電子電路與係統基礎/清華大學電子工程係核心課係列教材 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2025

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編輯推薦

為瞭解決膨脹的知識量與有限的學製之間的矛盾，提高教學效率和質量，培養拔尖型創新人纔，清華大學電子工程係進行瞭全麵的教學改革。在梳理齣電子信息科學與技術知識構架的基礎上，構建起瞭全新的課程體係。本書是清華大學電子工程係核心課係列教材之一，由清華大學副校長王希勤教授作序推薦。
本課程是首次將“電路原理”“模擬電路”“通信電路”“數字電路”及場路整閤一體的新電路原理課程。課程以電路抽象為主乾，把包括放大器、濾波器、振蕩器、數字門電路及存儲器、能量轉換電路等諸多基本單元電路掛靠在綫性電阻電路、非綫性電阻電路、一階動態電路、二階動態電路四個分支上。讀者通過本課程學習可在更高層麵上理解、分析和設計電路。
（1）將晶體管歸類於非綫性電阻，使得模擬電路、通信電路課程內容可融閤於電路原理新框架中，並增加瞭對有源、無源、穩定性等內容的討論。
（2）將器件、單元電路、係統統一為單端口或多端口網絡，以網絡參量整閤綫性電路，以非綫性的綫性化處理整閤非綫性電路，以電路抽象為主乾，以電路分析方法的展開為明綫，以基本元件、受控源、負阻、開關的應用為暗綫，將多門電路課程內容有機融閤於一體。
（3）在新框架下重新排布和解讀相關電路定律、定理和電路工作原理。

內容簡介

本課程是對原“電路原理”“模擬電路”“通信電路”和“數字電路”等課程重構形成的新電路原理課程，體係架構為一條主乾四個分支。電路抽象為主乾，包括端口或支路抽象下的電路基本定律、定理，電路方程列寫方法和電路基本分析方法，開關抽象、數字邏輯、CMOS門電路，有源、無源等。四個分支為綫性電阻電路，包括電阻分壓、電橋、衰減電路，理想變壓、迴鏇、環行器，理想受控源、負阻、負反饋放大器，噪聲、阻抗、傳輸等；非綫性電阻電路，包括二極管、晶體管，反相器、電流鏡、差分對、乘法器，CE、CB、CC組態和cascode結構，運放電路及其正負反饋應用，ADC、DAC，非綫性失真，綫性化處理方法等；一階動態電路，包括一階RC、RL濾波器時頻分析，半波整流器、張弛振蕩器，開關電容，延時、帶寬等；二階動態電路，包括二階RLC濾波器時頻分析，阻抗匹配與變換電路，高頻放大器，正弦波振蕩器，DC-AC，DC-DC，諧振、匹配等。

作者簡介

李國林，清華大學電子工程係副教授。於1993年、2002年獲得清華大學電子工程係電磁場與微波技術專業學士、碩士和博士學位。2002年入職清華大學電子工程係電路與係統研究所至今，主要從事電路與係統、電子醫療、人機交互等方麵的研究工作。2003年至今，本科生專業基礎課程“通信電路”主講教師之一，該課程於2009年、2010年分獲清華大學、北京市和國傢精品課稱號。2011年至今，教改課程本科生專業核心課“電子電路與係統基礎”課程負責人和主講教師，2014年獲清華大學第5屆“清韻燭光我*喜愛的教師”稱號。

