电路与电子技术第1章

1、电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术上一页下一页目 录返 回退 出课程的作用和任务课程的作用和任务u本课程是计算机类专业的一门技术基础课，本课程是计算机类专业的一门技术基础课，主要学习电路基本理论和模拟电子电路的原主要学习电路基本理论和模拟电子电路的原理和应用。理和应用。u通过本课程的学习，掌握电路与模拟电子技通过本课程的学习，掌握电路与模拟电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，术必要的基本理论、基本知识和基本技能，具有一定的硬件分析和设计能力。具有一定的硬件分析和设计能力。u本课程是后续课程数字逻辑、计算机组成原本课程是后续课程数字逻辑、计算机组成原理，嵌入式系统等的必要基础，是构架硬

2、件理，嵌入式系统等的必要基础，是构架硬件知识体系的重要环节。知识体系的重要环节。2上一页下一页目 录返 回退 出教学内容教学内容u上篇上篇 电路理论基础电路理论基础电路的基本概念及基本定律电路的基本概念及基本定律电路分析的基本方法电路分析的基本方法交流稳态电路分析交流稳态电路分析暂态电路分析暂态电路分析3上一页下一页目 录返 回退 出教学内容教学内容u模拟电子技术基础模拟电子技术基础半导体器件基础与二极管电路半导体器件基础与二极管电路晶体管放大电路基础晶体管放大电路基础模拟集成电路及其应用电路模拟集成电路及其应用电路信号产生电路信号产生电路直流电源直流电源4电路的基本概念及基本定律电路的基本概

3、念及基本定律第一章第一章5上一页下一页目 录返 回退 出本章教学内容本章教学内容1.1 1.1 电路组成与功能电路组成与功能1.2 1.2 电路模型电路模型1.3 1.3 电路中的基本物理量：电压、电流、电位、功率电路中的基本物理量：电压、电流、电位、功率1.4 1.4 基本电路元件模型基本电路元件模型1.5 1.5 电路的工作状态与元件额定值电路的工作状态与元件额定值1.6 1.6 基尔霍夫定律基尔霍夫定律6上一页下一页目 录返 回退 出1-1 电路的组成与功能电路的组成与功能u电路的概念电路的概念电路是由电路是由用电设备用电设备或或元器件元器件（称为（称为负载负载）与与供电设备供电设备（称

4、为（称为电源电源）通过导线连接而）通过导线连接而构成的提供给构成的提供给电电荷流动的通荷流动的通路路。7上一页下一页目 录返 回退 出u电路的组成电路的组成 为电路工作提供能量的为电路工作提供能量的电源；电源； 在电能作用下完成电路功能的在电能作用下完成电路功能的用电设备或用电设备或元器件；元器件； 连接电源和用电设备的连接电源和用电设备的导线；导线；1.1. 控制电源接入的控制电源接入的开关开关等。等。8上一页下一页目 录返 回退 出电路的功能电路的功能电路主要有下列作用：电路主要有下列作用：能量传输能量传输 将电源的电能传输给用电设备将电源的电能传输给用电设备( (负载负载) )。能量转换

5、能量转换 将传输到负载的电能根据需要转换成其它将传输到负载的电能根据需要转换成其它形式的能量，如光、声、热、机械能等形式的能量，如光、声、热、机械能等信息传输信息传输1.1.信息处理信息处理9上一页下一页目 录返 回退 出1.2 电路模型电路模型u为什么要引入电路模型？为什么要引入电路模型？构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给分析和设构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给分析和设计带来困难。计带来困难。只有对各种元器件的特性建立了数学模型，才可能对电路只有对各种元器件的特性建立了数学模型，才可能对电路进行深入分析。例如，对于最简单的手电筒，这样一个电进行深入分析。例如，对于最简单的手

