基础电路设计与应用

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基础电路设计与应用

本讲义共四章，包括电路设计的基本方法及相关设计理论，无源单口网络与双口网络的设计及基于运算放大器的有源电路的设计。为了更好的与电路分析课程衔接，本讲义从分析入手引入设计，介绍电路设计的基本理论及设计方法。
本讲义面向刚学完“基础电路分析”及“现代电路分析”课程后的电子工程、通信和控制类专业本科学生。

前  言
    电路设计所涉及的内容十分广泛，本讲义的目的并非是要全面地介绍电路设计的原理和方法，而且也不可能做到这一点，所以讲义的名称为“基础电路设计与应用”。
首先，本讲义对使用对象的基本要求仅包括“基础电路分析”和“现代电路分析”，其目的是使刚学完这两门课程的同学能够尽早地接触到有关电路设计及应用方面的知识，学有所用。
“基础电路分析”涉及到的主要内容归纳为如下几点：（1）基本理论包括拓扑约束和元件约束，主要分析由线性电阻、电感、电容、受控源、理想运算放大器和独立源构成的线性电路；（2）分析原理包括叠加分析原理、等效分析原理和规范分析原理（节点法和网孔法）；（3）涉及到的电路特性包括直流激励条件下的电阻电路的直流特性，直流激励条件下的一阶和二阶电路的动态特性（时域分析）及正弦激励条件下的稳态电路特性（变换域分析）；（4）涉及到的数学知识包括线性代数、微积分、三角函数、复代数、数学变换等；（5）涉及到的辅助分析工具包括EWB。
“现代电路分析”涉及到的主要内容归纳为如下几点：（1）计算机辅助分析基础知识，包括规范的节点法、网孔法、割集法和回路法的矩阵形式；（2）计算机辅助分析实用技术，包括改进的节点法、观察法和双图法；（3）非线性电阻电路的直流特性分析，包括图解法、分段线性法和牛顿迭代法；（4）双口网络的参数分析法，包括Y、Z、T参数理论，特性参数理论和工作参数理论；（5）含运算放大器电路的典型应用与分析；（6）涉及到辅助分析工具包括Or-CAD和Multisim。
由于考虑到课程学时、学生知识背景及相关配套课程，上述两门课程中的某些知识可能会作为一般介绍、选读、选讲或自学内容。这些知识在某些电路设计中是需要的，比如s域分析、非线性特性分析、工作参数理论、滤波理论等，所以本讲义虽然尽量避免过多、过深的涉及到这些内容，但是，仍然需要使用本讲义的学生对这些知识有所了解，教师应根据情况在课堂上作适当的补充介绍。
电路设计还将涉及到其他一些专业基础知识，包括模拟电路、数字电路、信号处理等，本讲义也将尽量避免过多、过深的涉及到这些内容。
考虑到本讲义的如上特点，某些设计应用可能不一定是最优的或在分析方法上不一定最合适的。但是，这些并不会影响本讲义所要达到的目的，即“基础电路分析”和“现代电路分析”知识在基础电路设计中的应用，使学生尽早接触到有关电路设计的理念，学有所用。通过今后其他课程的进一步学习，逐步丰富电路设计的知识和经验，一定会不断提高设计与应用能力。
培养电路设计能力可以通过这样一条途径：（1）分析现有的电路特性；（2）根据设计要求直接选用现有的电路实现；（3）对现有电路进行适当修改以适应实际设计要求；（4）将现有基本单元电路组合以满足实际设计要求；（5）根据对基本元器件和电路结构特性的理解，设计出新的单元电路或系统以满足实际设计要求；（6）建立一套设计理论，较全面的论述满足某一类实际设计要求的可实现性，并根据所能使用的元器件，提出一套完整的设计原理和方法。
对于刚学完“基础电路分析”和“现代电路分析”课程的学生来讲，由于这两门的主要内容是介绍一般电路的一般分析方法，而并非介绍具体功能电路或系统，所以不太容易体会到这两门课程的在实际设计中的应用价值。因此，本讲义的一个主要特点就是突出这两门在电路设计应用中的作用。
本讲义共分为4章，第1，2，3章主要讨论无源电路的设计，虽然有些无源电路可以被其他更好的电路形式替代，但是这3章内容对理解设计方法将是有益的，并且也为理解其他更好的电路形式打下良好的基础。第4章讨论有源电路设计。
第1章以较为简单的无源单口网络设计为对象，首先讨论网络的频率特性，因为电路设计要求常常是以电路的频率特性的形式描述的，然后介绍如何从单口网络函数综合LC、RC、RL电路及归一化技术。
第2章介绍有关无源网络函数实现的一些重要理论基础。通过学习，可以加深对第1章的理解，并为下一章讨论的双口网络综合做好准备。
第3章首先介绍无源双口网络的实现条件，并介绍终端接电阻和双端接电阻的LC双口网络的设计。
第4章讨论采用运算放大器的有源电路的设计问题，首先介绍比较简单各种电阻性有源功能单元电路（电流与电压的转换电路，电流与电压的放大电路），然后讨论两类有源滤波电路（有源基本模块的级联和无源电路的有源模拟）的设计问题，最后介绍有关非线性有源电路（电压比较、施密特触发及小信号整流电路）和振荡电路（一阶无稳态和二阶正弦波）的设计，并介绍555集成电路的两种主要应用电路（单稳态触发和无稳态振荡）的设计问题。
第1、2、3章涉及到的基本元件有电阻、电感、电容，第4章涉及到了运算放大器、比较器、二极管、555集成电路，其中的比较器和二极管可以借助前导课程“现代电路分析”中非线性一章内容进行理解和分析，对于555集成电路，可以要求仅从其外部特性来掌握该器件在实际设计中的应用。
“基础电路分析”中的受控源一般是作为有源器件的模型来使用的，考虑到学生还未学过半导体电路的有关知识，而单独使用受控源作为基本元件进行分析和设计又显得比较抽象，所以本讲义未涉及到受控源模型。
本讲义的编写得益与本学科组同事多年来的相互交流，特别是在杜普选老师的鼓励、支持下得以完成，杜普选老师还对本讲义进行了审阅，并提出宝贵建议，谨此致谢。
因作者水平有限，本讲义中的内容有不当之处，敬请读者指正。

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