计算机电子电路技术--电路与模拟电子部分CH1.ppt

第1章电路基本概念和定律第2章电阻电路分析第3章动态电路分析第4章正弦稳态电路分析第5章半导体器件第6章放大电路分析基础第7章负反馈放大电路第8章集成运算放大器第9章波形产生电路第10章功率放大器第11章直流电源 计算机电子电路技术 电路与模拟电子部分 学习方法 1 基本概念 基本定理 律 2 基本方法 典型电路 3 多练 计算机电子电路技术 电路与模拟电子部分 第1章电路基本概念和定律 1 1电路模型1 2电路变量1 3电阻元件1 4电源元件1 5基尔霍夫定律1 6电阻的串联和并联1 7实际电源模型 电路基本概念和定律 1 1电路模型 一 实际电路及其功能 实际电路 由电气器件构成 并具有一定功能的连接整体 电气器件 电池 信号产生器 电阻器 电容器 电感器 开关 晶体管 电路的基本功能是 1 实现电能的产生 传输 分配和转换 2 完成电信号的产生 传输 变换和处理 电路 电源 负载 连接器件 电路基本概念和定律 电源 source 提供能量或信号 负载 load 将电能转化为其它形式的能量 或对信号进行处理 导线 line 开关 switch 等 将电源与负载接成通路 三峡工程输电示意图 手机充电 电路基本概念和定律 二 电路模型 电路理论主要研究电路中发生的各种电磁现象 包括电能的消耗现象和电磁能的存储现象 电阻元件 R 消耗电能的现象 电容元件 C 电场储能的现象 电感元件 L 磁场储能的现象 对实际器件 在一定条件下 忽略其次要性质 用理想元件或其组合表征它的主要特性 该理想元件或其组合构成实际器件的模型 称为器件模型 电路基本概念和定律 理想电路元件 根据实际电路元件所具备的电的具有某种单一电磁性质的元件 其u i关系可用简单的数学式子严格表示 部分电气图用图形符号 电路基本概念和定律 a 实际电路 b 电气图 c 电路模型 电路图 当实际电路的尺寸远小于使用时其最高工作频率所对应的波长时 可以定义出几种 集总参数元件 lumpedparameterelement 用来构成实际部 器件的模型 每一种集总参数元件 以后简称为元件 只反映一种基本电磁现象 且可由数学方法精确定义 电路基本概念和定律 采用集总电路模型意味着不考虑电路中电场与磁场的相互作用 不能考虑电磁波的传播现象 认为电能的传送是瞬间完成的 当电路的尺寸大于最高频率所对应的波长或两者属于同一数量级时 便不能作为集总电路处理 应作为分布 distributed 参数电路处理 调频接收机 100MHz 手机充电 手机 900M 1800M 电路基本概念和定律 日常生产 生活电路的工作频率为f 50MHz则 周期T 1 f 0 02 10 6s 0 02ns波长 3 105 0 02 10 6 6m 电路基本概念和定律 1 2电路变量 电路中的主要物理量 主要有电压 电流 电荷 磁链等 在线性电路分析中常用电流 电压 功率等 一 电流 电荷有规则的定向运动形成电流 电流强度 单位时间内通过导体截面的电荷量 常用单位毫安 mA 或微安 A 单位 A 安 Ampere 安培 当数值过大或过小时 常用十进制的倍数表示 符号TGMkcm np中文太吉兆千厘毫微纳皮数量101210910610310 210 310 610 910 12 二 电压 为了计量电场力作功的能力 引入电压物理量 记为u t 或u 电路中a b两点间的电压 在数值上等于单位正电荷从a点沿电路约束的路径移至b点时电场力所作的功 电压的单位是伏特 V 常用单位 千伏 kV 毫伏 mV 或微伏 V 三 电位 电路中为分析的方便 常在电路中选某一点为参考点 把任一点到参考点的电压称为该点的电位 参考点的电位一般定为零 所以 也称为零电位点 电位用 表示 单位与电压相同 也是V 伏 a b c d 设c点为电位参考点 则 c 0 a Uac b Ubc d Udc 两点间电压与电位的关系 仍设c点为电位参考点 c 0 Uac a Udc d Uad Uac Udc a d 前例 结论 电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差 例 1 5V 1 5V 已知Uab 1 5V Ubc 1 V 1 以a点为参考点 a 0 2 以b点为参考点 b 0 结论 