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电子电路与系统基础

清华大学电子系核心课教材,王希勤副校长作序推荐。将电路原理、模拟电路、通信电路、数字电路及场路整合一体,在更高层面上理解、分析和设计电路。

作者:李国林
定价:168
印次:1-1
ISBN:9787302468752
出版日期:2017.10.01
印刷日期:2017.08.24

本课程是对原“电路原理”“模拟电路”“通信电路”和“数字电路”等课程重构形成的新电路原理课程,体系架构为一条主干四个分支。电路抽象为主干,包括端口或支路抽象下的电路基本定律、定理,电路方程列写方法和电路基本分析方法,开关抽象、数字逻辑、CMOS门电路,有源、无源等。四个分支为线性电阻电路,包括电阻分压、电桥、衰减电路,理想变压、回旋、环行器,理想受控源、负阻、负反馈放大器,噪声、阻抗、传输等;非线性电阻电路,包括二极管、晶体管,反相器、电流镜、差分对、乘法器,CE、CB、CC组态和cascode结构,运放电路及其正负反馈应用,ADC、DAC,非线性失真,线性化处理方法等;一阶动态电路,包括一阶RC、RL滤波器时频分析,半波整流器、张弛振荡器,开关电容,延时、带宽等;二阶动态电路,包括二阶RLC滤波器时频分析,阻抗匹配与变换电路,高频放大器,正弦波振荡器,DC-AC,DC-DC,谐振、匹配等。

