自然而然的選擇。用網(wǎng)絡參量描述放大器,考察負反饋放大器時則需引入單向網(wǎng)絡和雙向網(wǎng)絡的概念,以及雙向網(wǎng)絡被視為單向網(wǎng)絡的單向化條件; 這些新概念順理成章地被用來解釋晶體管CB組態(tài)電流緩沖應用、CC組態(tài)電壓緩沖應用模型的適用性條件。進而在明確只有雙向網(wǎng)絡才能用于實現(xiàn)阻抗變換后,特征阻抗的定義使得對純電抗網(wǎng)絡的匹配設(shè)計有了一個基本抓手,如教材根據(jù)對特征阻抗的分析首次給出了雙諧振匹配網(wǎng)絡的設(shè)計公式等。在新體系中,電路基本定律和基本定理以復雜問題簡單化為線索而重新排布和重新解讀,重點理解和把握的是針對線性網(wǎng)絡簡化分析的戴維南定理和諾頓定理,并將網(wǎng)絡參量解讀為多端口網(wǎng)絡的戴維南等效或諾頓等效內(nèi)阻或內(nèi)導,從而實現(xiàn)了多端口線性網(wǎng)絡和單端口線性網(wǎng)絡的統(tǒng)一表述。戴維南諾頓等效不僅被從單端口推廣到多端口,更進一步還從電阻網(wǎng)絡推廣到對動態(tài)元件的時域表述中,如電容初始電壓和電感初始電流的戴維南源或諾頓源等效,使得存在多電容連接的純?nèi)菥W(wǎng)絡或多電感連接的純感網(wǎng)絡參與的電路網(wǎng)絡的時域分析變得簡明扼要; 而純?nèi)、純感網(wǎng)絡連通時產(chǎn)生的沖激電流和沖激電壓則被解讀為能量的瞬間釋放,從而解釋了此類電路分析中能量丟失的問題,這些解讀簡化了相關(guān)電路的時域分析。新體系中負阻是重要的核心器件之一,在解讀正反饋、狀態(tài)存儲、張弛振蕩、正弦振蕩、放大器穩(wěn)定性時,諸多電路概念均被統(tǒng)一關(guān)聯(lián)在一個負阻視角下。上面所舉例子并非本書中新解讀的全部,讀者尤其是有多年授課經(jīng)驗的老師在閱讀本書時,會發(fā)現(xiàn)很多諸如此類與其他傳統(tǒng)教材不一樣的說法或傳統(tǒng)教材中完全沒有的說法,這些新說法基本上都是在新體系框架下對電路重新解讀或統(tǒng)一認識的表述。教材中還有一些內(nèi)容當屬首次發(fā)表,如五要素法、雙諧振回路設(shè)計公式、BJT混合模型的雙共軛匹配與穩(wěn)定性分析等。由于新體系是站在一個統(tǒng)一的視角下對諸多電路進行分析,使學生對電路概念的把握站到了更高的層次上。新體系內(nèi)容排布脈絡層次比較清晰,雖然學生評教普遍對課程內(nèi)容多、教學進度快有所抱怨,但學生在本課程學習結(jié)束后獲得的不僅是統(tǒng)一視角下的電路知識,更重要的是一種工程思維方法的建立,在數(shù)學和物理之間自在轉(zhuǎn)換的喜悅。2013年新體系推出至今,本課程的教學工作已經(jīng)連續(xù)4年學生評教高居全校Top 5%,我本人也于2014年被學生推評并獲得清華大學第5屆清韻燭光我最喜愛的教師稱號。新體系成形后,又經(jīng)過3年的教學積淀,2016年出版的第三版講義修訂了2013版講義中的未說清、漏寫、錯寫的內(nèi)容,同時以歷年考題為基礎(chǔ),對課后練習和習題進行了增補。本書是對2016版講義的訂正,在同學的幫助下修改了其中近百處筆誤性質(zhì)的錯誤,但仍然不可避免地存在著不易覺察的各類錯誤。本書內(nèi)容七成是對2011年小班試講錄音材料的重新組織,因而行文中保留了課堂授課的口語化痕跡,有些課堂教學中的重復在行文中則略顯啰唆。