Схемотехника аналоговых электронных устройств

Нахождение x'_n+1 для (n+1)-го шага вычислений возможно путем применения прямой формулы Эйлера.

Поскольку напряжение на конденсаторе и ток, протекающий через него связаны соотношением i=CdV/dt, а для индуктивности имеем V=Ldi/dt, то применение обратной формулы Эйлера равноценно переходу от емкостей и индуктивностей к их эквивалентным схемам, показанным на рисунке 8.6, в результате чего цепь становится резистивной. Такие модели индуктивности и емкости носят название сеточных (сопровождающих, дискретных) моделей.

Рисунок 8.6. Сеточные модели для обратной формулы Эйлера

Отыскание рабочей точки или расчет по постоянному току является первым шагом при нелинейном анализе УУ. Анализ характеристик по постоянному току схем, содержащих нелинейные сопротивления, сводится к решению системы нелинейных уравнений вида f(x)=0.

Поскольку законы Кирхгофа применимы не только к линейным, но и к нелинейным элементам, для формирования системы уравнений f(x) возможно использование уже рассмотренных табличных методов. Структура получаемых табличных уравнений будет рассмотрена ниже.

Для решения системы нелинейных уравнений f(x) применяется метод Ньютона-Рафсона [4]. Метод предусматривает использование начального приближения x₀, проведение итерационной процедуры и, если величина |(x_n+1–x_n)/x_n+1| достаточно мала, констатацию факта сходимости (n- количество итераций):

x_n+1 = x_n – J^{– 1}f(xⁿ),

где J — якобиан (матрица Якоби) размерностью (m*m)

В процессе итерационной обработки данной системы уравнений на каждом этапе итерации могут быть получены значения f(x_n) и J; это эквивалентно решению линейного уравнения в форме

J(x_n+1) – x_n) = –f(x_n).

Другими словами, решение нелинейных уравнений можно интерпретировать как повторное решение линейных уравнений на каждом этапе итерационного процесса.

Структура якобиана внешне совпадает с табличными уравнениями линейных цепей, которые преобразованы с учетом расчета по постоянному току — убраны конденсаторы и закорочены катушки индуктивности.

 Пусть табличные уравнения заданы в следующей форме:

V_в – A^tV_п = 0;

p(V_в,i_в) = W;

AI_в = 0;

Система уравнений p(V_в,i_в) = W определяет связь между токами и напряжениями ветвей в неявной форме, некоторые из этих зависимостей могут быть линейными.

 Матрица Якоби на n-й итерации будет иметь вид

где

; где

.

Для формирования якобиана возможно использование различных модификаций табличного метода, в том числе и модифицированного узлового с проверкой. Результат анализа схемы по постоянному току (режим по постоянному току) может быть использован в качестве начального приближения при временном анализе нелинейных электронных схем.

Нелинейные уравнения легко включаются в уравнения цепи, составленные табличным или модифицированным узловым методом. Линейные элементы, как и прежде, линейными компонентными уравнениями. Для нелинейных уравнений характерны уравнения в неявной форме, хотя иногда нелинейности можно описать и в явной форме. Нелинейные емкости и индуктивности лучше всего описывать с помощью дополнительных переменных — электрических зарядов и магнитных потоков соответственно, которые должны быть введены в вектор неизвестных. Если это проделать, то уравнения, записанные как табличным, так и модифицированным узловым методами можно представить в следующем виде:

f(x', x, W, t) ≣ Ex' + Gx +p(x) = 0,

где E и G — постоянные матрицы, а все нелинейности сведены в вектор p(x).

Полученная система дифференциальных уравнений решается путем интегрирования с использованием формулы дифференцирования назад [4] и алгоритма Ньютона-Рафсона, для чего формируется якобиан. В целом структура якобиана для линейной и нелинейной цепи идентична, отличие между ними в том, что нелинейная емкость (индуктивность) будет представлена двумя уравнениями, а заряд q (поток f) станет еще одним неизвестным. Однако и для линейных емкостей и индуктивностей можно ввести заряды и магнитные потоки в качестве переменных, что приведет к совпадению якобиана и матрицы системы уравнений. Любая нелинейная проводимость появится в якобиане аналогично линейной проводимости в матрице C модифицированного узлового метода. Таким образом становится возможным единый подход к формированию и решению уравнений линейных и нелинейных цепей с целью получения их временных и частотных характеристик, что и успешно реализуется в современных пакетах схемотехнического проектирования.

 Более подробно перечисленные методы, а также другие вопросы анализа электронных цепей приведены в [4]. В [19] описан один из пакетов схемотехнического проектирования Electronics Workbench.

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Ограниченный объем данного пособия не позволил в полной мере отразить весь круг вопросов построения и анализа АЭУ. При необходимости следует обращаться к литературе, ссылки на которую имеются в каждом разделе пособия. При выполнении расчетных заданий, лабораторных работ и курсового проекта следует пользоваться соответствующими учебными пособиями и методическими рекомендациями [19, 20]. 

Список использованных источников

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство: Пер. с нем.-М.: Мир, 1982.-512с.: ил.

2. Ленк Дж. Справочник по современным твердотельным усилителям: Пер. с англ.
– М.: Мир, 1977.-500с.: ил.

3. Сигорский В.П. Анализ электронных схем.
– Киев: Гос. изд. техн. лит., 1963.
– 200с.: ил.

4. Влах И., Синхгал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ.
– М.: Радио и связь, 1988.
– 560с.: ил.