二端口网络

二端口网络应该说是电路网络的一个基本模型吧

本质上可以看作利用矩阵转移伏安特性

以下假设为线性(话说电路的非线性特性其实应该也挺好玩的)


首先先来看一个二端网络(或者叫单端口网络?),由戴维南(诺顿)定理我们知道,它可以等效为电压源串联(电流源并联)电阻,反映在伏安特性上就是一条直线,由此我们把伏安特性看作限制,只需再知道电压或电流中任一个即可完备,这就是图像法交点的含义

那么在此基础上,我们从线性代数的角度看这个问题。单端口网络其实就是一个自由度为1的$[U,I]$(注意直线的限制使其自由度为1)

那么在电路里我们知道什么向量呢?这其实就像是数学里的初值条件了(或者物理里的边值条件),具体而言自然就是两种:

1、电压源$[U,?]$,特别地对于短路(或者看作输出端的理想电流表两端!)即为$[0,?]$

2、电流源$[?,I]$​,特别地对于断路(或者看作输出端的理想电压表两端!)即为$[?,0]$

欸?每个都有个不确定的量?没错,这其实就是一堆方程组嘛,那么求解其实就是把输入输出结合在一起找个方程的解,在伏安特性上找个交点就完事了(用几个简单的特例理解一下)

(换句话说后端同样影响前端,定性分析电路时需注意)

由此二端口网络显然就是一个可以转移向量的矩阵啦

(二端口网络并非只在晶体管,MOS管这种奇怪的元器件建模时有用,比如一个全是阻抗的二端口网络用参数也可以等效,更关键的是转化为矩阵可以方便程序处理)

另外注意二端口网络有一个潜在要求:输入、输出端口电流必须各自相等,这在一般比较好看的电路图下(逻辑就是简单从左到右之类的)容易满足,毕竟高斯面一下就好,但在比较诡异的电路(比如包括了二端口网络的级联)中需注意


下面就是Z,Y,H,T参数

就是四个参数(二端口网络两端的两个单端口网络,每个网络都有两个参数U,I,共四个)已知两个求另两个嘛

具体的矩阵形式我就不展开了,在教科书上都能找到,自己动手整理一张表格就好了

在大多数一般情况里(矩阵行列式非0),这四个参数是可以互相转化的

面对一个具体的电路想去简化而求参数,这就要看电路分析的功力了

而对于MOS,BJT这种建模用的参数网络,想要用好其实就是想明白每个参数对应等效电路的特性(比如对晶体管,H和T有时是真的影响分析的复杂程度的)

直接Z,Y,H,T参数的话感觉比较友好,两个受控源简单暴力。。。并且包括反馈也是一目了然

至于T型和pi型的分别是由Z,Y参数的方程转化成具有网孔电流、节点电压意义后得到的

然而。。。对于我这种不想记一堆东西(包括参数,以及它到底是怎么凑的),宁愿现推的人来说肯定是不想背的,那么我们干脆从电路直接入手凑出来吧

以下等效我最早是在《微电子电路》1中看到,看到的第一眼有点惊艳,原书是MOS的等效电路转化,再仔细一看就觉得这就是Y参数到pi形的转化。以下是等效过程(一个简单的注释在图片下方):

Y_pi(1)

Y_pi(2)

好吧。。。我没加注释。。。简单来说

第一步做“无用功”(其实是为后边的耦合做了缓冲)

第二步两边耦合并且由于第一步的缓冲使得耦合的那两条导线上其实是没有电流的,做到完全等效

第三步将受控源转导纳

第五步有一点凑出来,但毕竟是因为上边的那受控源两边电压是(U_2-U_1)


什么?你问我这样推有什么好处?不觉得这样直接在电路图上推好玩又好记嘛(好玩即正义),反正我这么认真推一边以后已经可以在脑海里推下来了

至于密勒定理其实是参数的等效的特例,上边的Y转pi是将两边耦合,逆过去就是分离了

另外值得一提的是,由于在电路图中电压源经常采用节点电压的表示方法,二端口网络的一系列参数也就经常转化到某一节点上而省略与地端的连接,上文提到的潜在要求也自动满足,端口与端口之间的转移也就变为点对点的转移(p2p)了

  1. Adel S. Sedra, Kenneth C.Smith. 微电子电路[M]. 蒋乐天, 应忍冬等, 译. 5版. 北京: 电子工业出版社, 2006: 254-255 

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