由于本書屬于電路原理類課程,因而電路符號采用最直觀的符號體系,如MOSFET晶體管符號和BJT晶體管符號類同是由于它們之間具有某種可替代性,數(shù)字門電路符號舍棄了不夠直觀的方塊符號,本書采用的這些符號可能并不符合國標,但我更看重的是它們的直觀性和易把握性,這對基礎(chǔ)教學尤為重要。讀者在閱讀和采用本書時,如果發(fā)現(xiàn)其他謬誤之處,請直接發(fā)Email給我(guolinli@tsinghua.edu.cn),對于明顯錯誤的地方會立即在再版中予以修正,有爭議的地方我會仔細考慮予以修訂。科學技術(shù)的發(fā)展推動學校課程教學內(nèi)容的修訂,電路類課程的合并統(tǒng)一將是未來理工科學校電路教學的一個大趨勢,清華大學電子工程系提前了20年做這項工作,我有幸被選中負責這項工作。本書是清華大學電子工程系本科教學改革10年啟動6年落實的成果之一,在這里分享給各位同仁。教材難免有比較強烈的個人風格,因我出身微波專業(yè),雖然課程規(guī)劃時根本就沒有考慮過把微波電路整合進來,但微波電路課程對電路的處理仍然深刻地影響到我的選擇,如我選擇用網(wǎng)絡參量整合線性電路,并將傳輸線的特征阻抗定義推廣到一般二端口網(wǎng)絡,二端口網(wǎng)絡傳遞函數(shù)定義本質(zhì)上是對散射參量S21參量的電壓電流重新表述,在環(huán)行器討論中略微點出只有微波電路才討論的反射概念等,一定程度上導致本課程的數(shù)學分析味道稍重。由于顧忌推進太急導致學生和其他院校學生的共同電路語言差異過大而不敢過度壓縮課程內(nèi)容,同時因為學識有限也不能完全保證本書中對電路的重新解讀完全準確,本人對書中的錯誤負全責。目前的教材并非電路課程教改的最終版本,正式出版本書是希望能夠拋磚引玉,吸引更多的老師參與到教學改革進程中,本書作為一個標靶和藍本供各位同仁指正其中的錯誤和不妥當之處,包括體例格式、內(nèi)容安排、電路解讀和基本定義等。多年講授電路相關(guān)課程的老師都有自己對電路的理解和獨特解讀,受限于各種環(huán)境因素而不能完全展示,本書的推出則期望能夠激發(fā)相關(guān)老師和學校的熱情,以啟動或加快各院校電路類課程改革的進程。一花獨放不是春,百花齊放春滿園,我期望不久的將來能夠看到各位老師推出更為適當?shù)男码娐吩斫滩模沟美砉た茖W生對電路知識的全面掌握變得更加容易和富有樂趣。本書共分10章,前5章以電阻電路為主,后5章以動態(tài)電路為主。由于清華大學電子工程系為本課程只分配了64課時,因而本書中公式推導較多的內(nèi)容在實際教學中被略去不講。對于采用本書進行教學的學校,我的建議是為本課程分配128課時,至少96課時,公式多的內(nèi)容可以不講,有些內(nèi)容只需把概念或最終結(jié)論說清楚即可,有能力的同學自修相關(guān)推導,以緩解目前課程內(nèi)容多、進度快對學生的壓力。第7章時序邏輯電路內(nèi)容可以調(diào)整到第9章一階動態(tài)電路和第10章二階動態(tài)電路之間講授,或者只選取其中的基本鎖存結(jié)構(gòu)以雙穩(wěn)器件或N型負阻形態(tài)簡單描述其存儲或記憶功能即可。課程改革牽扯諸多,很多學校的老師有心無力,清華大學電子工程系在王希勤和黃翊東兩位主任的強力推動下實現(xiàn)了課改,他們承擔了課程內(nèi)容改革之外的壓力,是課程改革最強大的后盾,各科負責人只需關(guān)注內(nèi)容上的修訂,這里對系領(lǐng)導表示特別的感謝。清華大學電子工程系電路類課程改革不是我一個人可以完成的,先期負責人李冬梅老師主持了多次研討會,定下了電路原理和模擬電路兩門課程內(nèi)容需要合并的主基調(diào)。在她升任系教務主任后,由于學生工作繁重,改由我主導課改工作,在課程內(nèi)容安排等問題上她和我有深入的探討。