电路与模拟电子学复习课件

复习课件,电路电子学,第1章,电源和负载的概念若某元件电功率大于零，在电路中消耗电能，表现为负载。若某元件电功率小于零，向电路提供电能，表现为电源。举例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。,确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？,元件1,是负载,元件2,是负载,元件3,是电源,元件4,是负载,元件5,是电源,注意：,电路中所有元件的功率之和为0！这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的检验准则。功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源发出的电能恰为负载所消耗。,元件1,是负载,元件2,是负载,元件3,是电源,元件4,是负载,元件5,是电源,注意：,电路中所有元件的功率之和为0！这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的检验准则。功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源发出的电能恰为负载所消耗。,电路的工作状态短路工作状态,电路外接端直接用导线连接，端口电压u=0（短路）,此时，端电流由电路内部电源与结构决定，称为短路电流，记作iSC或ISC,ISC,开路工作状态,电路外接端未接任何负载，端电流i=0（开路）。此时，端口电压由电路内部电源与结构决定，称为开路电压，记作uOC或UOC,=UOC,负载工作状态,电路外接一定负载，电路中有电流流过，此时的状态称为负载状态。,负载,对于确定的电路，电流的大小取决于负载的大小。,当电路中的电流等于额定电流时，叫做“满载”（额定状态）；,当电路中的电流大于额定电流时，叫做“过载”；,当电路中的电流小于额定电流时，叫做“欠载”。,有源电路元件,理想（独立）电压源若二端元件两端电压不随流过它的电流变化，保持固定的数值（或变化规律），称此元件为理想（独立）电压源。理想电压源的伏安特性为一条平行于电流轴的直线。,u=uS,不随电流变化,一般电压源符号,直流电压源或恒压源,理想电压源两端的电压值不随电流变化，因此，理想电压源的两端不能被短路（电阻值为0），否则，将流过无穷大电流。常用的电池在正常工作范围内近似为理想电压源（恒压源）。使用中不能将其两个电极短路，否则将损坏。,理想（独立）电流源若流过二端元件的电流不随它两端电压变化，保持固定的数值（或变化规律），称此元件为理想（独立）电流源。理想电流源的伏安特性为一条平行于电压轴的直线。,电流源符号,i=iS,不随电压变化,理想电流源的参数用流过它的电流值（iS）表示。如果理想电流源的参数不随时间变化（恒定），又称为直流电流源或恒流源。,流过理想电流源的电流值不随电压变化，因此，理想电流源的两端不能被开路（电阻值为），否则，将产生无穷大电压。现实世界中理想电压源和理想电流源都是不存在的，它们只是实际电源在一定条件下的近似（模型）。,实际电源的模型：实际电源不能输出无穷大的功率。实际电压源（简称电压源）随着输出电流的增大，端电压将下降，可以用理想电压源和一个内阻R0串联来等效。,实际电压源模型,实际电源的模型：实际电流源（简称电流源）可以用理想电流源与内阻并联来表示，当电流源两端电压愈大，其输出的电流就愈小。当实际电流源的内阻比负载电阻大得多时，往往可以近似地将其看作是理想电流源。,实际电流源模型,两种电源模型的转换电压源模型和电流源模型都是对实际电源的近似，两种电源模型之间可以互相转换。,电流源模型,电压源模型,电路中电位的概念,在电路的分析与计算时，常常要用到电位的概念。电压是两点电位之差，它只能说明一点的电位高，另一点的电位低，并不能知道某一点的电位究竟为多少。在很多情况下，我们需要知道某点的电位。利用电位的概念，还可以简化电路图，也可使计算更为简单。在电子电路中，为简化电路，一般不画出直流电源，而只标出各点的电位值。例：求图示电路中A点的电位,I,基尔霍夫定律：包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。基尔霍夫电流定律（KCL）：I=0或：I入=I出实质是电流连续性的体现，在任一结点没有电荷的堆积。该定律可扩展到广义结点。注意：应用该定律前必须设定电流的参考方向！