电模第一章(电路的基本概念)

电路与模拟电子技术技术,任课教师：龙夏部门：计科系体系结构电话箱：ruiheziyan,目录,1、电路的基本概念,4、交流电路分析,2、电阻电路分析,3、动态电路分析分析,5、半导体二极管及其应用电路,6、放大电路基础,7、负反馈放大电路,前后续课程及联系,数字逻辑,单片机原理,嵌入式系统,微机原理,传感器及电子测量,高等数学,线性代数,积分变换,大学物理,复变函数,电模,组成原理,生物医学电子学与医学仪器,EDA技术,教学内容,本课程共96学时，由电路原理和模拟电子技术两大模块组成。主要内容包括：（1）直流电路分析，其中包括线性电路分析的主要内容，如基尔霍夫定理、叠加定理、戴维南定理等；（2）交流电路分析，主要使利用相量法分析动态电路；,（3）三相电，主要分析三相电源、三相负载的电压、电流、功率特性；（4）分立原件,主要是介绍二极管、三极管的伏安特性，并能分析分立原件组成的放大电路的特性；（5）反馈电路，介绍反馈的类型及反馈的作用；（6）理想运放电路，主要使介绍运放的特性及分析理想运放的功能。,考核方式：课程结束考试方式：闭卷笔试总评成绩期末考试成绩40作业成绩20+平时表现5%+课堂笔记10%+阶段测验15%+课程论文10%注：总评成绩60分以上（包括60分）算考试通过。,第1章电路的基本概念,本章重点,重点：,难点：,1.1电路和电路模型,由实际元器件构成的电流所通过的路径称为电路。,电路通常由电源、负载和中间环节三部分组成。,电路的组成,1、电路的组成及其功能,电源,连接导线和其余设备为中间环节,负载,2、电路的作用1提供能量2传送及处理信号3测量4存储信息,供电电路,电话电路音响放大电路,万用表电路,存储器电路,3、电气图用图形符号,实际电路,电气图,电路图（电路模型）,理想电路元件,4、电路元件,电阻元件只具耗能的电特性,电容元件只具有储存电能的电特性,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定。,电感元件只具有储存磁能的电特性,理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、精确，可定量分析和计算。,1.2电路的基本物理量,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1.电流及其参考方向,电流,电流强度,电荷有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,下页,上页,返回,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,下页,上页,返回,参考方向,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,i0,i0吸收正功率(实际吸收),P0发出正功率(实际发出),P0:吸收功率,P0:发出功率,P0:吸收功率,P0:发出功率,P0,电容吸收功率:电容充电。,p0,电感吸收功率。,当电流减小，p0,电感元件接受能量;第2个1/3周期中,p=0电感元件既不发出能量,也不接受能量;第3个1/3周期中,p0,电感元件发出能量。,下页,上页,贴片型功率电感,贴片电感,返回,下页,上页,贴片型空心线圈,可调式电感,环形线圈,立式功率型电感,返回,下页,上页,电抗器,返回,无源元件小结,理想元件的特性（u与i的关系）,L,C,R,1.5有源二端元件,电路符号,一、理想电压源,定义,下页,上页,其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流i无关的元件叫理想电压源。,返回,电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。,通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。,理想电压源的电压、电流关系,直流电压源的伏安关系,下页,上页,例,外电路,0,返回,短路,断路,理想电压源不能短路！,电压源的功率,电压、电流参考方向非关联；,电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。,发出功率，起电源作用,物理意义：,下页,上页,电压、电流参考方向关联；,物理意义：,电场力做功，电源吸收功率,吸收功率，充当负载,返回,例,计算图示电路各元件的功率,解,发出,吸收,吸收,满足：P（发）P（吸）,下页,上页,返回,理想电压源的串联与并联,串联,US=USk,电压值相同的电压源才能并联，且每个电源的电流不确定。,注意参考方向,US=US1US2,并联,其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压u无关的元件叫理想电流源。,电路符号,二、理想电流源,定义,下页,上页,理想电流源的电压、电流关系,电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。,返回,电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。,直流电流源的伏安关系,下页,上页,0,例,外电路,返回,电流源不能开路！,可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。,下页,上页,实际电流源的产生：,电流源的功率,电压、电流的参考方向非关联；,发出功率，起电源作用,电压、电流的参考方向关联；,吸收功率，充当负载,返回,例,计算图示电路各元件的功率,解,发出,吸收,满足：P（发）P（吸）,下页,上页,返回,理想电流源的串联与并联,并联,IS=ISk,注意参考方向,IS=IS1+IS2IS3,电流相同的理想电流源才能串联，且每个恒流源的端电压均由它本身及外电路共同决定。,串联,？,？,？,Is=Is2-Is1,在电路等效的过程中，与理想电压源相并联的电流源不起作用！,与理想电流源相串联的电压源不起作用！,恒压源与恒流源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对Uab无影响。,I的大小、方向均为恒定，外电路负载对I无影响。,输出电流I可变-I的大小、方向均由外电路决定,端电压Uab可变-Uab的大小、方向均由外电路决定,三、实际电源的两种模型及其等效变换,下页,上页,1.实际电压源,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。,考虑内阻,伏安特性：,一个好的电压源要求,注意,返回,实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。,2.