电路中电位参考点可任意选择 当选择不同的电位参考时 电路中各点电位均不同 但任意两点间电压保持不变 四 电压 电流的参考方向 referencedirection 1 电流的参考方向 元件 导线 中电流流动的实际方向有两种可能 电流参考方向的两种表示 用箭头表示 箭头的指向为电流的参考方向 用双下标表示 如iAB 电流的参考方向由A指向B i参考方向 i 0 实际方向 电流的参考方向与实际方向的关系 为什么要引入参考方向 b 实际电路中有些电流是交变的 无法标出实际方向 标出参考方向 再加上与之配合的表达式 才能表示出电流的大小和实际方向 a 有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向 为分析方便 只能先任意标一方向 参考方向 根据计算结果 才能确定电流的实际方向 2 电压 降 的参考方向 U 0 实际方向 实际方向 0 U 电压参考方向的三种表示方式 2 用正负极性表示 由正极指向负极的方向为电压 降低 的参考方向 3 用双下标表示 如UAB 由A指向B的方向为电压 降 的参考方向 U A B UAB 小结 1 电压和电流的参考方向是任意假定的 分析前必须标明 2 参考方向一经确定 必须在图中相应位置标注 包括方向和符号 在计算过程中不得任意改变 参考方向不同时 其表达式符号也不同 但实际方向不变 4 参考方向也称为假定方向 正方向 以后讨论均在参考方向下进行 不考虑实际方向 3 元件或支路的u i通常采用相同的参考方向 以减少公式中负号 称之为关联参考方向 反之 称为非关联参考方向 例1电路如图1 6所示 图中矩形框表示电路元件 已知电流I1 1A I2 2A I3 3A 其参考方向如图中所标 d为参考点 电位Ua 5V Ub 5V Uc 2V 求 1 电流I1 I2 I3的实际方向和电压Uab Ucd的实际极性 2 若欲测量电流I1和电压Ucd的数值 则电流表和电压表应如何接入电路 能量对时间的导数称为功率 记为p t 或p 五 能量和功率 功率的单位 W 瓦 Watt 瓦特 能量的单位 J 焦 Joule 焦耳 当u i的参考方向一致时 p表示元件吸收的功率 当u i的参考方向相反时 p表示元件发出的功率 二 功率的计算和判断 1 u i关联参考方向 p ui表示元件吸收的功率 P 0吸收正功率 吸收 P 0吸收负功率 发出 p ui 2 u i非关联参考方向 P 0吸收正功率 吸收 P 0吸收负功率 发出 上述功率计算不仅适用于元件 也使用于任意二端网络 电阻元件在电路中总是消耗 吸收 功率 而电源在电路中可能吸收 也可能发出功率 若已知元件吸收功率为p t 并设w 0 则 表示从 开始至时刻t元件所吸收的电能 一个元件 如果对于任意时刻t 均有 则称该元件 或电路 是无源的 否则就称其为有源的 例U1 10V U2 5V 分别求电源 电阻的功率 I UR 5 U1 U2 5 10 5 5 1A PR URI 5 1 5W PU1 U1I 10 1 10W PU2 U2I 5 1 5W P发 10W P吸 5 5 10WP发 P吸 功率守恒 例 如图所示电路 已知i 1A u1 3V u2 7V u3 10V 求ab bc ca三部分电路上各吸收的功率p1 p2 p3 1 3电阻元件 一 线性电阻 电阻元件是电能消耗器件的理想化模型 用来描述电路中电能消耗的物理现象 线性定常电阻元件 任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件 a 电路符号 b 伏安特性 二 欧姆定律 Ohm sLaw 1 电压与电流的参考方向设定为一致的方向 u Ri 令G 1 R R称为电阻 G称为电导 则欧姆定律表示为i Gu 电阻的单位 欧 Ohm 欧姆 电导的单位 S 西 Siemens 西门子 1k 103 1M 103k 106 2 电阻的电压和电流的参考方向相反 则欧姆定律写为 u Ri或i Gu 公式必须和参考方向配套使用 R i u 三 开路与短路 对于一电阻R 当R 0 视其为短路 i为有限值时 u 0 当R 视其为开路 u为有限值时 i 0 理想导线的电阻值为零 四 功率和能量 R 上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的 