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前言 电路作为信息系统的物理层支撑渗透到了人类生活的方方面面,电路知识成为理工科大学生的基本素养。由于其极为重要的历史地位,在发展过程中形成了多门在电子信息类专业课程中占据很大比重的电路课程。但是随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展,电子信息类专业学生需要掌握的各类知识和技能呈现高速扩张态势,尤其是顶层的信号处理和数据挖掘需求旺盛,但是学生仍然不得不花费大量的课时修全电路相关课程以掌握作为基本素养的底层电路知识,这显然不适宜于当前高校电子信息类专业的全面均衡发展,因而有必要对现有的多门电路课程重新构架,形成一门全新的电路原理课程,在有限的课时内全面把握电路的核心精髓。 除了电路课程外,整个电子信息类专业本科教学的各门课程也存在着各种各样的原因期望课程内容的改革变动,但本科课程之间的高度关联导致牵一发而动全身,各科教师有心对课程内容进行整合却不敢有太大的动作。清华大学电子工程系关注到这个问题的存在,于2007年启动了本科生课程教学改革,在王希勤、黄翊东两位主任的直接领导下,在各方反复调研的基础上,于2009年整理出了电子信息科学知识图七层结构,并基于七层结构构建了一个新的本科课程体系,包括10门必修的核心课程、24门限选的专业限选课程、36门自由选修的专业选修课程和40门各类实验课程,除了10门核心课外,其他专业课仍在缓慢持续扩张中。电路位于电子信息科学知识图七层结构的第二层,基于该层的电路核心课最终被定名为“电子电路与系统基础”(简称“电路基础”),用于取代原课程体系中的多门必修电路课程,包括“电路原理”“模拟电路”“通信电路”,以及“数字电路”中的晶体管门级电路部分,是10门核心课中改革力度最大的一门课程。“数字电路”中的逻辑级部分和“微机原理”被合并为核心课“数字逻辑与处理器基础”。在新课程体系中,“电路原理”课程被“电路基础”核心课完全取代,而其他4门和电路直接相关的课程则分别更名进化为“模拟电路原理”“通信电路原理”“数字系统设计”和“现代计算机体系架构”,作为专业限选课供对电路专业感兴趣的学生选修,以使学生更加深入地掌握电路与系统相关专业知识。 集成电路设计是当前电路设计的顶层核心需求,大学应该培养在掌握电路核心知识基础上具有较高电路素养的集成电路设计专业人才。由于集成电路设计和制作有一个相对较高的门槛,因而最终进入电路专业深造的学生将是一个小的群体,故而改革启动时我们就已经预期新课程体系建成后,电路类相关专业限选课较原体系作为必修课时其选修人数将会大幅缩水,教改推进数年来的教学实践也确认了电路限选课课堂规模大体仅是原规模的十五分之一。因而在建设“电路基础”核心课时,我考虑的主要问题是如何打破原“电路原理”“模拟电路”“通信电路”和“数字电路”课程各自相对独立的知识体系框架,进而构建出一个新的体系架构将这些课程中的核心电路知识融为一体,通过这一门所有电子系本科学生必修的电路核心课程的学习,使得电子系本科生具有电路的最基本素养: ①电路基本定律和基本定理的掌握; ②电路抽象工程思维方式的培育; ③基本电路器件、基本单元电路工作原理的把握; ④电路相关基本概念的建立。 2010年7月我全面接手负责“电路基础”课程的改革。首先确认这门课需要分设在两学期授课,原因是相关概念较多,在一学期授课信息量过大,学生将无法接受,课程教学容易变成夹生饭。其次就是如何划分两学期的课程内容。我通篇翻阅了大量的现有的相关课程教材,基于我近8年“通信电路”授课经验和多年来电路设计经验所建立的对电路的基本认识,将两学期的课程划分为可用代数方程描述的电阻电路(大一下春季学期)和需用微分方程描述的动态电路(大二上秋季学期)两部分。在规划具体授课内容时,考虑到先简单后复杂的推进次序,进而把内容规划为线性电阻电路、非线性电阻电路、线性动态电路和非线性动态电路4部分。在2011年开始的27人小班试讲中,我大体按照这个设想,将多门电路课程内容全部打散后重新整合串讲。系里同时配备摄像师全程录像,并将录像录音资料交给上课学生,转为文字资料交给我,便于新课程讲义整理工作的开展。由于课程安排在大一下和大二上,“信号与系统”课程安排在大二下,但“模拟电路”“通信电路”课程的部分内容又需要“信号与系统”的相关知识支撑,因而实际授课时,还补充了部分“信号与系统”课程相关内容,同时还有少量器件、电磁场相关基础知识,因而小班试讲课程内容量十分庞大。在此之前我只讲过“通信电路”课程,事实上我也是借着这个机会,希望能够将所有电路相关课程全部串讲一遍,以充分理解它们之间到底是如何关联的。第一年小班试讲时,理论课和实验课全部由我负责,我直接占用了实验课时用于授课,实验另行安排其他时间做,又应同学要求开设了习题课,通过各种手段争取了足够多的授课时间,使得我能够将我设想的所有关联课程内容全部过了一遍。这次全面串讲对我全面把握各门电路课程之间的关联起到了至关重要的作用,因而这里首先感谢陪伴我这一年的无01班全体同学、助教宋红艳同学和摄像师龚颖。 电子系课改整体规划要求2011级学生全面进入新课程体系,因而2012年“电路基础”课程对2011级大一学生实施大班推广,我把前一年的录音文字资料按课件顺序逐页整理作为第一版讲义发给同学,由于时间紧张等原因,课程仍然按照前一年的进度授课,学生和教师压力都较大。在2012年暑期进行的电路课程改革例行研讨会上,为了回复各位老师对我将晶体管归类为电阻、课程按电阻电路和动态电路划分等认识及实际操作方面的疑虑,我提供了一张图,这张图是我对多门课程内容之间关联的理解,即多门电路课程内容可大体划分为基本元件和单元电路两个大层次,在这两个大层次之间,多门课程内容的关联集中在电阻电路部分的“受控源”“负阻(正反馈、双稳)”“开关”等几个衍生元件上,充分理解这些衍生元件有助于实现各门电路课程内容的全面融合。除了我自己基本厘清各门课程内部关联之外,给我足够信心支撑的另外一个外援是2012年国庆节期间我在学校图书馆翻看到蔡少棠先生的linear and nonlinear circuits一书,他的电阻电路加动态电路的整体结构完全契合我对电路的整体认识。这本教材是1987年出版的,其前言表明该教材是为大三学生准备的电路入门之后的后续课程,然而之前我从来就没有关注过这本教材,它也从未流行过。