Бакалов В.П. Основы теории цепей. 3-е издание

Подождите немного. Документ загружается.

Â.Ï. Áàêàëîâ, Â.Ô. Äìèòðèêîâ, Á.È. Êðóê

ÎÑÍÎÂÛ

ÒÅÎÐÈÈ ÖÅÏÅÉ

3-å èçäàíèå,

ïåðåðàáîòàííîå è äîïîëíåííîå

Ïîä ðåäàêöèåé ïðîôåññîðà Â.Ï. Áàêàëîâà

Äîïóùåíî Ìèíèñòåðñòâîì èíôîðìàöèîííûõ

òåõíîëîãèé è ñâÿçè ÐÔ â êà÷åñòâå ó÷åáíèêà äëÿ ïîäãîòîâêè

áàêàëàâðîâ, äèïëîìèðîâàííûõ ñïåöèàëèñòîâ è ìàãèñòðîâ

ïî íàïðàâëåíèþ «Òåëåêîììóíèêàöèè» (210400)

Ìîñêâà

Ãîðÿ÷àÿ ëèíèÿ $ Òåëåêîì

УДК 621.373(075)

ББК 32.88

Б 19

Федеральная программа поддержки книгоиздания России

Рецензенты: проф. Ю.Ф. Урядников, проф. А.Е. Дубинин

Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И.

Б 19 Основы теории цепей: Учебник для вузов; Под ред. В.П. Бакалова. – 3-е изд., пере-

раб. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – с.: ил.

ISBN 5-256-01472-2.

Излагается теория электрических цепей, на основе которой дается представление

об анализе и синтезе схем усилителей, генераторов, фильтров, корректоров и других уст-

ройств. По сравнению с предыдущим изданием расширена глава, посвященная дискрет-

ным цепям и цифровым фильтрам, в конце глав приводятся тесты для самоконтроля.

Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Телекоммуникации».

ББК 32.88

ISBN 5-256-01472-2 © Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф.,

Крук Б.И., 2007

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ ê 3-ìó èçäàíèþ

Â îñíîâå 3-ãî èçäàíèÿ ó÷åáíèêà «Îñíîâû òåîðèè öåïåé» ëåæèò

ó÷åáíèê, èçäàííûé àâòîðàìè â èçäàòåëüñòâå «Ðàäèî è ñâÿçü» â

2000 ã. [1].

Ïðèíÿòèå íîâîé êîíöåïöèè âûñøåãî îáðàçîâàíèÿ, â îñíîâó êî-

òîðîé ïîëîæåíà 2-õ óðîâíåâàÿ ñèñòåìà (áàêàëàâðèàò, ìàãèñòðàòó-

ðà), èçìåíåíèå íîìåíêëàòóðû ñïåöèàëüíîñòåé, ïîòðåáîâàëî âíåñå-

íèå â ó÷åáíèê íåêîòîðûõ èçìåíåíèé, îðèåíòèðîâàííûõ íà íîâûå

ñïåöèàëüíîñòè ñâÿçè è íàïðàâëåíèå «Òåëåêîììóíèêàöèè».

Ó÷èòûâàÿ âñå áîëüøåå ïðèìåíåíèå öèôðîâûõ ìåòîäîâ îáðàáîò-

êè ñèãíàëîâ, ðàñøèðåíà ãëàâà, ïîñâÿùåííàÿ äèñêðåòíûì öåïÿì è

öèôðîâûì ôèëüòðàì. Â ÷àñòíîñòè äîáàâëåí ðàçäåë, ïîñâÿùåííûé

ìåòîäó ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ â äèñêðåòíûõ öåïÿõ è ýôôåêòàì

êâàíòîâàíèÿ â öèôðîâûõ ôèëüòðàõ.

Â ïîäãîòîâêå 3-ãî èçäàíèÿ ó÷åáíèêà áîëüøóþ ïîìîùü îêàçàëè

àâòîðàì ñîòðóäíèêè êàôåäðû ÒÝÖ Ñèáèðñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî

óíèâåðñèòåòà òåëåêîììóíèêàöèé è èíôîðìàòèêè (ÑèáÃÓÒÈ) è â

÷àñòíîñòè ñò. ïð. Ãóñåëüíèêîâà Í.Ì., êîòîðûì àâòîðû âûðàæàþò

ãëóáîêóþ áëàãîäàðíîñòü.

Îòâ. ðåäàêòîð, äòí., ïðîô. Â.Ï. Áàêàëîâ

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ êî 2-ìó èçäàíèþ

Äèñöèïëèíà «Îñíîâû òåîðèè öåïåé» (ÎÒÖ) ÿâëÿåòñÿ áàçîâûì

êóðñîì ïðè ïîäãîòîâêå áàêàëàâðîâ, ìàãèñòðîâ ïî íàïðàâëåíèÿì

«Òåëåêîììóíèêàöèè», «Ðàäèîòåõíèêà», à òàêæå èíæåíåðîâ ïî ñïå-

öèàëüíîñòÿì ñâÿçè.

Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî êóðñ ÎÒÖ èìååò ñëîæèâøóþñÿ ñòðóêòóðó è

óæå çíà÷èòåëüíóþ èñòîðèþ, áóðíîå ðàçâèòèå òåëåêîììóíèêàöèé è

èíôîðìàòèêè ïîòðåáîâàëî âíåñòè â åãî ñîäåðæàíèå è ìåòîäèêó èç-

ëîæåíèÿ öåëûé ðÿä èçìåíåíèé, êîòîðûå íàøëè îòðàæåíèå âî âòî-

ðîì èçäàíèè íàñòîÿùåãî ó÷åáíèêà. Ýòî êàñàåòñÿ â ïåðâóþ î÷åðåäü

ðàñøèðåíèÿ ðàçäåëîâ, ïîñâÿùåííûõ òåîðèè àêòèâíûõ öåïåé è öå-

ïåé ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ. Äîïîëíåíû è ïåðåðàáîòàíû ðàçäåëû, ïî-

ñâÿùåííûå ìàøèííûì ìåòîäàì àíàëèçà è ñèíòåçà ýëåêòðè÷åñêèõ

öåïåé. Ñóùåñòâåííî ïåðåðàáîòàíû è äîïîëíåíû ãëàâû, â êîòîðûõ

èçó÷àþòñÿ íåëèíåéíûå è àâòîêîëåáàòåëüíûå öåïè, â ÷àñòíîñòè,

âêëþ÷åí ìàòåðèàë, ïîñâÿùåííûé àíàëèçó àâòîãåíåðàòîðîâ ìåòî-

äîì ìåäëåííî ìåíÿþùèõñÿ àìïëèòóä.

Ó÷èòûâàÿ âñå áîëüøåå ïðèìåíåíèå öèôðîâûõ ìåòîäîâ îáðàáîò-

êè ñèãíàëîâ, ïîëíîñòüþ ïåðåðàáîòàíà è ðàñøèðåíà ãëàâà, ïîñâÿ-

ùåííàÿ äèñêðåòíûì öåïÿì è öèôðîâûì ôèëüòðàì.

Ñ öåëüþ ëó÷øåãî óñâîåíèÿ ìàòåðèàëà áîëüøèíñòâî òåîðåòè÷å-

ñêèõ ïîëîæåíèé ïðîèëëþñòðèðîâàíî ïðèìåðàìè. Â îòëè÷èå îò ïðå-

äûäóùåãî èçäàíèÿ êàæäàÿ ãëàâà äîïîëíåíà ïåðå÷íåì êîíòðîëüíûõ

âîïðîñîâ è çàäà÷ ñ îòâåòàìè, ïîçâîëÿþùèõ çàêðåïèòü èçó÷åííûé

ìàòåðèàë. Äëÿ óäîáñòâà ïîëüçîâàíèÿ ó÷åáíèê ñíàáæåí ïðåäìåòíûì

óêàçàòåëåì.

Â êîíöå ó÷åáíèêà ïðèâåäåí ñïèñîê îñíîâíîé è äîïîëíèòåëüíîé

ëèòåðàòóðû, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà ïðè èçó÷åíèè êóðñà

òåîðèè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé. Êðîìå òîãî, ïî òåêñòó èçëîæåíèÿ ìà-

òåðèàëà ñäåëàíû äîïîëíèòåëüíûå ññûëêè íà ëèòåðàòóðó, ãäå áîëåå

ïîäðîáíî îñâåùåíû íåêîòîðûå ñïåöèàëüíûå âîïðîñû.

Â ïîäãîòîâêå âòîðîãî èçäàíèÿ ó÷åáíèêà áîëüøóþ ïîìîùü îêà-

çàëè àâòîðàì ñîòðóäíèêè êàôåäð ÒÝÖ Ñèáèðñêîãî ãîñóäàðñòâåííî-

ãî óíèâåðñèòåòà òåëåêîììóíèêàöèé è èíôîðìàòèêè (ÑèáÃÓÒÈ) è

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà òåëåêîììó-

íèêàöèé èì. Ì.À. Áîí÷-Áðóåâè÷à (ÑïÃÓÒ), êîòîðûì àâòîðû âû-

ðàæàþò ãëóáîêóþ áëàãîäàðíîñòü.

Ìû òàêæå ïðèçíàòåëüíû ñâîèì êîëëåãàì èç Ìîñêîâñêîãî òåõ-

íè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà ñâÿçè è èíôîðìàòèêè (çàâ. êàôåäðîé ÒÝÖ

ïðîô. Óðÿäíèêîâ Þ.Ô.), Ïîâîëæñêîé àêàäåìèè òåëåêîììóíèêà-

öèé è èíôîðìàòèêè (çàâ. êàôåäðîé ÒÝÖ ïðîô. Äóáèíèí À.Å.) çà

èõ çàìå÷àíèÿ, ñïîñîáñòâóþùèå óëó÷øåíèþ ñîäåðæàíèÿ ó÷åáíèêà.

Îòâ. ðåäàêòîð, äòí., ïðîô. Â.Ï. Áàêàëîâ

Ââåäåíèå

Îäíîé èç ãëàâíûõ òåíäåíöèé ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà

â XXI âåêå ÿâèëñÿ ñòðåìèòåëüíûé ðîñò ïîòîêîâ ðàçíîîáðàçíîé èí-

ôîðìàöèè, îáåñïå÷èâàþùåé åãî æèçíåäåÿòåëüíîñòü. Ìèðîâîå ñî-

îáùåñòâî âñòóïèëî â íîâóþ ýðó $ ýðó èíôîðìàòèçàöèè, â êîòîðîì

çíàíèÿ è èíôîðìàöèÿ ñòàíîâÿòñÿ ãëàâíûì ôàêòîðîì åãî ïîñòóïà-

òåëüíîãî ðàçâèòèÿ.. Ýôôåêòèâíîå óïðàâëåíèå ãîñóäàðñòâîì, ýêî-

íîìèêîé, óäîâëåòâîðåíèå ïîòðåáíîñòåé íàñåëåíèÿ, ðàçâèòèå íàóêè,

êóëüòóðû, çäðàâîîõðàíåíèÿ òðåáóåò ïîñòîÿííîãî ðàçâèòèÿ è ñî-

âåðøåíñòâîâàíèÿ ñèñòåìû èíôîðìàöèîííîãî îáåñïå÷åíèÿ.