p吸 ui Ri i i2R u u R u2 R p吸 ui i2R u2 R 功率 i 能量 可用功率表示 从t到t0电阻消耗的能量 例4图1 15电路 已知R 5 u t 10costV 求i t R u t 例5图1 16电路 已知R 5k U 10V 求电阻中流过的电流和电阻的功率 1 4电源元件 source independentsource 一 理想电压源 电源两端电压为uS 其值与流过它的电流i无关 1 特点 a 电源两端电压由电源本身决定 与外电路无关 b 通过它的电流是任意的 由其与外电路共同决定 直流 uS为常数 交流 uS是确定的时间函数 如uS Umsin t uS 电路符号 2 伏安特性 US 1 若uS US 即直流电源 则其伏安特性为平行于电流轴的直线 反映电压与电源中的电流无关 2 若uS为变化的电源 则某一时刻的伏安关系也是这样 电压为零的电压源 伏安曲线与i轴重合 相当于短路元件 3 理想电压源的开路与短路 1 开路 R i 0 u uS 2 短路 R 0 i 理想电源出现病态 因此理想电压源不允许短路 实际电压源也不允许短路 因其内阻小 若短路 电流很大 可能烧毁电源 4 功率 二 理想电流源 电源输出电流为iS 其值与此电源的端电压u无关 1 特点 a 电源电流由电源本身决定 与外电路无关 b 电源两端电压是任意的 由外电路决定 直流 iS为常数 交流 iS是确定的时间函数 如iS Imsin t 电路符号 2 伏安特性 IS 1 若iS IS 即直流电源 则其伏安特性为平行于电压轴的直线 反映电流与端电压无关 2 若iS为变化的电源 则某一时刻的伏安关系也是这样 电流为零的电流源 伏安曲线与u轴重合 相当于开路元件 3 理想电流源的短路与开路 2 开路 R i iS u 若强迫断开电流源回路 电路模型为病态 理想电流源不允许开路 1 短路 R 0 i iS u 0 电流源被短路 4 功率 1 5基尔霍夫定律 Kirchhoff sLaws 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律 Kirchhoff sCurrentLaw KCL 和基尔霍夫电压定律 Kirchhoff sVoltageLaw KVL 它反映了电路中所有支路电压和电流的约束关系 是分析集总参数电路的基本定律 基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础 一 几个名词 定义 1 支路 branch 电路中通过同一电流的每个分支 b 2 节点 node 三条或三条以上支路的连接点称为节点 n 4 回路 loop 由支路组成的闭合路径 l b 3 3 路径 path 两节点间的一条通路 路径由支路构成 5 网孔 mesh 对平面电路 每个网眼即为网孔 网孔是回路 但回路不一定是网孔 l 3 n 2 二 基尔霍夫电流定律 KCL 在任何集总参数电路中 在任一时刻 流出 流入 任一节点的各支路电流的代数和为零 即 物理基础 电荷恒定 电流连续性 令流出为 支路电流背离节点 i1 i2 i3 i4 0i1 i3 i2 i4 i1 i2 10 12 0 i2 1A 4 7 i1 0 i1 3A 1 电流实际方向和参考方向之间关系 2 流入 流出节点 两种符号 KCL可推广到一个封闭面 i1 i2 i3 0 其中必有负的电流 思考 EWB 三 基尔霍夫电压定律 KVL 在任何集总参数电路中 在任一时刻 沿任一闭合路径 按固定绕向 各支路电压的代数和为零 即 R1I1 US1 R2I2 R3I3 R4I4 US4 0 例 顺时针方向绕行 UAB 沿l1 UAB 沿l2 电位的单值性 推论 电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和 元件电压方向与路径绕行方向一致时取正号 相反取负号 R1I1 US1 R2I2 R3I3 R4I4 US4 0 1 5 续 电路的图及KCL KVL独立方程 个图G是结点和支路的一个集合 每条支路的两端都连到相应的结点上 图的概念 电路的 图 是指把电路中每一条支路画成抽象的线段形成的一个结点和支路的集合 KCL和KVL的独立方程数 对有n个节点的电路 