目錄

第1章緒論1
1.1電路及其功用1
1.2電子係統構成與功能單元電路4
1.3課程內容及課程要求14
1.4習題20
第2章電阻與電源22
2.1基本電量22
2.2係統概念30
2.3端口抽象與網絡33
2.4理想電源和理想電阻41
2.5各種形式的電阻54
2.6各種形式的電源70
2.7習題78
第3章電路基本定律和基本定理85
3.1電路方程列寫的基本方法86
3.2降低方程規模的電路方程列寫方法93
3.3降低分析復雜度的等效電路法102
3.4單端口綫性網絡的等效電路109
3.5對偶關係118
3.6綫性受控源121
3.7綫性阻性二端口網絡的等效電路134
3.8二端口網絡的連接158
3.9係統傳函163
3.10網絡分類171
3.11典型綫性阻性網絡及其應用189
3.12列寫電路方程的例子218
3.13習題223
第4章非綫性電阻電路237
4.1數值法： 牛頓�怖�夫遜迭代法238
4.2分段綫性化之單端口非綫性電阻： 二極管電路246
4.3分段綫性化之二端口非綫性電阻： 反相器和電流鏡267
4.4局部綫性化之單端口非綫性電阻： 負阻放大器324
4.5局部綫性化之二端口非綫性電阻： 晶體管放大器339
4.6解析法： 差分對放大器368
4.7741運算放大器內部電路直流分析和交流分析393
4.8習題404
第5章運算放大器422
5.1電壓轉移特性麯綫的分段摺綫化模型423
5.2運放負反饋綫性應用430
5.3運放非綫性應用452
5.4習題465
第6章電路抽象475
6.1電路抽象原則475
6.2從場到路的抽象482
6.3數字抽象517
6.4習題523
第7章數字邏輯電路524
7.1組閤邏輯電路525
7.2時序邏輯電路550
7.3習題567
第8章電容和電感576
8.1電容和電感的特性577
8.2時域分析： 數值法和狀態轉移相圖597
8.3頻域分析： 嚮量法分析619
8.4習題652
第9章一階動態電路661
9.1一階動態電路的狀態方程661
9.2綫性時不變一階動態電路時頻分析662
9.3非綫性一階動態電路之分段綫性化分析716
9.4習題738
第10章二階動態電路751
10.1綫性時不變二階動態電路時域分析753
10.2二階濾波器的時頻分析780
10.3阻抗匹配與變換電路808
10.4二階非綫性動態電路之局部綫性化： 高頻放大及其穩定性分析844
10.5二階非綫性動態電路之準綫性化： 正弦波振蕩器分析856
10.6二階非綫性動態電路之分段綫性化： DC�睞C，DC�睤C電路分析905
10.7習題916
附錄A938
參考文獻1028
第1章緒論
1.1電路及其功用
1.1.1電路定義
1.1.2電路功用
1. 對電能量進行處理
2. 對電信息進行處理
1.2電子係統構成與功能單元電路
1.2.1電子信息係統構成
1.2.2完成遠距離信息傳遞的射頻通信係統例
1. 需求分析
2. 係統框架
1.2.3基本功能單元電路
1. 放大器
2. 濾波器
3. 調製器和解調器
4. 振蕩器
5. 模數轉換器和數模轉換器
6. 存儲器
7. 數字信號處理器
8. 整流器
9. 穩壓器
10. 逆變器
11. 變壓器
1.3課程內容及課程要求
1.3.1內容安排
1.3.2課程體係和目標要求
1. 體係框架
2. 目標要求
1.4習題
第2章電阻與電源
2.1基本電量
2.1.1電流
1. 帶電粒子運動形成電流
2. 電流描述
3. 電流參考方嚮
4. 直流和交流
2.1.2電動勢
1. 電動勢驅動電荷運動
2. 電源提供能量或信號
2.1.3電壓
1. 電壓是對電場能量的描述
2. 電壓參考方嚮
3. 電位與參考地
4. 電壓與電動勢
2.1.4功率
2.2係統概念
2.2.1電路係統
2.2.2係統屬性
1. 綫性與非綫性
2. 時變與時不變
3. 記憶與無記憶
2.3端口抽象與網絡
2.3.1端口
1. 端口條件
2. 單端口網絡與多端口網絡
3. 端口描述方程形式
2.3.2端口連接
1. 串聯
2. 並聯
3. 對接
2.3.3有源網絡與無源網絡
2.4理想電源和理想電阻
2.4.1理想電壓源
1. 電路符號
2. 源關聯參考方嚮與圖解法
3. 恒壓源伏安特性麯綫
2.4.2理想電流源
1. 恒流源電路符號和伏安特性麯綫
2. 時變與時不變
2.4.3理想綫性時不變電阻
1. 電阻器件與電阻元件
2. 歐姆定律
3. 功率與有效值
4. 電導
2.4.4綫性內阻電源
1. 戴維南電壓源
2. 諾頓電流源
3. 等效電路
4. 額定功率： 最大功率傳輸匹配
2.5各種形式的電阻
2.5.1短路和開路
1. 短路
2. 開路
3. 電路屬性
2.5.2開關
1. 單端口
2. 二端口
3. 基本應用
2.5.3PN結二極管
1. 伏安特性
2. 理想整流模型
3. 二極管半波整流電路圖解法分析
2.5.4N型和S型負阻二極管
1. N型負阻： 0/1狀態存儲器
2. S型負阻： 有記憶的開關
2.5.5晶體管： 二端口非綫性電阻
1. NMOSFET電路符號及其伏安特性
2. NMOSFET反相電路分析： 圖解法和解析法
3. 對解的解析： 邏輯求非與反相放大
4. 其他類型的晶體管
2.5.6等效電阻
2.6各種形式的電源
2.6.1交流發電機
2.6.2直流電池
1. 化學電池
2. 太陽能電池
3. 綫性化內阻抽象
4. 電源額定功率
2.6.3傳感器等效信號源
1. 光電二極管
2. 接收天綫
3. 信號無失真
2.6.4信號發生器
2.6.5噪聲源
1. 電阻熱噪聲
2. 信噪比
2.7習題

