电路分析第14讲：动态电路的响应
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电路理论第十四章 动态电路的复频域分析与网络函数
M
di1 (t ) dt
1
i1 +
M
i2 + 2
u1 L1 L2 u2
+ UL(s) -
+ I1(s)
I2(s) +
sL1 -
sL-2
L1i1(0 )
U1(s)
+ +
sMI2
(s) --
L+2i2 +
(0 ) U2
(s)
s-MI1(s)
-
-
- 2'
Mi2(0 ) -+
+Mi1
(0 ) -
U1(s) sL1I1(s) L1i1(0 ) sMI2 (s) Mi2 (0 )
即有：
1,
2,1
4
f (t) 2 k1 et cos(t 1) (t) 2 0.5
即 f (t) 2et cos(2t ) (t)
2 et cos(2t ) (t)
4
4
3. D(s) 0 具有重根。
设D(s)中含有因式(s p1)3 ，其余为单根，F(s) 可分解为：
F (s)
则有：F (s)
s2
s3 2s 5
s
k1 (1
j2)
k2 s (1
j2)
即 N(s)
s3
k1
[ D(s) ]s p1
[ 2s
2 ]s1 j 2
0.5
j0.5
0.5
j
2e 4
N (s)
s3
j
k2 [ D(s) ]s p2 [ 2s 2]s1 j2 0.5 j0.5 0.5 2e 4
2.零极点的分布与频率响应。
动态电路分析
兼容性与可扩展性
未来的动态电路将更加注重兼容性与 可扩展性，以适应不同系统和应用的 需求。
感谢您的观看
THANKS
实现方式
采用高级编程语言（如Python、C）或电路设计自动化 软件（如MATLAB、Simulink）进行实现。
优化设计实例分析
实例一
某数字信号处理电路的优化 设计，通过遗传算法对电路 结构进行优化，实现了功耗
降低20%的效果。
实例二
某无线通信收发机的优化设 计，采用模拟退火算法对电 路参数进行优化，提高了信
时域分析法的缺点
计算量大，特别是对于复杂电路，需要求解微分方程， 计算效率较低。
频域分析法
频域分析法的优点
可以方便地处理正弦信号和周期信号，计算量相对较小，特别适合于求解线性时不变电路。
频域分析法的缺点
对于非线性或时变电路，频域分析法可能不适用。
复频域分析法（拉普拉斯变换和傅里叶变换）
要点一
复频域分析法的优点
采用负反馈
通过在系统中引入负反馈，增强系统的稳定性。
05
动态电路的优化设计
优化目标与约束条件
优化目标
在满足一定性能指标的前提下，降低电路的 功耗、体积和成本等。
约束条件
电路的功能、可靠性、稳定性、时序等要求， 以及工艺、材料、封装等限制。
优化算法与实现
优化算法
遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等。
动态电路分析的历史与发展
历史
动态电路分析起源于20世纪初，随着电子技术的快速发展，其分析方法和工具不断演 进。
发展
近年来，随着计算机技术和数值计算方法的进步，动态电路分析在理论和实践方面取得 了重要突破。现代动态电路分析方法更加精确、高效，为复杂电子系统的设计和优化提
未来的动态电路将更加注重兼容性与 可扩展性，以适应不同系统和应用的 需求。
感谢您的观看
THANKS
实现方式
采用高级编程语言（如Python、C）或电路设计自动化 软件（如MATLAB、Simulink）进行实现。
优化设计实例分析
实例一
某数字信号处理电路的优化 设计，通过遗传算法对电路 结构进行优化，实现了功耗
降低20%的效果。
实例二
某无线通信收发机的优化设 计，采用模拟退火算法对电 路参数进行优化，提高了信
时域分析法的缺点
计算量大，特别是对于复杂电路，需要求解微分方程， 计算效率较低。
频域分析法
频域分析法的优点
可以方便地处理正弦信号和周期信号，计算量相对较小，特别适合于求解线性时不变电路。
频域分析法的缺点
