一文搞懂电路的极点和零点 (电路电路)

单端口电路的自然响应我们来看图1中的无源线性单端口电路，它包括电阻、电容和电感。

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图1：（a）无源单端口电路（b）自然（或无源）开路响应vn(t)。如果我们施加一个测试电流I（s），单端口电路将产生电压V（s），使得V（s）=Z（s）I（s），其中I（s）和V（s）是所施加电流和所产生电压的拉普拉斯变换，s是以1/sec为单位的复数频率。阻抗Z（s）是s的有理函数形式，即分子多项式N（s）与分母多项式D（s）的比值：

公式N（s）=0的根被称为Z（s）的零点，表示为z1，z2，……；而公式D（s）=0的根被称为Z（s）的极点，表示为p1、p2、……极点和零点统称为根，也称为临界频率。例如，阻抗：

当s=0时，其值为零；当s=-3±j4时，它具有复共轭极点对。可以用根来表达它，即：

如果我们绘制|Z（s）|相对于s的幅度曲线，则可以直观理解零点和极点的含义。所得到的曲线就好像在s平面上竖起的帐篷，在零点处接触s平面，而在极点处其高度变为无限。

图2：Z(s)=(Ω)s/(s2+6s+)的幅度图。（通过在虚轴上计算|Z|获得的分布曲线图显示出单端口电路的交流响应。）为了找到极点的物理感觉，我们在s接近极点pk时施加电流I（s），就可以用相当小的I（s）获得给定的电压V（s）。s越接近极点pk，获得给定电压V（s）所需的电流I（s）越小。在s→pk的极限状态下，即使电流为零，即开路，单端口电路也会获得一个非零的供电电压（见图1b）！这个电压称为自然响应或无源响应，因为单端口电路可利用储存在其电容和电感内部的能量来产生电压。这些能量在电阻中消耗尽了，在无源单端口的情况下，它们将随时间呈指数级衰减。实际上，*理论预测到自然响应符合以下表达式：

其中a1，a2，……，是取决于存储能量的合适系数（以V为单位），Z（s）的极点是指数中时间常数的倒数。那么Z（s）的零点呢？我们来看图3，它表示图1的两种情况。现在施加的信号是电压V（s），而响应是电流I（s）=[1/Z（s）]V（s），这表明Z（s）的零点现在成为1/Z（s）的极点。通过双重推理，在s→zk的极限状态下，即使施加零电压（短路），单端口电路也将提供非零电流（参见图3b）！该电流称为自然响应或无源响应，因为单端口电路利用储存在其电容和电感内部的能量来产生电流。*理论预测自然短路电流响应符合以下表达式：

其中b1，b2，……，是取决于存储能量的合适系数（以安培为单位），Z（s）的零点是指数中时间常数的倒数。

图3：（a）无源单端口电路（b）自然（或无源）短路响应in(t)。总而言之，单端口电路的自然响应由其阻抗Z（s）的根控制：极点控制开路电压响应vn（t），而零点控制短路电流响应in（t）。在某种程度上，根就像是单端口电路的DNA。例如，我们来看图4的单端口电路。在t=0时，电容两端的电压为9V，顶部为正，t>0时它的自然响应是什么？可以看出单端口电路呈现的阻抗是：

显然，z1=–1/（R1C）=-1/（ms），p1=-1/[（R1+R2）C]=-1/（ms）。此外，a1=[/（+）]9=6V且b1=9/=0.9mA。所以：

图4：找出（a）开路和（b）短路的自然响应。单极点控制在图5a的电路中，由vn表示的节点和地之间的阻抗为Z（s）=R||（1/sC）=R/（1+sRC），因此在s=-1/（RC）=-1/（1ms）时电路具有一个极点。假设vn（0）=1V，我们可以得到：

图5：（a）基本电路（b）相同的电路，但可以控制极点。无论怎样选择R和C的值，该电路的极点将始终为负。我们希望找到控制它的方法，以便将其驱动为零甚至使其成为正的。图5b示出的电路可以完成这项工作。非反相放大器检测vn并输出电压：（1+R2/R1）vn=（1+k）vnk=R2/R1其中R2代表电位器在其左端和游标之间的部分。对于给定的元件值，从左端到右端改变游标将使k在0