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电路设计过程中的问题问答.doc 87页
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电路设计过程中的问题问答.doc
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12 接地问题
问：我已看过你们的“产品说明”(data sheets)和“应用笔记”(appl ication notes)，也参加过你们的技术讲座，但有关如何处理ADC中模拟地和数字地的引脚 我仍有点儿糊涂。产品说明书中通常要求把模拟地和数字地在器件上连接在一起，但我不 想把ADC接成系统的星形接地点。我应该怎么做?
答：首先，对涉及到模拟地和数字地感到糊涂这件事，你不必感觉那么坏，许 多人都是这样的!许多迷惑首先来自ADC接地引脚的名称。模拟地和数字地的引脚名称表示内 部元件本身的作用，未必意味着外部也应该按照内部作用去做。让我们来解释一下。
一个集成电路内部有模拟电路和数字电路两部分，例如ADC，为了避免数字信号耦合到模拟 电路中去，模拟地和数字地通常分开。图12?1所示是一个ADC的简单示意图。从芯片上的焊 点到封装引脚的连线所产生的引线接合电感和电阻，并不是IC设计者专门加上去的。快速变 化的数字电流在B点产生一个电压，经过杂散电容(C STRAY )必然耦合到模拟电路的A点 。尽 管这是制造芯片 过程中IC设计者应考虑的问题。可是你能够看到为了防止进一步耦合，模拟地和数字地的引 脚在外面应该用最短的连线接到同一个低阻抗的接地平面上。任何在数字地引脚附加的外部 阻抗都将在B点上引起较大的数字噪声。然后将大的数字噪声通过杂散电容耦合到模拟 电路上。可通过一个极简单的示意图(图12?1)来说明这一点。
图12?1 模拟地与数字地
问：好，你已告诉我把集成电路的模拟地和数字地引脚接到同一接地平面，但我 仍然要把模拟和数字接地平面在系统中分离开来，我要它们仅仅在一点上连起来，但这 个公共点是电源的返回端，并且连到底座接地线上。那么现在我还要做什么?
答：假如你的系统只有一个数据转换器，实际上你可以按照产品说明中所说的方 法去做 ，并且把模拟地和数字地线系统一起连在转换器上。你的系统的星形接地点现在是在数据转 换器上。但是这也许是极不希望的，除非在开始时你就用这样的想法来设计你的系统。假如 你有几个数据转换器安排在不同的印制线路板上，这个规则不适用应该另想办法，因为模 拟地 和数字地系统被连接在许多印制线路板的每个转换器上。对于接地环路这是最好的建议。
问：我已经能想像出来了!假如我必须把模拟地和数字地引脚在器件上连 在一 起，我仍旧需要分开系统的模拟地和数字地，我把模拟地和数字地连起来再接到印制线路板 上的模拟接地平面，或者是数字接地平面上，但不能两者都连上，对吗?因为ADC既是模 拟器件又是数字器件，那么连到哪一个接地平面更合适呢?