我分析了造成这本教材被埋没的可能原因,我个人认为这本教材过于注重非线性但其列举的非线性却是人为构造而实际器件的非线性讨论太少,过于注重电路的数学理论及计算机仿真应用下的电路拓扑分析,使得这本教材的受众是小众而非大众,换句话说它不太实用。由于这本教材的整体结构完全契合我对电路的基本认识,因而在国庆节放假期间研读这本教材时,我之前积累的对电路的认识一下就落实了下来,新课程内容的一个主干四个分支的基本架构至此完全成形,我之后的工作重点考虑的将是在安排新课程具体内容时应避免该教材存在的问题,使得同学能够接受新体系框架和对电路核心内容的重新安排。2012年秋季大班授课期间,我与高文焕老师、刘润生老师、魏琦博士等交流了我对新课程体系的规划以及我已着手编写的按新体系框架展开的第二版讲义内容。 2013年第二版讲义按新体系框架全面展开。新体系中,晶体管被归类于二端口非线性电阻,这打开了将模拟电路、通信电路课程内容全面融入电路原理框架的大门。新框架中,器件、单元电路、系统被统一为单端口或多端口网络,电路定律、定理和电路工作原理分析被重新排布和解读,打破了原课程体系对低频/高频、模拟/数字、线性/非线性的人为隔离。 (1) 一条主干四个分支的架构。以电路抽象为主干,以线性电阻电路、非线性电阻电路、一阶动态电路、二阶动态电路为四个分支。电路抽象主干包括四个基本元件(欧姆定律)、基本电路定律(基尔霍夫定律)、基本电路定理(戴维南定理、叠加定理、替代定理等)和基本分析方法。线性电阻电路是由线性代数方程描述的电路,要求把握的是线性传递关系、输入电阻、输出电阻、功率传输等概念,典型单元电路如分压器、分流器、电阻衰减器、理想变压器、理想回旋器等,其数学分析简而言之就是实矩阵分析,其简化分析多用叠加定理和戴维南定理。非线性电阻电路是由非线性代数方程描述的电路,要求把握的是有源性来源、能量转换、放大、反馈等概念,典型单元电路如二极管整流电路、稳压电路、晶体管放大电路等,多采用线性化分析方法以简化对非线性的分析,包括分段线性化和局部线性化。一阶动态电路是只包含一个动态元件如一个电容或一个电感的电路,要求把握的是电容充放电、电感充放磁、能量转储过程中的电荷守恒、能量守恒以及相应的延时、相移、滤波、微分、积分、电荷转移等特性,典型单元电路有积分器、一阶滤波器、开关电容电路、张弛振荡器等; 二阶动态电路是包括两个独立动态元件的电路,要求把握的是谐振、滤波、阻抗变换、振荡、稳定性等概念,典型单元电路有晶体管高频小信号放大器、正弦波振荡器、DCDC转换电路等。这里,众多的单元电路,包括整流器、逆变器、稳压器、放大器、滤波器、振荡器、AD/DA转换器、存储器等,均自然挂在四个分支上。 (2) 各个分支内容的展开以电路分析方法为明线脉络,以基本元件、受控源、负阻、开关为暗线关节,用网络参量整合线性电路,用非线性的线性化处理方法整合非线性电路,实现了电路课程内容的全面融合。线性电阻电路因其最为简单而作为推出电路基本定律、基本定理的例子,两者同时展开,将各种电路方程列写方法和电路基本定理(尤其是戴维南定理)视为降低分析复杂度的基本方法,并将戴维南定理以网络参量形式推广到对多端口线性网络的表征。非线性电阻电路则以非线性的线性化方法为主线,用分段折线法考察二极管相关电路和晶体管反相器、电流镜电路,用局部线性化方法考察放大器电路。引入负反馈提高系统性能,如稳定直流工作点、稳定放大增益、实现接近理想的受控源等; 引入正反馈实现负阻器件、滞回特性或记忆功能。一阶动态电路则以一阶线性时不变RC电路为核心展开,通过对一阶常系数微分方程的解析考察充放电、充放磁导致的延时特性,进而考察一阶滤波器的滤波、移相特性,对一阶非线性电路则采用分段折线法分析,以分段线性电阻对电容的充放电考察整流电路、张弛振荡电路等。一阶电路要求熟练应用三要素法。二阶动态电路以二阶线性时不变RLC谐振电路为核心,通过对二阶常系数微分方程的解析考察谐振和阻尼特性,进而考察二阶滤波器的时频对应关系和LC电路实现的阻抗变换功能; 对二阶非线性动态电路,用局部线性化方法分析高频小信号放大器高频功率增益及其稳定性,用准线性化方法分析正弦波振荡器振荡条件,用分段线性化方法考察DCAC和DCDC电路的能量转换机制。二阶电路要求在时域熟练应用五要素法,在频域熟练应用向量法。 (3) 新“电路基础”课程和原“电路原理”课程对比,并重线性和非线性,单端口和二端口,无源RLC电路和有源晶体管电路。同时将组合逻辑电路对应电阻电路,时序逻辑电路对应动态电路,以开关、双稳(负阻)为纽带,实现模拟电路和数字电路的自然过渡。课程内容中同时适当引入数值法,如非线性代数方程求解的牛顿拉夫逊迭代法,微分方程求解的欧拉法,便于和现代计算机数值计算相结合,同时通过数值法讨论引入微分电阻、状态转移等概念,以便于后续内容的进一步展开。课程内容适当引入系统级概念,如线性与非线性,噪声与失真,正负反馈等,便于和实际应用背景相结合。除了功能实现外,电路性能方面也略有涉及。 (4) 为了有效融合相关课程内容于一体并有所阐发,有一些概念需要重点考察甚至全新定义,有一些电路则需要重新解读。例如,为了解决将晶体管归类为电阻后晶体管电路是无源网络还是有源网络的疑问,本书对有源和无源进行了特别阐述; 晶体管归类为电阻后,用电桥观点解读差分放大器以阐述其差模放大共模抑制就是一种自然而然的选择。用网络参量描述放大器,考察负反馈放大器时则需引入单向网络和双向网络的概念,以及双向网络被视为单向网络的单向化条件; 这些新概念顺理成章地被用来解释晶体管CB组态电流缓冲应用、CC组态电压缓冲应用模型的适用性条件。进而在明确只有双向网络才能用于实现阻抗变换后,特征阻抗的定义使得对纯电抗网络的匹配设计有了一个基本抓手,如教材根据对特征阻抗的分析首次给出了双谐振匹配网络的设计公式等。在新体系中,电路基本定律和基本定理以复杂问题简单化为线索而重新排布和重新解读,重点理解和把握的是针对线性网络简化分析的戴维南定理和诺顿定理,并将网络参量解读为多端口网络的戴维南等效或诺顿等效内阻或内导,从而实现了多端口线性网络和单端口线性网络的统一表述。戴维南诺顿等效不仅被从单端口推广到多端口,更进一步还从电阻网络推广到对动态元件的时域表述中,如电容初始电压和电感初始电流的戴维南源或诺顿源等效,使得存在多电容连接的纯容网络或多电感连接的纯感网络参与的电路网络的时域分析变得简明扼要; 而纯容、纯感网络连通时产生的冲激电流和冲激电压则被解读为能量的瞬间释放,从而解释了此类电路分析中能量丢失的问题,这些解读简化了相关电路的时域分析。新体系中负阻是重要的核心器件之一,在解读正反馈、状态存储、张弛振荡、正弦振荡、放大器稳定性时,诸多电路概念均被统一关联在一个负阻视角下。