电子电路与系统基础(本科教材)

目录



第1章绪论1
1.1电路及其功用1
1.2电子系统构成与功能单元电路4
1.3课程内容及课程要求14
1.4习题20
第2章电阻与电源22
2.1基本电量22
2.2系统概念30
2.3端口抽象与网络33
2.4理想电源和理想电阻41
2.5各种形式的电阻54
2.6各种形式的电源70
2.7习题78
第3章电路基本定律和基本定理85
3.1电路方程列写的基本方法86
3.2降低方程规模的电路方程列写方法93
3.3降低分析复杂度的等效电路法102
3.4单端口线性网络的等效电路109
3.5对偶关系118
3.6线性受控源121
3.7线性阻性二端口网络的等效电路134
3.8二端口网络的连接158
3.9系统传函163
3.10网络分类171
3.11典型线性阻性网络及其应用189
3.12列写电路方程的例子218
3.13习题223
第4章非线性电阻电路237
4.1数值法： 牛顿拉夫逊迭代法238
4.2分段线性化之单端口非线性电阻： 二极管电路246
4.3分段线性化之二端口非线性电阻： 反相器和电流镜267
4.4局部线性化之单端口非线性电阻： 负阻放大器324
4.5局部线性化之二端口非线性电阻： 晶体管放大器339
4.6解析法： 差分对放大器368
4.7741运算放大器内部电路直流分析和交流分析393
4.8习题404
第5章运算放大器422
5.1电压转移特性曲线的分段折线化模型423
5.2运放负反馈线性应用430
5.3运放非线性应用452
5.4习题465
第6章电路抽象475
6.1电路抽象原则475
6.2从场到路的抽象482
6.3数字抽象517
6.4习题523
第7章数字逻辑电路524
7.1组合逻辑电路525
7.2时序逻辑电路550
7.3习题567
第8章电容和电感576
8.1电容和电感的特性577
8.2时域分析： 数值法和状态转移相图597
8.3频域分析： 向量法分析619
8.4习题652
第9章一阶动态电路661
9.1一阶动态电路的状态方程661
9.2线性时不变一阶动态电路时频分析662
9.3非线性一阶动态电路之分段线性化分析716
9.4习题738
第10章二阶动态电路751
10.1线性时不变二阶动态电路时域分析753
10.2二阶滤波器的时频分析780
10.3阻抗匹配与变换电路808
10.4二阶非线性动态电路之局部线性化： 高频放大及其稳定性分析844
10.5二阶非线性动态电路之准线性化： 正弦波振荡器分析856
10.6二阶非线性动态电路之分段线性化： DCAC，DCDC电路分析905
10.7习题916
附录A938
参考文献1028









第1章绪论


1.1电路及其功用
1.1.1电路定义
1.1.2电路功用
1. 对电能量进行处理
2. 对电信息进行处理
1.2电子系统构成与功能单元电路
1.2.1电子信息系统构成
1.2.2完成远距离信息传递的射频通信系统例
1. 需求分析
2. 系统框架
1.2.3基本功能单元电路
1. 放大器
2. 滤波器
3. 调制器和解调器
4. 振荡器
5. 模数转换器和数模转换器
6. 存储器
7. 数字信号处理器
8. 整流器
9. 稳压器
10. 逆变器
11. 变压器
1.3课程内容及课程要求
1.3.1内容安排
1.3.2课程体系和目标要求
1. 体系框架
2. 目标要求
1.4习题
第2章电阻与电源
2.1基本电量
2.1.1电流
1. 带电粒子运动形成电流
2. 电流描述
3. 电流参考方向
4. 直流和交流
2.1.2电动势
1. 电动势驱动电荷运动
2. 电源提供能量或信号
2.1.3电压
1. 电压是对电场能量的描述
2. 电压参考方向
3. 电位与参考地
4. 电压与电动势
2.1.4功率
2.2系统概念
2.2.1电路系统
2.2.2系统属性
1. 线性与非线性
2. 时变与时不变
3. 记忆与无记忆
2.3端口抽象与网络
2.3.1端口
1. 端口条件
2. 单端口网络与多端口网络
3. 端口描述方程形式
2.3.2端口连接
1. 串联
2. 并联
3. 对接
2.3.3有源网络与无源网络
2.4理想电源和理想电阻
2.4.1理想电压源
1. 电路符号
2. 源关联参考方向与图解法
3. 恒压源伏安特性曲线
2.4.2理想电流源
1. 恒流源电路符号和伏安特性曲线
2. 时变与时不变
