電路與模擬電子技術(shù)(第二版)

電路與模擬電子技術(shù)(第二版)第一頁，共59頁。使用說明課程適用對象：計算機(jī)類專業(yè)本專科學(xué)生。配套文字教材殷瑞祥：電路與模擬電子技術(shù)（第二版）.高等教育出版社，2009年。學(xué)時：60(30+30)內(nèi)容：電工學(xué)+電子學(xué)2第二頁，共59頁。目錄緒論第一篇電路基本理論第1章電路的基本概念及基本定律第2章電路分析的基本方法第3章交流穩(wěn)態(tài)電路分析第4章暫態(tài)電路分析3第三頁，共59頁。目錄（續(xù)）第二篇模擬電子技術(shù)第5章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)與二極管電路第6章晶體管放大電路基礎(chǔ)第7章模擬集成電路及其應(yīng)用電路第8章信號產(chǎn)生電路第9章直流電源附錄附錄1模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換附錄2應(yīng)用EWB進(jìn)行電子電路分析設(shè)計4第四頁，共59頁。課程要求了解：熟知基本概念和基本原理理解：概念清楚，原理明白，并具有分析和計算能力。掌握：比“理解”要求更高，有的知識必須記住。

WhyWhatHow第五頁，共59頁。學(xué)習(xí)要求課堂：聽講與理解、適當(dāng)筆記課后：認(rèn)真讀書、完成作業(yè)實(shí)驗：充分準(zhǔn)備、勇于實(shí)踐

學(xué)會使用仿真軟件第六頁，共59頁。成績給定平時成績：作業(yè)：每章交一次點(diǎn)名：不定期抽點(diǎn)名期中考試期末卷面成績E-mail:Tel：第七頁，共59頁。第1章電路的基本概念與基本定律電路與模擬電子技術(shù)第八頁，共59頁。本章教學(xué)內(nèi)容1.1電路組成與功能1.2電路模型1.3電路中的基本物理量：電壓、電流、電位、功率1.4基本電路元件模型1.5電路的工作狀態(tài)與元件額定值1.6基爾霍夫定律 作業(yè)4、8、10、11、15、17、189第九頁，共59頁。本章內(nèi)容概述先修基礎(chǔ)：物理學(xué)主要內(nèi)容：電路模型的概念、基本物理量及其參考方向、電路的工作狀態(tài)，基本電路元件及其特性，集中參數(shù)電路的拓?fù)浼s束關(guān)系——基爾霍夫定律。這些內(nèi)容是分析和計算電路的基礎(chǔ)。重點(diǎn)：深刻理解電路中電壓和電流的參考極性和參考方向的意義，強(qiáng)化電路模型的概念，牢固掌握集中參數(shù)電路的基本約束關(guān)系——基爾霍夫定律和元件伏安特性約束。10第十頁，共59頁。1-1電路的組成與功能電路的概念電路是由用電設(shè)備或元器件（稱為負(fù)載）與供電設(shè)備（稱為電源）通過導(dǎo)線連接而構(gòu)成的提供給電荷流動的通路。電路的組成為電路工作提供能量的電源；在電能作用下完成電路功能的用電設(shè)備或元器件；連接電源和用電設(shè)備的導(dǎo)線；控制電源接入的開關(guān)等。例如我們常用的照明電路。~220V電源開關(guān)燈泡

（用電設(shè)備）導(dǎo)線11第十一頁，共59頁。1-1電路的組成與功能（續(xù)）電路的功能客觀上電路提供了電荷流動的通路，電荷攜帶著電能在電路中流動，從電源帶走電能，而在用電元器件中又釋放電能，根據(jù)電路的工作場合和工作目的，電路主要有下列作用：能量傳輸將電源的電能傳輸給用電設(shè)備(負(fù)載)。能量轉(zhuǎn)換將傳輸?shù)截?fù)載的電能根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成其它形式 的能量，如光、聲、熱、機(jī)械能等信息傳輸信息處理信息-->(載體)-->信號-->電路-->終端-->(去載體)--->信息