上面所举例子并非本书中新解读的全部,读者尤其是有多年授课经验的老师在阅读本书时,会发现很多诸如此类与其他传统教材不一样的说法或传统教材中完全没有的说法,这些新说法基本上都是在新体系框架下对电路重新解读或统一认识的表述。教材中还有一些内容当属首次发表,如五要素法、双谐振回路设计公式、BJT混合π模型的双共轭匹配与稳定性分析等。 由于新体系是站在一个统一的视角下对诸多电路进行分析,使学生对电路概念的把握站到了更高的层次上。新体系内容排布脉络层次比较清晰,虽然学生评教普遍对课程内容多、教学进度快有所抱怨,但学生在本课程学习结束后获得的不仅是统一视角下的电路知识,更重要的是一种工程思维方法的建立,在数学和物理之间自在转换的喜悦。2013年新体系推出至今,本课程的教学工作已经连续4年学生评教高居全校Top 5%,我本人也于2014年被学生推评并获得“清华大学第5届清韵烛光我最喜爱的教师”称号。 新体系成形后,又经过3年的教学积淀,2016年出版的第三版讲义修订了2013版讲义中的未说清、漏写、错写的内容,同时以历年考题为基础,对课后练习和习题进行了增补。本书是对2016版讲义的订正,在同学的帮助下修改了其中近百处笔误性质的错误,但仍然不可避免地存在着不易觉察的各类错误。本书内容七成是对2011年小班试讲录音材料的重新组织,因而行文中保留了课堂授课的口语化痕迹,有些课堂教学中的重复在行文中则略显啰唆。由于本书属于电路原理类课程,因而电路符号采用最直观的符号体系,如MOSFET晶体管符号和BJT晶体管符号类同是由于它们之间具有某种可替代性,数字门电路符号舍弃了不够直观的方块符号,本书采用的这些符号可能并不符合国标,但我更看重的是它们的直观性和易把握性,这对基础教学尤为重要。读者在阅读和采用本书时,如果发现其他谬误之处,请直接发Email给我(guolinli@tsinghua.edu.cn),对于明显错误的地方会立即在再版中予以修正,有争议的地方我会仔细考虑予以修订。 科学技术的发展推动学校课程教学内容的修订,电路类课程的合并统一将是未来理工科学校电路教学的一个大趋势,清华大学电子工程系提前了20年做这项工作,我有幸被选中负责这项工作。本书是清华大学电子工程系本科教学改革10年启动6年落实的成果之一,在这里分享给各位同仁。教材难免有比较强烈的个人风格,因我出身微波专业,虽然课程规划时根本就没有考虑过把微波电路整合进来,但微波电路课程对电路的处理仍然深刻地影响到我的选择,如我选择用网络参量整合线性电路,并将传输线的特征阻抗定义推广到一般二端口网络,二端口网络传递函数定义本质上是对散射参量S21参量的电压电流重新表述,在环行器讨论中略微点出只有微波电路才讨论的反射概念等,一定程度上导致本课程的数学分析味道稍重。由于顾忌推进太急导致学生和其他院校学生的共同电路语言差异过大而不敢过度压缩课程内容,同时因为学识有限也不能完全保证本书中对电路的重新解读完全准确,本人对书中的错误负全责。目前的教材并非电路课程教改的最终版本,正式出版本书是希望能够抛砖引玉,吸引更多的老师参与到教学改革进程中,本书作为一个标靶和蓝本供各位同仁指正其中的错误和不妥当之处,包括体例格式、内容安排、电路解读和基本定义等。多年讲授电路相关课程的老师都有自己对电路的理解和独特解读,受限于各种环境因素而不能完全展示,本书的推出则期望能够激发相关老师和学校的热情,以启动或加快各院校电路类课程改革的进程。一花独放不是春,百花齐放春满园,我期望不久的将来能够看到各位老师推出更为适当的新电路原理教材,使得理工科学生对电路知识的全面掌握变得更加容易和富有乐趣。 本书共分10章,前5章以电阻电路为主,后5章以动态电路为主。由于清华大学电子工程系为本课程只分配了64课时,因而本书中公式推导较多的内容在实际教学中被略去不讲。对于采用本书进行教学的学校,我的建议是为本课程分配128课时,至少96课时,公式多的内容可以不讲,有些内容只需把概念或最终结论说清楚即可,有能力的同学自修相关推导,以缓解目前课程内容多、进度快对学生的压力。第7章时序逻辑电路内容可以调整到第9章一阶动态电路和第10章二阶动态电路之间讲授,或者只选取其中的基本锁存结构以双稳器件或N型负阻形态简单描述其存储或记忆功能即可。 课程改革牵扯诸多,很多学校的老师有心无力,清华大学电子工程系在王希勤和黄翊东两位主任的强力推动下实现了课改,他们承担了课程内容改革之外的压力,是课程改革最强大的后盾,各科负责人只需关注内容上的修订,这里对系领导表示特别的感谢。清华大学电子工程系电路类课程改革不是我一个人可以完成的,先期负责人李冬梅老师主持了多次研讨会,定下了“电路原理”和“模拟电路”两门课程内容需要合并的主基调。在她升任系教务主任后,由于学生工作繁重,改由我主导课改工作,在课程内容安排等问题上她和我有深入的探讨。电路所出身的高文焕、刘润生、董在望、郑君里等老教师十分关注课改并在各次教改研讨会上积极建言,他们有着丰富的教学经验和对教学内容的真知灼见,对课程改革提出的宝贵意见使得本课程教学内容的变动不至于严重偏离预定轨道。2011级小班试讲前,以高文焕老师为总顾问,武元祯、陈雅琴老师为顾问,李国林、陈雅琴、李冬梅、雷有华、罗嵘、皇甫丽英、刘小艳、徐淑正老师指导王飞、罗华、马自强、张超、方洋、杨迎翔、吴雪、彭亚锐同学开发了9个实验用于小班实验教学,这项工作得到了教学实验室主任邓北星和马晓红老师的全力配合和支持。2011年小班试讲时,刘小艳老师配合我全面修订了实验教学内容并带班实验,大班推广后张尊侨老师、金平老师参与并再次全面修订了实验教学内容,在三位老师的主导下,本课程的实验教学工作得以顺利进展,目前本课程的实验教学工作主要由刘小艳、金平、孙忆楠老师负责。闻和老师参与了2013年的教学工作,分担了部分教学压力。在前两年的课改教学中,闻和老师、魏琦博士和刘力源博士还参与了部分习题课的讲解。课改期间电路所历任所长杨华中、汪玉、刘勇攀老师对课改均大力支持,电路所各位老师在多次电路课程改革研讨会上对课改给出了很多好的建议,更为重要的是清华大学电子系有全国最优秀的接受能力极强的学生,这一切良好的环境才使得教学改革得以顺利推进。在此对所有参与和支持这次教学改革的老师和同学表示最衷心的感谢。 在课改期间,清华大学出版社多次举办全国性的研讨会宣传推动清华大学电子系的教学改革工作,这里对责任编辑文怡的相关工作和在教材方面的审订工作表示感谢。最后感谢家人对我工作的全力支持。 李国林2017年7月

