电子信息导论(第四讲)(电路分析基础).ppt

电子信息科学导论 电路分析基础 信息学院 牛斌 2009年9月 1 1、绪论、绪论 p主要内容是： p 1）课程定位 p 2）发展过程回顾 p 3)电路理论的应用 1 11 1 课程定位课程定位 p“电路”课程是高等学校电子信息与电 气信息类专业的重要的基础课，是所 有弱电专业和强电专业的必修课。该 课程是电子信息类专业的一门专业基 础核心课程和骨干课程，对培养学生 分析电路的基础知识、基本能力和综 合素质具有其他任何电类课程不能替 代的重要作用。同时是电类各专业的 考研科目之一。 111 电路理论的主要内容 p 本课程是电路理论的基础课程，以电 路分析为主，探讨电路的基本概念、 基本定律和定理，并讨论各种计算方 法。本课程系统地介绍电路的基本理 论、线性电阻电路的分析方法正弦交 流电路的稳态计算方法、电路的暂态 分析方法、二端口网络、网络图论的 基本知识、非线性电阻电路以及电路 实验的基本原理、实验方法等。 112 重要性说明及先修课 pp 掌握电路的基本理论知识，基本掌握电路的基本理论知识，基本 分析方法和基本实验技能。为学习电分析方法和基本实验技能。为学习电 子信息、电气工程、自动化、计算机子信息、电气工程、自动化、计算机 等专业的专业课建立必要的理论基础等专业的专业课建立必要的理论基础 。为培养厚基础、宽口径。为培养厚基础、宽口径“ “复合型复合型” ”高高 级工程技术人才打下坚实基础。 级工程技术人才打下坚实基础。 pp 本课程的先修课程是普通物理学本课程的先修课程是普通物理学 电磁部分电磁部分 高等数学。高等数学。 113 电路课程有利于培养想象能力 和创新能力 pp 电路课程逻辑性较强，许多章节展电路课程逻辑性较强，许多章节展 示了科学研究的方法，假设、论证、示了科学研究的方法，假设、论证、 推理、归纳、结论，无不使学生得到推理、归纳、结论，无不使学生得到 科学研究的训练，这对于培养学生想科学研究的训练，这对于培养学生想 象能力和创新能力具有重要意义。象能力和创新能力具有重要意义。 114“电路”课程作为必修技术基础课 程的专业 （1）电子信息工程。 p（2）自动化。 p（3）计算机科学与技术。 p（4）电子科学与技术。 p（5）通信工程。 p（6）电气工程及其自动化。 p（7）生物医学工程。 p（8）机械工程与自动化*。 p（9）信息工程*。 12发展过程回顾 p1，到20世纪50年代末，电路理论在 学术体系上基本完善，这一发展阶段 称为经典电路理论阶段。 p2，之后的十年间，电路理论无论在 深度和广度方面均得到长足的发展。 因此又称20世纪60年代以后的电路理 论为近代电路理论 。 近代电路理论的主要特点 p1）是吉尔曼（Guillemin）将网路图论引入电 路理论之中。它为应用计算机进行电路分析和集 成电路布线与板图设计等研究提供了有利的工具 。 p2）是出现大量新的电路元件、有源器件，如使 用低电压的MOS电路，摒弃电感元件的电路，进 一步摒弃电阻的开关电容电路等。当前，有源电 路的综合设计正在迅速发展之中。 p3）是在电路分析和设计中应用计算机后，使得 对电路的优化设计和故障诊断成为可能，大大地 提高了电子产品的质量并降低了成本。 13 电路理论的应用 131为后续课程的理论基础 (1(1）模拟电子技术）模拟电子技术;(2;(2）数字电子技术）数字电子技术; ; pp(3(3）信号与系统）信号与系统; ; (4(4）通信电路）通信电路; ; pp(5(5）电视机原理）电视机原理; ; (6)(6)集成电路设计集成电路设计; ; pp(7)(7)自动控制自动控制; ; (8)(8)微波技术微波技术. . pp等课程都用到电路理论。等课程都用到电路理论。 132在科学技术发展中作用 p电路理论与众多学科相互影响和相互促进 。例如，电路理论在电力系统中应用，产 生了电力系统分析这门学科，并为电力系 统运行分析建立了理论体系。而当代电子 技术从电子管、半导体晶体管、集成电路 到大规模集成电路，更离不开电路理论的 支持和它的发展。当然，电子技术的发展 也促进了电路理论的发展。例如新型电子 元器件的出现，促使电路模型的多样化和 建模理论的发展。 1.1.31.1.3在工程技术实际和生活实际中在工程技术实际和生活实际中 p电路理论有非常广阔的应用。