答：对!假如你把模拟地和数字地引脚都连到数字接地平面上，那么你的模拟输 入信号将有数字噪声叠加上去，因为模拟输入信号是单端的且相对于模拟接地平面而言。问：所以正确的回答是把模拟地和数字地引脚两者连起来并接到模拟接地 平面上，对吗?但这样会不会把数字噪声加到本来很好的接地平面上?另外，因为现在输出信 号是相对于模拟接地平面，而所有其它逻辑是相对于数字接地平面，那么输出逻辑噪声容限 是否会下降?我打算把ADC输出接到印制线路板背面三态数据总线上，在那里噪声会相当大， 所以我认为首先需要能够得到的所有噪声容限。
答：好!没有什么人会说生活是很容易的!你已经通过困难的道路得到了正确的 结论，但你提出的模拟接地平面上的数字噪声和在ADC输出端上减少噪声容限(noise margin )的问题， 实际上并非像想象的那样坏，可以把它们克服掉。把几百毫伏不可靠的信号加到数字接口明 显地好 于把同样不可靠信号加到模拟输入端。对于10 V输入的16位ADC，其最低位信号仅仅 为150 μV!在数字地引脚上的数字地电流实际上不可能比这更坏，否则它们将使ADC内部 的 模拟部分首先失效!假如你在ADC电源引脚到模拟接地平面之间接一种高质量高频陶瓷电容器 (0 ?1μF)来旁路高频噪声，你将把这些电流隔离到集成电路周围非常小的范围，并且将其对 系统其余部分的影响减到最低。
虽然数字噪声容限会减少，但是如果低于几百毫伏，对于TTL和CMOS逻辑通常是可以接受 的。假如你的ADC有单端ECL输出，你就需 要在每一个数字门上加一个推挽门，即起平衡和补偿输出的作用。把这些门电路封装块地线 引 到模拟接地平面，并且用差分方式连接逻辑信号接口。在另一端使用一个差分线路接收器， 将 它的接地端接到数字接地平面上。模拟接地平面和数字接地平面之间的噪声是共模信号，它 们的大 多数将在差分线路接收器的输出端被衰减抑制掉。你可以把同样方法用于TTL和CMOS，但它 们通常有足够的噪声容限，所以不需要差分传输。
但是你说过的一件事使我大感忧虑。通常把ADC输出直接连到有噪声的数据总线上，是很 轻率的作法。总线噪声经过内部寄生电容耦合可
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&&浙江大学电路原理及网络理论（内部课件）
浙江大学电路原理及网络理论（内部课件）
一、课程介绍（100-150字）
（一）中文简介
?电路原理?甲（Ⅰ）是电类专业的一门重要的技术基础课程，课程系统而全面地介绍电路理论的基本概念、基本分析方法和基本定律，重点培养本科学生分析和解决电路问题的能力，为后续专业课程和科研实践提供必要的预备知识，奠定专业课程学习的坚实基础。
（二）英文简介
This course is the one of basic courses of electrical and electronic technology for undergraduate students. The course aims to introduce to the students with basic concepts and methods of electric circuit theory, and also teach students how to grasp the basic methods of analyzing and solving the problems in electric circuit, and provide the basic abilities for later course.
二、教学目标
(一)学习目标
?电路原理(甲)Ⅰ?是电类专业的一门重要的技术基础课程，为后续专业课程和科研实践提供必要的预备知识。电路理论本身具有较强的逻辑性、系统性、理论性和灵活性，因而有利于培养学生严谨的思维能力、灵活的分析问题能力，从而进一步培养学生的创新创造能力。
（二）可测量结果
& &通过本课程的学习，要求学生掌握电路的基本原理、分析与计算电路的基本方法。对直流、交流电路，非正弦周期信号激励下的电路以及电路的过渡过程，包括含有受控电源模型和含有运算放大器的电路，都能进行稳态和暂态分析。
三、课程要求
（一）授课方式与要求
& & 以课堂讲授为主，采用多媒体投影教学。每周布置作业，作业量4～5小时
（二）& & & & 考试评分与建议
& & 1、期末有纸化闭卷考试；
2、成绩评定：平时作业及期中成绩30%，期末70%。
