ch14非线性电阻电路00.ppt
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1、第第1414章章 非线性电路非线性电路14.1 14.1 非线性电路元件非线性电路元件 (R R,L L,C C 的基本特性的基本特性)14.2 14.2 分析非线性电阻电路的图解法(图解法)分析非线性电阻电路的图解法(图解法)14.3 14.3 分段线性化方法分段线性化方法 (近似法)(近似法)14.4 14.4 小信号分析法小信号分析法 (近似法)(近似法)14.5 14.5 牛顿牛顿拉夫逊法拉夫逊法 (数值法)(数值法)14.7 14.7 求解自治电路的分段线性法求解自治电路的分段线性法 14.6 14.6 非线性动态电路状态方程的列写非线性动态电路状态方程的列写 14.1 非线性电路元
2、件非线性电路元件一、非线性电阻元件一、非线性电阻元件 线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律。电阻值线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律。电阻值大小与大小与u、i 无关(无关(R为常数),其伏安特性为一过原为常数),其伏安特性为一过原点的直线。线性电阻的点的直线。线性电阻的u、i 关系与方向无关。关系与方向无关。iuPui uiR 线形电阻元件线形电阻元件 非线性电阻元件的伏安特性不满足欧姆定律,非线性电阻元件的伏安特性不满足欧姆定律,而遵循某种特定的非线性函数关系。其阻值大小而遵循某种特定的非线性函数关系。其阻值大小与与u、i 有关,伏安特性不是过原点的直线。有关,伏安特性不是过原点的直线。非线性
3、电阻元件的图形符号与伏安函数关系非线性电阻元件的图形符号与伏安函数关系:非线性电阻元件非线性电阻元件电阻两端电压是其电流的单值函数。电阻两端电压是其电流的单值函数。对每一电流值有唯一的电压对每一电流值有唯一的电压与与 之对应,对任一电压值则可能之对应,对任一电压值则可能有多个电流与之对应有多个电流与之对应(不唯一不唯一)。某些充气二极管具有类似伏安特性。某些充气二极管具有类似伏安特性。流控电阻的伏安特性呈流控电阻的伏安特性呈“S”型。型。ui01 流控电阻:流控电阻:压控电阻的伏安特性呈压控电阻的伏安特性呈“N”型。型。隧道二极管隧道二极管(单极晶体管单极晶体管)具有此伏安特性。具有此伏安特性
4、。对每一电压值有唯一的电对每一电压值有唯一的电流与流与 之对应,对任一电流值则之对应,对任一电流值则可能有多个电压与之对应可能有多个电压与之对应(不唯不唯一一)。电阻两端电流是其电压的单值函数。电阻两端电流是其电压的单值函数。ui02 压控电阻:压控电阻:“S”型和型和“N”型电阻的伏安特性均有一段下倾型电阻的伏安特性均有一段下倾段,在此段内电流随电压增大而减小。段,在此段内电流随电压增大而减小。ui0ui0u、i 关系具有方向性。关系具有方向性。P N结二极管具结二极管具有此特性。有此特性。u、i 一一对应,既一一对应,既是压控又是流控。是压控又是流控。0uiuiPu+i伏安特性单调增长或单
5、调下降。伏安特性单调增长或单调下降。3 单调型电阻:单调型电阻:其伏安特性可用下式表示:其伏安特性可用下式表示:其中:其中:Is -反向饱和电流反向饱和电流(常常数数)0uiuiP 非线性电阻的静态电阻非线性电阻的静态电阻 Rs 和动态电阻和动态电阻 Rd静态电阻静态电阻:动态电阻动态电阻:iuP(2)对对“S”型、型、“N”型非线性电阻,下倾段型非线性电阻,下倾段 Rd 为负,为负,因此,动态电阻在这些阶段具有因此,动态电阻在这些阶段具有“负电阻负电阻”性质。性质。(1)P点位置不同时,点位置不同时,Rs 与与 Rd 均变化。均变化。说明:说明:非线性电容元件的库伏特性遵循某种特定的非非线性