精彩書摘

　　第5章運算放大器
　　運算放大器(Operational Amplifier，OPA)是一種具有特殊性質的電壓放大器。我們可以通過恰當地選擇OPA的外圍連接器件，構造齣各種各樣的運算單元，包括放大器、振蕩器、觸發器、比較器、加法/減法器、積分/微分器、對數/指數運算等，其運放名稱亦源於此，它是模擬集成電路應用最廣泛的單元電路。運算放大器在1947年被命名，1968年仙童公司推齣μA741，通過添加一個30pF補償電容替代外部補償，使得它穩定可靠而成為之後運算放大器設計的一個參照標準。
　　運算放大器的特殊性體現在該電壓放大器具有足夠高的電壓增益(如741運放，電壓增益典型值為20萬倍)，足夠高的輸入電阻(2MΩ)和足夠小的輸齣電阻(75Ω)，尤其是高電壓增益，使得它在負反饋綫性應用中，具有足夠高的環路增益，很容易形成深度負反饋，故而整個電路的放大性能幾乎完全由負反饋電阻網絡決定： 當負反饋電阻網絡和運放為串串連接關係時，總網絡呈現齣接近理想的壓控流源特性，相應地，並並連接關係形成接近理想的流控壓源特性，串並連接關係形成接近理想的壓控壓源特性，並串連接關係形成接近理想的流控流源特性。正是負反饋連接的運放具有接近理想受控源特性，從而運放的諸多負反饋結構以強大的運算能力和級聯驅動能力麵目呈現。
　　固然可以采用二端口網絡在不同連接關係下對應網絡參量相加這一規範方法對負反饋進行分析，但是考慮到運放具有的極高電壓增益導緻的極深負反饋，故而隻要確保運放工作在綫性區，運放的負反饋應用分析就可以進一步抽象齣更加簡單的黃金分析法則： “虛短”和“虛斷”。虛短源於將運放電壓高增益極緻化為無窮大，故而輸入差分電壓為零，同相輸入端和反相輸入端電壓相等猶如短接； 虛斷則源於將大的輸入電阻極緻化為無窮大，故而兩個輸入端電流為零，猶如斷路； 同時將小輸齣電阻極緻化為零電阻，那麼運放負反饋綫性應用分析時不必過多顧忌外接負載大小，因為零輸齣電阻的電壓源具有無限驅動能力。正是這三個極緻化抽象，使得運放負反饋綫性分析變得極度簡化。虛短、虛斷是運放電路抽象精髓的體現，同學應把握這種極緻化抽象實現的簡化分析，但牢記黃金法則應用的限定性條件是確保運放工作於綫性區。
　　除瞭綫性器件負反饋網絡使得運放負反饋應用閉環係統整體呈現綫性網絡特性之外，運放還有很多非綫性應用，包括非綫性負反饋應用、開環應用和正反饋應用，這些電路從整體外端口看都呈現齣強烈的非綫性特性。
　　本章首先由運放的外端口電壓轉移特性麯綫的分段摺綫化電路模型入手，之後重點考察工作在綫性區運放的負反饋綫性應用，多采用虛短、虛斷進行簡化分析，最後討論運放的非綫性應用。
　　5.1電壓轉移特性麯綫的分段摺綫化模型
　　5.1.1運放二端口網絡封裝與外端口特性
　　第4章4.7節對741運算放大器的內部電路工作進行瞭簡要說明： 圖4.7.1給齣瞭741運放內部的晶體管連接關係，圖4.7.5(a)給齣瞭運放的三級放大級聯結構的各級等效電路，圖4.7.5(b)給齣瞭運放的外端口等效電路，這兩個等效電路都是綫性化電路模型，它們的有源性來自直流偏置電壓源的供能(見3.6.3節)。
　　下麵考察實際運放的外端口特性，這個外端口特性包含瞭直流偏置電壓源的供能，如圖5.1.1所示。741運放有7個對外端點，其中vip是同相輸入(noninverting input)端點，vin是反相輸入(inverting input)端點，vo是輸齣端點。圖4.7.1中的R1、R2兩個電阻的兩個上端點連齣芯片外部，這兩個外端點可以連接一個電位器，調節電位器則相當於調節R1、R2兩個電阻的阻值，使得運放輸入級等效電橋平衡，確保當輸入vid=vip-vin=0時，vo=0，即調零電路使得運放二端口網絡戴維南等效中輸入端口的等效獨立源被外加補償置零，因而這兩個端點被稱為調零端，實現失調調零(offset null)。所謂失調(offset)，就是vid=0時，vo≠0，它是由運放內部電路差分輸入級兩條支路晶體管電路的不平衡導緻的，見4.6.2節分析。調零電路則是通過外在不對稱抵償或平衡內部不對稱。
　　……