四、教学安排
第一周&&电路模型与参考方向、基尔霍夫定律
主要内容：
介绍实际电路元件的端口电压电流特性，元件参数理想化提炼与理想电路元件。通过实践电子元件引入电路元件受控源概念，介绍电路一般分析方法。引入电路参考方向概念，掌握电路支路电压方程书写和电路功率计算方法。
基尔霍夫定律是描述电路中电压、电流遵循的最基本的规律。基尔霍夫电流定律反映了联接于任一节点上各支路电流的约束关系，其内容为：流出（或流入）任一节点的各支路电流的代数和为零，基尔霍夫电流定律还可以扩展到任一闭合面，即流出（或流入）任一闭合面的所有支路电流的代数和为零。基尔霍夫电压定律反映了任一回路中各电压的约束关系，其内容为：在电路的任一闭合回路中，各支路电压的代数和为零。基尔霍夫定律与元件约束定律组成了电路分析的基本关系。
阅读材料：&&1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题： 基尔霍夫定律与电路拓扑的约束
第二周& &无源网络等效变换、电路分析方法（1）
主要内容：
Y-△间的相互转换反映了两种特定电路之间的外部特性关系与元件参数的联系，当三个端钮对外呈现相同的电压电流特性时，它们之间可以相互等效。无源网络等效变换是电路简化的常用方法。
网络图论知识是电路分析的基础知识。网络图论解决电路分析中系统选取回路的方法。以支路电流作为电路变量，根据KCL，KVL建立电路方程，联合求解电路方程从而解出各支路电流的电路分析方法，称为支路电流法。回路电流法是以一组独立回路电流作为变量列写电路方程求解电路变量的方法。倘若选择基本回路作为独立回路，则回路电流即是各连支电流。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：包含受空源电路的分析方法、无源网络等效变换的方法
第三周&&电路分析方法（2）
主要内容：
网孔电流法是以一组独立网孔回路电流作为变量列写电路方程求解电路变量的方法。以节点电压作为未知量，对 个独立节点列写KCL方程，从而求出各节点电压继而进一步求解其他电量的电路分析方法，称为节点电压法。如果电路中含有纯电压源支路，要对节点电压法进行改进。以电路中的树支电压为变量，对 个单树支割集列写KCL方程，从而求出各树支电压继而求解其他量的电路分析方法，称为割集电压法。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：各种电路分析方法的特点比较
第四周& &电路定律（1）
主要内容：
在线性电路中，若干独立电源共同作用下的任意支路电流或电压等于当每个独立电源单独作用情下下，在该支路产生的电流或电压的代数和，称为叠加定理。
在线性电路中，当单一电源单独作用于电路，电路的各支路电流（或电压）都正比于该电源的大小。单一电源的大小增减K倍，各支路电流（或电压）亦随之增减K倍，这一性质称为线性电路的齐次性（或比例性）。
戴维南定理：任一线性有源一端口网络可以等效为一个电压源 和电阻 相串联的电路，其中 的大小等于该有源一端口网络的开路电压； 等于令该有源一端口网络内所有独立源为零后所构成的无源一端口网络的等效电阻，此即为戴维南定理。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：叠加定理、戴维南定理在电路分析计算中的应用
第五周& &电路定律（２）
主要内容：
诺顿定理：任一线性有源一端口网络可以等效为一个电流源 与一个电阻 相并联的电路，其中 的大小等于有源一端口网络端口的短路电流； 等于令该有源一端口网络内所有独立源为零后所构成的无源一端口网络的等效电阻。
特勒根定理基本描述，推导功率特勒根似功率定理。当双端口网络不包含独立电源和受控源时，满足互易定理。电路参数变动引起的变化可由补偿定律计算。介绍利用密勒定理进行电子线路分析简化方法。
阅读材料：1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：比较分析电路定律在电路分析计算中的作用
第六周&&正弦交流电路概念与相量表示
主要内容：
正弦交流电路是最基本和最重要的交流电路。在现代电力系统中，电能的生产、传送和分配主要以正弦交流电的形式进行。在通信及广播领域，正弦交流电也得到广泛应用。作为一般性周期变化电量的分析基础，正弦交流电路的分析方法具有重要的意义。
