电路分析基础-二端口网络课件.ppt

1、 本章主要研究端口电流、电压之间本章主要研究端口电流、电压之间的关系，即端口的外特性。本章主要解的关系，即端口的外特性。本章主要解决的问题是找出表征二端口网络的参数决的问题是找出表征二端口网络的参数及由这些参数联系着的端口电流、电压及由这些参数联系着的端口电流、电压方程，并在此基础上分析二端口网络的方程，并在此基础上分析二端口网络的电路。电路。熟悉二端口网络的判定，了解无源、有源、线性及非线性二端口网络在组成上的不同点。戴维南定理中介绍的二端网络即为一端口网络。显然IUI1I1I2I2两对端口均满足一端口网络条件的电路称为U1U2二端口网络内部均由线性元件组成，且两个端口处的电压与电流均满足线

2、性关系时，该二端口网络称为。I1I1I2I2U1U2 如果一个二端口网络内部不含有独立源或受控源时，我们称其为二端口网络二端口网络；如果二端口网络内部含有独立源或受控源时，则称其为二端二端口网络口网络。什么是二端口网络？熟悉表征二端口网络参数的不同形式，能够写出由这些参数联系着的端口电流和电压方程，并在此基础上分析双口网络的电路，熟悉表征二端口网络不同参数之间的关系。实际的二端口网络制做好后一般都要封装起来，无法看到其内部电路的具体结构。因此，分析这类网络时，只能通过两对端子处电压与电流之间的相互关系来表征电路的功能。而这种关系又可以用一些参数来描述，且。利用这些参数，还可以比较不同网络在传递

3、电能和信号方面的性能，从而评价端口网络的质量。Z参数方程是一组以端口电流为激励，以两个端口电压为求解对象的无源线性二端口网络的特征方程。Z参数方程的一般形式为：I1I2U1U2Z3Z1Z2 22212122121111 IZIZUIZIZU Z方程中的参数称为，如果令Z11=Z1+Z3，Z22=Z2+Z3，Z12=Z21=Z3。则二端口网络可表示为：Z参数仅与网络的内部结构、元件参数和工作频率有关，而与输入信号的振幅、负载的情况无关。因此，Z参数是用来描述二端口网络本身特性的。00122101111222IIIUZIUZI时，当输出端口电路 其中Z11是输出端口开路时在输入端口处的输入阻抗，称

4、为。Z21称为，转移阻抗是一个端口的电压与另一个端口电流之比。00211202222111IIIUZIUZI时，有当输入端口电路 其中Z22是输入端口开路时在输出端口处的输出阻抗，称为。Z21称为。由互易定理可证明，输入、输出两端口位置互换时，不会改变由同一激励所产生的响应，因此总有Z12=Z21，所以说。假如无源线性的，即即Z11=Z22，则输出端口和输入端口互换位置后，各电压与电流均不改变，此时Z参数中。00122101111222UUUIYUIYU时，即当输出端口电路短路，Y参数方程是一组以端口电压为激励，以两个端口电流为求解对象的无源线性二端口网络的特征方程。Y参数方程的一般形式为：2

5、2212122121111UYUYIUYUYI Y方程中的参数称为。Y参数的物理意义同样可由Y参数方程推导而得。00211202222111UUUIYUIYU有当输入端口短路时，即 其中Y22是输入端口短路时在输出端口处的输出导纳，称为。Y21称为。同样可以证明，对于无源线性二端口网络而言，总有Y12=Y21，因此。如果无源线性，就有Z11=Z22，这时即使输出端口和输入端口互换位置，各电流与电压也不会改变，此时Y参数中。求图示电路的Z参数。当输出端开路时I1I2U1U2141213267)3141/(21111IIU267 011112IIUZ当输入端开路时133)2141/(31222II

6、U133 022221IIUZ找出输入、输出电压的关系，进而求出开路转移阻抗：32412121221UUU1321333232 0220211211IIIUIUZ 传输方程是已知输出端口电压和电流，求解二端口网络输入电压和电流而建立的方程式，其一般表达形式为：22222112122111IAUAIIAUAU 传输方程中的参数称为。A参数的物理意义可由传输方程推导而得。假设两电流方向均为假设两电流方向均为流入端口；若非如此流入端口；若非如此时第时第2项为正。项为正。当二端口网络为无源线性网络时，A11A22-A12A21=1，此时A参数中有3个是独立的，如果网络是对称的，则有：A11=A22，这

