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分析上图开关闭合后Uout随时间的变化,步骤如下:

电容:I=CdUdtI=C\frac{{\rm d}U}{{\rm d}t}
电感:U=LdIdtU=L\frac{{\rm d}I}{{\rm d}t}

列电路的电压关系

Uout+UL=UVCCU_{out}+U_L=U_{VCC}

带入电感公式,得

Uout+LdIdt=UVCCU_{out}+L\frac{{\rm d}I}{{\rm d}t}=U_{VCC}

带入电容公式,得

Uout+LCd2Uoutdt2=UVCCU_{out}+LC\frac{{\rm d}^2 U_{out}}{{\rm d}t^2}=U_{VCC}

这是一个二阶常系数非齐次线性微分方程,解为齐次通解+非齐次特解,懒得写具体解法了,就是代公式。

齐次通解为

u(t)=C1costLC+C2sintLCu^{'}(t)=C_1\cos{\frac{t}{\sqrt{LC}}}+C_2\sin{\frac{t}{\sqrt{LC}}}

特解是一个常数。把Uout=C0U_{out}=C_0带入原方程,解得C0=UVCCC_0=U_{VCC}

此时解为

u(t)=C1costLC+C2sintLC+UVCCu(t)=C_1\cos{\frac{t}{\sqrt{LC}}}+C_2\sin{\frac{t}{\sqrt{LC}}}+U_{VCC}

找初始条件。注意到t=0t=0时,Uout=0U_{out}=0I=0I=0,结合电容公式,dUoutdt=0\frac{{\rm d}U_{out}}{{\rm d}t}=0,解得C1=UVCCC_1=-U_{VCC}C2=0C_2=0,所以

Uout=UVCCcostLC+UVCCU_{out}=-U_{VCC}\cos{\frac{t}{\sqrt{LC}}}+U_{VCC}

令L=1H,C=1F,仿真一下

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结果正确。


附一个表,输入LC参数自动计算频率。

L(H) C(F) ω(rad/s) T(s) f(Hz)
1 1 1 6.28 0.16

Q.E.D.