(電流或電壓)信號(接受)--->電路----->信號(已經(jīng)放大、去噪、合成…)12第十二頁，共59頁。1.2電路模型為什么要引入電路模型？Why構(gòu)成實(shí)際電路的元器件種類繁多，形狀各異，給分析和設(shè)計帶來困難。只有對各種元器件的特性建立了數(shù)學(xué)模型，才可能對電路進(jìn)行深入分析。例：手電筒電路（p4圖1-2-1）13第十三頁，共59頁。1.2電路模型（續(xù)1）什么是電路模型？What對實(shí)際電路的特性進(jìn)行分析、抽象，將電路的主要性能用數(shù)學(xué)方法表達(dá)出來，再利用一些具有特定、理想化特性的元件（理想元件）重構(gòu)出來的電路，稱為原電路的模型。電路模型反映了原電路工作的主要特性，并且這些特性是已經(jīng)數(shù)學(xué)化了的，便于用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析。電路模型中，構(gòu)成電路的不再是千差萬別的各種實(shí)際元器件，而是數(shù)量有限的理想元件，具有很好的規(guī)范性。有利于設(shè)計、交流。構(gòu)成電路模型的理想元件數(shù)量應(yīng)盡可能少，否則，電路模型將失去其存在的價值。14第十四頁，共59頁。1.2電路模型（續(xù)2）怎樣建立電路模型？How對電路中的每個元器件特性建立數(shù)學(xué)模型。用理想元件實(shí)現(xiàn)每個元器件的特性，構(gòu)成元器件的電路模型。把所有元器件的電路模型按照原電路結(jié)構(gòu)連接起來，形成電路的模型。15第十五頁，共59頁。1.2電路模型（續(xù)3）常用理想元件種類電荷q磁通電壓u電流i電阻元件電容元件電感元件憶阻元件16第十六頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量電流電流及其表示方式電流的概念

電流是電路中電荷流動量的度量，它表示單位時間流過電路中某一截面的凈電荷量。電荷流動不僅有數(shù)量，也有方向，因此電流是具有方向的。規(guī)定正電荷流動的方向為電流的方向（稱為真實(shí)方向）。分析電路時用箭頭或雙下標(biāo)來指定電流的方向。正電荷流向負(fù)電荷流向電流的真實(shí)方向q+q-ab電路中的一條通路17第十七頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)1）電流（續(xù)）電流的符號和單位電流的符號：電路中用I

表示不隨時間變化的電流，

i表示隨時間變化的電流；電流的單位是安培（A），是國際單位制（SI）中的七個基本單位之一。它表示：每秒鐘流過1C的凈電荷。18第十八頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)2）電流（續(xù)）電流的參考方向★在分析電路之前，電流的真實(shí)方向一般是未知的。用代數(shù)量來表示有方向的電流。符號表示方向，絕對值表示大小。為了用代數(shù)量表示電流，我們必須事先規(guī)定一個參考（即符號為正時電流的方向），稱為電流的參考方向。電路中用箭頭標(biāo)示。19第十九頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)3）電流（續(xù)）電流的參考方向電流的參考方向是人為定義的，

而電流的真實(shí)方向則是受電路

約束客觀存在并確定的。當(dāng)參考方向設(shè)的與真實(shí)方向一致時，

電流的代數(shù)值符號為正；反之為負(fù)。若分析電路后確定的電流符號為正，則

表明電流的真實(shí)方向就是參考方向；反之亦然。ab電路中的一條通路i電流i

的參考方向20第二十頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)4）電流（續(xù)）電流的測量實(shí)驗和工程中采用電流表測量電流，電流表必須串接在被測電路中。電流的參考方向由電流表接線方式?jīng)Q定

“+”接線柱指向“-”接線柱i電流表+_被測支路斷開通路串接電流表21第二十一頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)5）電壓、電位、電動勢電壓的概念電場是一種位場，電荷在電場中具有電位能。單位正電荷在電場中某點(diǎn)所具有的電位能稱為該點(diǎn)的電位。它表示外力將單位正電荷從參考點(diǎn)（0電位）移動到該點(diǎn)所作的功。單位為伏特(V)=1焦耳(J)/庫侖(C)，用v或V

表示a

點(diǎn)電位b

點(diǎn)電位22第二十二頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)6）電壓（續(xù)）電壓的概念電路（電場）中兩點(diǎn)（如a與b）之間的電位差稱為電壓，用u