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  • 李国林,清华大学电子工程系副教授。于1993年、2002年获得清华大学电子工程系电磁场与微波技术专业学士、硕士和博士学位。2002年入职清华大学电子工程系电路与系统研究所至今,主要从事电路与系统、电子医疗、人机交互等方面的研究工作。2003年至今,本科生专业基础课程“通信电路”主讲教师之一,该课程于2009年、2010年分获清华大学、北京市和国家精品课称号。2011年至今,教改课程本科生专业核心课“电子电路与系统基础”课程负责人和主讲教师,2014年获清华大学第5届“清韵烛光我最喜爱的教师”称号。

  • 为了解决膨胀的知识量与有限的学制之间的矛盾,提高教学效率和质量,培养拔尖型创新人才,清华大学电子工程系进行了全面的教学改革。在梳理出电子信息科学与技术知识构架的基础上,构建起了全新的课程体系。本书是清华大学电子工程系核心课系列教材之一,由清华大学副校长王希勤教授作序推荐。

    本课程是首次将“电路原理”“模拟电路”“通信电路”“数字电路”及场路整合一体的新电路原理课程。课程以电路抽象为主干,把包括放大器、滤波器、振荡器、数字门电路及存储器、能量转换电路等诸多基本单元电路挂靠在线性电阻电路、非线性电阻电路、一阶动态电路、二阶动态电路四个分支上。读者通过本课程学习可在更高层面上理解、分析和设计电路。

