網(wǎng)絡(luò )理論促進(jìn)更好的PCB設計和開(kāi)發(fā)

2021-01-27

解決電路和網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題的研究稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )理論。網(wǎng)絡(luò )理論概念對于網(wǎng)絡(luò )分析至關(guān)重要，這對PCB傳輸線(xiàn)和配電網(wǎng)絡(luò )的設計至關(guān)重要。您需要掌握電路和網(wǎng)絡(luò )組件的基礎知識才能掌握網(wǎng)絡(luò )分析。 

網(wǎng)絡(luò )概念的知識對于確保簡(jiǎn)化PCB制造流程也至關(guān)重要。以下是我們將在本文中討論的一些網(wǎng)絡(luò )理論的核心概念：

1 電氣網(wǎng)絡(luò )和電路有什么區別？

1.1 電網(wǎng)

1.2 電路

1.3 網(wǎng)元類(lèi)型

1.4 有源和無(wú)源元件

1.5 線(xiàn)性和非線(xiàn)性元素

1.6 雙邊和單方面要素

2 網(wǎng)絡(luò )理論術(shù)語(yǔ)

3 串聯(lián)和并聯(lián)電路

4 基爾霍夫定律是什么？

5 什么是網(wǎng)絡(luò )定理？

5.1 特勒根定理

5.2 戴維南定理

5.3 諾頓定理

5.4 疊加定理

6 網(wǎng)絡(luò )分析有哪些不同類(lèi)型？

6.1 節點(diǎn)分析

6.2 網(wǎng)格分析

6.3 電路中的網(wǎng)絡(luò )拓撲

7 網(wǎng)絡(luò )分析中的網(wǎng)絡(luò )圖是什么？

電網(wǎng)和電路之間有什么區別？

網(wǎng)絡(luò )和電路之間的主要區別在于，網(wǎng)絡(luò )不需要閉合的電流路徑，電路不需要。

電網(wǎng)

電網(wǎng)包括互連的電路元件，該電路元件包括電容器，電阻器，電感器和開(kāi)關(guān)。 

電路

電路包括閉合路徑，以促進(jìn)來(lái)自提供電流或電壓的電源的電子流動(dòng)。同樣，電路元件可以串聯(lián)或并聯(lián)連接，也可以串聯(lián)或并聯(lián)組合。電路是網(wǎng)絡(luò )的子集。

網(wǎng)元類(lèi)型

您可以根據各種參數將網(wǎng)絡(luò )元素分為不同的類(lèi)型：

主動(dòng)和被動(dòng)元素

線(xiàn)性和非線(xiàn)性元素

雙邊和單方面要素

主動(dòng)和被動(dòng)元素

當網(wǎng)絡(luò )元素需要電源來(lái)運行時(shí)，它被稱(chēng)為活動(dòng)元素。示例包括微處理器，運算放大器等。無(wú)源組件是那些不能由其他信號控制并且可以吸收或存儲能量的組件。示例包括電阻器，電感器和電容器。

線(xiàn)性和非線(xiàn)性元素

當網(wǎng)絡(luò )元素顯示電壓和電流之間的線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，它們稱(chēng)為線(xiàn)性元素。這些包括電容器，電感器和電阻器。當網(wǎng)絡(luò )的元素在電壓和電流之間不顯示線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，它們被稱(chēng)為非線(xiàn)性元素。這些包括二極管，晶體管等。

雙邊和單方面要素

在此，根據流過(guò)這些元件的電流方向對網(wǎng)絡(luò )元件進(jìn)行分類(lèi)。 

單邊和雙邊要素

單邊元件允許電流單向流動(dòng)。它們在兩個(gè)方向上提供不同的阻抗。雙向元件允許電流在兩個(gè)方向上流動(dòng)，并在電流的兩個(gè)方向上提供相同的阻抗。這些組件包括電容器，電阻器和電感器。

網(wǎng)絡(luò )理論術(shù)語(yǔ)

這是網(wǎng)絡(luò )理論的核心術(shù)語(yǔ)列表：

電流–電荷流動(dòng)的時(shí)間率稱(chēng)為電流，用安培（庫侖/秒）為單位的“ I”表示。

電子電流從電源的負極流向正極。這是通過(guò)自由電子的運動(dòng)獲得的。

常規電流從電源的正極流向負極，并由自由正電荷的運動(dòng)產(chǎn)生。

電壓–導致電荷流動(dòng)的電動(dòng)勢稱(chēng)為電壓。用“ V”表示，以伏特為單位

電抗是交流電路中電容和電感的組合。這用X表示，倒數（1 / X）是電納（b）。

阻抗是交流電中電感和電容的總和，用Z表示。該逆數（1 / Z）稱(chēng)為導納Y。

電阻在由R表示電阻（1 / R）的倒數的電路是由電導G.表示

電容的電網(wǎng)絡(luò )被表示為C.

電網(wǎng)中的電感用L表示。

歐姆定律

歐姆定律指出，通過(guò)兩點(diǎn)之間的導體的電流與兩點(diǎn)之間的電壓成正比。

R = V / I，其中R是稱(chēng)為電阻的比例常數。V表示電壓，I表示電流。 

串聯(lián)和并聯(lián)電路

網(wǎng)絡(luò )的最基本類(lèi)型是串聯(lián)或并聯(lián)。對于串聯(lián)電路，總電阻/阻抗是電阻或阻抗的總和。同樣，在并聯(lián)電路中，所得等效電阻器（1 / R）的倒數等于并聯(lián)連接的電阻的倒數之和（1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3…）。

在串聯(lián)電路中，電壓是每個(gè)網(wǎng)絡(luò )元件上的電壓之和，而每個(gè)元件上的電流是相同的。當考慮并聯(lián)電路時(shí)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )元件上的電壓均保持不變，而電流與每個(gè)電路的電阻/阻抗成反比。