電路所出身的高文煥、劉潤生、董在望、鄭君里等老教師十分關(guān)注課改并在各次教改研討會上積極建言,他們有著豐富的教學經(jīng)驗和對教學內(nèi)容的真知灼見,對課程改革提出的寶貴意見使得本課程教學內(nèi)容的變動不至于嚴重偏離預定軌道。2011級小班試講前,以高文煥老師為總顧問,武元禎、陳雅琴老師為顧問,李國林、陳雅琴、李冬梅、雷有華、羅嶸、皇甫麗英、劉小艷、徐淑正老師指導王飛、羅華、馬自強、張超、方洋、楊迎翔、吳雪、彭亞銳同學開發(fā)了9個實驗用于小班實驗教學,這項工作得到了教學實驗室主任鄧北星和馬曉紅老師的全力配合和支持。2011年小班試講時,劉小艷老師配合我全面修訂了實驗教學內(nèi)容并帶班實驗,大班推廣后張尊僑老師、金平老師參與并再次全面修訂了實驗教學內(nèi)容,在三位老師的主導下,本課程的實驗教學工作得以順利進展,目前本課程的實驗教學工作主要由劉小艷、金平、孫憶楠老師負責。聞和老師參與了2013年的教學工作,分擔了部分教學壓力。在前兩年的課改教學中,聞和老師、魏琦博士和劉力源博士還參與了部分習題課的講解。課改期間電路所歷任所長楊華中、汪玉、劉勇攀老師對課改均大力支持,電路所各位老師在多次電路課程改革研討會上對課改給出了很多好的建議,更為重要的是清華大學電子系有全國最優(yōu)秀的接受能力極強的學生,這一切良好的環(huán)境才使得教學改革得以順利推進。在此對所有參與和支持這次教學改革的老師和同學表示最衷心的感謝。在課改期間,清華大學出版社多次舉辦全國性的研討會宣傳推動清華大學電子系的教學改革工作,這里對責任編輯文怡的相關(guān)工作和在教材方面的審訂工作表示感謝。最后感謝家人對我工作的全力支持。李國林2017年7月
李國林,清華大學電子工程系副教授。于1993年、2002年獲得清華大學電子工程系電磁場與微波技術(shù)專業(yè)學士、碩士和博士學位。2002年入職清華大學電子工程系電路與系統(tǒng)研究所至今,主要從事電路與系統(tǒng)、電子醫(yī)療、人機交互等方面的研究工作。2003年至今,本科生專業(yè)基礎(chǔ)課程通信電路主講教師之一,該課程于2009年、2010年分獲清華大學、北京市和國家精品課稱號。2011年至今,教改課程本科生專業(yè)核心課電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)課程負責人和主講教師,2014年獲清華大學第5屆清韻燭光我最喜愛的教師稱號。
目錄 第1章緒論1 1.1電路及其功用1 1.2電子系統(tǒng)構(gòu)成與功能單元電路4 1.3課程內(nèi)容及課程要求14 1.4習題20 第2章電阻與電源22 2.1基本電量22 2.2系統(tǒng)概念30 2.3端口抽象與網(wǎng)絡33 2.4理想電源和理想電阻41 2.5各種形式的電阻54 2.6各種形式的電源70 2.7習題78 第3章電路基本定律和基本定理85 3.1電路方程列寫的基本方法86 3.2降低方程規(guī)模的電路方程列寫方法93 3.3降低分析復雜度的等效電路法102 3.4單端口線性網(wǎng)絡的等效電路109 3.5對偶關(guān)系118 3.6線性受控源121 3.7線性阻性二端口網(wǎng)絡的等效電路134 3.8二端口網(wǎng)絡的連接158 3.9系統(tǒng)傳函163 3.10網(wǎng)絡分類171 3.11典型線性阻性網(wǎng)絡及其應用189 3.12列寫電路方程的例子218 3.13習題223 第4章非線性電阻電路237 4.1數(shù)值法: 牛頓拉夫遜迭代法238 