Òåõíè÷åñêóþ áàçó èíôîðìàòèçàöèè ñîñòàâëÿåò ñâÿçü è âû÷èñ-

ëèòåëüíàÿ òåõíèêà, ãðàíü ìåæäó êîòîðûìè âñå áîëüøå ñòèðàåòñÿ.

Ñåòè ñâÿçè ÿâëÿþòñÿ òðàíñïîðòíîé ñðåäîé äëÿ èíôîðìàöèîííûõ

ñèñòåì. Â îñíîâå ðàçâèòèÿ ñèñòåì ñâÿçè ëåæàò ñîâðåìåííûå äî-

ñòèæåíèÿ ìíîãèõ íàóê è â ïåðâóþ î÷åðåäü ýëåêòðîòåõíèêè, ðàäèî-

òåõíèêè è ýëåêòðîíèêè. Îáùèì äëÿ ýòèõ íàóê ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå

ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïðîöåññîâ â ïàññèâíûõ è àêòèâíûõ ýëåêòðè÷åñ-

êèõ öåïÿõ ñ öåëüþ ñîçäàíèÿ ðàçëè÷íûõ óñòðîéñòâ äëÿ ïðåîáðàçî-

âàíèÿ, ïåðåäà÷è, îáðàáîòêè è õðàíåíèÿ èíôîðìàöèè. Íà îñíîâå

äîñòèæåíèé â îáëàñòè ðàäèîòåõíèêè è ýëåêòðîíèêè ðàçâèâàþòñÿ

ñðåäñòâà ñâÿçè, àâòîìàòèêà è âû÷èñëèòåëüíàÿ òåõíèêà, òåëåìåòðèÿ,

ðàäèîëîêàöèÿ è íàâèãàöèÿ, ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ òåõíîëîãè÷åñêèìè

ïðîöåññàìè è äð.

Îñíîâíûìè çàäà÷àìè ýëåêòðîòåõíèêè ÿâëÿþòñÿ ãåíåðèðîâàíèå,

ïåðåäà÷à è ïðåîáðàçîâàíèå ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè â äðóãèå âèäû

ýíåðãèè (ìåõàíè÷åñêóþ, òåïëîâóþ, ñâåòîâóþ, õèìè÷åñêóþ è ò. ä.).

Îäíà èç ãëàâíûõ çàäà÷ ðàäèîòåõíèêè $ ïåðåäà÷à, ïðåîáðàçîâà-

íèå èíôîðìàöèè è îñóùåñòâëåíèå ñâÿçè íà ðàññòîÿíèè ñ èñïîëü-

çîâàíèåì ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí.

Çàðîæäåíèå íàóêè îá ýëåêòðè÷åñòâå îòíîñèòñÿ ê XVI â., êîãäà

àíãëèéñêèé ó÷åíûé Ó. Ãèëüáåðò (1544%1603) íàïèñàë ñâîé çíà-

ìåíèòûé òðàêòàò «Î ìàãíèòå, ìàãíèòíûõ òåëàõ è áîëüøîì ìàã-

íèòå $ «Çåìëå». Â XVII%XVIII ââ. áûëè ïðîâåäåíû ìíîãî÷èñëåí-

íûå îïûòû, ïîçâîëèâøèå óñòàíîâèòü ñóùåñòâîâàíèå ýëåêòðè÷åñêèõ

çàðÿäîâ äâóõ òèïîâ $ ïîëîæèòåëüíûõ è îòðèöàòåëüíûõ, èçîáðåñòè

ïåðâûé êîíäåíñàòîð (Æ. Íîëïå, 1745), ðàçðàáîòàòü ïåðâóþ ïîñëå-

äîâàòåëüíóþ òåîðèþ ýëåêòðè÷åñêèõ ÿâëåíèé (Á. Ôðàíêëèí).

Âî âòîðîé ïîëîâèíå XVIII â. íà÷àëîñü «êîëè÷åñòâåííîå èçó÷å-

íèå» ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ÿâëåíèé, ïîÿâèëèñü ïåðâûå èç-

ìåðèòåëüíûå ïðèáîðû $ ýëåêòðîñêîïû. Â 1756 ã. ïåòåðáóðãñêèé

ôèçèê Ô. Ýïèíóñ (1724%1802) èçîáðåë âîçäóøíûé êîíäåíñàòîð, ñ

ïîìîùüþ êîòîðîãî ïîêàçàë, ÷òî ñòåêëî â «ëåéäåíñêîé» áàíêå îáëà-

äàåò ñâîéñòâîì íàêàïëèâàòü ýëåêòðè÷åñòâî, îòêðûë ÿâëåíèå ýëåê-

òðèçàöèè íåêîòîðûõ òåë (òóðìàëèí) ïðè íàãðåâàíèè (ïèðî-

ýëåêòðè÷åñòâî). Â ðàáîòå Ô. Ýïèíóñà âïåðâûå ïðåäïðèíÿòà ñè-

ñòåìàòè÷åñêàÿ ïîïûòêà ïîäîéòè ê èçó÷åíèþ ýëåêòðè÷åñêèõ ÿâëåíèé

íå òîëüêî ñ êà÷åñòâåííîé, íî è ñ êîëè÷åñòâåííîé ñòîðîíû. Â ÷àñò-

íîñòè, èì áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ñèëà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó çà-