2.4.3理想线性时不变电阻
1. 电阻器件与电阻元件
2. 欧姆定律
3. 功率与有效值
4. 电导
2.4.4线性内阻电源
1. 戴维南电压源
2. 诺顿电流源
3. 等效电路
4. 额定功率： *大功率传输匹配
2.5各种形式的电阻
2.5.1短路和开路
1. 短路
2. 开路
3. 电路属性
2.5.2开关
1. 单端口
2. 二端口
3. 基本应用
2.5.3PN结二极管
1. 伏安特性
2. 理想整流模型
3. 二极管半波整流电路图解法分析
2.5.4N型和S型负阻二极管
1. N型负阻： 0/1状态存储器
2. S型负阻： 有记忆的开关
2.5.5晶体管： 二端口非线性电阻
1. NMOSFET电路符号及其伏安特性
2. NMOSFET反相电路分析： 图解法和解析法
3. 对解的解析： 逻辑求非与反相放大
4. 其他类型的晶体管
2.5.6等效电阻
2.6各种形式的电源
2.6.1交流发电机
2.6.2直流电池
1. 化学电池
2. 太阳能电池
3. 线性化内阻抽象
4. 电源额定功率
2.6.3传感器等效信号源
1. 光电二极管
2. 接收天线
3. 信号无失真
2.6.4信号发生器
2.6.5噪声源
1. 电阻热噪声
2. 信噪比
2.7习题
第3章电路基本定律和基本定理
3.1电路方程列写的基本方法
3.1.1元件约束关系方程
3.1.2元件连接关系方程
1. KCL方程
2. KVL方程
3.1.3支路电压电流法
3.2降低方程规模的电路方程列写方法
3.2.1支路电流法
3.2.2回路电流法
3.2.3结点电压法
3.2.4修正结点电压法
3.3降低分析复杂度的等效电路法
3.3.1等效电路
1. 等效电路的建立方法
2. 等效电路的描述方法
3. 一些等效电路例
3.3.2替代定理
3.3.3用等效电路简化电路分析
1. 非线性电阻电路中的线性电阻网络等效与简化
2. 动态电路中的线性电阻网络等效与简化
3.4单端口线性网络的等效电路
3.4.1电阻串并联等效
3.4.2电源串并联等效
3.4.3单端口电阻网络的一般性等效方法
1. 加压求流法/加流求压法
2. 纯阻网络的纯阻等效
3. 含源线性电阻网络的戴维南源等效
3.4.4叠加定理
3.4.5戴维南诺顿定理
3.5对偶关系
3.6线性受控源
3.6.1受控源元件的引入
3.6.2理想受控源
1. 四种理想受控源
2. 受控源抽象的必要性
3.6.3有源与无源
1. 有源性来源
2. 网络边界对有源性的影响
3.6.4含有受控源的线性电阻网络的戴维南诺顿定理
3.7线性阻性二端口网络的等效电路
3.7.1戴维南等效： 阻抗参量
1. 戴维南等效
2. 阻抗参量矩阵
3.7.2诺顿等效： 导纳参量
1. 诺顿等效
2. 导纳参量矩阵
3. 病态网络
3.7.3戴维南诺顿等效： 混合参量
3.7.4诺顿戴维南等效： 逆混参量
3.7.5传输参量
1. 同时加压加流测试和分别加压加流测试
2. 传输参量与本征增益
3. 逆传参量
4. 噪声系数分析例
3.7.6网络参量之间的相互转换
1. 转换表格
2. 转换公式
3. *适参量
3.8二端口网络的连接
3.8.1串联连接： 串串连接
3.8.2并联连接： 并并连接
3.8.3混合连接
1. 串并连接
2. 并串连接
3.8.4级联连接
3.9系统传函
3.9.1传递函数
3.9.2输入阻抗和输出阻抗
3.9.3特征阻抗
3.10网络分类
3.10.1阻性网络和动态网络
3.10.2线性网络和非线性网络
3.10.3互易网络和非互易网络
1. 特勒根定理
2. 互易定理
3. 互易网络和非互易网络
3.10.4对称网络和非对称网络
3.10.5有源网络和无源网络
1. 有源性定义
2. 有源二端口网络
3. 功率增益
1) 转换功率增益
2) 资用功率增益
3) 工作功率增益
4. *大功率增益
5. 有源性与功率增益
3.10.6无损网络和有损网络
1. 无损定义
2. 理想环行器： 无损网络典型例
1) 环行器应用1： 反射型负阻放大器
2) 环行器应用2： 收发分离
3.10.7双向网络和单向网络
1. 单向与双向
2. 双向网络具有阻抗变换功能
3. 基本放大器： 典型的单向网络
1) 有源性与功率增益
2) 基本放大器单向网络的隔离作用
3) 单向化条件
4. 弱耦合网络
3.11典型线性阻性网络及其应用
3.11.1典型无源网络之有损网络
