Учебное пособие «Методы анализа и расчета электронных схем»

41

где матрица главных сечений для хорд

Известно, что второй закон Кирхгофа справедлив для простых циклов графа.

[Определение] Совокупность простых циклов графа, обеспечивающая линейную независимость системы уравнений по второму закону Кирхгофа, называют системой независимых циклов. [.]

Каждому простому циклу системы независимых контуров приписывают направление (по часовой либо против часовой стрелки). Число независимых простых циклов графа определяется цикломатическим числом графа

где – число ребер графа; – количество вершин графа; n – количество компонентов (частей) графа (для связного графа n = 1).

[Определение] Система независимых простых циклов, каждый из которых охватывает только одну ячейку графа, носит название канонической. [.]

[Внимание] В канонической системе контуров все независимые циклы направляют одинаково. [.]

[Определение] Простой цикл, которому инцидентна только одна хорда, называют главным контуром. [.]

Между хордами графа и главными контурами имеет место взаимнооднозначное соответствие, поэтому каждому главному контуру принято при-

42

сваивать номер и направление соответствующей хорды. Система главных контуров является независимой.

На рис. 2.12 представлены примеры канонической системы циклов и системы главных циклов графа.

Рис. 2.12. Системы независимых контуров:

а – каноническая система; б – система главных контуров

Матричной формой представления системы независимых контуров является матрица независимых контуров. Строки матрицы соответствуют циклам, а столбцы ребрам графа. Элемент ij матрицы равен +1 (–1), если j-ое ребро инцидентно i-ому циклу и направлена с ним согласно (противоположно), и 0, если j-ое ребро не инцидентно i-ому циклу.

Для канонической системы контуров, представленной на рис. 2.12,а, матрица независимых контуров имеет вид

43

Матрица главных контуров, соответствующая выбранной на рис. 2.12,б системе главных контуров, имеет вид

Располагая в матрице главных контуров сначала столбцы, соответствующие всем ребрам дерева, а затем всем хордам, можно привести матрицу к канонической форме:

Матрица ρ полностью определяет матрицу главных контуров, причем ее размерность ( ) .

Каноническая форма матрицы (2.6) главных контуров имеет вид

где матрица главных контуров для ребер дерева

[Определение] Циклы, образованные только ребрами задающих источ-

44

ников напряжения и ребрами емкостей, называют особыми циклами (рис. 2.13,а). [.]

[Определение] Сечения, образованные только ребрами задающих источников тока и ребрами индуктивностей, называют особыми сечениями (рис. 2.13,б). [.]

j( t )

Рис. 2.13. Особый цикл (а) и особое сечение (б)

Число особых циклов и сечений можно установить из рассмотрения графа схемы. Для определения числа особых циклов формируется С-граф путем закорачивания всех независимых источников напряжения и короткозамкнутых дуг и удаления всех остальных ветвей, кроме емкостных ветвей. Число особых циклов совпадает с числом независимых циклов C-графа:

c c vc nc ,

где c , vc , nc – число дуг, вершин и частей C-графа соответственно.

Для определения числа особых сечений формируется L-граф путем удаления всех независимых источников тока и разомкнутых дуг и закорачива-

45

ния всех остальных ветвей, кроме индуктивных ветвей. Число особых сечений совпадает с числом независимых сечений L-графа:

L vL nL ,

где vL , nL – число вершин и частей L-графа соответственно.

Структура полюсного графа электронной схемы может быть описана алгебраически с использованием топологических уравнений. Топологические уравнения полюсных графов электронных схем выражаются законами Кирхгофа. Топологические уравнения в матричной форме записываются с использованием топологических матриц полюсных графов электронных схем.

всех l ветвей схемы (дуг графа).

Так как первый закон Кирхгофа справедлив не только для узлов схемы, но и для произвольной замкнутой области, которая включает некоторое число узлов, то система уравнений, соответствующих первому закону Кирхгофа, может быть записана с использованием матрицы независимых сечений графа схемы:

Система n независимых уравнений, соответствующих второму закону Кирхгофа, представляется матричным уравнением, записанным на основе матрицы независимых контуров графа схемы:

46

U â1

U â2

где Uâ – вектор напряжений всех ветвей схемы (дуг графа).