6、电容元件的库伏特性遵循某种特定的非 线性函数关系。其库伏特性不是过原点的直线。线性函数关系。其库伏特性不是过原点的直线。q=f(u)u=h(q)非线性电容元件的图形符号与库伏函数关系非线性电容元件的图形符号与库伏函数关系:二、非线性电容元件二、非线性电容元件非线性电容的静态电容非线性电容的静态电容 Cs 和动态电容和动态电容 Cd静态电容静态电容:动态电容动态电容:uqP非线性电感元件的韦安特性遵循某种特定的非非线性电感元件的韦安特性遵循某种特定的非 线性函数关系。其韦安特性不是过原点的直线性函数关系。其韦安特性不是过原点的直线。线。i=f()=h(i)非线性电感元件的图形符号与韦安函数关系非
7、线性电感元件的图形符号与韦安函数关系:三、非线性电感元件三、非线性电感元件非线性电感的静态电感非线性电感的静态电感 Ls 和动态电感和动态电感 Ld静态电感静态电感:动态电感动态电感:iP 非线性电感的韦安特性曲线非线性电感的韦安特性曲线 非线性电感亦有单调型,但大多数实际非线性电非线性电感亦有单调型,但大多数实际非线性电感元件都包含由铁磁材料所做成的铁心,由于铁磁材感元件都包含由铁磁材料所做成的铁心,由于铁磁材料存在磁滞现象,因此对应的韦安特性曲线都具有如料存在磁滞现象,因此对应的韦安特性曲线都具有如图所示的回线形式。图所示的回线形式。这种电感既不是链控型也不是流控型非线性电感。这种电感既不
8、是链控型也不是流控型非线性电感。14.2 分析非线性电阻电路的图解法分析非线性电阻电路的图解法 一、简单串并联非线性电阻电路的图解法一、简单串并联非线性电阻电路的图解法 i+u 非线性电阻的串联非线性电阻的串联uio 在在每每一一个个 i 下下,图图解解法法求求 u,将将一一系系列列 u、i 值值连连成成曲曲线线即即得串联等效电阻得串联等效电阻(仍为非线性仍为非线性)。两个流控非线性电阻串联的等效电阻仍为流两个流控非线性电阻串联的等效电阻仍为流控非线性电阻。控非线性电阻。非线性电阻的并联非线性电阻的并联i+ui1i2u1u2 如果串并联电路由压控型非如果串并联电路由压控型非线性电阻和流控型非线
9、性电阻构线性电阻和流控型非线性电阻构成,则等效非线性电阻的伏安特成,则等效非线性电阻的伏安特性既可能是电压的多值函数也可性既可能是电压的多值函数也可能是电流的多值函数。能是电流的多值函数。在每一个在每一个 u 下,图解法求下,图解法求 i,将一系列将一系列 i、u值连成曲线即值连成曲线即得其特性曲线得其特性曲线(仍为非线性仍为非线性)。iuo二、非线性电阻电路静态工作点的图解法二、非线性电阻电路静态工作点的图解法 RU0R0b+u+aa线性线性含源含源电阻电阻网络网络i+ub ab 以左部分为线性电路,其以左部分为线性电路,其其特性为经过点其特性为经过点A、B的一条直线。的一条直线。关系为关系
10、为uiU0oABi=f(u)ab 右边为非线性电阻,右边为非线性电阻,其伏安特性为其伏安特性为曲线如图曲线如图所示所示。两曲线交点坐标两曲线交点坐标即为所求解答。即为所求解答。14.3 14.3 分段线性化方法分段线性化方法 特点:将非线性电路元件的特性曲线进行分段特点:将非线性电路元件的特性曲线进行分段线性化处理后,将非线性电路的求解过程分成若干线性化处理后,将非线性电路的求解过程分成若干个线性区段来进行。个线性区段来进行。对每一个线性区段,确定出对应的等效电路后,对每一个线性区段,确定出对应的等效电路后,就可应用线性电路的分析方法求解,从而求得非线就可应用线性电路的分析方法求解,从而求得非
11、线性电路的近似解性电路的近似解。如图所示如图所示N形曲线是隧道二极管的伏安特性曲线,形曲线是隧道二极管的伏安特性曲线,该曲线可用图中三段直线近似替代。该曲线可用图中三段直线近似替代。各段直线的斜率为电各段直线的斜率为电路工作在该直线段内时的路工作在该直线段内时的动态电导,动态电导,分别记为分别记为:在每个直线段内,隧道二极管的伏安特性可用一个在每个直线段内,隧道二极管的伏安特性可用一个相应的线性电路来等效相应的线性电路来等效。在在OA段工作时隧道二极管相应的线性电路段工作时隧道二极管相应的线性电路因此可以用上面所示的线性电导来等效。因此可以用上面所示的线性电导来等效。当当时有:时有:在在AB段