对于非线性或时变电路，频域分析法可能不适用。
复频域分析法（拉普拉斯变换和傅里叶变换）
要点一
复频域分析法的优点
采用负反馈
通过在系统中引入负反馈，增强系统的稳定性。
05
动态电路的优化设计
优化目标与约束条件
优化目标
在满足一定性能指标的前提下，降低电路的 功耗、体积和成本等。
约束条件
电路的功能、可靠性、稳定性、时序等要求， 以及工艺、材料、封装等限制。
优化算法与实现
优化算法
遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等。
动态电路分析的历史与发展
历史
动态电路分析起源于20世纪初，随着电子技术的快速发展，其分析方法和工具不断演 进。
发展
近年来，随着计算机技术和数值计算方法的进步，动态电路分析在理论和实践方面取得 了重要突破。现代动态电路分析方法更加精确、高效，为复杂电子系统的设计和优化提
第14章线性动态电路的复频域分析
18
(3) 电容C
时域形式：u(t)
=
1 C
t
i(t) dt + u(0-)
0-
取拉氏变换并应用线性和积分性质
得运算形式：U(s)
=
1
sC
I(s)
+
u(0-)
s
或者写为： I(s) = sCU(s) - Cu(0-)
1/sC称为C的运算阻抗。 I(s)
sC为C的运算导纳。 + 1
u(0-)为C的初始电压。 U(s)
0-
0-
(3)指数函数 f(t) = eat (a为实数)
ℒ [d(t)]=1
F(s) =
∞
eat e-st dt =
0-
∞
e-(s-a)t dt =
0-
1 -(s-a)
e-
(s-a)t
∞ 0-
ℒ [eat]=
1 s-a
2024年1月27日星期六
6
§14-3 拉氏反变换的部分分式展开
用拉氏变换求解线性电路的时域响应时，需要把 求得的响应的拉氏变换式反变换为时间函数。由 象函数求原函数的方法有
得运算形式：U(s) = sLI(s)-Li(0-)
或者写为：
I(s)
=
1
sL
U(s)
+
i(0-)
s
sL称为L的运算阻抗
I(s)
1/sL称为运算导纳 +
I(s)
i(0-) 为L的初始电流 U(s) 由上式得电感L的
运算电路如图。
-
sL
+
- U(s)
Li(0-) +
-
1
sL i(0-)
第十四章 线性动态电路的复频域分析 电路第五版 邱广源.
R、L、C等元件 电源 uS(t)、iS(t)
U(S)=SLI(S)–Li(0-) 1 U(S)= I(S)+ u(0-) SC S 运算阻抗(或导纳)和附加电源 US(S)、IS(S) 运算电路
(频域电路)
£
时域电路
14-5 应用拉普拉斯变换法分析线性电路
一、KCL与KVL的运算形式
1、KCL Ik(S)=0 i1 i3
i2
I1(S) I3(S) I2(S)
– I1(S) +I2(S) –I3(S) =0
2、KVL Uk(S)=0
电路元件模型的回顾 时域 相量法
= RI U
I
u(t)=Ri(t)
R + L
i(t) R u(t) -
S=pi
设n>m m m–1 N(S) bmS + bm–1S + • • • + b1S + b0 F (S)= = D(S) anSn + an–1Sn–1 + • • • + a1S + a0 令D(s)=anSn + an–1Sn–1 + … + a1S + a0=0可得根为 p1, p2,…, pn （1） D(S)有n个实数单根 K2 Ki Kn K1 • • • • • • F(S)= S –p + S –p + + S –p + S –p + 2 i n 1 f(t)=
K2=K1*
令 K1= K1 ej 则 K2= K1 e–j f(t)= K1 eje(+j)t + K1 e–je(–j)t + • • •
= K1 et [ej(t + ) + e–j(t + ) ] + • • • =2 K1 et cos(t+ ) + • • • 注意K1是虚部为正的极点对应的那个常数