電感器在阻抗和電壓方面遵循與電阻器相同的原理，即串聯(lián)電感器的（L = L1 + L2 + L3…）。對于并聯(lián)電容器，（C = C1 + C2 + C3）。

串聯(lián)電路和并聯(lián)電路

基爾霍夫定律是什么？

基爾霍夫的電路定律處理電路中電流和電壓之間的關(guān)系。

基爾霍夫的第一定律（也稱(chēng)為基爾霍夫電流定律）指出，電路節點(diǎn)處的電流總和等于零。

基爾霍夫第二定律指出，環(huán)路周?chē)碾妷嚎偤偷扔诹恪?span>

基爾霍夫第一定律和基爾霍夫第二定律

什么是網(wǎng)絡(luò )定理？

網(wǎng)絡(luò )定理是一個(gè)可證明的陳述，可以用于求解電路的電壓和電流。以下是一些常用的網(wǎng)絡(luò )定理：

特勒根定理

特勒根定理指出，只要網(wǎng)絡(luò )還符合基爾霍夫定律，網(wǎng)絡(luò )中所有分支的功率總和就等于零。對于具有b個(gè)分支的網(wǎng)絡(luò )：

特勒根定理

這廣泛適用于各種問(wèn)題，并且對每種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )元素都適用-被動(dòng)，主動(dòng)，線(xiàn)性和非線(xiàn)性。

特溫寧定理

塞維南定理指出，電路中的任何網(wǎng)絡(luò )元素集都可以由連接到負載的單個(gè)電壓源和串聯(lián)電阻代替。通過(guò)分支開(kāi)路確定相應的電壓，并且在電阻情況下通過(guò)短路所有電壓源來(lái)計算。

特維寧等效電路

諾頓定理

諾頓定理指出，任何一組網(wǎng)絡(luò )元素都可以由單獨的電流源和并聯(lián)電阻表示。您可以通過(guò)使支路短路來(lái)計算相應的電流。同樣，您可以通過(guò)短路任何電壓源來(lái)確定電阻值。

諾頓等效電路

疊加定理

疊加使您可以通過(guò)分別考慮每個(gè)電流或電壓源并匯總結果來(lái)找到解決方案。當網(wǎng)絡(luò )包含多個(gè)電流或電壓源時(shí)，這很有用。為了單獨考慮每個(gè)電源，將其他現有電壓源短路，將電流源設置為開(kāi)路。 

網(wǎng)絡(luò )分析有哪些不同類(lèi)型？

網(wǎng)絡(luò )分析是一種用于數學(xué)分析網(wǎng)絡(luò )的結構化方法。這對于工程師解決具有多個(gè)組件配置以及電源和電壓源的電路很有用。此外，執行網(wǎng)絡(luò )分析使設計人員可以消除電路效率低下的問(wèn)題，并簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )設計。這需要對網(wǎng)絡(luò )理論概念有強大的命令。您還可以實(shí)施網(wǎng)絡(luò )分析，以簡(jiǎn)化電路中的網(wǎng)絡(luò )縮減技術(shù)，這是使電路的尺寸和復雜性最小化所必需的。

以下是一些網(wǎng)絡(luò )分析方法：

 節點(diǎn)分析

節點(diǎn)分析是一種使用基爾霍夫第一定律分析電路的方法。您可以將節點(diǎn)電壓定義為節點(diǎn)分析中的變量以找到解決方案。這些是執行節點(diǎn)分析的步驟：

為每個(gè)節點(diǎn)分配電壓，例如V1，V2等。

計算每個(gè)分支中的電流，例如從節點(diǎn)1到節點(diǎn)2，將電阻表示為R12，將分支中的電流計算為I12 =（V1-V2）/ R12

在每個(gè)節點(diǎn)上應用基爾霍夫的第一定律 

求解結果方程，得到每個(gè)節點(diǎn)的電壓

 網(wǎng)格分析

網(wǎng)格分析是一種在網(wǎng)絡(luò )分析中用于計算平面電路中電流的方法。您可以在沒(méi)有縱橫交錯連接的平面上描繪平面電路。進(jìn)行網(wǎng)格分析的步驟如下：

為網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)閉環(huán)分配網(wǎng)格或回路電流

將基爾霍夫第二定律應用于每個(gè)循環(huán)

求解結果方程，以確定環(huán)路電流，然后確定網(wǎng)絡(luò )電壓 

電路中的網(wǎng)絡(luò )拓撲 

網(wǎng)絡(luò )拓撲是電路的圖形表示，可用于分析復雜的電路。它也被稱(chēng)為圖論，并且是網(wǎng)絡(luò )理論的組成部分。

網(wǎng)絡(luò )分析中的網(wǎng)絡(luò )圖是什么？

網(wǎng)絡(luò )圖包括一組通過(guò)分支連接的節點(diǎn)，一個(gè)節點(diǎn)是兩個(gè)或多個(gè)分支的交點(diǎn)。另外，您可以將分支定義為連接兩個(gè)單獨節點(diǎn)的線(xiàn)段。

通過(guò)將無(wú)源元件和電壓源互換短路，可以將所有電路或網(wǎng)絡(luò )轉換為等效圖形。您還需要將電流源與開(kāi)路互換。因此，網(wǎng)絡(luò )圖中的線(xiàn)段要么代表電路的電壓源，要么代表無(wú)源元件。

網(wǎng)絡(luò )理論概念對于PCB設計至關(guān)重要。有抱負的PCB設計師，甚至是資深專(zhuān)家，都需要對網(wǎng)絡(luò )理論有充分的了解，才能設計出高效的網(wǎng)絡(luò )和PCB。