,基尔霍夫电压定律（KVL）：U=0或：U升=U降该定律反映的是电路任一回路中各部分电压之间的制约关系。基尔霍夫电压定律实质上是能量守恒原理，体现了电路中电位的唯一性。注意：应用基尔霍夫电压定律前，要先设定回路的绕行方向和各部分电压的参考方向。,电压源与电流源的等效变换：电压源与电流源是实际电源的两种模型，只对外电路等效；理想电压源（内阻为0）与理想电流源（内阻为）不能进行等效变换；理想电压源不能被短路、理想电流源不能被开路；电压源与电流源等效变换时要注意之间方向的对应；不同数值的电压源不能并联、不同数值的电流源不能串联。,第2章,戴维宁定理：戴维宁定理描述了任一线性有源二端网络与电压源的等效关系，而且还说明了电压源US和内阻R0的含义。电压源US是通过求线性有源二端网络的开路电压UOC来得到，而R0则是该线性有源二端网络除源后的等效电阻。戴维宁电路只对外电路等效。,叠加原理：当电路中含有多个电源时，电路中的电压和电流等于各个电源单独作用的代数和。对于不作用的电源：电压源端路、电流源开路（保留内阻）叠加原理只适用于线性电路中电压、电流的计算。在叠加过程中要注意电压电流的参考方向。,结点电压法：以结点电压（电位）分析变量列写电路方程，并求解得到电路各结点电压，通过各结点电压的差得到支路电压，再由支路元件特性确定支路电流。步骤（1）选取参考结点；（2）对参考结点以外的其它各结点列写结点方程；（3）联立求解n-1个结点方程。,注意：自电导：所有连接到本结点的电导。互电导：与相邻结点之间的电导。一般有Gjh=Ghj。纯电压源支路的处理：将其一端选为参考结点，,将电流源与电压源进行比较可以得到,如果满足这两个条件，则这两个模型就有相同的伏安特性。对外电路来说，它们是等效的，因此在分析电路过程中，可以进行互换。这里需要强调指出，等效变换只是对外部电路而言，而对电源内部是不等效的。而且，理想电压源和理想电流源之间无法等效变换。,第3章,三要素法求全响应1初始值2稳态值3时间常数,电路的响应,零输入响应：在零输入的条件下，由非零初始态（储能元件的储能）引起的响应，为零输入响应；此时，被视为一种输入信号。,或,全响应解：,零状态响应,零输入响应,第4章,正弦量的三要素1、角频率/频率f/周期T：表示正弦量变化的快慢，三者之间的关系为2、幅值Im/有效值I：表示正弦量的大小，两者之间的关系为：,3、初相位：初相位是t=0时的相位角，它确定了正弦量的初始值。相位角反映了正弦量随时间变化的进程。正弦量的相量表示法正弦稳态电路的分析方法1、画出原电路的相量模型图；2、列出相量方程式或画相量图；3、用相量式或相量图求解；4、将结果变换成所要求的形式。,正弦交流电路中的功率1、瞬时功率：2、有功功率：数值上等于瞬时功率在一个周期内的平均值。3、无功功率：与电路中储能元件与电源之间互换的能量相对应。4、视在功率：电气设备的容量。5、功率因数：总有功功率与总视在功率的比值，反映了电路功率容量的利用率。,交流电路的有功功率、无功功率和视在功率所代表的意义不同，其单位也不同，不可混淆。,P=UIcos（W）Q=UIsin(var)S=UI(VA),由于P+Q=(UI)(cos+sin)=S,故P、Q、S的关系也可以用一个直角三角形功率三角形来表示，它与阻抗三角形、电压三角形均为相似三角形（对同一电路），如图所示，但只有电压三角形表示的是相量，而其它两个三角形表示的是复数。,对Y（星形）联接的对称三相电源,线电压相位领先对应相电压30o。,下页,上页,返回,（2）Y联接时，线电流等于相电流。,对（三角形）联接的对称三相电源,（1）线电压等于对应的相电压,线电流相位滞后对应相电流30o。,三相电路中线、相电压和电流关系,第5章,1、半导体的主要特性：热敏性、光敏性、掺杂性。2、本征半导体：化学成分纯净的半导体。物理结构上呈单晶体形态。3、杂质半导体：（1）N型半导体：在本征半导体中加入五价元素，自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。（2）P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素，空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。,N型半导体中多数载流子是自由电子；P型半导体中多数载流子是空穴。不论是N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体仍然是不带电的，宏观上保持电中性。