ðÿäàìè ïðîïîðöèîíàëüíà âåëè÷èíå ýòèõ çàðÿäîâ. È õîòÿ îí íå óñ-

òàíîâèë, êàê ýòà ñèëà çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ, îäíàêî çíà÷åíèå åãî

ðàáîòû î÷åíü âåëèêî, òàê êàê îíà äàëà îïðåäåëåííîå íàïðàâëåíèå

äàëüíåéøèì èññëåäîâàíèÿì. Íàêîíåö, â 1784 ã. ôðàíöóçñêèé 48-

ëåòíèé âîåííûé èíæåíåð Ø. Êóëîí (1736%1806) îòêðûâàåò çàêîí,

ñîãëàñíî êîòîðîãî ñèëà âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ýëåêòðè÷åñêèìè çà-

ðÿäàìè îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà êâàäðàòó ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íè-

ìè. Ñ ïîìîùüþ ñîçäàííûõ èì êðóòèëüíûõ âåñîâ, à òàêæå ðÿäà

îðèãèíàëüíûõ ìåòîäîâ (ìåòîäû êîëåáàíèé) ýòîò ÷åëîâåê, íèêîãäà

ñïåöèàëüíî íå çàíèìàâøèéñÿ ýëåêòðè÷åñòâîì è ìàãíåòèçìîì, ïðî-

âîäÿ â êà÷åñòâå ïîáî÷íîãî çàíÿòèÿ ñâîè èññëåäîâàíèÿ, çàëîæèë îñ-

íîâû êîëè÷åñòâåííîé ýëåêòðîñòàòèêè.

21 èþëÿ 1820 ã. ïîÿâèëàñü íåáîëüøàÿ çàìåòêà äàòñêîãî ôèçèêà

Ã. Ýðñòåäà (1777%1851), â êîòîðîé îí äîêàçàë, ÷òî òîê â ïðÿ-

ìîëèíåéíîì ïðîâîäíèêå, èäóùåì âäîëü ìåðèäèàíà, îòêëîíÿåò îò

íåãî ìàãíèòíóþ èãëó. Ýòî ñîîáùåíèå ïðîèçâåëî áîëüøîå âïå÷àò-

ëåíèå íà ó÷åíûé ìèð, òàê êàê èç îïûòà Ýðñòåäà ÿâñòâîâàëî, ÷òî

ñèëà, äåéñòâîâàâøàÿ ìåæäó ýëåìåíòîì òîêà è ìàãíèòíûì ïîëþñîì,

íàïðàâëåíà íå ïî ñîåäèíÿþùåé èõ ïðÿìîé, à ïî íîðìàëè ê íåé.

Ýòà ðàáîòà âûçâàëà ïåðâóþ òðåùèíó â íüþòîíîâñêîé ìîäåëè ìèðà.

Îñîáîå çíà÷åíèå â ðàçâèòèè òåîðèè ýëåêòðè÷åñêèõ ÿâëåíèé ñûã-

ðàëè îòêðûòèÿ çàêîíîâ Îìà (1826) è Êèðõãîôà (1847), à òàêæå îò-

êðûòèå Ì. Ôàðàäååì (1831) ÿâëåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè.

Â 1833 ã. ðóññêèé ó÷åíûé Ý. Ëåíö (1804%1865) îòêðûë çàêîí, óñ-

òàíàâëèâàþùèé ñâÿçü ìåæäó íàïðàâëåíèåì èíäóêöèîííûõ òîêîâ è

èõ ýëåêòðîìàãíèòíûìè âçàèìîäåéñòâèÿìè. Òàêèì îáðàçîì, ê êîíöó

XIX â. áûëî óñòàíîâëåíî åäèíñòâî ýëåêòðîìàãíèòíûõ ÿâëåíèé, ïî-

ëó÷èâøèõ ñâîå ëîãè÷åñêîå çàâåðøåíèå â ðàáîòàõ Äæ. Ìàêñâåëëà,

ñôîðìóëèðîâàâøåãî â 1873 ã. ôóíäàìåíòàëüíûå óðàâíåíèÿ êëàññè-

÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêè.

Â êîíöå XIX $ íà÷àëå XX âåêîâ ñ îòêðûòèé äèñêðåòíîãî õà-

ðàêòåðà çàðÿäîâ (Äæ. Òîìñîí, 1897 ã.) íà÷àëñÿ íîâûé ýòàï â ðàç-

âèòèè íàóêè îá ýëåêòðè÷åñòâå. Â ýòîò ïåðèîä áûëè çàëîæåíû îñíî-

âû ýëåêòðîííîé òåîðèè ñòðîåíèÿ âåùåñòâà êàê ñîâîêóïíîñòè ýëåê-

òðè÷åñêè çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, ñîçäàíà êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ýëåê-

òðîìàãíèòíûõ ïðîöåññîâ, ÷òî ïðèâåëî ê ðîæäåíèþ ýëåêòðîíèêè

êàê íàóêè î âçàèìîäåéñòâèè ýëåêòðîíîâ ñ ýëåêòðîìàãíèòíûìè ïî-

ëÿìè è î ìåòîäàõ ñîçäàíèÿ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è óñòðîéñòâ.