或U表示，單位也是伏特(V)ab兩點(diǎn)之間電壓電壓uab

表示單位正電荷從a點(diǎn)移動到b點(diǎn)所失去的電位能，因此常也稱為電壓降。abWaWb失去電位能Wa-Wb23第二十三頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)7）電壓（續(xù)）電壓的方向（極性）電路（電場）中，只有定義了參考點(diǎn)，電位才有意義。電壓是一個相對量，與參考點(diǎn)的選取無關(guān)。電壓表示的是電位下降，也存在方向（又稱為極性），規(guī)定電位下降的方向為電壓的真實(shí)方向。電位實(shí)際上是電路中某點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的電壓。24第二十四頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)8）電壓（續(xù)）電壓的參考方向★電壓具有方向性，不能單用數(shù)值來表示，必須同時標(biāo)定其方向。在對電路分析之前顯然不能確定電壓的真實(shí)方向。兩點(diǎn)之間電壓只可能有兩個方向，可先假設(shè)電壓的方向，數(shù)值的正、負(fù)表示真實(shí)方向與假設(shè)方向之間的關(guān)系。稱此假設(shè)的方向為電壓的參考方向。電壓的參考方向用箭頭（或+/號）在電路中標(biāo)出。有了參考方向，帶方向的電壓變量就轉(zhuǎn)變成了代數(shù)量。abuab+-u或25第二十五頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)9）電壓（續(xù)）電壓的測量實(shí)驗和工程中采用電壓表測量電壓，電壓表必須和被測支路并聯(lián)。電壓的參考方向由電壓表接線方式?jīng)Q定

“+”接線柱指向“”接線柱電壓表+_被測支路+_u26第二十六頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)10）關(guān)于電位：利用電位的概念，可以簡化電路圖，也可使計算更為簡單。在電子電路中，為簡化電路，一般不畫出直流電源，而只標(biāo)出各點(diǎn)的電位值。例：求圖示電路中A點(diǎn)的電位+5V5VA20k30kI27第二十七頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)11）關(guān)聯(lián)參考方向★★同一電路元件上既有電流參考方向，也有電壓參考方向。都是人為假設(shè)出來的，兩者之間沒有實(shí)際聯(lián)系。為了分析方便，同一電路元件或電路部分，電壓和電流的參考方向采用一致的方向，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。如無特別需要，一般采用關(guān)聯(lián)的參考方向。這樣在電路中只需要標(biāo)出一個參考方向。28第二十八頁，共59頁。第29頁1.3電路中的基本物理量（續(xù)12）電功率電功率的概念、符號與單位電功率是電路元件消耗電能快慢的度量，它表示單位時間內(nèi)電路元件消耗的電場能量。電路中用P或p

表示電功率，按照定義

p(或P)=dW/dt功率的單位為瓦特（W）=焦耳(J)/秒(s)。功率的計算采用關(guān)聯(lián)參考方向時采用非關(guān)聯(lián)參考方向必須加上負(fù)號！29第二十九頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)13）電源和負(fù)載的概念若某元件電功率大于零，在電路中消耗電能，表現(xiàn)為負(fù)載。若某元件電功率小于零，向電路提供電能，表現(xiàn)為電源。例：由5個元件組成的電路如圖，各元件上電壓、電流參考方向采用關(guān)聯(lián)參考方向，標(biāo)在圖上如下。確定各元件的功率，

指出哪些是電源、哪些是負(fù)載？1234530第三十頁，共59頁。1.3電路中的基本物理量（續(xù)14）元件1是負(fù)載元件2是負(fù)載元件3是電源元件4是負(fù)載元件5是電源注意：電路中所有元件的功率之和為0！這一規(guī)則稱為功率平衡原理。常用作對分析結(jié)果的檢驗準(zhǔn)則。功率平衡實(shí)際上是能量守恒的體現(xiàn)，任意時刻，電源發(fā)出的電能恰為負(fù)載所消耗。1234531第三十一頁，共59頁。1.4基本電路元件模型常用理想元件種類電荷q磁通電壓u電流i電阻元件電容元件電感元件憶阻元件32第三十二頁，共59頁。1.4基本電路元件模型電阻元件電阻元件的概念

由代數(shù)關(guān)系聯(lián)系端電壓u和電流

i

的二端元件稱為電阻元件，簡稱電阻。

電阻元件的特性由u-i平面上的一條曲線表示，0iu當(dāng)這條曲線是一條過原點(diǎn)的直線時，稱為線性電阻。本課程中如無特別聲明電阻元件均指線性電阻。線性電阻元件非線性電阻33第三十三頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)1）電阻元件（續(xù)）電阻元件的符號、參數(shù)

電阻元件的參數(shù)為特性曲線的斜率，記作

R，

稱為電阻元件的電阻（值），單位歐姆（）＋u—iR電阻元件的符號電阻元件的特性——?dú)W姆定律

在關(guān)聯(lián)參考方向下，電阻兩端電壓與流過電阻的電流成正比，比例系數(shù)為電阻元件的參數(shù)——電阻值如果電阻R不隨時間變化，電阻元件稱為時不變電阻。本課只討論時不變元件。34第三十四頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)2）電容元件電容元件的概念