,4、PN结的单向导电性当外加电场方向与内电场方向相反（即，外加电压正端接P区，负端接N区），,PN结加正向偏压，导电（导通）,内建电场受到削弱，空间电荷区变窄，载流子易于通过，因而产生导电现象（导通）。,这种只有一种方向导电的现象称为PN结的单向导电性。,PN结的单向导电性当外加电场加入后，如果外电场方向与内电场方向一致(即，外加电压正端接N区,负端接P区)，,PN结加反向偏压，不导电（截止）,内建电场得到加强，空间电荷区加宽，载流子更难通过，因而不能导电（截止）。,5、二极管的伏安特性,（1）正向伏安特性：外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎为零。这一段称为“死区”。对应于二极管开始导通时的外加电压称为“死区电压”。锗管约为0.2V,硅管约0.5V。,（2）反向特性,外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流或漏电流。该电流受温度影响很大。,（3）击穿特性,外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。对应的电压称为击穿电压。,正向导通,反向截止,击穿,0.5,锗,硅,0.2,反向饱和电流,6、二极管的电路模型在实际电路分析、设计中常使用逐段线性的二极管特性,（1）理想二极管的电路模型：,导通电压UD与二极管材料有关：硅管为0.60.7V，锗管为0.20.3V,（2）考虑导通电压的二极管模型：,UD,理想二极管应用电路实例限幅电路,输入电压为一正弦波。,电池电压：E=4V,4,截止,截止,导通,导通,如果考虑二极管导通电压，则此时输出电压应为4.7V。,当输入电压大于电池电压时，二极管两端电压处于正向偏置，导通，二极管两端电压为0，所以输出电压与电池电压相同，为4V。,7、稳压二极管,（1）稳压二极管的电路符号,（2）稳压二极管的特性,当稳压二极管处于正向偏置时，其特性和普通二极管相同。,当稳压二极管处于反向偏置时，如果电压较小，则二极管处于截止状态，电流近似为0。,如果电压达到击穿电压值时，电流迅速增大，稳压二极管处于稳压状态。,1）PN结易于击穿（击穿电压比普通二极管低很多）。2）PN结面积大，散热条件好，使反向击穿是可逆的。,特点,第6章,1、双极型晶体三极管,双极型晶体三极管(BJT)结构BJT由两个PN构成，有两种类型:NPN型和PNP型。,发射结(Je),集电结(Jc),基极，用B或b表示（Base）,发射极，用E或e表示（Emitter）,集电极，用C或c表示（Collector）。,发射区,集电区,基区,BJT的电路符号,常用BJT的外形,（1）输入特性曲线：,输入特性曲线是指当集射极之间的电压UCE为某一常数时，输入回路中的基极电流iB与加在基射极间的电压uBE之间的关系曲线。,当UCE=0，晶体管相当于两个二极管的正向并联，其特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线相似。,当UCE1时，特性曲线的形状并不改变，曲线仅仅右移一段距离。只要uBE不变，无论怎样增大UCE，iB都基本不变，曲线基本重合。因此，通常将UCE=1的特性曲线作为晶体管的输入特性曲线。,晶体三极管的特性曲线,（2）输出特性曲线,IB=0,IB3,IB2,IB1,IB3IB2IB10,从输出特性上，可将三极管分为三个工作区（工作状态）：,截止(Cutoff)、饱和(Saturation)、放大(Active)。,截止,饱和,放大,集电极电流受基极电流控制，所以晶体三极管又称为电流控制器件。,输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路中集电极电流iC与集射极间的电压uCE之间的关系曲线。,uCE=uBE,(1)放大区,特性曲线进入水平的区域。在放大区，也称线性区。,此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。,(2)截止区,IB=0曲线以下的区域。IB=0时IC=ICEO。对于硅管当UBERB，但(1+)RE太大将损失放大能力，因此，为保证放大倍数必须RB很小。,但是RB的减小将使放大电路输入电阻下降，致使源电压放大倍数降低。折中的方法是选用较小的RE。