电子电路与系统基础/清华大学电子工程系核心课系列教材 epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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为了解决膨胀的知识量与有限的学制之间的矛盾，提高教学效率和质量，培养拔尖型创新人才，清华大学电子工程系进行了全面的教学改革。在梳理出电子信息科学与技术知识构架的基础上，构建起了全新的课程体系。本书是清华大学电子工程系核心课系列教材之一，由清华大学副校长王希勤教授作序推荐。
本课程是首次将“电路原理”“模拟电路”“通信电路”“数字电路”及场路整合一体的新电路原理课程。课程以电路抽象为主干，把包括放大器、滤波器、振荡器、数字门电路及存储器、能量转换电路等诸多基本单元电路挂靠在线性电阻电路、非线性电阻电路、一阶动态电路、二阶动态电路四个分支上。读者通过本课程学习可在更高层面上理解、分析和设计电路。
（1）将晶体管归类于非线性电阻，使得模拟电路、通信电路课程内容可融合于电路原理新框架中，并增加了对有源、无源、稳定性等内容的讨论。
（2）将器件、单元电路、系统统一为单端口或多端口网络，以网络参量整合线性电路，以非线性的线性化处理整合非线性电路，以电路抽象为主干，以电路分析方法的展开为明线，以基本元件、受控源、负阻、开关的应用为暗线，将多门电路课程内容有机融合于一体。
（3）在新框架下重新排布和解读相关电路定律、定理和电路工作原理。

内容简介

本课程是对原“电路原理”“模拟电路”“通信电路”和“数字电路”等课程重构形成的新电路原理课程，体系架构为一条主干四个分支。电路抽象为主干，包括端口或支路抽象下的电路基本定律、定理，电路方程列写方法和电路基本分析方法，开关抽象、数字逻辑、CMOS门电路，有源、无源等。四个分支为线性电阻电路，包括电阻分压、电桥、衰减电路，理想变压、回旋、环行器，理想受控源、负阻、负反馈放大器，噪声、阻抗、传输等；非线性电阻电路，包括二极管、晶体管，反相器、电流镜、差分对、乘法器，CE、CB、CC组态和cascode结构，运放电路及其正负反馈应用，ADC、DAC，非线性失真，线性化处理方法等；一阶动态电路，包括一阶RC、RL滤波器时频分析，半波整流器、张弛振荡器，开关电容，延时、带宽等；二阶动态电路，包括二阶RLC滤波器时频分析，阻抗匹配与变换电路，高频放大器，正弦波振荡器，DC-AC，DC-DC，谐振、匹配等。

作者简介

李国林，清华大学电子工程系副教授。于1993年、2002年获得清华大学电子工程系电磁场与微波技术专业学士、硕士和博士学位。2002年入职清华大学电子工程系电路与系统研究所至今，主要从事电路与系统、电子医疗、人机交互等方面的研究工作。2003年至今，本科生专业基础课程“通信电路”主讲教师之一，该课程于2009年、2010年分获清华大学、北京市和国家精品课称号。2011年至今，教改课程本科生专业核心课“电子电路与系统基础”课程负责人和主讲教师，2014年获清华大学第5届“清韵烛光我*喜爱的教师”称号。

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�怖�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�睞C，DC�睤C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： 最大功率传输匹配
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