Ñî âòîðîé ïîëîâèíû XIX â. íà÷àëîñü øèðîêîå èñïîëüçîâàíèå

ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ÿâëåíèé â òåõíèêå: ïîñòðîåíû ýëåêò-

ðîäâèãàòåëè è ãåíåðàòîðû òîêà, ïîÿâèëèñü ïåðâûå ýëåêòðîìàãíèòû,

ìàññîâîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëî ýëåêòðè÷åñêîå îñâåùåíèå, íà-

÷àëî êîòîðîìó ïîëîæèëî èçîáðåòåíèå ýëåêòðè÷åñêîé ñâå÷è ðóññêèì

ó÷åíûì Ï.Ï. ßáëî÷êîâûì. Íà÷àëî ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé

ýíåðãèè äëÿ òåõíîëîãè÷åñêèõ öåëåé ïîëîæèëè ðàáîòû Á.Ñ. ßêîáè

(1838 ã.), ïðåäëîæèâøåãî èñïîëüçîâàòü ýëåêòðè÷åñêèé òîê äëÿ íà-

íåñåíèÿ ðàçëè÷íûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ïîêðûòèé. Ýëåêòðîýíåðãèþ ñòà-

ëè èñïîëüçîâàòü ïðè ïîëó÷åíèè àëþìèíèÿ, ìåäè, öèíêà, äëÿ ðåçêè

è ñâàðêè ìåòàëëîâ, óïðî÷åíèÿ äåòàëåé è â äðóãèõ òåõíîëîãè÷åñêèõ

ïðîöåññàõ; íà÷èíàåòñÿ ïðèìåíåíèå ýëåêòðîýíåðãèè íà òðàíñïîðòå.

Áîëüøîå çíà÷åíèå äëÿ ðàçâèòèÿ ýëåêòðîòåõíèêè èìåëè èçîáðåòåíèÿ

ðóññêîãî èíæåíåðà Ì.Î. Äîëèâî-Äîáðîâîëüñêîãî, ðàçðàáîòàâøåãî

ê êîíöó 90-õ ãã. ðÿä ïðîìûøëåííûõ êîíñòðóêöèé òðåõôàçíûõ àñèí-

õðîííûõ äâèãàòåëåé, òðàíñôîðìàòîðîâ è ïîñòðîèâøåãî òðåõôàçíóþ

ëèíèþ ýëåêòðîïåðåäà÷è Ëàóôåí%Ôðàíêôóðò äëèíîé 175 êì, ïî-

ëîæèâøåé íà÷àëî ñîâðåìåííîìó ðàçâèòèþ ýëåêòðîòåõíèêè.

Ïîäëèííóþ ðåâîëþöèþ â ýëåêòðîñâÿçè ïðîèçâåë Ï.Ë. Øèëëèíã

(1786%1837) â 1832 ã. â Ðîññèè, êîòîðûé ïîñòðîèë ïåðâûé â ìèðå

ýëåêòðîìàãíèòíûé òåëåãðàô è îñóùåñòâèë ñâÿçü ìåæäó Çèìíèì

äâîðöîì è Ìèíèñòåðñòâîì ïóòåé ñîîáùåíèé. Äàëüíåéøåå ðàçâèòèå

ýòà èäåÿ ïîëó÷èëà â 1835 ã., êîãäà àìåðèêàíöåì Ñ. Ìîðçå (1791%

1872) áûë ðàçðàáîòàí ñïåöèàëüíûé àëôàâèò è ñîçäàíà ìîäåëü òåëå-

ãðàôà â Íüþ-Éîðêñêîì óíèâåðñèòåòå. Ýòî áûëè ïåðâûå ïðàêòè÷å-

ñêèå ïðèìåíåíèÿ íàóêè îá ýëåêòðè÷åñòâå â ýëåêòðîñâÿçè. À óæå â

1866 ã. âñòóïèëî â ñòðîé ïåðâîå âåëè÷àéøåå ñîîðóæåíèå òîãî âðå-

ìåíè $ ëèíèÿ òðàíñàòëàíòè÷åñêîé êàáåëüíîé ñâÿçè ìåæäó Åâðîïîé

è Àìåðèêîé. Ê 1870 ã. â Ðîññèè áûëî ñîçäàíî ñâûøå 700 òåëå-

ãðàôíûõ ñòàíöèé è ââåäåíà â ýêñïëóàòàöèþ 91 òûñ. êì òåëåãðàô-

íûõ ëèíèé, â òîì ÷èñëå ëèíèÿ Ìîñêâà%Âëàäèâîñòîê ïðîòÿ-

æåííîñòüþ 12 òûñ. êì.

Êà÷åñòâåííî íîâûé ýòàï â ðàçâèòèè ýëåêòðîñâÿçè âîçíèê ïîñëå

èçîáðåòåíèÿ â 1876 ã. À. Áåëëîì òåëåôîíà. Ñóùåñòâåííûé âêëàä â

ðàçâèòèå òåëåôîííîé ñâÿçè âíåñ ðóññêèé ôèçèê Ë.Ì. Ãîëóáèöêèé,

â 1882%1883 ã. áûëè ïîñòðîåíû ïåðâûå òåëåôîííûå ñòàíöèè â

Ìîñêâå è Ñ.-Ïåòåðáóðãå.

Îñîáåííî âàæíîå çíà÷åíèå èìåëî èçîáðåòåíèå À.Ñ. Ïîïîâûì

(1895) ðàäèî, îòêðûâøåå íîâóþ ñòðàíèöó â ðàçâèòèè íàó÷íî-òåõ-

íè÷åñêîãî ïðîãðåññà. Çíà÷èòåëüíóþ ðîëü â ïðàêòè÷åñêîé ðåàëè-

çàöèè ðàäèî â òåëåãðàôèè ñûãðàë èòàëüÿíñêèé ðàäèîòåõíèê è

ïðåäïðèíèìàòåëü Ã. Ìàðêîíè (1874%1937).