为了保持集电极工作点电流不太大，需要降低VBB,采用电阻分压方式固定基极电位VBB：,VBB不能太小，否则UBE随温度变化影响增大。通常选择：,分压电阻的选取：,发射极电阻RE降低放大电路的放大倍数,如果给发射极电阻RE设置旁路电容（几十F）交流工作时，旁路电容等效为短路：,放大倍数与未加发射极电阻时相同。,但是，发射极电阻的存在对提高输入电阻有好处：,实际组成电路时常在交流通路中保留部分发射极电阻：,通常，RE1=10100,RE2=110k,4、射极输出器,电路构成集电极交流接地共集电极电路发射极输出射极输出器,静态分析,直流通路,动态分析:,将耦合电容短路、直流电源置零,画出交流通路,交流通路,RB=RB1/RB2,作出微变等效电路如图,输入电阻：,非常高,输出电阻：,非常低,电压放大倍数：,小于1，(1电压跟随),源电压放大倍数：,最大不失真输出幅度：,射极输出器特点：高输入电阻低输出电阻电压跟随、电流放大。,共集电极放大电路又称电压跟随器，主要用途：1.多级放大电路的第一级，减小对信号源的影响；2.多级放大电路的输出级，隔离负载对放大电路的影响，特别适用于低阻值负载的情况（如扬声器）；3.用于多级放大的中间级，隔离前后级，实现电路的阻抗匹配。,5、多级放大电路,多级放大电路的级间耦合阻容耦合：高、低频特性差，要求电容容量大，电路结构简单，前后级静态无影响，适用于中低频放大。变压器耦合：电路笨重，高、低频特性差，具有阻抗变换作用，适用于中低频放大。直接耦合：电路结构简单，低频特性很好，前后级静态互相影响存在零点漂移。适用于集成电路。光电耦合：抗干扰能力强，前后级电隔离，高频特性较差。,多级放大电路的性能分析,多级放大电路的等效模型,总放大倍数：A=A1A2AN,总输入电阻：ri=ri1,总输出电阻：ro=roN,第7章,放大电路中的负反馈,反馈的概念,基本放大电路中，有源器件（晶体管）具有信号单向传递性，被放大信号从输入端输入，放大以后输出，只有输入信号对输出信号的控制；如果在电路中存在一些通路，将输出信号的一部分馈送到放大器的输入端，与外部输入信号叠加，产生基本放大电路的净输入信号，实现输出信号对输入的控制，即称构成了反馈。,反馈的组成,反馈放大电路的类型,1.电压串联反馈,2.电压并联反馈,3.电流串联反馈,4.电流并联反馈,放大电路中反馈的判别：交流反馈与直流反馈的判别如果在直流通路中反馈消失，则反馈仅为交流反馈；如果反馈在交流通路中消失，则反馈仅为直流反馈；如果反馈在交流、直流通路均存在，则反馈为交直流反馈（反馈系数可能不同）。,反馈极性的判别（瞬时极性法）如果反馈使输入得到加强正反馈；如果反馈使输入受到削弱负反馈。瞬时极性法：找到反馈环在输入端的连接点，从输入端注入某一极性（增大或减小）的信号，按照放大电路的工作特性，沿反馈环一周标出各点信号的瞬时极性，直至反馈支路在输入端的连接点，比较注入信号极性和反馈回的信号极性，根据反馈组态判别反馈的极性。,反馈组态的判别（开路短路法）如果负载短路后反馈消失电压反馈，如果负载开路后反馈消失电流反馈；如果输入端开路反馈消失串联反馈，如果输入端短路反馈消失并联反馈。反馈组态的判别（连接位置判别法）反馈支路与电压输出端(负载端)在同一位置电压反馈，反馈支路与电压输出端(负载端)不在同一位置电流反馈；反馈支路与信号电压输入在同一位置并联反馈，反馈支路与信号电压输入不在同一位置串联反馈。,反馈放大电路的性能分析,基本放大电路的放大特性,Xo=AXd,反馈网络的反馈特性,Xf=FXo,反馈放大电路的输入叠加关系,Xd=Xi-Xf,反馈放大电路的闭环增益,放大环路增益,由于反馈放大电路中，输入输出变量的不同，上面各量的量纲也随之变化，对放大电路的性能影响也将不一样。,负反馈对放大电路性能的影响,负反馈以降低放大电路的放大倍数为代价，放大倍数的稳定性提高了1+AF倍,电压负反馈稳定输出电压；电流负反馈稳定输出电流。,反馈深度讨论,一般负反馈,称为反馈深度,深度负反馈,正反馈,自激振荡,一般情况下，A和F都是频率的函数，当考虑信号频率的影响时，Af、A和F分别用、和表示。,即,深度负反馈条件,深度负反馈条件下闭环放大倍数,电压串联,降低1+AF倍,增大,减小,展宽,减小,电压并联,降低1+AF倍,增大,减小,展宽,减小,减小,电流串联,电流并联,降低1+AF倍,降低1+AF倍,增大,增大,减小,展宽,减小,展宽,减小,第8章,1、集成运算放大器的主要技术指标差模特性开环电压增益Auo：80140dB（104107）差模输入电阻Rid：BJT