动态电路的分析与计算
动态电路的分析与计算动态电路分析与计算是电路理论与实践中重要的一部分。
动态电路是指在电路中存在能量存储元件（如电容器和电感器）的电路。
在动态电路中，电压和电流不仅取决于电路元件的阻抗和阻抗值（静态电路）的关系，还取决于时间的变化。
因此，动态电路的分析和计算需要考虑到电路中电压和电流随时间的变化规律。
1.电压和电流关系：对于动态电路中的电压和电流，需要建立它们与电路元件的阻抗和阻抗值之间的关系。
这可以通过分析电路中的电压和电流方程得到。
一般来说，电压和电流的变化可以采用微分方程的形式表示。
2.初始条件的确定：对于动态电路，初始条件是指系统开始运行时电路中电压和电流的初始值。
在分析和计算动态电路时，需要确定这些初始条件，并将它们纳入到方程中。
3.零输入响应和强迫响应：动态电路的响应可以分为零输入响应和强迫响应两部分。
零输入响应是指在没有外部输入信号时，电路元件内部的能量存储元件（如电容器和电感器）自身产生的响应。
强迫响应是指在有外部输入信号时，电路元件对输入信号的响应。
分析和计算动态电路时，需要分别考虑这两部分的响应，并将它们相加得到完整的响应。
4.稳定状态的判断：稳定状态是指电路达到稳定后，电路中电压和电流不再随时间变化的状态。
在分析和计算动态电路时，需要判断电路是否能够达到稳定状态，并找到稳定状态下的电压和电流值。
总而言之，动态电路的分析和计算是电路理论和实践中不可或缺的一部分。
它涉及到电路中电压和电流随时间变化的规律，并需要使用数学工具来揭示电路的行为。
通过对动态电路的分析和计算，可以更深入地理解电路的工作原理，并能够对电路进行设计和优化。
第14章 线性动态电路的复频域分析
0
s
证
令
t
L[ f (t)dt] (s)
0
应用微分性质
L[ f (t)] L
d dt
t 0 t
f
(t)dt
0
F (s) s(s) 0 f (t)dt t0
(s) F (s)
s
返回 上页 下页
例 求: f (t) t ( t)和f (t) t2 (t)的象函数
解
L t (t)
解 dsin( t) cos(t)
dt
cos(t) 1 d(sint) dt
L[cos
t]
L1
d dt
(sin(
t
)
1
s
s2
2
0
s2
s
2
返回 上页 下页
(2) f (t) δ( t)的象函数
解 (t) d (t)
dt
L[ (t)] 1
s
L (t) L[d (t)] s 1 0 1
pi )
lim N '(s)(s pi ) N (s)
spi
D' (s)
Ki
N ( pi ) D' ( pi )
例 求 F(s) 4s 5 的原函数
s2 5s 6
解法1
F (s) 4s 5 K1 K2 s2 5s 6 s 2 s 3
4s 5 K1 s 3 S2 3
返回 上页 下页
待定常数的确定： 方法1
Ki F (s)(s pi ) s pi i 1、2、3、 n
(s
令s
p1 ) F (s)
= p1
K1
(s
p1)
s
K2 p2sKn pn源自方法2求极限的方法
电路分析第十四章-状态变量法
iL L + uL -
R1 + uS -
iC1
+uC1 -
R2
iS
iC2
+ uL R1
iC1 + uC1R2
设uC1、 uC2 、iL为状态变量
解
（1） uC1 单独作用： iL=0，iS=0， uS=0 , uC2=0。 求：iC1 ， iC2 , uL 。
iC 1
=
−
uC 1 R1 + R2
iC 2
[it]= -[Ql] [il] 用连支电流表示树支电流；
（5） 对基本回路列写KVL方程
[ul ]= -[Bt ][ut] 用树支电压表示连支电压；
（6） 消去非状态量；
（7） 整理，得到状态方程。
例
+ uC -R1
（1） 选 uC ， iL 为 状态变量。
+ uS
-
C3
iL L4 R5
iS
（2） 以1，2，3为 树支的常态树。