Îòêðûòèå ðàäèî ïðèâåëî ê ðîæäåíèþ ðàäèîòåõíèêè êàê îáëàñòè

íàóêè è òåõíèêè, çàíèìàþùåéñÿ âîïðîñàìè èçó÷åíèÿ è ïðèìåíåíèÿ

ýëåêòðîìàãíèòíûõ êîëåáàíèé è âîëí ðàäèîäèàïàçîíîâ äëÿ ïåðåäà-

÷è èíôîðìàöèè $ â ðàäèîñâÿçè, ðàäèîâåùàíèè è òåëåâèäåíèè â

ðàäèîëîêàöèè è ðàäèîíàâèãàöèè, â ðàäèîòåëåìåòðèè è ðàäèî-

óïðàâëåíèè, ïðè êîíòðîëå çà ðàçëè÷íûìè òåõíîëîãè÷åñêèìè ïðî-

öåññàìè è ìåõàíèçìàìè, â íàó÷íûõ èññëåäîâàíèÿõ è äð.

Â XX â. íà÷èíàåòñÿ áóðíîå ðàçâèòèå ýëåêòðîíèêè $ îáøèðíîé

îáëàñòè íàóêè, òåõíèêè è ïðîèçâîäñòâà, îõâàòûâàþùåé èññëåäî-

âàíèå è ðàçðàáîòêó ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ïðèíöèïîâ èõ èñïîëü-

çîâàíèÿ, â ÷àñòíîñòè, â ýëåêòðîñâÿçè. Â èñòîðèè ðàçâèòèÿ ýëåêòðî-

íèêè ìîæíî âûäåëèòü ÷åòûðå îñíîâíûõ ýòàïà: ýëåêòðîííûõ ëàìï,

òðàíçèñòîðîâ, èíòåãðàëüíûõ ñõåì è ôóíêöèîíàëüíûõ óñòðîéñòâ.

Ïåðâûé ýòàï íà÷àëñÿ â 1904 ã., êîãäà àíãëèéñêèì ó÷åíûì

Ä.À. Ôëåìèíãîì áûëà èçãîòîâëåíà ïåðâàÿ ýëåêòðîííàÿ ëàìïà $

äèîä. Ïðîòîòèïîì ýëåêòðîííîé ëàìïû ÿâèëàñü ëàìïà íàêàëèâàíèÿ,

ñîçäàííàÿ ðóññêèì ýëåêòðîòåõíèêîì À. Í. Ëîäûãèíûì â 1872 ã. Â

1907 ã. áûëà ïðåäëîæåíà ýëåêòðîííàÿ ëàìïà ñ óïðàâëÿþùèì ýëåê-

òðîäîì $ òðèîä, ñïîñîáíàÿ óñèëèâàòü è ãåíåðèðîâàòü ýëåêòðè÷åñêèå

ñèãíàëû. Â ïîñëåäóþùèå ãîäû, íàðÿäó ñ ñîâåðøåíñòâîâàíèåì ýëåê-

òðîííûõ ëàìï, ðàçðàáàòûâàëèñü è äðóãèå ýëåêòðîííûå ïðèáîðû:

ýëåêòðîííî-ëó÷åâûå, èîííûå, ôîòîýëåêòðîííûå.

Íà÷àëî âòîðîãî ýòàïà ðàçâèòèÿ ýëåêòðîíèêè ñâÿçàíî ñ îòêðû-

òèåì â êîíöå 1947 ã. àìåðèêàíñêèìè ó÷åíûìè Ó. Áðàòòåéíîì,

Äæ. Áàðäèíûì è Ó. Øîòêè òðàíçèñòîðíîãî ýôôåêòà. Â 1948 ã.

áûëè èçãîòîâëåíû ïåðâûå ïðîìûøëåííûå îáðàçöû áèïîëÿðíûõ

òðàíçèñòîðîâ, à â 1952 ã. $ ïîëåâûå òðàíçèñòîðû. Â òðàíçèñòîðàõ

áûëè ðåàëèçîâàíû èäåè, êîòîðûå âïåðâûå áûëè ñôîðìóëèðîâàíû

ðóññêèì ó÷åíûì Î.Â. Ëîñåâûì â 1922 ã.

Íåïðåðûâíîå ðàñøèðåíèå ôóíêöèé ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû è

åå óñëîæíåíèå ïðèâåëè â 1958 ã. ê íà÷àëó òðåòüåãî ýòàïà $ âîç-

íèêíîâåíèþ ìèêðîýëåêòðîíèêè. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçðàáîòàíû

ñâåðõáîëüøèå èíòåãðàëüíûå ñõåìû (ÁÈÑ), ñîäåðæàùèå áîëåå 10

ýëåìåíòîâ. Îäíàêî ñåé÷àñ óæå ñòàíîâèòñÿ ÿñíûì, ÷òî óâåëè÷åíèå

ñòåïåíè èíòåãðàöèè íå ìîæåò áûòü áåñïðåäåëüíûì.

Íàó÷íî-òåõíè÷åñêîå íàïðàâëåíèå, ñâÿçàííîå ñ îòêàçîì îò êîì-

ïîíåíòíîé ñòðóêòóðû ìèêðîýëåêòðîííûõ èçäåëèé è îñíîâàííîå íà

èñïîëüçîâàíèè îáúåìíûõ ýôôåêòîâ â òâåðäîì òåëå, ÿâëÿåòñÿ íà-

÷àëîì ÷åòâåðòîãî ýòàïà ðàçâèòèÿ ýëåêòðîíèêè, ïîëó÷èâøåãî íà-

çâàíèå ôóíêöèîíàëüíîé ìèêðîýëåêòðîíèêè.