精彩书摘

　　第5章运算放大器
　　运算放大器(Operational Amplifier，OPA)是一种具有特殊性质的电压放大器。我们可以通过恰当地选择OPA的外围连接器件，构造出各种各样的运算单元，包括放大器、振荡器、触发器、比较器、加法/减法器、积分/微分器、对数/指数运算等，其运放名称亦源于此，它是模拟集成电路应用最广泛的单元电路。运算放大器在1947年被命名，1968年仙童公司推出μA741，通过添加一个30pF补偿电容替代外部补偿，使得它稳定可靠而成为之后运算放大器设计的一个参照标准。
　　运算放大器的特殊性体现在该电压放大器具有足够高的电压增益(如741运放，电压增益典型值为20万倍)，足够高的输入电阻(2MΩ)和足够小的输出电阻(75Ω)，尤其是高电压增益，使得它在负反馈线性应用中，具有足够高的环路增益，很容易形成深度负反馈，故而整个电路的放大性能几乎完全由负反馈电阻网络决定： 当负反馈电阻网络和运放为串串连接关系时，总网络呈现出接近理想的压控流源特性，相应地，并并连接关系形成接近理想的流控压源特性，串并连接关系形成接近理想的压控压源特性，并串连接关系形成接近理想的流控流源特性。正是负反馈连接的运放具有接近理想受控源特性，从而运放的诸多负反馈结构以强大的运算能力和级联驱动能力面目呈现。
　　固然可以采用二端口网络在不同连接关系下对应网络参量相加这一规范方法对负反馈进行分析，但是考虑到运放具有的极高电压增益导致的极深负反馈，故而只要确保运放工作在线性区，运放的负反馈应用分析就可以进一步抽象出更加简单的黄金分析法则： “虚短”和“虚断”。虚短源于将运放电压高增益极致化为无穷大，故而输入差分电压为零，同相输入端和反相输入端电压相等犹如短接； 虚断则源于将大的输入电阻极致化为无穷大，故而两个输入端电流为零，犹如断路； 同时将小输出电阻极致化为零电阻，那么运放负反馈线性应用分析时不必过多顾忌外接负载大小，因为零输出电阻的电压源具有无限驱动能力。正是这三个极致化抽象，使得运放负反馈线性分析变得极度简化。虚短、虚断是运放电路抽象精髓的体现，同学应把握这种极致化抽象实现的简化分析，但牢记黄金法则应用的限定性条件是确保运放工作于线性区。
　　除了线性器件负反馈网络使得运放负反馈应用闭环系统整体呈现线性网络特性之外，运放还有很多非线性应用，包括非线性负反馈应用、开环应用和正反馈应用，这些电路从整体外端口看都呈现出强烈的非线性特性。
　　本章首先由运放的外端口电压转移特性曲线的分段折线化电路模型入手，之后重点考察工作在线性区运放的负反馈线性应用，多采用虚短、虚断进行简化分析，最后讨论运放的非线性应用。
　　5.1电压转移特性曲线的分段折线化模型
　　5.1.1运放二端口网络封装与外端口特性
　　第4章4.7节对741运算放大器的内部电路工作进行了简要说明： 图4.7.1给出了741运放内部的晶体管连接关系，图4.7.5(a)给出了运放的三级放大级联结构的各级等效电路，图4.7.5(b)给出了运放的外端口等效电路，这两个等效电路都是线性化电路模型，它们的有源性来自直流偏置电压源的供能(见3.6.3节)。
　　下面考察实际运放的外端口特性，这个外端口特性包含了直流偏置电压源的供能，如图5.1.1所示。741运放有7个对外端点，其中vip是同相输入(noninverting input)端点，vin是反相输入(inverting input)端点，vo是输出端点。图4.7.1中的R1、R2两个电阻的两个上端点连出芯片外部，这两个外端点可以连接一个电位器，调节电位器则相当于调节R1、R2两个电阻的阻值，使得运放输入级等效电桥平衡，确保当输入vid=vip-vin=0时，vo=0，即调零电路使得运放二端口网络戴维南等效中输入端口的等效独立源被外加补偿置零，因而这两个端点被称为调零端，实现失调调零(offset null)。所谓失调(offset)，就是vid=0时，vo≠0，它是由运放内部电路差分输入级两条支路晶体管电路的不平衡导致的，见4.6.2节分析。调零电路则是通过外在不对称抵偿或平衡内部不对称。
　　……