7、时A参数中只有两个是独立的。00212102111222IIUIAUUAI，有当输出端口开路时，即 A参数的物理意义如下：00211202122222UUIUAIIAU，有当输出端口短路时，即 混合方程是已知二端口网络输出端口电压和输入端口电流，求解其输入电压和输出电流时，用h参数而建立的方程式，其一般表达形式为：22212122121111UhIhIUhIhU 混合方程中的参数称为。h参数的物理意义可由传输方程推导而得。此方程在选择两电流此方程在选择两电流的参考方向均为流入的参考方向均为流入二端口网络时成立。二端口网络时成立。当二端口网络为无源线性网络时，h参数之间有h12=h21成立，此时

8、h参数中有3个是独立的，如果网络对称，则 h11h22h12h21=1，此时h参数中只有2个是独立的。00222202112122IIUIhUUhI，有当输入端口开路时，即 h参数的物理意义如下：1 0012210111222UUIIhIUhU，有当输出端口短路时，即 一个双口网络，可以用上述4组参数中的任意一组参数来描述，显然这4组参数之间存在一定的转换关系。各参数之间的关系可参看课本P148页表10.1。22212122121111UhIhIUhIhU已知h参数：求Y参数。211111212UhUhhIH21122211hhhhH代入得式中：由得 Y参数方程为：22212122121111

9、UYUYIUYUYI211111212UhUhhIH比较Y参数方程和式和可得：无源线性二端口网络通过简单测量得到的参数称为实验参数，共有4个，分别是：011in2IIUZ输出端口开路时的输入阻抗：0110in2UIUZ输出端口短路时的输入阻抗：022out1IIUZ输入端口开路时的输出阻抗：0220out1UIUZ输入端口短路时的输出阻抗：11210out2122out22210in2111in；AAZAAZAAZAAZ实验参数和其它参数之间存在着一定的关系，例如：22112121out0outin0inAAAAZZZZ利用上式还可以得：outin0out0in ZZZZ即实验参数中只有3个是

10、独立的，如果网络对称，则：这时只有2个是独立的。说明说明Z参数和参数和Y参数的意义。参数的意义。试根据试根据A参数方参数方程，导出已知输程，导出已知输入端口电压、电入端口电压、电流，求解输出端流，求解输出端口电压、电流的口电压、电流的方程？方程？利用利用Z参数、参数、Y参数及参数及h参数分参数分析网络电路时，析网络电路时，各适合于何种场各适合于何种场合？合？试根据试根据Z参数方程参数方程导出导出h方程与方程与Z参参数之间的关系。数之间的关系。在无源线性二端口网络的输入端接入信号源(或电源)，输出端接负载后，学习描述输出信号之间因果关系的方法及网络性质的表示形式。实际应用中，二端口网络的输入端一

11、般均与带有内阻的电源相连接，输出端通常连接有负载。对这类有端接的二端口网络引入输入、输出阻抗的概念，进行电路分析和计算时将非常方便。1.输入阻抗 输入阻抗可以用任何一种参数来表示，例如图示电路的输入阻抗若用A参数表示时，根据前面的分析的公式可得：I1I2U1U2USZSZL22L2112L1122222112221122222121221111in)()(AZAAZAAIUAAIUAIAUAIAUAIUZ 如果采用实验参数来表示，则：)()()(outL0outLin2122L1112L2111inZZZZZAAZAAZAAZ2.输出阻抗 把信号源短接，保留其内阻抗，此时输出端口电压与电流的比

12、值，称为输出阻抗Zout，如上图所示。I1I2U1U2ZS 把输出阻抗也用A参数表示时，根据前面的分析的公式可得：11S2112S22outAZAAZAZ 如果把输出阻抗用实验参数表示时：outS0outSoutoutZZZZZZ式中：11SIUZ 利用二端口网络输入、输出阻抗，可以很方便地求出端口处的电压和电流，其等效电路如下：I1U1USZSZinI2U2USZoutZL 当二端口网络的输入端口接激励信号后，在输出端得到一个响应信号，输出端口的响应信号与输入端口的激励信号之比，称为二端口网络的。当激励和响应都是电压信号时，传输函数为，用表示；当激励和响应为电流信号时，则传输函数为，用表示。