    1)将晶体管归类于非线性电阻,使得模拟电路、通信电路课程内容可融合于电路原理新框架中,并增加了对有源、无源、稳定性等内容的讨论。

    2)将器件、单元电路、系统统一为单端口或多端口网络,以网络参量整合线性电路,以非线性的线性化处理整合非线性电路,以电路抽象为主干,以电路分析方法的展开为明线,以基本元件、受控源、负阻、开关的应用为暗线,将多门电路课程内容有机融合于一体。

    3)在新框架下重新排布和解读相关电路定律、定理和电路工作原理。

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  • 第1章绪论1 1.1电路及其功用1 1.2电子系统构成与功能单元电路4 1.3课程内容及课程要求14 1.4习题20 第2章电阻与电源22 2.1基本电量22 2.2系统概念30 2.3端口抽象与网络33 2.4理想电源和理想电阻41 2.5各种形式的电阻54 2.6各种形式的电源70 2.7习题78 第3章电路基本定律和基本定理85 3.1电路方程列写的基本方法86 3.2降低方程规模的电路方程列写方法93 3.3降低分析复杂度的等效电路法102 3.4单端口线性网络的等效电路109 3.5对偶关系118 3.6线性受控源121 3.7线性阻性二端口网络的等效电路134 3.8二端口网络的连接158 3.9系统传函163 3.10网络分类171 3.11典型线性阻性网络及其应用189 3.12列写电路方程的例子218 3.13习题223 第4章非线性电阻电路237 4.1数值法: 牛顿拉夫逊迭代法238 4.2分段线性化之单端口非线性电阻: 二极管电路246 4.3分段线性化之二端口非线性电阻: 反相器和电流镜267 4.4局部线性化之单端口非线性电阻: 负阻放大器324 4.5局部线性化之二端口非线性电阻: 晶体管放大器339 4.6解析法: 差分对放大器368 4.7741运算放大器内部电路直流分析和交流分析393 4.8习题404 第5章运算放大器42...
  • 清华大学电子工程系核心课系列教材序

    清华大学电子工程系经过整整十年的努力,正式推出新版核心课系列教材。这成果来之不易!在这个时间节点重新回顾此次课程体系改革的思路历程,对于学生,对于教师,对于工程教育研究者,无疑都有重要的意义。