从简单的照 明电路，到复杂的电力系统；从单个的手 提电话、收音机、电视机到卫星通信网络 、计算机互联网，都与电路理论有一定的 联系。可以说，在涉及电能的产生、传输 和使用的地方，都有电路理论的应用。而 在信息产生、信息传递、信息处理的绝大 多数场合，都可见到电路理论应用的例子 。电路理论已经和我们的生活密不可分。 p1）电路模型 p2）电路的分类 p3）电路的组成 p4）电路的元件 p5）电路定律 p以下分别介绍之： 2电路的基本概念、元件和定律 2.1 电路模型 pp2 2、1 1、1 1 电路模型的含义电路模型的含义 pp所谓电路（所谓电路（CircuitCircuit）模型，是由电的元件）模型，是由电的元件 或器件相互连接所构成的电流的通路。简或器件相互连接所构成的电流的通路。简 称为电路。复杂的电路又常称为网络。当称为电路。复杂的电路又常称为网络。当 然，网络的含义比较广泛，电路基础课中然，网络的含义比较广泛，电路基础课中 ，所称的网络均指电网络。，所称的网络均指电网络。 2 2、2 2电路的分类如下电路的分类如下 p（1）集总参数电路与分布参数电路 p（2）线性电路与非线性电路 p（3）时不变电路与时变电路 p（4）电子电路与电力电路 p（5）简单电路与复杂电路 2、3电路的组成 p实际电路由三部分组成： p电源：是向电路提供电能的能源，简称 电源，它的作用是将其他形式的能量转换 为电能； p负载：是用电装置，统称其为负载，它 将电源供给的电能转换为其他形式的能量 ； p中间环节：是连接电源与负载的中间部 分的电路， 2.4 电路元件 p2.4.1、实际元件与理想元件： p电路中，每种元件通过端子的两种物理量 反映一种确定的电磁性质。元件的两个端 子的电路物理量之间的代数函数关系称为 元件的外（或端子）特性（亦称元件特性 ）。在建立实际的电路模型时，常常需要 将实际的元件作理想化处理，即突出元件 的主要特性，而忽略其次要特性，这样的 元件成为理想元件 2、4、2 集总参数元件和分布参数 p实际电路元件的运用,一般都和电能的消耗现象及电、磁 能的贮存现象有关，它们交织在一起并发生在整个部件中 。这里所谓的“理想化”指的是：假定这些现象可以分别研 究，或突出其主要特性，忽略其次要特性。 p 1）集中参数元件：并且这些电磁过程都分别集中在各 元件内部进行；这样的元件(电阻、电容、电感)称为集总 参数元件，简称为集总元件。由集总元件构成的电路称为 集总参数电路。 p用集总参数电路模型来近似地描述实际电路是有条件的， 它要求实际电路的尺寸 (长度)要远小于电路工作时电磁 波的波长, 即L 2）分布参数元件 p所谓分布参数元件：是指在电路的任 意点都包含着电阻、电容和电感元件 ，而无法集中的表示表示，这样的元 件分布规律，称为分布参数元件。关 于分参数元件，将在微波技术中讲述 。分布参数元件出现的条件是：实际 电路的尺寸 (长度)要远小于电路工作 时电磁波的波长, 即L 0.1 2、4、3无源器件 p1）电阻元件 p电阻元件是从实际电阻器抽象出来的模型，它具 有讲电能转换称其他能量的特性，而不课逆转。 p2）电容元件 p电容器是一种能储存电荷或者说储存电场能量的 部件 p3）电感元件 p电感元件是一种存储磁能的元件，在工程中广泛 应用导线绕制的线圈来实现 2、4、4有源元件 p1）理想电压源 p不管外部电路如何，其两端电压总能 保持定值或一定的时间函数的电源定 义为理想电压源。又称恒压源。 p2）理想电流源 p不管外部电路如何，其输出电流总能 保持定值或一定的时间函数的电源定 义为理想电流源。 p3）受控源 p所谓受控源，即大小方向受电路中其它地方的电 压或电流控制的电源，受控源有四种形式： p（1）VCVS; (2)CCVS; (3)VCCS; (4)CCCS 2.5电路基本定律 p 1）欧姆定律:注意其适用范围是线性电阻 电路； p2）基尔霍夫定律：它包括两个定律 （1）KCL; (2)KVL， 这两个定律适用范围： a)线性和非线性电路； b）直流电路和交流电路； c)集中参数电路和分布参数电路。 3.电路的变量 p1）电流：电荷有规则的定向运动，形成传导电 流。应注意电流的实际方向和参考方向的关系。 p2）电压 p两点之间的电位之差即是两点间的电压。