Êðóïíûé âêëàä â ðàçâèòèå ýëåêòðîòåõíèêè, ðàäèîòåõíèêè è

ýëåêòðîíèêè âíåñëè ðóññêèå ó÷åíûå. Ôóíäàìåíòàëüíûå èññëåäîâà-

íèÿ â îáëàñòè ôèçèêè è òåõíîëîãèè ýëåêòðîííûõ è ïîëóïðîâîäíè-

êîâûõ ïðèáîðîâ âûïîëíèëè Ì.À. Áîí÷-Áðóåâè÷, Ë.È. Ìàíäåëü-

øòàì, À.Ô. Èîôôå, Ñ.È. Âàâèëîâ, À.À. ×åðíûøåâ; ïî ïðîáëåìàì

âîçáóæäåíèÿ è ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ êîëåáàíèé, ðàñïðî-

ñòðàíåíèÿ è ïðèåìà ðàäèîâîëí $ Á.À. Ââåäåíñêèé, Â.Î. Êàëìû-

êîâ, Ì.Â. Øóëåéêèí, À.À. Ðàñïëåòèí è äð.

Ñîâðåìåííûå ñèñòåìû è ñåòè ñâÿçè ÿâëÿþòñÿ ñëîæíåéøèìè òåõ-

íè÷åñêèìè ñîîðóæåíèÿìè, ñêîíöåíòðèðîâàâøèìè âñå ñàìûå ïî-

ñëåäíèå äîñòèæåíèÿ íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé ðåâîëþöèè â îáëàñòè ðà-

äèîòåõíèêè, ýëåêòðîíèêè è âû÷èñëèòåëüíîé òåõíèêè. Â ïîñëåäíåå

âðåìÿ ðàçðàáîòàíû è ýêñïëóàòèðóþòñÿ â ðÿäå ñòðàí ìèðà ðàçíîîá-

ðàçíûå ôåäåðàëüíûå è ìåæäóíàðîäíûå òåëåêîììóíèêàöèîííûå ñå-

òè, îñíàùåííûå öèôðîâûìè àâòîìàòè÷åñêèìè êîììóòàöèîííûìè

ñòàíöèÿìè, öèôðîâûìè ñèñòåìàìè ïåðåäà÷è, âîëîêîííî-îïòè÷åñ-

êèìè ëèíèÿìè ñâÿçè, ñïóòíèêîâûìè ñèñòåìàìè ñâÿçè è äð.

Â Ðîññèè ðàçðàáîòàíà ãîñóäàðñòâåííàÿ êîíöåïöèÿ â îáëàñòè ñâÿ-

çè, ïðåäóñìàòðèâàþùàÿ ïîñòðîåíèå ïîäîáíîé òåëåêîììóíèêàöèîííîé

ñåòè îáùåãî ïîëüçîâàíèÿ (TCP). Íà áàçå TCP áóäóò ñîçäàíû èíòåë-

ëåêòóàëüíûå ñåòè Ðîññèè (ÈÑÐ), êîòîðûå äîëæíû ïðåäîñòàâëÿòü

àáîíåíòàì øèðîêèé êðóã ðàçëè÷íûõ óñëóã; ðîññèéñêàÿ ñåòü ïåðåäà÷è

äàííûõ (ÐÑÏÄ); öèôðîâàÿ ñåòü ñâÿçè ñ èíòåãðàöèåé ñëóæá (ÖÑÈÑ)

(ìíîãîôóíêöèîíàëüíûé òåëåôîí, ôàêñ, òåëåêñ, âèäåîòåêñ è äð.); ñî-

òîâûå ìîáèëüíûå è ïåðñîíàëüíûå ñåòè ñâÿçè (ÑÌÏÑ), øèðîêîïî-

ëîñíûå öèôðîâûå ñåòè ñ èíòåãðàöèåé óñëóã è äð.

Ñîçäàíèå è ýêñïëóàòàöèÿ ïîäîáíûõ ñåòåé ïîòðåáóåò ïîäãîòîâêè

êà÷åñòâåííî íîâûõ ñïåöèàëèñòîâ. Ñðåäè äèñöèïëèí, ñîñòàâëÿþùèõ

îñíîâó áàçîâîé ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ â îáëàñòè ñâÿçè, âàæíåé-

øåå ìåñòî îòâîäèòñÿ êóðñó «Îñíîâû òåîðèè öåïåé» (ÎÒÖ). Îäíèì

èç îñíîâîïîëîæíèêîâ êóðñà áûë äîêòîð òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåñ-

ñîð À.Ô. Áåëåöêèé, âíåñøèé áîëüøîé âêëàä â åå ñòàíîâëåíèå êàê

ñàìîñòîÿòåëüíîé äèñöèïëèíû.

Ñîäåðæàíèå ýòîé äèñöèïëèíû ñîñòàâëÿþò çàäà÷è àíàëèçà è ñèí-

òåçà ëèíåéíûõ è íåëèíåéíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé, èçó÷åíèå êàê ñ

êà÷åñòâåííîé, òàê è êîëè÷åñòâåííîé ñòîðîíû óñòàíîâèâøèõñÿ è ïå-

ðåõîäíûõ ïðîöåññîâ, ïðîòåêàþùèõ â ðàçëè÷íûõ ýëåêòðîííûõ ïðè-

áîðàõ è óñòðîéñòâàõ. ÎÒÖ áàçèðóåòñÿ íà êóðñàõ ìàòåìàòèêè, ôè-

çèêè, òåõíè÷åñêîé ýëåêòðîíèêè, âû÷èñëèòåëüíîé òåõíèêè è ÿâëÿåò-

ñÿ áàçîâûì äëÿ èçó÷åíèÿ ïîñëåäóþùèõ îáùåòåõíè÷åñêèõ è ñïåöè-

àëüíûõ äèñöèïëèí.