    高等电子工程教育的基本矛盾是不断增长的知识量与有限的学制之间的矛盾。这个判断是这批教材背后最基本的观点。

    当今世界,科学技术突飞猛进,尤其是信息科技,在20世纪独领风骚数十年,至21世纪,势头依然强劲。伴随着科学技术的迅猛发展,知识的总量呈现爆炸性增长趋势。为了适应这种增长,高等教育系统不断进行调整,以把更多新知识纳入教学。自18世纪以来,高等教育响应知识增长的主要方式是分化:一方面延长学制,从本科延伸到硕士、博士;一方面细化专业,比如把电子工程细分为通信、雷达、图像、信息、微波、线路、电真空、微电子、光电子等。但过于细化的专业使得培养出的学生缺乏处理综合性问题的必要准备。为了响应社会对人才综合性的要求,综合化逐步成为高等教育主要的趋势,同时学生的终身学习能力成为关注的重点。很多大学推行宽口径、厚基础本科培养,正是这种综合化趋势使然。通识教育日益受到重视,也正是大学对综合化趋势的积极回应。

    清华大学电子工程系在20世纪80年代有九个细化的专业,20世纪90年代合并成两个专业,2005年进一步合并成一个专业,即“电子信息科学类”,与上述综合化的趋势一致。

    综合化的困难在于,在有限的学制内学生要学习的内容太多,实践训练和课外活动的时间被挤占,学生在动手能力和社会交往能力等方面的发展就会受到影响。解决问题的一种方案是延长学制,比如把本科定位在基础教育,硕士定位在专业教育,实行五年制或六年制本硕贯通。这个方案虽可以短暂缓解课程量大的压力,但是无法从根本上解决知识爆炸性增长带来的问题,因此不可持续。解决问题的根本途径是减少课程,但这并非易事。减少课程意味着去掉一些教学内容。关于哪些内容可以去掉,哪些内容必须保留,并不容易找到有高度共识的判据。

    探索一条可持续有共识的途径,解决知识量增长与学制限制之间的矛盾,已是必需,也是课程体系改革的目的所在。

    学科知识架构是课程体系的基础,其中核心概念是重中之重。这是这批教材背后最关键的观点。

    布鲁纳特别强调学科知识架构的重要性。架构的重要性在于帮助学生利用关联性来理解和重构知识;清晰的架构也有助于学生长期记忆和快速回忆,更容易培养学生举一反三的迁移能力。抓住知识架构,知识体系的脉络就变得清晰明了,教学内容的选择就会有公认的依据。

    核心概念是知识架构的汇聚点,大量的概念是从少数核心概念衍生出来的。形象地说,核心概念是干,衍生概念是枝、是叶。所谓知识量爆炸性增长,很多情况下是“枝更繁、叶更茂”,而不是产生了新的核心概念。在教学时间有限的情况下,教学内容应重点围绕核心概念来组织。教学内容中,既要有抽象的概念性的知识,也要有具体的案例性的知识。

    梳理学科知识的核心概念,这是清华大学电子工程系课程改革中最为关键的一步。办法是梳理自1600年吉尔伯特发表《论磁》一书以来,电磁学、电子学、电子工程以及相关领域发展的历史脉络,以库恩对“范式”的定义为标准,逐步归纳出电子信息科学技术知识体系的核心概念,即那些具有“范式”地位的学科成就。

    围绕核心概念选择具体案例是每一位教材编者和教学教师的任务,原则是具有典型性和时代性,且与学生的先期知识有较高关联度,以帮助学生从已有知识出发去理解新的概念。

    电子信息科学与技术知识体系的核心概念是:信息载体与系统的相互作用。这是这批教材公共的基础。

    1955年前后,斯坦福大学工学院院长特曼和麻省理工学院电机系主任布朗都认识到信息比电力发展得更快,他们分别领导两所学校的电机工程系进行了课程改革。特曼认为,电子学正在快速成为电机工程教育的主体。他主张彻底修改课程体系,牺牲掉一些传统的工科课程以包含更多的数学和物理,包括固体物理、量子电子学等。布朗认为,电机工程的课程体系有两个分支,即能量转换和信息处理与传输。他强调这两个分支不应是非此即彼的两个选项,因为它们都基于共同的原理,即场与材料之间相互作用的统一原理。

    场与材料之间的相互作用,这是电机工程第一个明确的核心概念,其最初的成果形式是麦克斯韦方程组,后又发展出量子电动力学。自彼时以来,经过大半个世纪的飞速发展,场与材料的相互关系不断发展演变,推动系统层次不断增加。新材料、新结构形成各种元器件,元器件连接成各种电路,在电路中,场转化为电势(电流电压),“电势与电路”取代“场和材料”构成新的相互作用关系。电路演变成开关,发展出数字逻辑电路,电势二值化为比特,“比特与逻辑”取代“电势与电路”构成新的相互作用关系。数字逻辑电路与计算机体系结构相结合发展出处理器(CPU),比特扩展为指令和数据,进而组织成程序,“程序与处理器”取代“比特与逻辑”构成新的相互作用关系。在处理器基础上发展出计算机,计算机执行各种算法,而算法处理的是数据,“数据与算法”取代“程序与处理器”构成新的相互作用关系。计算机互联出现互联网,网络处理的是数据包,“数据包与网络”取代“数据与算法”构成新的相互作用关系。网络服务于人,为人的认知系统提供各种媒体(包括文本、图片、音视频等),“媒体与认知”取代“数据包与网络”构成新的相互作用关系。