13、若端口处电流的参考方向流入网络，则传输函数为：22L11222221212i12L11L212211212u1)()(AZAIAUAIIIKAZAZIAUAUUUKRCU1U2输出端开路时输出、输入电压的关系CRjUCjRUCjU111112开路电压传输函数：CRjUUK1112u其中幅频特性和相频特性为：2u)(11)(CRjK两种特性用曲线表示：)arctan()(uCR1 1)(ujK0 0-/2/2)(0 0RCU1U21.图示电路输出端若接负载ZL时，求Zin。2.当输入电压幅度为1V，相位为0，=1/RC时，输出电压幅度为多大？输出电压的相位为多少？CjZZjRIUZ1CLL11i

14、nV45/707.00/11111112CRRCjUCRjU。，相位为可见，幅度：45-V1mU利用已知网络的基本方程，找出方程的等效电路，了解基本网络电路之间相互变换的关系。任何给定的线性二端口网络，都可以用一个较为简单的二端口网络来等效代替。若这个简单的二端口网络中的各参数与给定的二端口网络相等，则这个二端口网络就与给定的二端口网络外部特性完全相同，因此我们就可以说它们是等效的。由于无源线性二端口网络只有三个独立参数，因此，最简单的二端口网络等效电路只用三个独立参数来构成。下面介绍的T形等效电路就是其中之一。已知一个复杂的无源线性二端口网络的Z参数方程22212122121111IZIZU

15、IZIZU Z参数方程中的各参数与T形等效电路中参数的关系3222321213111 ZZZZZZZZZ，I1I2U1U2Z3Z1Z2 联立求解可得：211231222212111ZZZZZZZZZ 求其它参数方程的T形网络等效电路时，均应先进行参数变换，再利用上式求得。已知Y参数方程为2122114.02.02.02.0UUIUUI 求该方程所表示的最简T形等效电路。04.0)2.0()2.0(4.02.021122211YYYYY先求|Y|：504.02.0504.02.0 1004.04.012122111222211YYZZYYZYYZ根据已知Y参数求出Z参数：5 0555510211

16、231222212111ZZZZZZZZZ再由Z参数得出最简T形等效电路中的3个阻抗数值分别为：5100T形等效电路为：线性二端口网络的T形等效电路用Z参数表示较为简单，而形等效电路用Y参数表示较为方便。假设已知线性二端口网络的Y参数，根据Y参数的定义，可得到Y参数与形等效电路参数之间的关系 11 1 11222111cbccaZZYZYZZY联立方程可得：21212221121111 1 1YYZYYZYYZcba 总而言之，线性二端口网络的最简电路形式中，形等效电路用Y参数进行求解和表示时较为方便，而T形等效电路一般用Z参数进行变换和表示。ZaZbZc 若给定的是二端口网络的Y参数，确定其

17、形等效电路中的Y1、Y2、Y3参数的值时，可先写出形等电路的结点电流方程：122121)(IUYUYY原二端口网络的Y参数方程22221211212111IUYUYIUYUY比较两组方程可得：)(212223IUYUYYI1I2Y1Y212Y303222221122111YYYYYYYYY222132112212111YYYYYYYYY联立三组方程求解得I1I2ZaZc12Zb0cbacaZZZZZZ1若求形等效电路的Z参数，则反过来，求形有21212221121111 1 1YYZYYZYYZcba；I1I2U1U2Z3Z1Z2如果已知最简二端口网络的形等效电路，求其T形等效电路的Z1、Z2

18、和Z3，其变换关系为cbacbZZZZZZ2cbabaZZZZZZ3331322113132212313221ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZcba 二端口网络的连接指的是各子二端口网络之间的连接及连接方式。二端口网络的连接方式很多，基本的连接方式有串联连接、并联连接及级联等。两个二端口网络的串接I1I2U1U2Z3I1aI2aU1aU1bU2aU2bI1bI2b两个二端口网络的并接I1I2U1U2Z3I1aI2aU1aU1bU2aU2bI1bI2b两个二端口网络的串并联两个二端口网络的并串联I1I2U1U2Z3I1aI2aU1aU1bU2aU2bI1bI2bI1I2U1U2Z

19、3I1aI2aU1aU1bU2aU2bI1bI2b 两个或两个以上的二端口网络，上一级二端口网络的输出端口与下一级二端口网络的输入端口作对应连接时称为二端口网络的。级联时，二端口网络参数的计算，采用T参数较为方便。两个二端口网络级联时，采用T参数较为方便，级联后的T参数矩阵等于各二端口网络的矩阵Ta和Tb之积。I1I2U1U2I1aI2aU1aU1bU2aU2bI1bI2b 参看课本P153154页例10.4题。掌握二端口网络的特性阻抗和传输常数的条件、意义及求解方法。一般情况下，二端口网络的输入阻抗并不等于信号源的内阻抗，输出阻抗也不等于负载阻抗，但为了达到某种特定的目的，让上述两对阻抗分别