实际电流源,考虑内阻,伏安特性：,一个好的电流源要求,注意,直流稳压源,变频器,频率计,函数发生器,下页,上页,返回,发电机组,下页,上页,返回,草原上的风力发电,下页,上页,返回,3.电压源和电流源的等效变换,实际电压源、实际电流源两种模型可以进行等效变换，所谓的等效是指端口的电压、电流在转换过程中保持不变。,u=uSRSi,i=iSGSu,i=uS/RSu/RS,iS=uS/RSGS=1/RS,实际电压源,实际电流源,端口特性,比较可得等效条件,电压源变换为电流源：,电流源变换为电压源：,下页,上页,_,小结,返回,等效变换的注意事项,(1)“等效”是指“对外”等效（等效互换前后对外伏-安特性一致），对内不等效。,例如：,(2)注意转换前后E与Is的方向。,(3)恒压源和恒流源不能等效互换。,（不存在）,(4)进行电路计算时，恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换。RO和RO不一定是电源内阻。(5)与理想电压源并联的支路对外可以开路等效；(6)与理想电流源串联的支路对外可以短路等效。,练习：,利用等效变换概念化简下列电路。,1、,2、,5,10V,4A,8,例1:,求下列各电路的等效电源,解:,例2:,试用电压源与电流源等效变换的方法计算2电阻中的电流。,解:,由图(d)可得,例3：,解：统一电源形式,试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1电阻中的电流。,例4:,电路如图。U110V，IS2A，R11，R22，R35，R1。(1)求电阻R中的电流I；(2)计算理想电压源U1中的电流IU1和理想电流源IS两端的电压UIS；,解：(1)由电源的性质及电源的等效变换可得：,(2)由图(a)可得：,理想电压源中的电流,理想电流源两端的电压,IR1,利用电源转换简化电路计算,例5:,I=0.5A,U=20V,下页,上页,返回,例6:,把电路转换成一个电压源和一个电阻的串连,1.6受控源,电路符号,受控电压源,1.定义,受控电流源,电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源。,下页,上页,返回,电流控制的电流源(CCCS),:电流放大倍数,根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。,2.分类,四端元件,输出：受控部分,输入：控制部分,下页,上页,返回,g:转移电导,电压控制的电流源(VCCS),电压控制的电压源(VCVS),:电压放大倍数,下页,上页,返回,电流控制的电压源(CCVS),r:转移电阻,例,电路模型,下页,上页,返回,3.受控源与独立源的比较,独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。,独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能作为“激励”。,下页,上页,返回,例,求：电压u2,解,下页,上页,返回,1.7基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律(KVL)。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，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。,下页,上页,返回,支路：电路中的流过同一电流的分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,例,支路：ab、bc、ca、（共6条）,回路：abda、abca、adbca（共7个）,结点：a、b、c、d(共4个）,网孔：abd、abc、bcd（共3个）,1.7.2基尔霍夫电流定律(KCL定律),1定律,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,实质:电荷守恒定理的体现。,即:=0,对结点a：,-I1-I2+I3=0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,注意：流出节点的电流为正，流入节点的电流取负。,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,2推广,I=?,例:,广义结点,I=0,IA+IB+IC=0,KCL的推广应用,二端网络的两个对外引出端子，电流由一端流入、从另一端流出，因此两个端子上的电流数值相等。,只有一条支路相连时：i=0,IA=IABICA,图示B封闭曲面均可视为广义结点，,解,由基尔霍夫电流定律可列出-I1+I2-I3+I40-2+（3）-（2）+I40,可得I43A,返回,i1=i2,jA=jB,右封闭曲面可视为广义节点,1.7.3基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,即：U=0,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,对回路1：,对回路2：,I1R1+I3R3E1=0,I2R2+I3R3E2=0,注意：与绕行方向一致（降压）的电压为正，否则取负。,1列方程前标注回路循行方向；,电位升=电位降E2=UBE+I2R2,U=0I2R2E2+UBE=0,2应用U=0列方程时，项前符号的确定：,3.开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,例：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6R6I3R3+I1R1=0,I2R2I4R4I6R6=0,I4R4+I3R3E=0,对回路adbca，沿逆时针方向循行：,I1R1+I3R3+I4R4I2R2=0,应用U=0列方程,对回路cadc，沿逆时针方向循行：,I2R2I1R1+E=0,KVL定律的推广应用,或写作,对假想回路列KVL：,USIRU=0,U=USIR,KVL定律的推广应用,UAUBUAB=0,UAB=UAUB,对假想回路列KVL：,或写作,下页,上页,例1,求电流i,解,例2,解,求电压u,返回,下页,上页,例2,求电流i,例3,求电压u,解,解,要求,能熟练求解含源支路的电压和电流。,返回,解,下页,上页,例4,求电流I,例6,求电压U,解,返回,解,下页,上页,例5,求开路电压U,返回,解,选择参数可以得到电压和功率放大。,上页,例6,求输出电压U,返回,KCL、KVL小结：,KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。,KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。