前言/序言

　　電路作為信息係統的物理層支撐滲透到瞭人類生活的方方麵麵，電路知識成為理工科大學生的基本素養。由於其極為重要的曆史地位，在發展過程中形成瞭多門在電子信息類專業課程中占據很大比重的電路課程。但是隨著計算機技術、通信技術和網絡技術的發展，電子信息類專業學生需要掌握的各類知識和技能呈現高速擴張態勢，尤其是頂層的信號處理和數據挖掘需求旺盛，但是學生仍然不得不花費大量的課時修全電路相關課程以掌握作為基本素養的底層電路知識，這顯然不適宜於當前高校電子信息類專業的全麵均衡發展，因而有必要對現有的多門電路課程重新構架，形成一門全新的電路原理課程，在有限的課時內全麵把握電路的核心精髓。
　　除瞭電路課程外，整個電子信息類專業本科教學的各門課程也存在著各種各樣的原因期望課程內容的改革變動，但本科課程之間的高度關聯導緻牽一發而動全身，各科教師有心對課程內容進行整閤卻不敢有太大的動作。清華大學電子工程係關注到這個問題的存在，於2007年啓動瞭本科生課程教學改革，在王希勤、黃翊東兩位主任的直接領導下，在各方反復調研的基礎上，於2009年整理齣瞭電子信息科學知識圖七層結構，並基於七層結構構建瞭一個新的本科課程體係，包括10門必修的核心課程、24門限選的專業限選課程、36門自由選修的專業選修課程和40門各類實驗課程，除瞭10門核心課外，其他專業課仍在緩慢持續擴張中。電路位於電子信息科學知識圖七層結構的第二層，基於該層的電路核心課最終被定名為“電子電路與係統基礎”（簡稱“電路基礎”），用於取代原課程體係中的多門必修電路課程，包括“電路原理”“模擬電路”“通信電路”，以及“數字電路”中的晶體管門級電路部分，是10門核心課中改革力度最大的一門課程。“數字電路”中的邏輯級部分和“微機原理”被閤並為核心課“數字邏輯與處理器基礎”。在新課程體係中，“電路原理”課程被“電路基礎”核心課完全取代，而其他4門和電路直接相關的課程則分彆更名進化為“模擬電路原理”“通信電路原理”“數字係統設計”和“現代計算機體係架構”，作為專業限選課供對電路專業感興趣的學生選修，以使學生更加深入地掌握電路與係統相關專業知識。
　　集成電路設計是當前電路設計的頂層核心需求，大學應該培養在掌握電路核心知識基礎上具有較高電路素養的集成電路設計專業人纔。由於集成電路設計和製作有一個相對較高的門檻，因而最終進入電路專業深造的學生將是一個小的群體，故而改革啓動時我們就已經預期新課程體係建成後，電路類相關專業限選課較原體係作為必修課時其選修人數將會大幅縮水，教改推進數年來的教學實踐也確認瞭電路限選課課堂規模大體僅是原規模的十五分之一。因而在建設“電路基礎”核心課時，我考慮的主要問題是如何打破原“電路原理”“模擬電路”“通信電路”和“數字電路”課程各自相對獨立的知識體係框架，進而構建齣一個新的體係架構將這些課程中的核心電路知識融為一體，通過這一門所有電子係本科學生必修的電路核心課程的學習，使得電子係本科生具有電路的最基本素養： ①電路基本定律和基本定理的掌握； ②電路抽象工程思維方式的培育； ③基本電路器件、基本單元電路工作原理的把握； ④電路相關基本概念的建立。
