电子电路与系统基础_李国林_9787302468752

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。

前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，使得这本教材的受众是小众而非大众，换句话说它不太实用。由于这本教材的整体结构完全契合我对电路的基本认识，因而在国庆节放假期间研读这本教材时，我之前积累的对电路的认识一下就落实了下来，新课程内容的一个主干四个分支的基本架构至此完全成形，我之后的工作重点考虑的将是在安排新课程具体内容时应避免该教材存在的问题，使得同学能够接受新体系框架和对电路核心内容的重新安排。2012年秋季大班授课期间，我与高文焕老师、刘润生老师、魏琦博士等交流了我对新课程体系的规划以及我已着手编写的按新体系框架展开的第二版讲义内容。2013年第二版讲义按新体系框架全面展开。新体系中，晶体管被归类于二端口非线性电阻，这打开了将模拟电路、通信电路课程内容全面融入电路原理框架的大门。新框架中，器件、单元电路、系统被统一为单端口或多端口网络，电路定律、定理和电路工作原理分析被重新排布和解读，打破了原课程体系对低频/高频、模拟/数字、线性/非线性的人为隔离。（1）一条主干四个分支的架构。以电路抽象为主干，以线性电阻电路、非线性电阻电路、一阶动态电路、二阶动态电路为四个分支。电路抽象主干包括四个基本元件（欧姆定律）、基本电路定律（基尔霍夫定律）、基本电路定理（戴维南定理、叠加定理、替代定理等）和基本分析方法。线性电阻电路是由线性代数方程描述的电路，要求把握的是线性传递关系、输入电阻、输出电阻、功率传输等概念，典型单元电路如分压器、分流器、电阻衰减器、理想变压器、理想回旋器等，其数学分析简而言之就是实矩阵分析，其简化分析多用叠加定理和戴维南定理。非线性电阻电路是由非线性代数方程描述的电路，要求把握的是有源性来源、能量转换、放大、反馈等概念，典型单元电路如二极管整流电路、稳压电路、晶体管放大电路等，多采用线性化分析方法以简化对非线性的分析，包括分段线性化和局部线性化。一阶动态电路是只包含一个动态元件如一个电容或一个电感的电路，要求把握的是电容充放电、电感充放磁、能量转储过程中的电荷守恒、能量守恒以及相应的延时、相移、滤波、微分、积分、电荷转移等特性，典型单元电路有积分器、一阶滤波器、开关电容电路、张弛振荡器等；二阶动态电路是包括两个独立动态元件的电路，要求把握的是谐振、滤波、阻抗变换、振荡、稳定性等概念，典型单元电路有晶体管高频小信号放大器、正弦波振荡器、DCDC转换电路等。这里，众多的单元电路，包括整流器、逆变器、稳压器、放大器、滤波器、振荡器、AD/DA转换器、存储器等，均自然挂在四个分支上。（2）各个分支内容的展开以电路分析方法为明线脉络，以基本元件、受控源、负阻、开关为暗线关节，用网络参量整合线性电路，用非线性的线性化处理方法整合非线性电路，实现了电路课程内容的全面融合。线性电阻电路因其最为简单而作为推出电路基本定律、基本定理的例子，两者同时展开，将各种电路方程列写方法和电路基本定理（尤其是戴维南定理）视为降低分析复杂度的基本方法，并将戴维南定理以网络参量形式推广到对多端口线性网络的表征。非线性电阻电路则以非线性的线性化方法为主线，用分段折线法考察二极管相关电路和晶体管反相器、电流镜电路，用局部线性化方法考察放大器电路。引入负反馈提高系统性能，如稳定直流工作点、稳定放大增益、实现接近理想的受控源等；引入正反馈实现负阻器件、滞回特性或记忆功能。一阶动态电路则以一阶线性时不变RC电路为核心展开，通过对一阶常系数微分方程的解析考察充放电、充放磁导致的延时特性，进而考察一阶滤波器的滤波、移相特性，对一阶非线性电路则采用分段折线法分析，以分段线性电阻对电容的充放电考察整流电路、张弛振荡电路等。一阶电路要求熟练应用三要素法。二阶动态电路以二阶线性时不变RLC谐振电路为核心，通过对二阶常系数微分方程的解析考察谐振和阻尼特性，进而考察二阶滤波器的时频对应关系和LC电路实现的阻抗变换功能；对二阶非线性动态电路，用局部线性化方法分析高频小信号放大器高频功率增益及其稳定性，用准线性化方法分析正弦波振荡器振荡条件，用分段线性化方法考察DCAC和DCDC电路的能量转换机制。二阶电路要求在时域熟练应用五要素法，在频域熟练应用向量法。