Äàííûé ó÷åáíèê ñîîòâåòñòâóåò ïðîãðàììå êóðñà «Îñíîâû òåî-

ðèè öåïåé» ïî ñïåöèàëüíîñòÿì «Ñåòè ñâÿçè è ñèñòåìû êîììóòàöèè»

(210406); «Ìíîãîêàíàëüíûå òåëåêîììóíèêàöèîííûå ñèñòåìû»

(210404); «Ðàäèîñâÿçü, ðàäèîâåùàíèå è òåëåâèäåíèå» (210405) è ïî

íàïðàâëåíèþ áàêàëàâðèàòà è ìàãèñòðàòóðû ïî íàïðàâëåíèþ «Òå-

ëåêîììóíèêàöèè» (210400). Îí ìîæåò òàêæå èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ

ñïåöèàëüíîñòåé «Ñðåäñòâà ñâÿçè ñ ïîäâèæíûìè îáúåêòàìè» (210402);

«Àóäèîâèçóàëüíàÿ òåõíèêà» (210312); «Ôèçèêà è òåõíèêà îïòè÷å-

ñêîé ñâÿçè» (210401), à òàêæå äðóãèõ ðîäñòâåííûõ ñïåöèàëüíîñòåé.

Ïðîô. Â.Ï. Áàêàëîâûì íàïèñàíî ââåäåíèå, ãë. 1%9, 14; ïðîô.

Â.Ô. Äìèòðèêîâûì $ ãë. 10, 11; ïðîô. Êðóêîì Á.È. $ ãë. 12%13,

16%18; ãë. 15 $ íàïèñàíà ñîâìåñòíî Â.Ô. Äìèòðèêîâûì è

Á.È. Êðóêîì; ãë. 19 $ íàïèñàíà ñîâìåñòíî Áàêàëîâûì Â.Ï. è

Êðóêîì Á.È. Îáùåå ðåäàêòèðîâàíèå ó÷åáíèêà âûïîëíèë ïðîô.

Â.Ï. Áàêàëîâ.

ÃËÀÂÀ 1. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÎÍßÒÈß È ÇÀÊÎÍÛ

ÒÅÎÐÈÈ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÖÅÏÅÉ

1.1. Òîê, íàïðÿæåíèå, ìîùíîñòü

Ïîíÿòèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà è íàïðÿæåíèÿ ÿâëÿþòñÿ îäíèìè

èç îñíîâíûõ â òåîðèè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â

ïðîâîäÿùåé ñðåäå åñòü óïîðÿäî÷åííîå äâèæåíèå ýëåêòðè÷åñêèõ çà-

ðÿäîâ ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ (òîê ïðîâîäèìîñòè â

ìåòàëëàõ, ýëåêòðîëèòàõ, ãàçàõ; òîê ïåðåíîñà â ýëåêòðîâàêóóìíûõ

ïðèáîðàõ è äð.).

Êîëè÷åñòâåííî ýëåêòðè÷åñêèé òîê â êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè

õàðàêòåðèçóåòñÿ ñêàëÿðíîé âåëè÷èíîé i = i (t) ìãíîâåííûì çíà-

÷åíèåì òîêà, õàðàêòåðèçóþùèì ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ çàðÿäà q âî

âðåìåíè:

D®

lim

qdq

tdt

, (1.1)

ãäå Dq ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä, ïðîøåäøèé çà âðåìÿ Dt ÷åðåç ïî-

ïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïðîâîäíèêà. Â ñèñòåìå ÑÈ çàðÿä èçìåðÿåòñÿ â

êóëîíàõ (Êë), âðåìÿ $ â ñåêóíäàõ (ñ), òîê $ â àìïåðàõ (À). Â

äàëüíåéøåì äëÿ êðàòêîñòè ýëåêòðè÷åñêèå òîêè è íàïðÿæåíèÿ áó-

äåì ïðîñòî íàçûâàòü òîêàìè è íàïðÿæåíèÿìè.

Â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèâåäåííûì âûøå îïðåäåëåíèåì ïîíÿòèå

«òîê» ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ â äâóõ ñìûñëàõ: òîê êàê ôèçè÷åñêèé

ïðîöåññ è òîê êàê êîëè÷åñòâåííàÿ õàðàêòåðèñòèêà (âìåñòî «ñèëû

òîêà»).

Êàê ôóíêöèÿ âðåìåíè òîê i(t) ìîæåò ïðèíèìàòü ïîëîæèòåëüíûå

è îòðèöàòåëüíûå çíà÷åíèÿ. Ïðèíÿòî ñ÷èòàòü çíà÷åíèå òîêà i(t) ïî-

ëîæèòåëüíûì, åñëè äâèæåíèå ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûõ ÷àñòèö

ñîâïàäàåò ñ çàðàíåå âûáðàííûì íàïðàâëåíèåì îòñ÷åòà òîêà è îòðè-

öàòåëüíûì $ â ïðîòèâíîì ñëó÷àå. Âûáîð íàïðàâëåíèÿ îòñ÷åòà òîêà

Ýëåêòðè÷åñêàÿ

öåïü

)

Ðèñ. 1.1