　　2010年7月我全麵接手負責“電路基礎”課程的改革。首先確認這門課需要分設在兩學期授課，原因是相關概念較多，在一學期授課信息量過大，學生將無法接受，課程教學容易變成夾生飯。其次就是如何劃分兩學期的課程內容。我通篇翻閱瞭大量的現有的相關課程教材，基於我近8年“通信電路”授課經驗和多年來電路設計經驗所建立的對電路的基本認識，將兩學期的課程劃分為可用代數方程描述的電阻電路（大一下春季學期）和需用微分方程描述的動態電路（大二上鞦季學期）兩部分。在規劃具體授課內容時，考慮到先簡單後復雜的推進次序，進而把內容規劃為綫性電阻電路、非綫性電阻電路、綫性動態電路和非綫性動態電路4部分。在2011年開始的27人小班試講中，我大體按照這個設想，將多門電路課程內容全部打散後重新整閤串講。係裏同時配備攝像師全程錄像，並將錄像錄音資料交給上課學生，轉為文字資料交給我，便於新課程講義整理工作的開展。由於課程安排在大一下和大二上，“信號與係統”課程安排在大二下，但“模擬電路”“通信電路”課程的部分內容又需要“信號與係統”的相關知識支撐，因而實際授課時，還補充瞭部分“信號與係統”課程相關內容，同時還有少量器件、電磁場相關基礎知識，因而小班試講課程內容量十分龐大。在此之前我隻講過“通信電路”課程，事實上我也是藉著這個機會，希望能夠將所有電路相關課程全部串講一遍，以充分理解它們之間到底是如何關聯的。第一年小班試講時，理論課和實驗課全部由我負責，我直接占用瞭實驗課時用於授課，實驗另行安排其他時間做，又應同學要求開設瞭習題課，通過各種手段爭取瞭足夠多的授課時間，使得我能夠將我設想的所有關聯課程內容全部過瞭一遍。這次全麵串講對我全麵把握各門電路課程之間的關聯起到瞭至關重要的作用，因而這裏首先感謝陪伴我這一年的無01班全體同學、助教宋紅艷同學和攝像師龔穎。
　　電子係課改整體規劃要求2011級學生全麵進入新課程體係，因而2012年“電路基礎”課程對2011級大一學生實施大班推廣，我把前一年的錄音文字資料按課件順序逐頁整理作為第一版講義發給同學，由於時間緊張等原因，課程仍然按照前一年的進度授課，學生和教師壓力都較大。在2012年暑期進行的電路課程改革例行研討會上，為瞭迴復各位老師對我將晶體管歸類為電阻、課程按電阻電路和動態電路劃分等認識及實際操作方麵的疑慮，我提供瞭一張圖，這張圖是我對多門課程內容之間關聯的理解，即多門電路課程內容可大體劃分為基本元件和單元電路兩個大層次，在這兩個大層次之間，多門課程內容的關聯集中在電阻電路部分的“受控源”“負阻（正反饋、雙穩）”“開關”等幾個衍生元件上，充分理解這些衍生元件有助於實現各門電路課程內容的全麵融閤。除瞭我自己基本厘清各門課程內部關聯之外，給我足夠信心支撐的另外一個外援是2012年國慶節期間我在學校圖書館翻看到蔡少棠先生的linear and nonlinear circuits一書，他的電阻電路加動態電路的整體結構完全契閤我對電路的整體認識。這本教材是1987年齣版的，其前言錶明該教材是為大三學生準備的電路入門之後的後續課程，然而之前我從來就沒有關注過這本教材，它也從未流行過。我分析瞭造成這本教材被埋沒的可能原因，我個人認為這本教材過於注重非綫性但其列舉的非綫性卻是人為構造而實際器件的非綫性討論太少，過於注重電路的數學理論及計算機仿真應用下的電路拓撲分析，使得這本教材的受

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書很不錯，快遞師傅很給力！……

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清華大學電子係核心課的教材，內容很豐富，信息量很大

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