一阶线性动态电路的“四要素”分析方法

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1、一阶线性动态电路的“四要素”分析方法　　摘要：一阶线性动态电路的输入―输出方程是一阶常系数非齐次微分方程，通过对微分方程的求解，得出在任意激励条件下，响应的一般形式，给出了电路响应的“四要素”表达式，使一阶线性动态电路的分析简便、直接、清晰。　　关键词：电路分析；阶线性动态电路；分析方法；四要素　　中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）20-0074-02　　《电路分析》是高等院校电子信息类专业学生的必修课程，它是以后各专业课（如《模拟电子线路》、《数字电子线路》、《通信电子线路》、《信号与系统》、《数字信号处理》等）的基础，所以《电

2、路分析原理》是一门十分重要的课程。一阶线性动态电路是电路理论及电路分析中最基本的电路，求一阶动态电路的全响应，通常是用经典法，即先由基尔霍夫定律列方程，经过整理其数学方程为一阶线性微分方程，求解该微分方程则得到该电路的全响应。本文介绍一种通用求解方祛，避开了高等数学知识，容易掌握，解题方便。　　一、一阶线性动态电路的输入―输出方程　　把电路换路瞬时定为t=0时刻，换路后电路的激励为e（t），响应为r（t）。在t>0时描述一阶电路的输入―输出方程的普遍形式为a+br（t）=ce（t）5（1），式中，a、b、c为常系数。可知式（1）为一阶常系数非齐次微分方程，那么方程的解r（t

3、）即为在e（t）激励下电路的响应。　　二、一阶线性动态电路分析的“四要素”法　　根据微分方程理论，式（1）的解由两部分组成：一是微分方程的特解，在电路分析中称为强制响应，用r（t）表示；二是其对应的齐次微分方程的通解，在电路分析中称为固有响应，用r（t）表示。于是式（1）的解可写为r（t）=r（t）+r（t）（2）。r（t）与激励的形式有关，而r（t）具有固定形式，为r（t）=Ke（3）。式中，K是积分常数，s是齐次微分方程的特征方程as+b=0的根，即s=-b/a。在电路分析中，式（3）写成如下形式r（t）=　　Ke（4），其中，积分常数K可由初始条件确定，即K=r（0）

4、-r（0）（5），于是r（t）=r（t）+[r（0）-r（0）]　　e（6）。这就是一阶线性动态电路在任意激励时，响应r（t）的计算公式。式中r（t）、r（0）、r（0）和τ称为一阶电路的四要素。r（t）和r（0）是一阶电路的强制响应及其初始值，r（0）是响应r（t）的初始值，τ是电路的时间常数。利用式（6）分析一阶电路的方法称为“四要素”法，式（6）为“四要素”公式。　　三、不同信号源激励时的“四要素”公式　　（一）直流信号源激励时的情况　　根据动态元件（电容和电感）的性质，直流激励时强制响应是一恒量，它与时间无关，即为响应的稳态值r（∞），因此r（t）=r（0）=r（∞

5、），于是直流激励一阶电路的“四要素”缩减成了“三要素”，式（6）变成了r（t）=r（∞）+[r（0）-r（∞）]e（7）。式中，r（∞5）为响应r（t）的稳态值，可通过稳态等效电路（电容看作开路，电感看作短路）求得；r（0）是响应r（t）的初始值，可利用换路定律，通过0等效电路（电容看作电压源，电感看作电流源）求得；τ是电路的时间常数，电容电路τ=ReqC，电感电路τ=L/Req，Req为动态元件（电容和电感）端口的等效电阻。这就是所熟知的“三要素”公式。可见一阶电路“三要素”法是“四要素”法的一个特例。在直流激励一阶电路中，常用“三要素”法来分析电路的响应，非常简单。　　

6、（二）非直流信号源激励时的情况　　一阶电路的激励若为非直流信号，则强制响应即为稳态响应，用r（t）表示，于是我们可以把式（6）写为　　r（t）=r（t）+[r（0）-r（0）]e（8）。这就是非直流信号激励时，一阶电路“四要素”法公式。式中r（t）和　　r（0）是一阶电路的稳态响应及其初始值，r（0）是响应r（t）的初始值，τ是电路的时间常数。　　1.正弦信号源激励的情况。（1）初始值r（0）的求法：①换路前，电路为直流激励，初始值r（0）的求法与式（7）相同。②换路前，电路为正弦激励，利用分析正弦稳态电路的相量法，先确定t<0时刻的原正弦稳态响应　　r（t），再取t=0计

7、算初始值r（0）=r（0）。（2）时间常数τ的计算方法。时间常数τ的计算方法与式（7）相同，即电容电路τ=RC，电感电路τ=L/R。（3）稳态响应r（t）及其初始值r（0）的求法。稳态响应r（t）可通过分析正弦稳态电路的相量法求得，取t=0计算初始值r（0）。5　　例：图1所示电路中，u=2sin0.5tV，　　i=2sin0.5tA，开关S在t=0时由a合向b，且开关合在a时电路已达稳态，试求t>0时电路中的电流i。　　解：开关合在a时：　　==∠-45°A　　i（t）=2sin（0.5t-45°）A　　i（0）