（3）新电路基础课程和原电路原理课程对比，并重线性和非线性，单端口和二端口，无源RLC电路和有源晶体管电路。同时将组合逻辑电路对应电阻电路，时序逻辑电路对应动态电路，以开关、双稳（负阻）为纽带，实现模拟电路和数字电路的自然过渡。课程内容中同时适当引入数值法，如非线性代数方程求解的牛顿拉夫逊迭代法，微分方程求解的欧拉法，便于和现代计算机数值计算相结合，同时通过数值法讨论引入微分电阻、状态转移等概念，以便于后续内容的进一步展开。课程内容适当引入系统级概念，如线性与非线性，噪声与失真，正负反馈等，便于和实际应用背景相结合。除了功能实现外，电路性能方面也略有涉及。（4）为了有效融合相关课程内容于一体并有所阐发，有一些概念需要重点考察甚至全新定义，有一些电路则需要重新解读。例如，为了解决将晶体管归类为电阻后晶体管电路是无源网络还是有源网络的疑问，本书对有源和无源进行了特别阐述；晶体管归类为电阻后，用电桥观点解读差分放大器以阐述其差模放大共模抑制就是一种自然而然的选择。用网络参量描述放大器，考察负反馈放大器时则需引入单向网络和双向网络的概念，以及双向网络被视为单向网络的单向化条件；这些新概念顺理成章地被用来解释晶体管CB组态电流缓冲应用、CC组态电压缓冲应用模型的适用性条件。进而在明确只有双向网络才能用于实现阻抗变换后，特征阻抗的定义使得对纯电抗网络的匹配设计有了一个基本抓手，如教材根据对特征阻抗的分析首次给出了双谐振匹配网络的设计公式等。在新体系中，电路基本定律和基本定理以复杂问题简单化为线索而重新排布和重新解读，重点理解和把握的是针对线性网络简化分析的戴维南定理和诺顿定理，并将网络参量解读为多端口网络的戴维南等效或诺顿等效内阻或内导，从而实现了多端口线性网络和单端口线性网络的统一表述。戴维南诺顿等效不仅被从单端口推广到多端口，更进一步还从电阻网络推广到对动态元件的时域表述中，如电容初始电压和电感初始电流的戴维南源或诺顿源等效，使得存在多电容连接的纯容网络或多电感连接的纯感网络参与的电路网络的时域分析变得简明扼要；而纯容、纯感网络连通时产生的冲激电流和冲激电压则被解读为能量的瞬间释放，从而解释了此类电路分析中能量丢失的问题，这些解读简化了相关电路的时域分析。新体系中负阻是重要的核心器件之一，在解读正反馈、状态存储、张弛振荡、正弦振荡、放大器稳定性时，诸多电路概念均被统一关联在一个负阻视角下。上面所举例子并非本书中新解读的全部，读者尤其是有多年授课经验的老师在阅读本书时，会发现很多诸如此类与其他传统教材不一样的说法或传统教材中完全没有的说法，这些新说法基本上都是在新体系框架下对电路重新解读或统一认识的表述。教材中还有一些内容当属首次发表，如五要素法、双谐振回路设计公式、BJT混合模型的双共轭匹配与稳定性分析等。由于新体系是站在一个统一的视角下对诸多电路进行分析，使学生对电路概念的把握站到了更高的层次上。新体系内容排布脉络层次比较清晰，虽然学生评教普遍对课程内容多、教学进度快有所抱怨，但学生在本课程学习结束后获得的不仅是统一视角下的电路知识，更重要的是一种工程思维方法的建立，在数学和物理之间自在转换的喜悦。2013年新体系推出至今，本课程的教学工作已经连续4年学生评教高居全校Top 5%，我本人也于2014年被学生推评并获得清华大学第5届清韵烛光我最喜爱的教师称号。新体系成形后，又经过3年的教学积淀，2016年出版的第三版讲义修订了2013版讲义中的未说清、漏写、错写的内容，同时以历年考题为基础，对课后练习和习题进行了增补。本书是对2016版讲义的订正，在同学的帮助下修改了其中近百处笔误性质的错误，但仍然不可避免地存在着不易觉察的各类错误。本书内容七成是对2011年小班试讲录音材料的重新组织，因而行文中保留了课堂授课的口语化痕迹，有些课堂教学中的重复在行文中则略显啰唆。由于本书属于电路原理类课程，因而电路符号采用最直观的符号体系，如MOSFET晶体管符号和BJT晶体管符号类同是由于它们之间具有某种可替代性，数字门电路符号舍弃了不够直观的方块符号，本书采用的这些符号可能并不符合国标，但我更看重的是它们的直观性和易把握性，这对基础教学尤为重要。读者在阅读和采用本书时，如果发现其他谬误之处，请直接发Email给我（guolinli@tsinghua.edu.cn），对于明显错误的地方会立即在再版中予以修正，有争议的地方我会仔细考虑予以修订。科学技术的发展推动学校课程教学内容的修订，电路类课程的合并统一将是未来理工科学校电路教学的一个大趋势，清华大学电子工程系提前了20年做这项工作，我有幸被选中负责这项工作。