4.2分段線性化之單端口非線性電阻: 二極管電路246 4.3分段線性化之二端口非線性電阻: 反相器和電流鏡267 4.4局部線性化之單端口非線性電阻: 負阻放大器324 4.5局部線性化之二端口非線性電阻: 晶體管放大器339 4.6解析法: 差分對放大器368 4.7741運算放大器內(nèi)部電路直流分析和交流分析393 4.8習題404 第5章運算放大器422 5.1電壓轉(zhuǎn)移特性曲線的分段折線化模型423 5.2運放負反饋線性應用430 5.3運放非線性應用452 5.4習題465 第6章電路抽象475 6.1電路抽象原則475 6.2從場到路的抽象482 6.3數(shù)字抽象517 6.4習題523 第7章數(shù)字邏輯電路524 7.1組合邏輯電路525 7.2時序邏輯電路550 7.3習題567 第8章電容和電感576 8.1電容和電感的特性577 8.2時域分析: 數(shù)值法和狀態(tài)轉(zhuǎn)移相圖597 8.3頻域分析: 向量法分析619 8.4習題652 第9章一階動態(tài)電路661 9.1一階動態(tài)電路的狀態(tài)方程661 9.2線性時不變一階動態(tài)電路時頻分析662 9.3非線性一階動態(tài)電路之分段線性化分析716 9.4習題738 第10章二階動態(tài)電路751 10.1線性時不變二階動態(tài)電路時域分析753 10.2二階濾波器的時頻分析780 10.3阻抗匹配與變換電路808 10.4二階非線性動態(tài)電路之局部線性化: 高頻放大及其穩(wěn)定性分析844 10.5二階非線性動態(tài)電路之準線性化: 正弦波振蕩器分析856 10.6二階非線性動態(tài)電路之分段線性化: DCAC,DCDC電路分析905 10.7習題916 附錄A938 參考文獻1028 第1章緒論 1.1電路及其功用 1.1.1電路定義 1.1.2電路功用 1. 對電能量進行處理 2. 對電信息進行處理 1.2電子系統(tǒng)構(gòu)成與功能單元電路 1.2.1電子信息系統(tǒng)構(gòu)成 1.2.2完成遠距離信息傳遞的射頻通信系統(tǒng)例 1. 需求分析 2. 系統(tǒng)框架 1.2.3基本功能單元電路 1. 放大器 2. 濾波器 3. 調(diào)制器和解調(diào)器 4. 振蕩器 5. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 6. 存儲器 7. 數(shù)字信號處理器 8. 整流器 9. 穩(wěn)壓器 10. 逆變器 11. 變壓器 1.3課程內(nèi)容及課程要求 1.3.1內(nèi)容安排 1.3.2課程體系和目標要求 1. 體系框架 2. 目標要求 1.4習題 第2章電阻與電源 2.1基本電量 2.1.1電流 1. 帶電粒子運動形成電流 2. 電流描述 3. 電流參考方向 4. 直流和交流 2.1.2電動勢 1. 電動勢驅(qū)動電荷運動 2. 電源提供能量或信號 2.1.3電壓 1. 電壓是對電場能量的描述 2. 電壓參考方向 3. 電位與參考地 4. 電壓與電動勢 2.1.4功率 2.2系統(tǒng)概念 2.2.1電路系統(tǒng) 2.2.2系統(tǒng)屬性 1. 線性與非線性 2. 時變與時不變 3. 記憶與無記憶 2.3端口抽象與網(wǎng)絡 2.3.1端口 1. 端口條件 2. 單端口網(wǎng)絡與多端口網(wǎng)絡 3. 端口描述方程形式 2.3.2端口連接 1. 串聯(lián) 2. 并聯(lián) 3. 