研究滿足給定回應特性的網路設計方法。網路綜合與網路分析一起是網路理論的兩個重要組成部分。對同一回應特性,往往有多個網路能滿足要求,所以網路綜合的結果通常不是唯一的,並且也有可能無答案,而無法物理實現。

  在網路綜合過程中所給定的頻域或時域回應特性,通常是一組資料、曲線或不等式。首先要根據給定的特性找出在容許誤差範圍之內的數學上的近似函數(這就是所謂逼近),再以這近似函數設計出滿足給定要求的能夠實現的網路。

  網絡綜合如果是按照頻域響應特性進行的,稱為頻域綜合;如果是按照時域響應特性進行的,稱為時域綜合,由於頻域函數和時域函數可以通過拉普拉斯變換互相轉換,所以一般隻討論頻域綜合。

  網絡綜合所得到的網絡結構是用無源RLCM元件實現的,叫做無源網絡綜合。如果網絡結構中含有運算放大器、晶體三極管、受控源、阻抗變換器等有源元件,稱為有源網絡綜合。

  網絡綜合是以網絡函數為基礎的。所以網絡函數的性質是決定能否實現穩定網絡的關鍵。為瞭得到穩定網絡,網絡函數應具備的條件有:①網絡函數是復頻率S的實系數有理函數;②網絡函數的分子與分母多項式的S冪次數之比不大於一;③分母必須是霍爾維茨多項式,也就是說,穩定網絡的網絡函數隻有S平面左半面的極點,虛軸上的極點必須是單階的,並且極點處的留數為正值。

  無源單口網絡綜合 對策動點函數做分式展開,各展開項用RLCM網絡元件實現的過程稱為單口網絡綜合。為瞭保證策動點網絡函數的無源實現,網絡函數H(s)應是正實函數,即是:①當s是實數時,H(s)也是實數;②當Re[s]≥0時,Re[H(s)]≥0。

  零點和極點位於復平面虛軸上的策動點函數,可以用無耗LC網絡實現。零點和極點位於復平面負實軸上的策動點函數,一般可以用RCRL網絡實現。這兩類策動點函數如果用部分分式展開,得到福斯特型網絡結構;如果用連分式展開,就得到考爾型網絡結構。以LC網絡為例,兩種結構形式如圖1和圖2所示。

  一般具有正實函數性質的策動點函數,往往既有虛軸上的極點,又有復平面左半面的極點。這種策動點函數稱為非最小策動點函數,可以用RLCM元件實現。常用的綜合方法有佈隆法、波特-杜芬法、宮田法等。

  無源二端口網絡綜合 將給定的二端口網絡函數(轉移函數、工作傳輸函數或特征函數)用RLCM元件實現為具體的二端口網絡結構的過程稱為二端口網絡綜合。二端口網絡函數無源實現的條件與網絡參數的性質有關。線性集總時不變互易網絡的網絡參數(即阻抗參數或導納參數)還必須滿足實部條件和留數條件。

  二端口網絡函數的極點位於復平面的虛軸上,可用電抗網絡實現;位於復平面負實軸上,可用RCRL元件實現。

  按照給定的轉移函數實現單端(負載端)接阻的網絡可用零點移位法實現梯型網絡結構(考爾型電路)。在一般情況下,二端口網絡總是雙端接阻(輸入端是電源內阻)的(圖3),

在進行綜合時,是在展開由工作傳輸函數決定的入端阻抗函數的過程中,用圖4所示的達林頓基本節實現傳輸零點,再由各基本節級聯而成。這種方法稱為達林頓級聯法。

  除達林頓級聯網絡外,還可以用橋型、橋T型網絡結構實現傳輸零點,進行網絡綜合。

  逼近問題 理想的網絡特性在實際中是無法實現的,但可用可實現的近似函數逼近。因此需要選用適當的近似方法。一般可分為頻域近似和時域近似。頻域近似中主要的有最平幅度近似,等波紋近似等,時域近似中主要有最平時延近似等。

  ①最平幅度近似:將一般的濾波器衰減特性A(ω)與特征函數k(ω)的關系寫為

A(ω)=10lg(1+|k(jω)|2)   (dB)