    以上每一对相互作用关系的出现,既有所变,也有所不变。变,是指新的系统层次的出现和范式的转变;不变,是指“信息处理与传输”这个方向一以贯之,未曾改变。从电子信息的角度看,场、电势、比特、程序、数据、数据包、媒体都是信息的载体;而材料、电路、逻辑(电路)、处理器、算法、网络、认知(系统)都是系统。虽然信息的载体变了,处理特定的信息载体的系统变了,描述它们之间相互作用关系的范式也变了,但是诸相互作用关系的本质是统一的,可归纳为“信息载体与系统的相互作用”。

    上述七层相互作用关系,层层递进,统一于“信息载体与系统的相互作用”这一核心概念,构成了电子信息科学与技术知识体系的核心架构。

    在核心知识架构基础上,清华大学电子工程系规划出十门核心课:电动力学(或电磁场与波)、固体物理、电子电路与系统基础、数字逻辑与CPU基础、数据与算法、通信与网络、媒体与认知、信号与系统、概率论与随机过程、计算机程序设计基础。其中,电动力学和固体物理涉及场和材料的相互作用关系,电子电路与系统基础重点在电势与电路的相互作用关系,数字逻辑与CPU基础覆盖了比特与逻辑及程序与处理器两对相互作用关系,数据与算法重点在数据与算法的相互作用关系,通信与网络重点在数据包与网络的相互作用关系,媒体与认知重点在媒体和人的认知系统的相互作用关系。这些课覆盖了核心知识架构的七个层次,并且有清楚的对应关系。另外三门课是公共的基础,计算机程序设计基础自不必说,信号与系统重点在确定性信号与系统的建模和分析,概率论与随机过程重点在不确定性信号的建模和分析。

    按照“宽口径、厚基础”的要求,上述十门课均被确定为电子信息科学类学生必修专业课。专业必修课之前有若干数学物理基础课,之后有若干专业限选课和任选课。这套课程体系的专业覆盖面拓宽了,核心概念深化了,而且教学计划安排也更紧凑了。近十年来清华大学电子工程系的教学实践证明,这套课程体系是可行的。

    知识体系是不断发展变化的,课程体系也不会一成不变。就目前的知识体系而言,关于算法性质、网络性质、认知系统性质的基本概念体系尚未完全成型,处于范式前阶段,相应的课程也会在学科发展中不断完善和调整。这也意味着学生和教师有很大的创新空间。电动力学和固体物理虽然已经相对成熟,但是从知识体系角度说,它们应该覆盖场与材料(电荷载体)的相互作用,如何进一步突出“相互作用关系”还可以进一步探讨。随着集成电路发展,传统上区分场与电势的条件,即电路尺寸远小于波长,也变得模糊了。电子电路与系统或许需要把场和电势的理论相结合。随着量子计算和量子通信的发展,未来在逻辑与处理器和通信与网络层次或许会出现新的范式也未可知。

    工程科学的核心概念往往建立在技术发明的基础之上,比如目前主流的处理器和网络分别是面向冯∙诺依曼结构和TCP/IP协议的,如果体系结构发生变化或者网络协议发生变化,那么相应地,程序的概念和数据包的概念也会发生变化。

    这套课程体系是以清华大学电子工程系的教师和学生的基本情况为前提的。兄弟院校可以参考,但是在实践中要结合自身教师和学生的情况做适当取舍和调整。

    清华大学电子工程系的很多老师深度参与了课程体系的建设工作,付出了辛勤的劳动。在这一过程中,他们表现出对教育事业的忠诚,对真理的执着追求,令人钦佩!自课程改革以来,特别是2009年以来,数届清华大学电子工程系的本科同学也深度参与了课程体系的改革工作。他们在没有教材和讲义的情况下,积极支持和参与课程体系的建设工作,做出了重要的贡献。向这些同学表示衷心感谢!清华大学出版社多年来一直关注和支持课程体系建设工作,一并表示衷心感谢!

     

    王希勤

    2017年7

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