12、工作时隧道二极管相应的线性电路段工作时隧道二极管相应的线性电路当当时,有:时,有:其中其中为已知量。为已知量。相当于一个独立电流源,故在该段可用下图所示相当于一个独立电流源,故在该段可用下图所示一个线性电导和一个电流源的并联电路来等效。一个线性电导和一个电流源的并联电路来等效。在在BC段工作时隧道二极管相应的线性电路段工作时隧道二极管相应的线性电路当当时,有时,有:其中其中同样为已知量,相当于一个独立电流源,同样为已知量,相当于一个独立电流源,故在该段可用上图所示线性电导和电流源的故在该段可用上图所示线性电导和电流源的并联电路来等效。并联电路来等效。14.4 小信号分析法小信号分析法 小小信信
13、号号分分析析法法是是分分析析非非线线性性电电路路的的一一个个重重要要方方法法,即即“工工作作点点处处线线性性化化”,主主要要应应用用于于那那些些既既有有偏偏置置直直流流电电源源作作用用,又又有有外外加加时时变变小小信信号号作作用用的的非非线性电路,如电子电路中的放大器。线性电路,如电子电路中的放大器。要求:求解要求:求解u和和i+i=f(u)uR0+uS(t)U0+R为非线性电阻为非线性电阻为线性电阻为线性电阻为直流电压电源为直流电压电源(建立静态工作点建立静态工作点)为交流小信号电源为交流小信号电源 由于电路中有非线性元件,不能使用叠加定理,由于电路中有非线性元件,不能使用叠加定理,因此采用
14、工作点处线性化的近似计算因此采用工作点处线性化的近似计算小信号分析。小信号分析。+iuR0U0KVL 方程:方程:首先考虑无小信号作用的情况首先考虑无小信号作用的情况,此时,此时,KVL方程为:方程为:其中,其中,u、i 为为 U0 作用产生作用产生.令令非线性电阻的伏安特性非线性电阻的伏安特性 i=f(u)如上图。如上图。i=f(u)uiUsQoAB作图法可求出其静态工作点作图法可求出其静态工作点Q:uiUsi=f(u)QoAB因此可将因此可将u和和i近似表示为近似表示为:当考虑有小信号电压作用当考虑有小信号电压作用时,时,即即因因所以待求解所以待求解u和和i必定处于静态工作点必定处于静态工
15、作点附近。附近。式中,式中,是由于小信号是由于小信号作用所引起的偏差。作用所引起的偏差。在任何时候相对于在任何时候相对于都很小。都很小。此时,非线性电阻特性此时,非线性电阻特性 i=f(u)可写为可写为:将上式右边按泰勒级数展开将上式右边按泰勒级数展开(略去一次项以上的略去一次项以上的高次项高次项)由前面由前面上式可简化为:上式可简化为:又又为非线性电阻在静态工作点处的动态电导为非线性电阻在静态工作点处的动态电导上式可写为:上式可写为:故故在在静静态态工工作作点点处处,u u1 1(t t)与与i i1 1(t t)近近似似为为线线性性关关系系,非非线线性性电电阻阻近近似似为为线线性性电电阻阻
16、。上上述述近近似似的的条条件件是是u u1 1(t t)与与i i1 1(t t)均很小,即扰动不能偏离工作点太远。均很小,即扰动不能偏离工作点太远。得:得:由由 此此电电路路称称为为非非线线性性电电阻阻在在工工作作点点(U0,I0)处的小信号等效电路。处的小信号等效电路。+i1(t)u1(t)RdRSuS(t)由此可得其等效电路:由此可得其等效电路:上述分析方法上述分析方法 称为小信号分析方法。称为小信号分析方法。Pi(u)uiUso由该电路可求得由该电路可求得:+I0iS(t)R0i=f(u)例例1:计算工作点和工作点处由小信号电源所产生计算工作点和工作点处由小信号电源所产生的电压、电流。
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