根據低通濾波器在通帶0-ωpA(ω)應該逼近零值,所以要求|k(jω)|a在這個頻帶內逼近零值,近似函數取為

k(jω)=∈ωn

式中∈是待定常數, n為階次取正整數。如果用歸一化頻率 描述,則上式

k(jΩ)=∈Ωn

這種近似函數的特點是,在原點 Ω=0處,從1到 n-1階的導數都是零。 n越大逼近情況越好,所以稱為最平幅度近似。

  上式中∈Ωnn階巴特沃思多項式,即

Bn(Ω)=∈Ωn

所以這種近似也稱巴特沃思近似,用它所實現的濾波器稱為巴特沃思低通濾波器。

  ②等波紋近似:取近似函數為

k(jΩ)=∈cos(ncos-1Ω) (-1≤Ω≤1)

=∈ch(nch-1Ω)  (Ω≥1)

這種近似的特點是把衰減零點散置在通帶范圍內,使通帶衰減呈等幅度波動特性,從而使整個通帶的衰減特性有很大改善,並且階數越高,過渡特性越好。在上式中 C n( Ω)=∈cos( ncos -1 Ω)是切比雪夫多項式,所以這種近似也稱為切比雪夫近似。用它所實現的濾波器稱為切比雪夫濾波器。

  如果取近似函數為

這時通帶內是最平幅度近似,阻帶內是等波紋近似。用該近似函數實現的濾波器稱為逆切比雪夫濾波器。

  如果取近似函數為

這時在通帶和阻帶內對理想特性都做等波紋近似。用該近似函數實現的濾波器稱為橢圓函數濾波器或考爾濾波器。

  ③最平時延近似:有些傳輸系統需要使時延失真在一定范圍之內,常用近似函數

式中 W( P)是工作傳輸函數, P是歸一化復頻率, B n( P)稱為 n階貝塞爾多項式。各階 B( P)之間有如下遞推關系

階次 n越大,具有平坦時延的頻帶就越寬。

  頻率變換 在實際工作中除低通濾波器外,還常用到高通、帶通、帶阻等濾波器。一般地說,它們的轉移函數與低通濾波器之區別在於通帶、阻帶位置的變化,所以可通過對低通濾波器的轉移函數進行頻率變換來獲得。其方法是把稱為原型低通濾波器的工作傳輸函數W(S)或特征函數k(S)的頻率變量S通過一定的映射關系S=g(ŝ)變換成另一頻率變量ŝ、頻率變換後所得到的高通、帶通、帶阻等濾波器,其網絡結構與低通原型網絡相比較,僅是元件的性質和數值有相應改變。

  有源RC網絡綜合 LC網絡的靈敏度低,頻率響應特性的選擇性好,所以在工程中得到廣泛應用。但是電感元件體積大,不便於小型化和集成化。隨著微電子學和集成工藝的發展,利用集成的有源元件來模擬電感等元件,或網絡內部的電流電壓關系成為可能。

  實現有源RC網絡常用的有源器件是各種受控源電路及以運算放大器組成的通用阻抗變換器(GIC)、負阻抗變換器(NIC)、通用阻抗倒量器(GII)、回轉器、頻變負阻器(FDNR)等。主要方法可以分成以下兩類。

  ①直接綜合轉移函數法:首先把給定的高階轉移函數Hs)分解成一階和二階的轉移函數Hi(s)。每一個Hi(s)都可用一個子電路實現,級聯起來後以實現給定的高階函數。實現一階函數可用單運算放大器的積分或微分電路。而二階函數的實現電路很多,如GIC型二階電路、狀態變量二階電路等。

  ②無源網絡有源模擬法:直接綜合轉移函數得到的有源網絡的靈敏度較大。而直接用有源網絡來模擬具有低靈敏度的無源網絡是一個有效的解決辦法。無源網絡的有源模擬可用回轉器或運算放大器電感模擬電路實現原型網絡中的電感;也可用變換原型網絡中的電感為電阻,接地電容為頻變負阻,電阻為電容的方法;也可用通用阻抗變換器實現原型網絡中的浮地電感等方法。

  靈敏度 網絡中的元件參數,除制造公差外,還因老化和環境溫度、濕度的影響發生變化,從而導致網絡的特性偏離原設計值,甚至不能正常工作。在有源網絡綜合中,同一網絡函數可以用不同的電路實現,而不同電路的特性對元件參數變化的敏感程度很不相同。估算這一影響的程度常用所謂靈敏度,它的一種定義是:函數F的相對變化與元件參數x的相對變化之比,即

所以,靈敏度常用作判定所選電路優劣的一個重要指標。