二端口网络在电子线路中的应用

王振远

摘 要：任何二端口，它的输出端电压和电流的大小都可以随输入端电压或电流的变化而变化。通过改变双口网络的内部结构（电阻、电感、电容的大小，连接方式等）来改变电路的性质和功能。二端口网络就像是一个具有输入输出端口的盒子，盒子里面盛放的电子元件不同，对电子电路的影响也不同。

关键词：二端口网络；运算放大器；移相器；滤波器；波形信号、能量

二端口网络（two-port network），是指端口数等于二的多端网络，又称为双口。分为有源和无源，线性和非线性等。在二端口网络中接电源的端口称为入口，接负载的端口称为出口。各个端口的电压和电流称为端口电压V1，V2和i1，i2统称为端口变量。

由于二端口网络的这种特性，它既可以是非常复杂的电路网络，也可以是由极其简单的网络构成，常见的二端口有变压器，运算放大器等。在电子电路中，二端口网络之间的连接方式有五种，分别是串联、并联、串-并联、并-串联和级联。

二端口网络在电子线路中的应用非常广泛，本文将对一些电子电路中应用到的二端口网络作介绍：

1.滤波器（filter）

滤波器就是一种二端口网络，它是一种减少或消除谐波对电力系统影响的电气部件，能实现对信号频率的筛选作用，由电阻，电容和电感组成。在一个电子电路中，滤波器可以对电源线中特定频率的频点或频段进行有效的滤除，得到或滤除一个固定频率的电源信号。能通过滤波器的信号频率范围称为通带，反之，被完全抑制或者大幅度衰减的信号频率范围称为阻带。通带和阻带之间的分界频率称为截止频率。由于电容器具有隔直通交，电感器具有隔交通直的作用，滤波器也能起到使混合的交直流分开的作用。

在电子电路中，我们可以利用滤波器就能滤除畸变和被污染的噪声信号，保证信号产生、转换、传输过程的准确性。

2.移相器（Phaser）

移相器是一种能对波的相位进行调整的一种装置。现代电子技术利用A/D、D/A转换来实现数字移相，并且具有很高的精确性。电子电路中的移相器，通过调节输入信号的相位来改变电路特性。移相器有多种类型，首先定义相位移移相器和时延迟移相器。

相位移移相器的定义为在工作频率带宽上具有平坦的群延迟的频率响应，波前平面不随插入相位的变化而改变的控制器件。时延迟移相器在工作频率带宽上也具有平坦的群延迟频率响应，但是波的前平面随插入相位的变化而改变。如图所示：

相位移移相器和时延迟移相器各有优缺点：相位移移相器可以应用于多路间隔不同脉冲的接收一合并机中，将射频信号对位在脉冲的包络内而不改变脉冲边沿的时序。然而，由于“相位偏斜”和“脉冲展宽”效应的限制，相位移移相器无法应用于大孔径相阵天线的宽带波束形成网络中。时延迟移相器在宽带微波信号处理系统中有着广泛的应用，如相阵天线的波束形成网络中。

3.运算放大器

运算放大器是一种具有很高放大倍数的电路单元。它的核心是一个差动放大器。就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的正向输入，一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放大输出。在实际电路中，可以结合反馈网络构成某种功能模块。运算放大器最早被设计出来的目的是将电路中的电压类比成数字进行加减乘除的运算，同时也成为模拟计算机的基本建构方块。今天的运算放大器，具有晶体管，真空管，分立式元件或者集成电路元件的类型。效能已经逐渐能够达到理想运算放大器的需求。运算放大器是差分输入、单端输出的极高增益放大器，常用于高精度模拟电路，因此必须精确测量其性能。但在开环测量中，其开环增益可能高达107或更高，而拾取、杂散电流或塞贝克（热电偶）效应可能会在放大器输入端产生非常小的电压，这样误差将难以避免。

一般来说，运放具有以下特性：

（1）如果运放两个输入端上的电压均为0V，则输出端电压也应该等于0V。但事实上，输出端总有一些电压，该电压称为失调电压VOS。如果将输出端的失调电压除以电路的噪声增益，得到结果称为输入失调电压 或输入参考失调电压。这个特性在数据表中通常以VOS 给出。VOS 被等效成一个与运放反相输入端串联的电压源。必须对放大器的两个输入端施加差分电压，以 产生0V输出。

（2）理想运放具有非常大的阻抗，趋近于无穷大，因此流入输入端的电流趋近于零。但是在输入集中使用双极结晶体管（BJT）的真实运放需要一些电流才可以工作，称之为偏置电流（IB）通常有IB+和IB-两个，他们分别流入两个输入端。并且有些高速运放的偏置电流有时候可以达到几十毫安。

任何二端口，它的输出端电压和电流的大小都可以隨输入端电压或电流的变化而变化。通过改变双口网络的内部结构（电阻、电感、电容等的大小，连接方式等）来改变电路的性质和功能，通过二端口网络构成的互易网络、对称网络、无耗网络具有不同的特点。互易网络在两个端口产生的电压相同，且组成网络的元件都是线性无源元件。若组成的网络包含主动元件（电晶体、数码电路器件等）则不是互易网络。对称网络是指这个网络的输入阻抗等于输出阻抗。大多数情况下，对称网络在物理结构上也是对称的，但是有时候不具有物理对称结构的电阻组成的电路网络也能组成对称网络。若一个二端口网络中不包含耗能元件则称这个二端口网络是无耗网络。

参考文献：

[1]学好的运算放大器的16个基础知识点https：//zhuanlan.zhihu.com/p/23979877

[2]电工论坛-二端口网络的应用

http：//www.diangon.com/m394531.html

[3]电子发烧友网http：//www.elecfans.com/article/88/131/sz/2017/20171221605899.html