電容元件的原型是平板電容器，基本特性是存儲在極板上的電荷量q

與兩極板之間的電壓u

滿足代數(shù)關(guān)系。用

q-u平面上的一條曲線

fC(q,u)=0描述。++++++++--------+q-q＋u－0uq非線性電容線性電容元件當(dāng)這條曲線是一條過原點(diǎn)的直線時，稱為線性電容。本課程中如無特別聲明電容元件均指線性電容。35第三十五頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)3）電容元件（續(xù)）電容元件的符號、參數(shù)

電容元件的參數(shù)為特性曲線的斜率，記作C

，稱為電容元件的電容（量），單位法拉（F），法拉的單位很大，實(shí)用中常采用微法F(10-6F)和皮法pF(10-12F)。i+u_C電容元件的符號36第三十六頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)4）電容元件（續(xù)）電容元件的電壓-電流關(guān)系——伏安特性

動態(tài)元件記憶元件37第三十七頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)5）電容元件（續(xù)）電容元件的功率與儲能

功率儲能功率可正可負(fù)，有時吸收能量，有時放出能量，但本身不消耗能量（無損）。與電流無關(guān)儲能元件以電場方式儲存關(guān)聯(lián)參考方向38第三十八頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)6）電感元件電感元件的概念

電感元件的原型是空心線圈，基本特性是線圈中的磁通量

與流過線圈的電流i

滿足代數(shù)關(guān)系。用-i

平面上的一條曲線fL(,i)=0描述。Oi非線性電感線性電感元件當(dāng)這條曲線是一條過原點(diǎn)的直線時，稱為線性電感。本課程中如無特別聲明電感元件均指線性電感。39第三十九頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)7）電感元件（續(xù)）電感元件的符號、參數(shù)

電感元件的參數(shù)為特性曲線的斜率，記作L

，稱為電感元件的電感（量），單位亨利（H），亨利的單位很大，實(shí)用中常采用毫亨mH(10-3H)和微亨H(10-6H)。Li+u_電感元件的符號40第四十頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)8）電感元件（續(xù)）電感元件的電壓-電流關(guān)系——伏安特性

動態(tài)元件記憶元件41第四十一頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)9）電感元件（續(xù)）電感元件的功率與儲能

功率儲能功率可正可負(fù)，有時吸收能量，有時放出能量，但本身不消耗能量（無損）。儲能元件以磁場方式儲存關(guān)聯(lián)參考方向儲能與電壓無關(guān)42第四十二頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)10）理想（獨(dú)立）電壓源若二端元件兩端電壓不隨流過它的電流變化，保持固定的數(shù)值（或變化規(guī)律），稱此元件為理想（獨(dú)立）電壓源。理想電壓源的伏安特性為一條平行于電流軸的直線。uS+u_iuiuSOu=uS不隨電流變化US一般電壓源符號直流電壓源或恒壓源理想電壓源兩端的電壓值不隨電流變化，因此，理想電壓源的兩端不能被短路（電阻值為0），否則，將流過無窮大電流。常用的電池在正常工作范圍內(nèi)近似為理想電壓源（恒壓源）。使用中不能將其兩個電極短路，否則將損壞。43第四十三頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)11）理想（獨(dú)立）電流源若流過二端元件的電流不隨它兩端電壓變化，保持固定的數(shù)值（或變化規(guī)律），稱此元件為理想（獨(dú)立）電流源。理想電流源的伏安特性為一條平行于電壓軸的直線。電流源符號i=iS不隨電壓變化uiOiSiS+u_i理想電流源的參數(shù)用流過它的電流值（iS）表示。如果理想電流源的參數(shù)不隨時間變化（恒定），又稱為直流電流源或恒流源。流過理想電流源的電流值不隨電壓變化，因此，理想電流源的兩端不能被開路（電阻值為），否則，將產(chǎn)生無窮大電壓。現(xiàn)實(shí)世界中理想電壓源和理想電流源都是不存在的，它們只是實(shí)際電源在一定條件下的近似（模型）。44第四十四頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)12）電源的模型1：電壓源模型

理想的電壓源和電流源是不存在的。實(shí)際電壓源（簡稱電壓源）隨著輸出電流的增大，端電壓將下降，可以用理想電壓源和一個內(nèi)阻Ro串聯(lián)來等效。實(shí)際電源+_uiRLuiOuS理想電壓源特性實(shí)際電壓源特性實(shí)際電壓源模型+_uiRL+uS_R045第四十五頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)13）電源的模型2：電流源模型

