网络理论促进更好的PCB设计和开发

2021-01-27

解决电路和网络问题的研究称为网络理论。网络理论概念对于网络分析至关重要，这对PCB传输线和配电网络的设计至关重要。您需要掌握电路和网络组件的基础知识才能掌握网络分析。 

网络概念的知识对于确保简化PCB制造流程也至关重要。以下是我们将在本文中讨论的一些网络理论的核心概念：

1 电气网络和电路有什么区别？

1.1 电网

1.2 电路

1.3 网元类型

1.4 有源和无源元件

1.5 线性和非线性元素

1.6 双边和单方面要素

2 网络理论术语

3 串联和并联电路

4 基尔霍夫定律是什么？

5 什么是网络定理？

5.1 特勒根定理

5.2 戴维南定理

5.3 诺顿定理

5.4 叠加定理

6 网络分析有哪些不同类型？

6.1 节点分析

6.2 网格分析

6.3 电路中的网络拓扑

7 网络分析中的网络图是什么？

电网和电路之间有什么区别？

网络和电路之间的主要区别在于，网络不需要闭合的电流路径，电路不需要。

电网

电网包括互连的电路元件，该电路元件包括电容器，电阻器，电感器和开关。 

电路

电路包括闭合路径，以促进来自提供电流或电压的电源的电子流动。同样，电路元件可以串联或并联连接，也可以串联或并联组合。电路是网络的子集。

网元类型

您可以根据各种参数将网络元素分为不同的类型：

主动和被动元素

线性和非线性元素

双边和单方面要素

主动和被动元素

当网络元素需要电源来运行时，它被称为活动元素。示例包括微处理器，运算放大器等。无源组件是那些不能由其他信号控制并且可以吸收或存储能量的组件。示例包括电阻器，电感器和电容器。

线性和非线性元素

当网络元素显示电压和电流之间的线性关系时，它们称为线性元素。这些包括电容器，电感器和电阻器。当网络的元素在电压和电流之间不显示线性关系时，它们被称为非线性元素。这些包括二极管，晶体管等。

双边和单方面要素

在此，根据流过这些元件的电流方向对网络元件进行分类。 

单边和双边要素

单边元件允许电流单向流动。它们在两个方向上提供不同的阻抗。双向元件允许电流在两个方向上流动，并在电流的两个方向上提供相同的阻抗。这些组件包括电容器，电阻器和电感器。

网络理论术语

这是网络理论的核心术语列表：

电流–电荷流动的时间率称为电流，用安培（库仑/秒）为单位的“ I”表示。

电子电流从电源的负极流向正极。这是通过自由电子的运动获得的。

常规电流从电源的正极流向负极，并由自由正电荷的运动产生。

电压–导致电荷流动的电动势称为电压。用“ V”表示，以伏特为单位

电抗是交流电路中电容和电感的组合。这用X表示，倒数（1 / X）是电纳（b）。

阻抗是交流电中电感和电容的总和，用Z表示。该逆数（1 / Z）称为导纳Y。

电阻在由R表示电阻（1 / R）的倒数的电路是由电导G.表示

电容的电网络被表示为C.

电网中的电感用L表示。

欧姆定律

欧姆定律指出，通过两点之间的导体的电流与两点之间的电压成正比。

R = V / I，其中R是称为电阻的比例常数。V表示电压，I表示电流。 

串联和并联电路

网络的最基本类型是串联或并联。对于串联电路，总电阻/阻抗是电阻或阻抗的总和。同样，在并联电路中，所得等效电阻器（1 / R）的倒数等于并联连接的电阻的倒数之和（1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3…）。

在串联电路中，电压是每个网络元件上的电压之和，而每个元件上的电流是相同的。当考虑并联电路时，每个网络元件上的电压均保持不变，而电流与每个电路的电阻/阻抗成反比。

电感器在阻抗和电压方面遵循与电阻器相同的原理，即串联电感器的（L = L1 + L2 + L3…）。对于并联电容器，（C = C1 + C2 + C3）。

串联电路和并联电路

基尔霍夫定律是什么？

基尔霍夫的电路定律处理电路中电流和电压之间的关系。

基尔霍夫的第一定律（也称为基尔霍夫电流定律）指出，电路节点处的电流总和等于零。

基尔霍夫第二定律指出，环路周围的电压总和等于零。

基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律

什么是网络定理？

网络定理是一个可证明的陈述，可以用于求解电路的电压和电流。以下是一些常用的网络定理：

特勒根定理

特勒根定理指出，只要网络还符合基尔霍夫定律，网络中所有分支的功率总和就等于零。对于具有b个分支的网络：

特勒根定理

这广泛适用于各种问题，并且对每种类型的网络元素都适用-被动，主动，线性和非线性。

特温宁定理

塞维南定理指出，电路中的任何网络元素集都可以由连接到负载的单个电压源和串联电阻代替。通过分支开路确定相应的电压，并且在电阻情况下通过短路所有电压源来计算。

特维宁等效电路

诺顿定理

诺顿定理指出，任何一组网络元素都可以由单独的电流源和并联电阻表示。您可以通过使支路短路来计算相应的电流。同样，您可以通过短路任何电压源来确定电阻值。

诺顿等效电路

叠加定理

叠加使您可以通过分别考虑每个电流或电压源并汇总结果来找到解决方案。当网络包含多个电流或电压源时，这很有用。为了单独考虑每个电源，将其他现有电压源短路，将电流源设置为开路。 

网络分析有哪些不同类型？

网络分析是一种用于数学分析网络的结构化方法。这对于工程师解决具有多个组件配置以及电源和电压源的电路很有用。此外，执行网络分析使设计人员可以消除电路效率低下的问题，并简化网络设计。这需要对网络理论概念有强大的命令。您还可以实施网络分析，以简化电路中的网络缩减技术，这是使电路的尺寸和复杂性最小化所必需的。

以下是一些网络分析方法：

 节点分析

节点分析是一种使用基尔霍夫第一定律分析电路的方法。您可以将节点电压定义为节点分析中的变量以找到解决方案。这些是执行节点分析的步骤：

为每个节点分配电压，例如V1，V2等。

计算每个分支中的电流，例如从节点1到节点2，将电阻表示为R12，将分支中的电流计算为I12 =（V1-V2）/ R12

在每个节点上应用基尔霍夫的第一定律 

求解结果方程，得到每个节点的电压

 网格分析

网格分析是一种在网络分析中用于计算平面电路中电流的方法。您可以在没有纵横交错连接的平面上描绘平面电路。进行网格分析的步骤如下：

为网络中的每个闭环分配网格或回路电流

将基尔霍夫第二定律应用于每个循环

求解结果方程，以确定环路电流，然后确定网络电压 

电路中的网络拓扑 

网络拓扑是电路的图形表示，可用于分析复杂的电路。它也被称为图论，并且是网络理论的组成部分。

网络分析中的网络图是什么？

网络图包括一组通过分支连接的节点，一个节点是两个或多个分支的交点。另外，您可以将分支定义为连接两个单独节点的线段。

通过将无源元件和电压源互换短路，可以将所有电路或网络转换为等效图形。您还需要将电流源与开路互换。因此，网络图中的线段要么代表电路的电压源，要么代表无源元件。

网络理论概念对于PCB设计至关重要。有抱负的PCB设计师，甚至是资深专家，都需要对网络理论有充分的了解，才能设计出高效的网络和PCB。