對接 2.3.3有源網(wǎng)絡與無源網(wǎng)絡 2.4理想電源和理想電阻 2.4.1理想電壓源 1. 電路符號 2. 源關(guān)聯(lián)參考方向與圖解法 3. 恒壓源伏安特性曲線 2.4.2理想電流源 1. 恒流源電路符號和伏安特性曲線 2. 時變與時不變 2.4.3理想線性時不變電阻 1. 電阻器件與電阻元件 2. 歐姆定律 3. 功率與有效值 4. 電導 2.4.4線性內(nèi)阻電源 1. 戴維南電壓源 2. 諾頓電流源 3. 等效電路 4. 額定功率: 最大功率傳輸匹配 2.5各種形式的電阻 2.5.1短路和開路 1. 短路 2. 開路 3. 電路屬性 2.5.2開關(guān) 1. 單端口 2. 二端口 3. 基本應用 2.5.3PN結(jié)二極管 1. 伏安特性 2. 理想整流模型 3. 二極管半波整流電路圖解法分析 2.5.4N型和S型負阻二極管 1. N型負阻: 0/1狀態(tài)存儲器 2. S型負阻: 有記憶的開關(guān) 2.5.5晶體管: 二端口非線性電阻 1. NMOSFET電路符號及其伏安特性 2. NMOSFET反相電路分析: 圖解法和解析法 3. 對解的解析: 邏輯求非與反相放大 4. 其他類型的晶體管 2.5.6等效電阻 2.6各種形式的電源 2.6.1交流發(fā)電機 2.6.2直流電池 1. 化學電池 2. 太陽能電池 3. 線性化內(nèi)阻抽象 4. 電源額定功率 2.6.3傳感器等效信號源 1. 光電二極管 2. 接收天線 3. 信號無失真 2.6.4信號發(fā)生器 2.6.5噪聲源 1. 電阻熱噪聲 2. 信噪比 2.7習題 第3章電路基本定律和基本定理 3.1電路方程列寫的基本方法 3.1.1元件約束關(guān)系方程 3.1.2元件連接關(guān)系方程 1. KCL方程 2. KVL方程 3.1.3支路電壓電流法 3.2降低方程規(guī)模的電路方程列寫方法 3.2.1支路電流法 3.2.2回路電流法 3.2.3結(jié)點電壓法 3.2.4修正結(jié)點電壓法 3.3降低分析復雜度的等效電路法 3.3.1等效電路 1. 等效電路的建立方法 2. 等效電路的描述方法 3. 一些等效電路例 3.3.2替代定理 3.3.3用等效電路簡化電路分析 1. 非線性電阻電路中的線性電阻網(wǎng)絡等效與簡化 2. 動態(tài)電路中的線性電阻網(wǎng)絡等效與簡化 3.4單端口線性網(wǎng)絡的等效電路 3.4.1電阻串并聯(lián)等效 3.4.2電源串并聯(lián)等效 3.4.3單端口電阻網(wǎng)絡的一般性等效方法 1. 加壓求流法/加流求壓法 2. 純阻網(wǎng)絡的純阻等效 3. 含源線性電阻網(wǎng)絡的戴維南源等效 3.4.4疊加定理 3.4.5戴維南諾頓定理 3.5對偶關(guān)系 3.6線性受控源 3.6.1受控源元件的引入 3.6.2理想受控源 1. 四種理想受控源 2. 受控源抽象的必要性 3.6.3有源與無源 1. 有源性來源 2. 網(wǎng)絡邊界對有源性的影響 3.6.4含有受控源的線性電阻網(wǎng)絡的戴維南諾頓定理 3.7線性阻性二端口網(wǎng)絡的等效電路 3.7.1戴維南等效: 阻抗參量 1. 戴維南等效 2. 阻抗參量矩陣 3.7.2諾頓等效: 導納參量 1. 諾頓等效 2. 導納參量矩陣 3. 病態(tài)網(wǎng)絡 3.7.3戴維南諾頓等效: 混合參量 3.7.4諾頓戴維南等效: 逆混參量 3.7.5傳輸參量 1. 同時加壓加流測試和分別加壓加流測試 2. 傳輸參量與本征增益 3. 逆?zhèn)鲄⒘?br />4. 