就有n个KCL方程 每条支路对应于两个节点 支路电流一个流进 一个流出 所有n个节点的KCL方程之和为 所以 独立KCL方程数最多为 n 1 可以证明 此数目恰为 n 1 个 即n个方程中的任何一个方程都可以从其余 n 1 个方程推出来 独立节点 对有n个节点的电路 与独立方程对应的节点 任选 n 1 个节点即为独立节点 给定一b条支路 n个结点的平面电路 planarcircuit a 该电路有b n 1 个网孔 b b n 1 个网孔的KVL方程是独立的 平面电路网孔数m b n 1 共有13个不同的回路 一个连通图G的树T包含G的全部结点和部分支路 而树本身是连通的且又不包含回路 在树的基础上 每增加一条连支 必形成一个回路且这些回路相互独立 一b条支路 n个结点的平面电路的树枝为n 1条 所以其独立回路数 m b n 1 独立回路的选取 每增选一个回路使这个回路至少具有一条新支路 因这样所建立的方程不可能由原来方程导出 所以 肯定是独立的 充分条件 以后可以证明 用KVL只能列出b n 1 个独立回路电压方程 对平面电路 b n 1 个网孔即是一组独立回路 写出独立的KVL方程 KCL反KVL分别表明支路电流之间以及支这些约束关系与构成电路的元件性质无关 因此 在研究这些约束关系时经常直接用一线段来代替电路中的每一个元件 求下图中未知的电压 电流 KCL KVL小结 1 KCL是对支路电流的线性约束 KVL是对支路电压的线性约束 2 KCL KVL与组成支路的元件性质及参数无关 3 KCL表明在每一节点上电荷是守恒的 KVL是电位单值性的具体体现 电压与路径无关 4 KCL KVL只适用于集总参数的电路 1 电路特点 一 电阻串联 SeriesConnectionofResistors 1 6电阻的串联 并联和串并联 KVLu u1 u2 uk un 由欧姆定律 uk Rki k 1 2 n 结论 Req R1 R2 Rn Rk u R1 R2 Rk Rn i Reqi 串联电路的总电阻等于各分电阻之和 2 等效电阻Req 3 串联电阻上电压的分配 由 即 电压与电阻成正比 故有 注意方向 4 功率关系 p1 R1i2 p2 R2i2 pn Rni2 p1 p2 pn R1 R2 Rn 总功率p Reqi2 R1 R2 Rn i2 R1i2 R2i2 Rni2 p1 p2 pn 二 电阻并联 ParallelConnection 2 等效电阻Req Rin 1 3 6 5 13 G 1 1 3 1 6 5 1 13 1 R 1 G 1 4 功率关系 p1 G1u2 p2 G2u2 pn Gnu2 p1 p2 pn G1 G2 Gn 总功率p Geqi2 G1 G2 Gn u2 G1i2 G2i2 Gni2 p1 p2 pn 三 电阻的串并联 例1 R 4 2 3 6 2 R 40 40 30 30 30 30 例2 已知R 2 求开关打开和闭合时等效电阻Rab 例3 解 用分流方法做 求 I1 I4 U4 1 6 续 星形联接与三角形联接的电阻的等效变换 Y变换 三端无源网络 引出三个端钮的网络 并且内部没有独立源 三端无源网络的两个例子 Y网络 Y型网络 型网络 下面是 Y网络的变形 型电路 型 T型电路 Y型 这两种电路都可以用下面的 Y变换方法来做 下面要证明 这两个电路当它们的电阻满足一定的关系时 是能够相互等效的 等效的条件 i1 i1Y i2 i2Y i3 i3Y 且u12 u12Y u23 u23Y u31 u31Y Y接 用电流表示电压 u12Y R1i1Y R2i2Y 接 用电压表示电流 i1Y i2Y i3Y 0 u31Y R3i3Y R1i1Y u23Y R2i2Y R3i3Y i3 u31 R31 u23 R23 i2 u23 R23 u12 R12 i1 u12 R12 u31 R31 1 2 由式 2 解得 i3 u31 R31 u23 R23 i2 u23 R23 u12 R12 i1 u12 R12 u31 R31 1 3 根据等效条件 比较式 3 与式 1 得由Y接 接的变换结果 或 类似可得到由 接 Y接的变换结果 或 上述结果可从原始方程出发导出 也可由Y接 接的变换结果直接得到 简记方法 特例 若三个电阻相等 对称 则有 R 3RY 外大内小 或 注意 1 等效