U â

Поскольку топологические уравнения записываются относительно системы независимых сечений и циклов, то сечения и циклы можно рассматривать как некоторую систему координат. Каждому независимому сечению можно привести в соответствие напряжение ребра фундаментального дерева (узловое напряжение), а каждому независимому циклу –контурный ток. Упорядоченная совокупность узловых напряжений образует -мерный вектор

U1

U

узловых напряжений U 2 , а упорядоченная совокупность контурных то-

U

I1

I2

ков образует -мерный вектор контурных токов I .

I

Для главных сечений и контуров U – это вектор напряжений ребер дерева графа, а I – вектор токов хорд.

Токи и напряжения всех ребер графа могут быть определены через узловые напряжения и контурные токи с использованием топологических матриц графа электронной схемы.

Поскольку каждое ребро графа образует с ребрами фундаментального дерева замкнутый контур, напряжения ребер можно выразить по второму закону Кирхгофа через узловые напряжения. Совокупность ребер фундаментального дерева, образующих контур с некоторым ребром графа, определяется совокупностью сечений, инцидентных данному ребру, то есть ненулевыми

47

элементами соответствующего столбца матрицы сечений. Следовательно,

Uâ T U . (2.11) Если фундаментальное дерево является деревом графа, то вектор напряжений ребер можно разбить на субвектор напряжений ребер дерева UT

Так как UT U , то

(2.12) то есть напряжения хорд выражаются через напряжения ребер дерева с помощью матрицы главных сечений для хорд.

Ток ребра графа равен алгебраической сумме контурных токов, инцидентных данному ребру. Совокупность циклов, инцидентных данному ребру, определяется ненулевыми элементами соответствующего столбца матрицы независимых циклов, следовательно

Если совокупность независимых циклов образована главными циклами относительно некоторого дерева графа, то вектор токов ребер можно разбить на субвектор токов ребер дерева IT и субвектор токов хорд IN , то есть

IIT . На основании (2.13) с учетом (2.7) получаем

âIN

Так как IN I , то

49

волны электромагнитных колебаний, то можно считать, что всякие изменения во времени электрических и магнитных величин распространяются в пределах устройства практически мгновенно. В этом случае свойства элементов устройства характеризуются сосредоточенными параметрами, само устройство рассматривают как электронную цепь с сосредоточенными параметрами, а состояние цепи описывают электрическими токами и напряжениями на отдельных участках. Если размеры устройства и длина волны электромагнитных колебаний соизмеримы, то временем распространения изменений электромагнитного поля пренебрегать нельзя, а электронное устройство необходимо рассматривать как электронную цепь с распределенными параметрами.

Существует большое разнообразие элементов электронных цепей, отличающихся принципом действия и характеристиками. Для упрощения и формализации анализа широко используется подход, состоящий в замене всего многообразия реальных элементов цепи сравнительно небольшим числом идеальных схемных компонентов, различные соединения которых отображают с необходимой степенью точности электронные цепи и их элементы.

Идеальные схемные компоненты

Идеальные схемные компоненты подразделяются на активные и пассивные. К активным компонентам относят независимые и управляемые источники энергии и сигналов. К пассивным компонентам относят компоненты, рассеивающие или накапливающие энергию.

Схемные компоненты могут быть двухполюсными и многополюсными, причем многополюсные могут представлять собой объединение более простых компонентов.

Если токи и напряжения на компонентах схемы связаны линейными за-

50

висимостями, то такие компоненты называют линейными, а постоянные коэффициенты в этих зависимостях – их параметрами. Линейные компоненты, параметры которых являются функциями времени, получили отдельное название – параметрические. Компоненты, токи и напряжения которых связаны нелинейными зависимостями, называют нелинейными.

Идеальными активными двухполюсными компонентами являются идеальный источник ЭДС и идеальный источник тока. Их условные графические обозначения показаны на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Условное графическое обозначение идеального источника ЭДС (а) и идеального источника тока (б)

Идеальный источник ЭДС характеризуется задающей ЭДС e( t ) , значение которой в любой момент времени не зависит от тока, протекающего через источник.

Идеальный источник тока характеризуется задающим током j(t ), значение которого в любой момент времени не зависит от напряжения на его полюсах.

Существует три типа пассивных двухполюсных схемных компонентов:

сопротивление, емкость и индуктивность.

Сопротивление определяется вольт-амперной характеристикой, пред-