噪聲系數(shù)分析例 3.7.6網(wǎng)絡參量之間的相互轉(zhuǎn)換 1. 轉(zhuǎn)換表格 2. 轉(zhuǎn)換公式 3. 最適參量 3.8二端口網(wǎng)絡的連接 3.8.1串聯(lián)連接: 串串連接 3.8.2并聯(lián)連接: 并并連接 3.8.3混合連接 1. 串并連接 2. 并串連接 3.8.4級聯(lián)連接 3.9系統(tǒng)傳函 3.9.1傳遞函數(shù) 3.9.2輸入阻抗和輸出阻抗 3.9.3特征阻抗 3.10網(wǎng)絡分類 3.10.1阻性網(wǎng)絡和動態(tài)網(wǎng)絡 3.10.2線性網(wǎng)絡和非線性網(wǎng)絡 3.10.3互易網(wǎng)絡和非互易網(wǎng)絡 1. 特勒根定理 2. 互易定理 3. 互易網(wǎng)絡和非互易網(wǎng)絡 3.10.4對稱網(wǎng)絡和非對稱網(wǎng)絡 3.10.5有源網(wǎng)絡和無源網(wǎng)絡 1. 有源性定義 2. 有源二端口網(wǎng)絡 3. 功率增益 1) 轉(zhuǎn)換功率增益 2) 資用功率增益 3) 工作功率增益 4. 最大功率增益 5. 有源性與功率增益 3.10.6無損網(wǎng)絡和有損網(wǎng)絡 1. 無損定義 2. 理想環(huán)行器: 無損網(wǎng)絡典型例 1) 環(huán)行器應用1: 反射型負阻放大器 2) 環(huán)行器應用2: 收發(fā)分離 3.10.7雙向網(wǎng)絡和單向網(wǎng)絡 1. 單向與雙向 2. 雙向網(wǎng)絡具有阻抗變換功能 3. 基本放大器: 典型的單向網(wǎng)絡 1) 有源性與功率增益 2) 基本放大器單向網(wǎng)絡的隔離作用 3) 單向化條件 4. 弱耦合網(wǎng)絡 3.11典型線性阻性網(wǎng)絡及其應用 3.11.1典型無源網(wǎng)絡之有損網(wǎng)絡 1. 分壓分流與合壓合流及其在ADC/DAC中的應用 2. 衰減器 3. 電橋電路 1) 電阻測量應用 2) 溫度傳感器例: 用電橋檢測外界物理量變化 3.11.2典型無源網(wǎng)絡之無損網(wǎng)絡 1. 理想變壓器: 理想傳輸與阻抗變換 1) 理想傳輸特性 2) 阻抗變換功能 3) 單雙端信號轉(zhuǎn)換 2. 理想回旋器: 對偶變換 3. 多端口理想變壓器: 信號無損分解與合成 3.11.3典型有源網(wǎng)絡 1. 線性放大器 1) 放大網(wǎng)絡是有源網(wǎng)絡 2) 放大器基本功能 3) 實現(xiàn)放大功能的放大器簡單模型 4) 基本電壓放大器電路符號及等效電路 2. 反饋項的消除: 雙向變單向 3. 添加反饋項: 負反饋放大器 1) 負反饋一般原理 2) 理想受控源需求下的負反饋網(wǎng)絡連接方式選擇 3) 負載效應 4) 線性流壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計例 3.12列寫電路方程的例子 3.12.1線性網(wǎng)絡簡化后和非線性網(wǎng)絡對接 3.12.2線性電阻網(wǎng)絡簡化后和動態(tài)元件對接 3.13習題 第4章非線性電阻電路 4.1數(shù)值法: 牛頓拉夫遜迭代法 4.1.1非線性電阻保護電路例解 4.1.2牛頓拉夫遜迭代法 4.2分段線性化之單端口非線性電阻: 二極管電路 4.2.1微分電阻 4.2.2PN結(jié)二極管 1. 非線性伏安特性 2. 分段折線電路模型 3. 二極管混頻器 4. 二極管整流器 5. 二極管門電路 6. 二極管ESD保護電路 7. 