正弦交流电路计算是利用相量形式完成。理解正弦交流电时域表示式物理意义，引进正弦交流电量的相量表示概念，理解正弦交流电复频域相量表示的意义。掌握电阻电感电容的相量表示端口电压电流关系式。理解相量图的意义。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：正弦交流电量的相量表示意义。正弦交流电量的有效值表示意义。
第七周&&正弦交流电路基尔霍夫定律相量形式与功率计算
主要内容：对于复杂的线性电路，如果所有激励源均为同一频率的正弦函数，则各支路的电流和电压都可以表示为相量形式，在电路计算中可采用相量计算的方法。
交流电路中的电阻、电容和电感元件，其端电压关系均可由相量欧姆定律表示。无源一端口网络的端口特性可由阻抗导纳等效电路表示。
分析介绍正弦交流电路的有功功率，无功功率，视在功率，复数功率的基本物理概念，介绍正弦交流电路功率测量方法，正弦交流电路的功率计算。介绍正弦交流电路功率因数基本概念，分析功率因数提高方法。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：&&相量形式基尔霍夫定律计算方法正弦交流电路有功功率，无功功率，视在功率的物理意义与测量方法
第八周& &谐振电路分析
主要内容：
谐振现象是交流电路中产生的一种特殊现象，对谐振现象的研究有着重要的意义。
电路发生串联谐振时，&&，串联电路的品质因数&&。电压谐振电路。电路发生并联谐振时，&&，并联电路的品质因数&&。电流谐振电路。 利用串并联谐振电路进行信号处理方法。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：谐振电路的应用
第九周& &互感电路分析
主要内容：
一个线圈的电流变化，通过磁通耦合在另一线圈中产生感应电动势的现象称为互感现象。互感现象在工程实践中是非常广泛的。同名端用来特定标记两个磁耦合线圈的对应关系。同名端：流入同名端i1与i2两个电流产生的磁通是互相加强的。
两个线圈中互感电压的表达式为 ，&&；当电流参考方向为流入同名端、互感电压的参考方向为从同名端指向非同名端时，互感电压表达式前取正号，反之则取负号。
理想变压器： ，
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：包含互感电路的计算方法
第十周&&三相交流电路
主要内容：
对称三相电路电源，负载特性。对称三相电路的连接：三相四线制，三相三线制。对称三相电路特点，线电压电流关系。对称三相电路计算，单相图。对称三相电路功率计算与测量方法。不对称三相电路分析与特点。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题： 对称三相电路计算方法
第十一周&&周期性非正弦电路稳态分析
主要内容：
对于线性电路，周期性非正弦信号可以利用傅里叶级数展开把它分解为一系列不同频率的正弦分量，然后用正弦交流电路相量分析方法，分别对不同频率的正弦量单独作用下的电路进行计算，得到非正弦周期信号激励下的响应。周期信号的傅里叶级数分解，信号频谱分析。周期性非正弦信号激励下线性电路的稳态分析。
对称三相电路中的高次谐波分析方法。谐波各个频率分量可分成正序，负序和零序三个不同的系统。对称三相电路对于正序，负序和零序三个不同的系统呈现不同的特性。中线与零序系统电流计算的关系。不同连接方式对高次谐波影响。
在对非正弦周期信号分析时，不但要考虑信号本身的特性，而且还需研究电路特性随频率变化的关系，即需要研究电路的频率特性。当激励源频率变化时，电路的激励与响应信号随频率而变，这一变化关系称为电路的频率特性。频率特性研究包括幅频特性和相频特性。
阅读材料：& &1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：&&对称三相电路中的高次谐波计算方法、电路频率特性分析与实际电子线路中的应用。
第十二周&&换路定则、一阶电路过渡过程分析
主要内容：
当电路出现结构改变，如接通、断开、改接等情况，或者激励、电路参数的骤然变化时，常使电路从一个稳定状态到达另一个稳定状态。状态的改变一般并非立即完成，而需经历一段时间，这段时间发生的过程称为过渡过程。
电路变化服从换路定则。利用换路定则可以确定电路在换路后的初始状态。