前言/序言

　　电路作为信息系统的物理层支撑渗透到了人类生活的方方面面，电路知识成为理工科大学生的基本素养。由于其极为重要的历史地位，在发展过程中形成了多门在电子信息类专业课程中占据很大比重的电路课程。但是随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，电子信息类专业学生需要掌握的各类知识和技能呈现高速扩张态势，尤其是顶层的信号处理和数据挖掘需求旺盛，但是学生仍然不得不花费大量的课时修全电路相关课程以掌握作为基本素养的底层电路知识，这显然不适宜于当前高校电子信息类专业的全面均衡发展，因而有必要对现有的多门电路课程重新构架，形成一门全新的电路原理课程，在有限的课时内全面把握电路的核心精髓。
　　除了电路课程外，整个电子信息类专业本科教学的各门课程也存在着各种各样的原因期望课程内容的改革变动，但本科课程之间的高度关联导致牵一发而动全身，各科教师有心对课程内容进行整合却不敢有太大的动作。清华大学电子工程系关注到这个问题的存在，于2007年启动了本科生课程教学改革，在王希勤、黄翊东两位主任的直接领导下，在各方反复调研的基础上，于2009年整理出了电子信息科学知识图七层结构，并基于七层结构构建了一个新的本科课程体系，包括10门必修的核心课程、24门限选的专业限选课程、36门自由选修的专业选修课程和40门各类实验课程，除了10门核心课外，其他专业课仍在缓慢持续扩张中。电路位于电子信息科学知识图七层结构的第二层，基于该层的电路核心课最终被定名为“电子电路与系统基础”（简称“电路基础”），用于取代原课程体系中的多门必修电路课程，包括“电路原理”“模拟电路”“通信电路”，以及“数字电路”中的晶体管门级电路部分，是10门核心课中改革力度最大的一门课程。“数字电路”中的逻辑级部分和“微机原理”被合并为核心课“数字逻辑与处理器基础”。在新课程体系中，“电路原理”课程被“电路基础”核心课完全取代，而其他4门和电路直接相关的课程则分别更名进化为“模拟电路原理”“通信电路原理”“数字系统设计”和“现代计算机体系架构”，作为专业限选课供对电路专业感兴趣的学生选修，以使学生更加深入地掌握电路与系统相关专业知识。
　　集成电路设计是当前电路设计的顶层核心需求，大学应该培养在掌握电路核心知识基础上具有较高电路素养的集成电路设计专业人才。由于集成电路设计和制作有一个相对较高的门槛，因而最终进入电路专业深造的学生将是一个小的群体，故而改革启动时我们就已经预期新课程体系建成后，电路类相关专业限选课较原体系作为必修课时其选修人数将会大幅缩水，教改推进数年来的教学实践也确认了电路限选课课堂规模大体仅是原规模的十五分之一。因而在建设“电路基础”核心课时，我考虑的主要问题是如何打破原“电路原理”“模拟电路”“通信电路”和“数字电路”课程各自相对独立的知识体系框架，进而构建出一个新的体系架构将这些课程中的核心电路知识融为一体，通过这一门所有电子系本科学生必修的电路核心课程的学习，使得电子系本科生具有电路的最基本素养： ①电路基本定律和基本定理的掌握； ②电路抽象工程思维方式的培育； ③基本电路器件、基本单元电路工作原理的把握； ④电路相关基本概念的建立。
　　2010年7月我全面接手负责“电路基础”课程的改革。首先确认这门课需要分设在两学期授课，原因是相关概念较多，在一学期授课信息量过大，学生将无法接受，课程教学容易变成夹生饭。其次就是如何划分两学期的课程内容。我通篇翻阅了大量的现有的相关课程教材，基于我近8年“通信电路”授课经验和多年来电路设计经验所建立的对电路的基本认识，将两学期的课程划分为可用代数方程描述的电阻电路（大一下春季学期）和需用微分方程描述的动态电路（大二上秋季学期）两部分。在规划具体授课内容时，考虑到先简单后复杂的推进次序，进而把内容规划为线性电阻电路、非线性电阻电路、线性动态电路和非线性动态电路4部分。在2011年开始的27人小班试讲中，我大体按照这个设想，将多门电路课程内容全部打散后重新整合串讲。系里同时配备摄像师全程录像，并将录像录音资料交给上课学生，转为文字资料交给我，便于新课程讲义整理工作的开展。由于课程安排在大一下和大二上，“信号与系统”课程安排在大二下，但“模拟电路”“通信电路”课程的部分内容又需要“信号与系统”的相关知识支撑，因而实际授课时，还补充了部分“信号与系统”课程相关内容，同时还有少量器件、电磁场相关基础知识，因而小班试讲课程内容量十分庞大。在此之前我只讲过“通信电路”课程，事实上我也是借着这个机会，希望能够将所有电路相关课程全部串讲一遍，以充分理解它们之间到底是如何关联的。第一年小班试讲时，理论课和实验课全部由我负责，我直接占用了实验课时用于授课，实验另行安排其他时间做，又应同学要求开设了习题课，通过各种手段争取了足够多的授课时间，使得我能够将我设想的所有关联课程内容全部过了一遍。这次全面串讲对我全面把握各门电路课程之间的关联起到了至关重要的作用，因而这里首先感谢陪伴我这一年的无01班全体同学、助教宋红艳同学和摄像师龚颖。
　　电子系课改整体规划要求2011级学生全面进入新课程体系，因而2012年“电路基础”课程对2011级大一学生实施大班推广，我把前一年的录音文字资料按课件顺序逐页整理作为第一版讲义发给同学，由于时间紧张等原因，课程仍然按照前一年的进度授课，学生和教师压力都较大。在2012年暑期进行的电路课程改革例行研讨会上，为了回复各位老师对我将晶体管归类为电阻、课程按电阻电路和动态电路划分等认识及实际操作方面的疑虑，我提供了一张图，这张图是我对多门课程内容之间关联的理解，即多门电路课程内容可大体划分为基本元件和单元电路两个大层次，在这两个大层次之间，多门课程内容的关联集中在电阻电路部分的“受控源”“负阻（正反馈、双稳）”“开关”等几个衍生元件上，充分理解这些衍生元件有助于实现各门电路课程内容的全面融合。除了我自己基本厘清各门课程内部关联之外，给我足够信心支撑的另外一个外援是2012年国庆节期间我在学校图书馆翻看到蔡少棠先生的linear and nonlinear circuits一书，他的电阻电路加动态电路的整体结构完全契合我对电路的整体认识。这本教材是1987年出版的，其前言表明该教材是为大三学生准备的电路入门之后的后续课程，然而之前我从来就没有关注过这本教材，它也从未流行过。我分析了造成这本教材被埋没的可能原因，我个人认为这本教材过于注重非线性但其列举的非线性却是人为构造而实际器件的非线性讨论太少，过于注重电路的数学理论及计算机仿真应用下的电路拓扑分析，使得这本教材的受

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