应注意 电压的实际方向和参考方向的关系 p3）电功率 p单位时间做功大小称作功率，或者说做功的速率 称为功率，应注意功率正、负号的物理意义。 4、电路的等效 pp 1 1）等效定义）等效定义 pp若若BB与与C C具有相同的电压电流关系即相同的具有相同的电压电流关系即相同的VARVAR ，则称，则称BB与与C C是互为等效的。这就是电路等效的一是互为等效的。这就是电路等效的一 般定义般定义 pp2 2）等效条件）等效条件 pp电路等效变换的条件是相互代换的两电路等效变换的条件是相互代换的两 部分电路具有相同的部分电路具有相同的VARVAR。即对变化。即对变化 电路的外部是等效的，对内部电路不一电路的外部是等效的，对内部电路不一 定等效。定等效。 pp3 3）等效对象）等效对象 pp电路等效的对象是电路等效的对象是A (A (也就是电路未变也就是电路未变 化的部分化的部分) ) 中的电流、中的电流、 电压、电压、 功率。功率。 5、电路的基本分析方法 p 1）支路电流法，该方法同时应用KCL和 KVL p 2）网孔分析法：应用KVL，而隐含KCL p 3）节点电位法:引用KCL,而隐含KVL 6、常用的电路定理 6、1 叠加定理和齐次定理 6、2 置换定理 6、3 戴维南定理与诺顿定理 6、4 互易定律*（一般不作讲授，属于自学 内容） 这里需要强调指出：上述四个定理，仅适用 于线性电路，而不适用于非线性电路。 1 1）叠加定理和齐次定理）叠加定理和齐次定理 pp 2 2）置换定理）置换定理 pp置换定理置换定理( (又称替代定理又称替代定理) )可表述为：具有唯一解可表述为：具有唯一解 的电路中，若知某支路的电路中，若知某支路k k的电压为的电压为 UU k k ，电流为，电流为 I I k k ，且该支路与电路中其他支路无耦合，且该支路与电路中其他支路无耦合, ,则无论该支则无论该支 路是由什么元件组成的，都可用下列任何一个元路是由什么元件组成的，都可用下列任何一个元 件去置换：件去置换： pp (1) (1) 电压等于电压等于 的理想电压源的理想电压源UU k k ； pp (2) (2) 电流等于电流等于 的理想电流源的理想电流源I I k k ； pp (3) (3) 阻值为阻值为 该支路的等效该支路的等效的电阻的电阻UU k k /I/I k k 。 3）戴维南定理与诺顿定理 p戴维南定理:对于二端有源网路来说 ，可等效为一个理想电压源与内阻的 串联模型。其理想电压源的数值为有 源二端电路N的两个端子间的开路电压 ，串联的内阻为N内部所有独立源等于 零(理想电压源短路，理想电流源开路 )，受控源保留时两端子间的等效电阻 。 4）、诺顿定理 p诺顿定理(Nortons Theorem)可表述 为：一个含独立电源、线性受控源和线性 电阻的二端电路N，对两个端子来说都可等 效为一个理想电流源与内阻并联的模型。 其理想电流源的数值为有源二端电路N的两 个端子短路时其上的电流 ，并联的内阻等 于N内部所有独立源为零时电路两端子间的 等效电阻 7、单相及三相正弦交流电路 p7、1单相正弦交流电路 p 1）正弦量的表示法 p 2）单一参数的正弦交流电路 p 3）阻抗和导纳 p 4)复杂正弦交流电路 p7、2三相正弦交流电 三相正弦交流电在生产、变换、输送、分配、 应用等方面有着突出的优势。 p常用的是对称三相正弦交流电：即由三个交流电 压大小相等，频率相同而相位依次相差120度的 正弦交流电源。 8、互感电路 p互感是一种电磁耦合现象,在工程上用它来 传递能量或电信号。如变压器、电流互感 器、电压互感器等就是利用互感现象工作 的。此外互感现象也会产生不希望出现的 寄生耦合而造成干扰。这是需要竭力防止 的。 9、系统函数 p现代电路理论愈来愈看重与系统理论的融合。系统的概念 十分广泛,从电路的角度看，系统往往是一个复杂、庞大 的电路，素有网络之称。实际上却很难从表象上区分什么 是电路什么是系统。两者的区别主要是在观点上和处理问 题的方法上。电路理论的观点是研究元件或支路上的电流 、电压或功率，而从系统理论出发则是着重研究输入与输 出量之间的关系。这种输出与输入量之间的关系成为系统 函数。 10、双口网络 p1）基本含义：追溯到1921年，布瑞赛（Breisig）就 提出所谓“黑盒子”理论，即不去追究网路内部的情况而只 是从输入口和输出口的电流、电压方面去讨论网路的特性 。 p2）问题分类：