uL=e(t)-uC(t) iC(t)= iL(t)- uC(t)/R uR(t)= uC(t)
iR(t)= uC(t)/R
L iL
+ + uL - iC
e(t)
C
-
iR + uC R
-
+ uR -
uL − 1
iC
=
−
1
/
R
uR iR
1 1/ R
0
1
1 0
uC iL
+
0 0
e(t
)
0
0
一般形式 [Y(t)] = [C ][X(t)] +[D][v(t)]
动态电路的分析与计算
动态电路的分析与计算动态电路是指根据电压和电流的变化情况，进行分析和计算的电路。
在动态电路中，电压和电流是随时间变化的，因此需要进行动态分析，即考虑电路中的时间响应。
动态电路有许多应用，如信号处理、通信系统、数据传输以及计算机等。
动态电路的分析方法主要有微分方程法和拉普拉斯变换法。
微分方程法以电路中的基本元件为基础，根据基尔霍夫定律和基本电路方程建立微分方程组，通过求解微分方程组来获得电路的时间响应。
拉普拉斯变换法则是将时间域的电路方程转化为复频域的代数方程，通过频域分析来求解电路的输出响应，最后再进行反变换得到时间响应。
对于动态电路的计算，通常需要计算电路的传输函数、单位冲激响应或者零输入响应等。
电路的传输函数是指输出与输入之间的关系，可以用于计算输出的频率响应和稳态响应。
单位冲激响应是指当输入是单位冲激信号时，电路的输出响应。
零输入响应是指当输入为零时，电路的输出响应。
在进行动态电路分析和计算时，需要考虑电路中的各种元器件的动态特性和非线性特性。
例如，电容和电感有时会引起频率依赖的阻抗，这需要在计算中进行考虑。
此外，对于非线性元件，可以使用小信号模型或者通过数值方法进行求解。
动态电路的分析和计算通常使用电路模拟软件或者数值分析软件进行。
这些软件可以提供丰富的模型和工具，使得电路的分析和计算更加方便和准确。
例如，SPICE软件可以模拟电路的动态响应，并给出电路的各种性能参数和波形图。
总的来说，动态电路的分析和计算是电路理论和实验的重要组成部分。
通过合理使用分析方法和计算工具，可以获得电路的时间响应和频率响应等信息，为电路设计和优化提供依据。
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23
y(t) =
K
+ [y( 0 + ) − K]e
−
t τ
:
− t τ − t τ
y(t) =
K (1 − e ) + y( 0 + )e
20120516
2011
24
t=0 uc
RC
i
duC + uC = U S dt duC U 1 + uC = s dt RC RC
− t
y (t ) = y p (t ) + [ y (0 + ) − y p (0 + )]e
=−
τ
e
−
τ
t1
= − uC ( t 1 )
1
τ
τ
uc
20120516
2011
11
t=0 t > 0 iL , u L , u R
t>=0 t=0 S R
Step1：
uR U0 uL ii
iL (0 + ) = iL (0 − ) = U 0 / R
Step2：
Ri L + L
di L =0 dt
13
U 0 −Lt iL = e R
R
t>0
R R
− t di L U0 R −Lt ∴ uL = L = L (− )e = −U 0 e L dt R L
− R t L
∴ uR = −uL = U 0e
U0/R iL 0
20120516
uL t t -U0
2011
U0 0
uR
t
14
U 0 −Lt iL = e R
−
t RC
A = U0
∴ uC = U 0e
− t RC
2
dy + ay = bx dt
y (t ) = y p (t ) + [ y (0 + ) − y p (0 + )]e
a= 20120516 1 , bx = 0 RC
− at
∴ uC = U 0e
−
t RC
∵ bx = 0, ∴ y p (t ) = y p (0 + ) = 0
t=0 uL.