二極管限幅器 4.2.3齊納二極管穩(wěn)壓器 4.3分段線性化之二端口非線性電阻: 反相器和電流鏡 4.3.1晶體管分類 1. 雙極型和單極型 2. 場效應和勢效應 4.3.2MOSFET分段線性化 1. NMOS結(jié)構(gòu)與端口伏安特性 1) 場效應結(jié)構(gòu)及其受控機制 2) 伏安特性的三個分區(qū) 3) 元件約束方程 4) PMOS是NMOS的互補 2. NMOSFET分段線性化電路模型 1) 截止區(qū)電路模型 2) 歐姆區(qū)電路模型 3) 開關(guān)模型 4) 恒流區(qū)電路模型 5) 通過直流偏置使MOSFET工作于恒流區(qū) 6) 二極管連接方式: 恒流區(qū) 3. MOS電流源 1) 二極管提供直流偏置: 電流鏡結(jié)構(gòu) 2) 電阻分壓電路提供直流偏置 3) 穩(wěn)定恒流輸出: 電流鏡和負反饋 4) 厄利效應影響被忽略不計 4. MOS反相器 1) 線性/非線性偏置電阻: 圖解法 2) 線性/非線性偏置電阻: 分段折線法 3) NMOS反相器工作原理 4) CMOS反相器 5) 不同電阻偏置比較: 有源的負載 6) 反相器基本應用: 邏輯求非與反相放大 4.3.3BJT分段線性化 1. BJT結(jié)構(gòu)與端口伏安特性 1) BJT結(jié)構(gòu)及其伏安特性分區(qū)特點 2) NPNBJT和NMOSFET伏安特性分區(qū)對應關(guān)系 3) NPNBJT有源區(qū)端口描述方程 4) PNPBJT和NPNBJT是互補的 2. NPNBJT分段線性化電路模型 1) 截止區(qū)電路模型 2) 飽和區(qū)電路模型 3) 開關(guān)模型 4) 有源區(qū)電路模型 3. 分壓偏置電路 1) 三種典型偏置電路比較 2) 靈敏度分析 3) 兩種負反饋偏置的靈敏度分析 4. BJT電流源 1) 有源區(qū)恒流源等效 2) 分壓偏置: 串聯(lián)負反饋結(jié)構(gòu) 3) 二極管偏置: 電流鏡結(jié)構(gòu) 5. BJT反相器 4.4局部線性化之單端口非線性電阻: 負阻放大器 4.4.1局部線性化原理 1. 泰勒展開線性項 2. 交直流分析 3. 先直流非線性分析獲得直流工作點 4. 再在直流工作點上做交流小信號分析 5. 交直流分析不同于疊加定理 4.4.2負阻放大器 1. 交直流分析 2. 耦合電容和射頻扼流圈 3. 直流功率到交流功率的轉(zhuǎn)換 4. 線性度描述: 總諧波失真與1dB線性范圍 4.5局部線性化之二端口非線性電阻: 晶體管放大器 4.5.1局部線性化原理 1. 泰勒展開與交直流分析 2. 有源區(qū)晶體管交直流分析電路模型 1) BJT電路模型 2) MOSFET電路模型 3. 交直流分析的一般工作流程 4.5.2晶體管放大器 1. CE組態(tài)放大器交直流分析例 2. CE組態(tài)晶體管理想跨導器模型 3. 放大器的二端口網(wǎng)絡抽象 4. 有源性來源 5. 負反饋分析 6. 有源負載 7. 三種組態(tài) 1) CE組態(tài): 跨導器模型 2) CB組態(tài): 電流緩沖器模型 3) CC組態(tài): 電壓緩沖器模型 4) 三種組態(tài)小結(jié) 8. 典型雙晶體管跨導器 1) cascode結(jié)構(gòu)(CSCG級聯(lián)) 2) CCCB雙管組合結(jié)構(gòu) 3) CCCE級聯(lián)結(jié)構(gòu) 4) Darlington復合管
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