本书是清华大学电子工程系本科教学改革10年启动6年落实的成果之一，在这里分享给各位同仁。教材难免有比较强烈的个人风格，因我出身微波专业，虽然课程规划时根本就没有考虑过把微波电路整合进来，但微波电路课程对电路的处理仍然深刻地影响到我的选择，如我选择用网络参量整合线性电路，并将传输线的特征阻抗定义推广到一般二端口网络，二端口网络传递函数定义本质上是对散射参量S21参量的电压电流重新表述，在环行器讨论中略微点出只有微波电路才讨论的反射概念等，一定程度上导致本课程的数学分析味道稍重。由于顾忌推进太急导致学生和其他院校学生的共同电路语言差异过大而不敢过度压缩课程内容，同时因为学识有限也不能完全保证本书中对电路的重新解读完全准确，本人对书中的错误负全责。目前的教材并非电路课程教改的最终版本，正式出版本书是希望能够抛砖引玉，吸引更多的老师参与到教学改革进程中，本书作为一个标靶和蓝本供各位同仁指正其中的错误和不妥当之处，包括体例格式、内容安排、电路解读和基本定义等。多年讲授电路相关课程的老师都有自己对电路的理解和独特解读，受限于各种环境因素而不能完全展示，本书的推出则期望能够激发相关老师和学校的热情，以启动或加快各院校电路类课程改革的进程。一花独放不是春，百花齐放春满园，我期望不久的将来能够看到各位老师推出更为适当的新电路原理教材，使得理工科学生对电路知识的全面掌握变得更加容易和富有乐趣。本书共分10章，前5章以电阻电路为主，后5章以动态电路为主。由于清华大学电子工程系为本课程只分配了64课时，因而本书中公式推导较多的内容在实际教学中被略去不讲。对于采用本书进行教学的学校，我的建议是为本课程分配128课时，至少96课时，公式多的内容可以不讲，有些内容只需把概念或最终结论说清楚即可，有能力的同学自修相关推导，以缓解目前课程内容多、进度快对学生的压力。第7章时序逻辑电路内容可以调整到第9章一阶动态电路和第10章二阶动态电路之间讲授，或者只选取其中的基本锁存结构以双稳器件或N型负阻形态简单描述其存储或记忆功能即可。课程改革牵扯诸多，很多学校的老师有心无力，清华大学电子工程系在王希勤和黄翊东两位主任的强力推动下实现了课改，他们承担了课程内容改革之外的压力，是课程改革最强大的后盾，各科负责人只需关注内容上的修订，这里对系领导表示特别的感谢。清华大学电子工程系电路类课程改革不是我一个人可以完成的，先期负责人李冬梅老师主持了多次研讨会，定下了电路原理和模拟电路两门课程内容需要合并的主基调。在她升任系教务主任后，由于学生工作繁重，改由我主导课改工作，在课程内容安排等问题上她和我有深入的探讨。电路所出身的高文焕、刘润生、董在望、郑君里等老教师十分关注课改并在各次教改研讨会上积极建言，他们有着丰富的教学经验和对教学内容的真知灼见，对课程改革提出的宝贵意见使得本课程教学内容的变动不至于严重偏离预定轨道。2011级小班试讲前，以高文焕老师为总顾问，武元祯、陈雅琴老师为顾问，李国林、陈雅琴、李冬梅、雷有华、罗嵘、皇甫丽英、刘小艳、徐淑正老师指导王飞、罗华、马自强、张超、方洋、杨迎翔、吴雪、彭亚锐同学开发了9个实验用于小班实验教学，这项工作得到了教学实验室主任邓北星和马晓红老师的全力配合和支持。2011年小班试讲时，刘小艳老师配合我全面修订了实验教学内容并带班实验，大班推广后张尊侨老师、金平老师参与并再次全面修订了实验教学内容，在三位老师的主导下，本课程的实验教学工作得以顺利进展，目前本课程的实验教学工作主要由刘小艳、金平、孙忆楠老师负责。闻和老师参与了2013年的教学工作，分担了部分教学压力。在前两年的课改教学中，闻和老师、魏琦博士和刘力源博士还参与了部分习题课的讲解。课改期间电路所历任所长杨华中、汪玉、刘勇攀老师对课改均大力支持，电路所各位老师在多次电路课程改革研讨会上对课改给出了很多好的建议，更为重要的是清华大学电子系有全国最优秀的接受能力极强的学生，这一切良好的环境才使得教学改革得以顺利推进。在此对所有参与和支持这次教学改革的老师和同学表示最衷心的感谢。在课改期间，清华大学出版社多次举办全国性的研讨会宣传推动清华大学电子系的教学改革工作，这里对责任编辑文怡的相关工作和在教材方面的审订工作表示感谢。最后感谢家人对我工作的全力支持。李国林2017年7月

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