實(shí)際電流源（簡稱電流源）可以用理想電流源與內(nèi)阻并聯(lián)來表示，當(dāng)電流源兩端電壓愈大，其輸出的電流就愈小。實(shí)際電源+_uiRLiuOiS理想電流源特性實(shí)際電流源特性實(shí)際電流源模型+_uiRLiSR046第四十六頁，共59頁。1.4基本電路元件模型（續(xù)14）兩種電源模型的轉(zhuǎn)換

電壓源模型和電流源模型都是對實(shí)際電源的近似，兩種電源模型之間可以互相轉(zhuǎn)換。實(shí)際電源+_uiRL電流源模型+_uiRLiSR0電壓源模型+_uiRL+uS_R0ui0uS實(shí)際電源特性47第四十七頁，共59頁。1.5電路的工作狀態(tài)與元件額定值

工作時，根據(jù)所接負(fù)載不同，電路的工作狀態(tài)分為三種：開路、短路、負(fù)載狀態(tài)。開路工作狀態(tài)含源電路+_iu電路外接端未接任何負(fù)載，端電流i=0（開路）。此時，端口電壓由電路內(nèi)部電源與結(jié)構(gòu)決定，稱為開路電壓，記作

uOC或UOC=UOC48第四十八頁，共59頁。1.5電路的工作狀態(tài)與元件額定值（續(xù)1）短路工作狀態(tài)含源電路+_iu電路外接端直接用導(dǎo)線連接，端口電壓

u=0（短路）此時，端電流由電路內(nèi)部電源與結(jié)構(gòu)決定，稱為短路電流，記作

iSC或ISC

ISC49第四十九頁，共59頁。1.5電路的工作狀態(tài)與元件額定值（續(xù)2）電氣設(shè)備的額定值：電氣設(shè)備的安全使用值額定電流IN：電氣設(shè)備在長期連續(xù)運(yùn)行或規(guī)定工作制下允許通過的最大電流。額定電壓UN

：

根據(jù)電氣設(shè)備所用絕緣材料的耐壓程度和容許溫升等情況規(guī)定的正常工作電壓。額定功率PN：電氣設(shè)備在額定電壓、額定電流下工作時的功率。額定值表明了電氣設(shè)備的正常工作條件、狀態(tài)和容量，使用電氣設(shè)備時，要注意不要超出其額定值，避免出現(xiàn)不正常的情況和發(fā)生事故。注意：使用中，電氣設(shè)備的實(shí)際電壓、電流、功率不一定等于其額定值。50第五十頁，共59頁。1.6基爾霍夫定律（重點(diǎn)）基爾霍夫定律是1845年德國物理學(xué)家G.R.Kirchhoff提出的，定律闡述了集總參數(shù)電路各結(jié)點(diǎn)電壓之間和各支路電流之間的約束關(guān)系，是電路理論的最基本定律。幾個電路基本術(shù)語支路：電路中的每一條分支都稱為支路。結(jié)點(diǎn)：電路中三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)?；芈罚弘娐分杏蓛蓷l以上支路構(gòu)成的任一閉合路徑稱為回路。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含有其他支路的回路稱為網(wǎng)孔。51第五十一頁，共59頁。1.6基爾霍夫定律（續(xù)1）基爾霍夫電流定律（Kirchhoff’sCurrentLaw,KCL）KCL表述：任何集中參數(shù)電路中，任意時刻流進(jìn)任意一個結(jié)點(diǎn)的所有支路電流的代數(shù)和總是為零。用數(shù)學(xué)式子表示為注意：當(dāng)支路k的電流參考方向指向結(jié)點(diǎn)n，則在上述求和式中取“+”，當(dāng)支路k的電流參考方向背向結(jié)點(diǎn)n，則在上述求和式中取“－”。52第五十二頁，共59頁。1.6基爾霍夫定律（續(xù)2）例如：下圖電路中連接到結(jié)點(diǎn)n

的支路共有5條，各支路電流參考方向如圖所示。21543ni1i2i3i4i5按照基爾霍夫定律，各支路電流滿足值得注意的是，只有定義了電流的參考方向，才能列寫基爾霍夫電流定律方程。流進(jìn)流出流出流進(jìn)流出基爾霍夫電流定律是電荷守恒定律的具體表現(xiàn)。53第五十三頁，共59頁。1.6基爾霍夫定律（續(xù)3）廣義KCL：任何電路中，任意時刻