一阶电路过渡过程分析的主要方法。电路变化规律微分方程的建立。电路时间常数，零输入响应，零状态响应和全响应。电路分析三要素法计算电路过渡过程。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：三要素公式计算对激励源的关系；一阶电路过渡过程分析的微分方程建立。在跳变情况下的初始状态计算。
第十三周&&阶跃响应与冲激响应、二阶电路过渡过程分析
主要内容：
介绍单位阶跃函数 和单位冲激函数 定义。计算电路在单位阶跃函数 和单位冲激函数 作用下电路的过渡过程相应。了解冲激函数是阶跃函数的导数，因此在线性、非时变电路中，冲激响应 是阶跃响应 的导数。
电路包含两个动态元件时，电路过渡过程是线性常系数二阶齐次微分方程。对于RLC串联电路，电路过渡过程包含过阻尼情况、临界阻尼情况和欠阻尼情况。
利用经典法计算高阶线性电路过渡过程的求解步骤：（1）求初值；（2）列写电路的微分方程；（3）求微分方程的特解和对应齐次方程的通解，合成全解；（4）利用初始条件确定积分常数。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：阶跃响应与冲激响应关系。二阶电路过渡过程形式与电路参数关系
第十四周&&直流非线性电路分析
主要内容：
含有非线性元件的电路，都是非线性电路。对于非线性电路，基尔霍夫电流和电压定律（KCL和KVL）仍然是成立的。但由于元件具有非线性特性，故描述这类电路的方程是非线性方程的。
非线性元件特性描述；非线性电阻元件：伏安特性；非线性电感元件：韦安特性；非线性电容元件：库伏特性。
直流非线性电阻电路分析：作辅助特性曲线法；曲线相交法；解析计算法。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：&&非线性元件特性描述，非线性电路分析方法特点。
第十五周& &小信号分析法
主要内容：
在电子电路中遇到的非线性电路，不仅有作为偏置电压的直流电源U0作用，同时还有随时间变化的输入电压uS(t)作用。分析这类电路，可以采用小信号分析法。
小信号分析法是一种线性化方法。这一方法的基本思路是在静态工作状态下，将非线性电阻电路的方程式线性化，得到相应的可以用来计算小信号激励所产生响应的线性化电路和线性方程，然后就可以用分析线性电路的方法去进行分析和计算。
在小信号分析法中，要涉及非线性元件的动态参数。动态参数包括动态电阻（电导）、动态电容和动态电感等，它们分别对应于有关特性曲线工作点处的切线。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：&&小信号分析法的基本意义，动态电阻、动态电容和动态电感的物理意义。
第十六周& &课程讲评与讨论
主要内容：课程内容总结与讲评。电路课程计算机辅助分析介绍。学生大作业讲评。
阅读材料：& & 1．?电路原理?范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社；
2．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社；
3．?电路? 邱关源，高等教育出版社&&
思考题：&&课程知识体系与工程应用。
五、参考教材及相关资料
1．?电路原理? 范承志、孙盾、童梅编，机械工业出版社， 2004年8月
2．《集成电子技术基础教程》第二版 上册 郑家龙、陈隆道、蔡忠法主编&&高等教育出版社 2007年
3．《集成电子技术基础教程》郑家龙、王小海、章安元主编&&高等教育出版社 2002年7月
4．《电路原理学习指导与习题解析》李玉玲，机械工业出版社， 2004年8月
5．《电路原理》周庭阳、江维澄编，浙江大学出版社，99年再版
6．?电路? 邱关源，高等教育出版社，2000年再版& && && && && &
六、课程教学网站：
& &&&将通过校内网络提供必要的课件和文字材料链接
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如图所示，答案已知，求求解过程与方法
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方向向下。根据KCL，则2Ω电阻所在支路的电流为：i-u，方向向右：u&#47：4i-3u+3=0，得：u=2×（i-u）+2i+3。整理。根据KVL;1=u解：1Ω电阻的电流为
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