1. 分压分流与合压合流及其在ADC/DAC中的应用
2. 衰减器
3. 电桥电路
1) 电阻测量应用
2) 温度传感器例： 用电桥检测外界物理量变化
3.11.2典型无源网络之无损网络
1. 理想变压器： 理想传输与阻抗变换
1) 理想传输特性
2) 阻抗变换功能
3) 单双端信号转换
2. 理想回旋器： 对偶变换
3. 多端口理想变压器： 信号无损分解与合成
3.11.3典型有源网络
1. 线性放大器
1) 放大网络是有源网络
2) 放大器基本功能
3) 实现放大功能的放大器简单模型
4) 基本电压放大器电路符号及等效电路
2. 反馈项的消除： 双向变单向
3. 添加反馈项： 负反馈放大器
1) 负反馈一般原理
2) 理想受控源需求下的负反馈网络连接方式选择
3) 负载效应
4) 线性流压转换器设计例
3.12列写电路方程的例子
3.12.1线性网络简化后和非线性网络对接
3.12.2线性电阻网络简化后和动态元件对接
3.13习题
第4章非线性电阻电路
4.1数值法： 牛顿拉夫逊迭代法
4.1.1非线性电阻保护电路例解
4.1.2牛顿拉夫逊迭代法
4.2分段线性化之单端口非线性电阻： 二极管电路
4.2.1微分电阻
4.2.2PN结二极管
1. 非线性伏安特性
2. 分段折线电路模型
3. 二极管混频器
4. 二极管整流器
5. 二极管门电路
6. 二极管ESD保护电路
7. 二极管限幅器
4.2.3齐纳二极管稳压器
4.3分段线性化之二端口非线性电阻： 反相器和电流镜
4.3.1晶体管分类
1. 双极型和单极型
2. 场效应和势效应
4.3.2MOSFET分段线性化
1. NMOS结构与端口伏安特性
1) 场效应结构及其受控机制
2) 伏安特性的三个分区
3) 元件约束方程
4) PMOS是NMOS的互补
2. NMOSFET分段线性化电路模型
1) 截止区电路模型
2) 欧姆区电路模型
3) 开关模型
4) 恒流区电路模型
5) 通过直流偏置使MOSFET工作于恒流区
6) 二极管连接方式： 恒流区
3. MOS电流源
1) 二极管提供直流偏置： 电流镜结构
2) 电阻分压电路提供直流偏置
3) 稳定恒流输出： 电流镜和负反馈
4) 厄利效应影响被忽略不计
4. MOS反相器
1) 线性/非线性偏置电阻： 图解法
2) 线性/非线性偏置电阻： 分段折线法
3) NMOS反相器工作原理
4) CMOS反相器
5) 不同电阻偏置比较： 有源的负载
6) 反相器基本应用： 逻辑求非与反相放大
4.3.3BJT分段线性化
1. BJT结构与端口伏安特性
1) BJT结构及其伏安特性分区特点
2) NPNBJT和NMOSFET伏安特性分区对应关系
3) NPNBJT有源区端口描述方程
4) PNPBJT和NPNBJT是互补的
2. NPNBJT分段线性化电路模型
1) 截止区电路模型
2) 饱和区电路模型
3) 开关模型
4) 有源区电路模型
3. 分压偏置电路
1) 三种典型偏置电路比较
2) 灵敏度分析
3) 两种负反馈偏置的灵敏度分析
4. BJT电流源
1) 有源区恒流源等效
2) 分压偏置： 串联负反馈结构
3) 二极管偏置： 电流镜结构
5. BJT反相器
4.4局部线性化之单端口非线性电阻： 负阻放大器
4.4.1局部线性化原理
1. 泰勒展开线性项
2. 交直流分析
3. 先直流非线性分析获得直流工作点
4. 再在直流工作点上做交流小信号分析
5. 交直流分析不同于叠加定理
4.4.2负阻放大器
1. 交直流分析
2. 耦合电容和射频扼流圈
3. 直流功率到交流功率的转换
4. 线性度描述： 总谐波失真与1dB线性范围
4.5局部线性化之二端口非线性电阻： 晶体管放大器
4.5.1局部线性化原理
1. 泰勒展开与交直流分析
2. 有源区晶体管交直流分析电路模型
1) BJT电路模型
2) MOSFET电路模型
3. 交直流分析的一般工作流程
4.5.2晶体管放大器
1. CE组态放大器交直流分析例
2. CE组态晶体管理想跨导器模型
3. 放大器的二端口网络抽象
4. 有源性来源
5. 负反馈分析
6. 有源负载
7. 三种组态
1) CE组态： 跨导器模型
2) CB组态： 电流缓冲器模型
3) CC组态： 电压缓冲器模型
4) 三种组态小结
8. 典型双晶体管跨导器
1) cascode结构(CSCG级联)
2) CCCB双管组合结构
3) CCCE级联结构
4) Darlington复合管