Step1：
i L (0 + ) = i L (0 − ) = 0 Step2：
11 2 iL ( ∞) = × = 2A 3 + 2 // 1 2 + 1 L 1 5 τ= = = s R 1 + 3 // 2 11
i L = 2(1 − e
20120516 2011
−
11 t 5
)
−
t RC
= U 0e
−
t
τ
t RC
t>0, uC,uR,i t=0 uC t τ=RC
τ τ
uR,i 0根 RC
∴ u R = − u C = −U 0 e
−
U 0 − RC uR ∴i = = − e R R
t
U0 uC 0
20120516
τ
t
[τ ] = [RC ] = [ ][ ] = [ ]
2011
y ( 0 + ) = uC ( 0 + ) = U 0
6
uC = U 0e
−
t RC
t>0
− t RC
∴ u R = − u C = −U 0 e
U 0 − RC uR ∴i = = − e R R
t
U0 uC 0
20120516
uR t t -U0
2011
i t -U0/R
7
uC = U 0e
τ
uC ( 0 + ) = uC ( 0 − ) = U 0
uCp (t ) = K Us 1 0+ K= RC RC
− t
K = U s = uCp (0 + )
− t RC
t
uC (t ) = K + (U 0 − K )e
τ
= U s + (U 0 − U s )e
t t
− duC (U s − U 0 )2011 U s − RC U 0 − RC RC 20120516 i (t ) = C = e = e − e dt R R R
y p (t )
y p (t ) Q Q0 + Q1t Q0 + Q1t + Q2 t 2
18
0 = A + y p (0 + )
∴
20120516
y (t ) = y p (t ) − y p (0 + )e
2011
− at
P0 + P1t
…
∵ x = P,∴ y p (t ) = K ∴ y p (0 + ) = K
R
R
dy + ay = bx dt
y (t ) = y p (t ) + [ y (0 + ) − y p (0 + )]e − at
a= 20120516 R , bx = 0 L
∵ bx = 0, ∴ y p (t ) = y p (0 + ) = 0
U0 y (0 + ) = i L (0 + ) = 2011 R
Step1：
uC ( 0 + ) = uC ( 0 − ) = U 0
Step2：
RC
duC + uC = 0 dt
duC 1 + uC = 0 dt RC
20120516 2011 5
duC 1 + uC = 0 dt RC
uC ( 0 + ) = uC ( 0 − ) = U 0
uC = Ae −at = Ae
τ
( t ≥ 0)
uc US U0 t
0
0 t>0 i(t).
Step2：
iL ( ∞) = 72 1 × = 9A 2 + 4//4 2
t 0.3
iL = 9(1 − e
)
Step1：
72 i L (0 + ) = i L (0 − ) = = 12 A 2+4
−
2011 s
+ U (1 − e
−
t RC
)
26
(1). (
= )
(
− t
)+
τ
uC = U S + (U 0 − U S )e
( )
t≥0
( )
uc US U0 0 uc t
uC' uC"
U0 -US
20120516 2011 27
=
uC = U S (1 − e
−
t
+
) + U 0e
−
t
τ
uC = uC ( 0 + ) e
τ
t 3
= 6e
−
t 3
i = -uC / 3 = -2e
20120516 2011
−
u R = −i × 2 = 4 e
17
−
t 3
3.4.4-2.
dy + ay = bx dt y (0 + ) = 0
y (t ) = Ae − at + y p (t )
x (t ) P Pt
diL R + iL = 0 dt L
20120516 2011 12
diL R + iL = 0 dt L iL (0 + ) = iL (0 − ) = U 0 / R
iL = Ae −at = Ae
R − t L
A = U 0 /R
2
U 0 −Lt ∴ iL = e R U 0 −Lt ∴ iL = e R
20120516 2011 19
−
t=0 uc
t=0 S R uR Us uC
i.
Step1：
i
uC ( 0 + ) = u C ( 0 − ) = 0
Step2：
uC ( ∞ ) = U S
uC (t ) = U S (1 − e
− t RC
) t≥0
t
duC U s − RC i (t ) = C = e dt R
25
S
R uR
=
Step1：
uC ( 0 + ) = uC ( 0 − ) = U 0
' uC = U 0e t − RC
t RC
+
Step2：
i uC
Us
uC ( ∞ ) = U s
′′ = U s (1 − e uC
− t RC
)
' " u = u + u C C = U 0e 20120516 C
20120516 2011 20
RC
uc = U S − U S e
' " = uC + uC
t duC U S − RC i =C e = dt R
−
t RC
= U S (1 − e
−
t RC
)
( t ≥ 0)
US 0 -US
20120516
uc
uC' uC"
t
US R
i t
21
0
2011
iL
11
di L 22 − 5 t uL = L = e dt 5
22
3.