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CR · s域

传递函数与广义阻抗

把正弦波中用的 jω 推广为复频率 s,电感就有阻抗 sL,电容就有阻抗 1/sC。这样,任何电路的输入输出关系都能写成一行分压式,也就是传递函数 H(s)。这一单元要认识到:这一个式子同时包含了直流增益、频率响应和暂态。

一个极点同时决定暂态与截止

左边是 RC 低通电路,用广义阻抗来看,H(s) = (1/sC)/(R + 1/sC) = 1/(1+sRC)。使分母为 0 的极点在 s = −1/(RC) = −1/τ,右边 s-平面负实轴上画的叉号就是它的位置。拖动时间常数 τ,把叉号移到虚线圆所示的目标 s = −2。这个极点既是暂态的快慢 e^(−t/τ),也是频率截止 ω_c = 1/τ。

时间常数 τ = RCτ = 1.00
传递函数 H(s) 与极点
H(s) = 1/(1+sτ) · s = -1.00 · ω_c = 1.00
接近 −2

把 jω 拓宽为 s

在正弦稳态中,阻抗用 jω 表示:电感是 jωL,电容是 1/jωC。把这个 jω 推广为复频率 s = σ + jω,电感就成了 sL,电容成了 1/sC。令 s = jω(σ=0),就回到正弦稳态;让 s 带有实部 σ,增长或衰减的暂态也都装进了同一个阻抗。电阻与频率无关,仍是 R。这一次推广,让稳态和暂态可以用同一种语言来处理。

电路是 s 的分压

用广义阻抗来看,串联的两个元件仍然是分压器。RC 低通从电容两端取输出,H(s) = Vout/Vin = Z_C/(Z_R + Z_C) = (1/sC)/(R + 1/sC)。分子分母同乘 sC 整理得 H(s) = 1/(1 + sRC),一行分压式就是电路的传递函数。把电感作为 sL 接进去也好,电路更复杂也好,用阻抗写出的分压与合成照样构成 H(s)。

一个式子,三张面孔

传递函数 H(s) = 1/(1+sRC) 有三种读法。第一,在 s = 0(DC)处 H = 1,直流增益为 1,缓慢变化的信号原样通过。第二,令 s = jω,得到 H(jω) = 1/(1+jωRC),这是幅值在 ω = 1/RC 处折到 1/√2 的低通频率响应。第三,使分母为 0 的极点 s = −1/RC 决定暂态:接通开关后,输出与最终值之差按 e^(−t/RC) 缩小。同一个式子同时包含直流增益、频率截止和暂态时间常数,极点的位置把电路的全部行为压缩在了一起。图中浅色涂出的左半平面,是暂态逐渐消失的稳定区域。

观察ZC = 1sC
电容是 1/sC。
选择H(s) = ZC(ZR+ZC) = ?
电路是 s 的分压。
填空1+sRC = 0 → s = ?
极点是分母的根。
自己来s = jω → ωc = ?
截止也是同一 1/RC。

回到第一屏

拖动时间常数 τ,极点 s = −1/τ 沿负实轴移动,在 τ = 0.5 时到达虚线圆所示的目标 s = −2。这一个极点同时决定了两件事:在时间上,是输出按 e^(−t/τ) 稳定下来的暂态快慢;在频率上,是在 ω = 1/τ 处折下的截止。正因为把 jω 推广为 s、把电容看作 1/sC,RC 低通才写成了一行分压式 H(s) = 1/(1+sτ),而这一个式子同时容纳了直流增益、频率响应和暂态。

传递函数 H(s) = Vout/Vin,是把 jω 推广为复频率 s、把电感看作 sL、电容看作 1/sC 之后,把电路写成 s 的分压所得到的输入输出之比。RC 低通为 H(s) = 1/(1+sRC);分母的根即极点 s = −1/RC 决定暂态 e−t/RC,s = jω 给出截止为 ω = 1/RC 的频率响应,s = 0 给出直流增益。一个式子同时掌握暂态、频率响应和直流增益这三副面孔。