20、相等，这时二端口网络的输入阻抗和输出阻抗就只与网络参数有关，这种情况称为网络实现了。匹配条件下，二端口网络的输入阻抗和输出阻抗称之为输入特性阻抗和输出特性阻抗，分别用ZC1、ZC2表示，特性阻抗与网络参数之间的关系若用A参数表示，则：22C22112C21122L2112L111CAZAAZAAZAAZAZ联立二式可得：11C12112C122C2AZAAZAZ 11212221C222211211C1AAAAZAAAAZ；若二端口网络为对称网络时，2121C2C1AAZZ特性阻抗与实验参数之间的关系为：out0outC2in0inC1ZZZZZZ；由上式可见，特性阻抗仅由二端口网络的参数决定

21、，且与外接电路无关，即特性阻抗为网络本身所固有，因之称为二端口网络的特性阻抗。在有端接的二端口网络中，若负载阻抗等于特性阻抗，我们称此时的负载为，网络工作在。由于对称二端口网络的一个端口上接匹配负载时，在另一个端口看进去的输入阻抗恰好等于该阻抗，因此又称特性阻抗为重复阻抗。11212221C222211211C1AAAAZAAAAZ；参看课本P155页例10.5。二端口网络工作在匹配状态下，对信号的传输能力用传输常数表示，上式可变换为：ln212211IUIU 式中的称为衰减常数，表示在匹配状态下信号通过二端口网络时其视在功率衰减的程度，单位是奈培Np；式中的称为相移常数，表示在匹配状态下电压

22、、电流通过二端口网络时产生的相移，单位是弧度rad；式中的(u-i)表示电流I2滞后I1的相位差角。jjIUIUIUIUiu)(21ln21 ln2122112211 在网络对称情况下：jjIIjUUiu ln ln2121 实际应用中，衰减常数一般邓常用对数的10倍，其单位采用分贝dB，即：)dB(log102211IUIU 奈培与分贝之间的换算关系为：0.1151Np1dB8.686dB1Np了解无源线性二端口网络的实际应用。相移器是一种在阻抗匹配条件下的相移网络。在规定的信号频率下，使输出信号与输入信号之间达到预先给定的相移关系。相移器通常由电抗元件构成，由于电抗元件的值是频率的函数，所

23、以一个参数值确定的相移器，只对某一特定频率产生预定的相移。另外，电抗元件在传输信号时，本身不消耗能量，所以传输过程中无衰减，即：j 0传输常数 衰减器是一种能够调整信号强弱的二端口网络。当信号通过衰减器时，衰减器可以在很宽的频率范围内进行匹配，在匹配过程中不产生相移。衰减器通常由纯电阻元件构成，其相移常数等于零，因此传输常数就等于。滤波器是一种能够对信号频率进行选择的二端口网络。滤波器广泛应用于电子技术中。滤波器可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器4种类型。滤波器主要依据L和C的频率特性进行工作的，例如电感元件有利于低频电流通过，电容元件则对高频电流呈现极小电抗，利用这种特性

24、进行组合构成不同类型的滤波器。LC带通滤波器LC带阻滤波器CLC低通滤波器LLCLC高通滤波器CL各种由LC构成的滤波器电路如下：用最方便的一种参数解决以下问题。1.当I1=3A，I2=0时，测得U1=5V，U2=2V；当I1=0，I2=2A时，测得U1=6V，U2=3V，求当I1=5A，I2=6A时，U1=?U2=？显然此题用Z参数求解最为方便，326 23 32 352112222212211111IUZIUZIUZIUZ，V33.1265.1532V33.266353522212122121111IZIZUIZIZU 把I1=5A，I2=6A代入Z参数方程可得求图示电路的Y参数和A参数，其Z参数是否存在？根据图示电路中电压、电流的参考方向，可列出传输方程：由Y参数方程求Y参数，由传输方程可得A参数：I1I2U1U2Z221IZUU0 1 1021210211202122021112222IUUIUIAZIUAIIAUUA，21 IIZUZUIZUZUZUUI21221211ZYYZYY1 121122211，此电路无法列写相应Z参数方程，因此确定该电路不存在Z参数。