6、电筒，这样一个电路，就包含了电池、电珠、开关、导体等部分。如果要把路，就包含了电池、电珠、开关、导体等部分。如果要把这个电路介绍给他人，一种方法是直接把实物展示给对方，这个电路介绍给他人，一种方法是直接把实物展示给对方，另一种方法是十分逼真地将它画下来给对方看，尽管如此，另一种方法是十分逼真地将它画下来给对方看，尽管如此，我们仍然不能十分明了地将这个电路的工作情况表达出来我们仍然不能十分明了地将这个电路的工作情况表达出来（用语言或文字）。（用语言或文字）。难以想象，如果每个电路都要如此处理，摆在我们面前的难以想象，如果每个电路都要如此处理，摆在我们面前的将是怎样的情形！将是怎样的情形！10上一

7、页下一页目 录返 回退 出1.2 电路模型电路模型电路模型反映了原电路工作的主要特性，并且电路模型反映了原电路工作的主要特性，并且这些特性是已经这些特性是已经数学化数学化了的，便于用数学方法了的，便于用数学方法进行分析。进行分析。电路模型中，构成电路的不再是千差万别的各电路模型中，构成电路的不再是千差万别的各种实际元器件，而是种实际元器件，而是数量有限的理想元件数量有限的理想元件，具，具有很好的规范性。有利于设计、交流。有很好的规范性。有利于设计、交流。构成电路模型的理想元件数量应尽可能少，否构成电路模型的理想元件数量应尽可能少，否则，电路模型将失去其存在的价值。则，电路模型将失去其存在的价值

8、。11上一页下一页目 录返 回退 出怎样建立电路模型？怎样建立电路模型？ 对电路中的对电路中的每个元器件特性每个元器件特性建立数学建立数学模型。模型。 用用理想元件理想元件实现每个元器件的特性，实现每个元器件的特性，构成元器件的构成元器件的电路模型电路模型。 把所有元器件的电路模型按照原电路把所有元器件的电路模型按照原电路结构结构连接起来，形成电路的模型。连接起来，形成电路的模型。12上一页下一页目 录返 回退 出常用理想元件种类常用理想元件种类电荷电荷 q磁通磁通 电压电压 u电流电流 i电阻元件电阻元件电容元件电容元件电感元件电感元件忆阻元件忆阻元件ddt13上一页下一页目 录返 回退 出

9、电流电流1 1电流电流 我们闭合电源开关时，照明灯就会发光，电风扇就我们闭合电源开关时，照明灯就会发光，电风扇就会转动，这是因为在照明灯、电风扇、中有会转动，这是因为在照明灯、电风扇、中有电流电流流过。流过。若在电路中接入电流表，电流表就能测出电流的数值。若在电路中接入电流表，电流表就能测出电流的数值。那么什么是电流呢？那么什么是电流呢？物理学中定义，电流是物理学中定义，电流是正正电荷电荷有规则的定向运动。有规则的定向运动。电流的大小为单位时间内电流的大小为单位时间内通过导体横截面的电量。通过导体横截面的电量。ddqit上一页下一页目 录返 回退 出 电流的单位电流的单位:安培（安培（A)36

10、1mA10 A ,1A10 A直流电流交流电流Ii上一页下一页目 录返 回退 出电流的实际方向实际方向：实际方向：物理中对电量规定的方向。物理中对电量规定的方向。 电流电流I: 正正电荷运动的方向。电荷运动的方向。正电荷流向正电荷流向负电荷流向负电荷流向电流的真实方向电流的真实方向q+q-abab()Iia b电路中的一条通路电路中的一条通路上一页下一页目 录返 回退 出 电流的参考方向电流的参考方向 （1）电流作为电路的基本物理量，是我们分析电路）电流作为电路的基本物理量，是我们分析电路所需要确定所需要确定的，因此在分析电路之前，电流的真的，因此在分析电路之前，电流的真实实方向一般是未知的方

11、向一般是未知的。（2）在电路中，每条通路的电流方向）在电路中，每条通路的电流方向只有两个可能只有两个可能的选择的选择，因此，我们可以用，因此，我们可以用代数量代数量来表示有方向来表示有方向的电流。的电流。 符号表示方向符号表示方向，绝对值表示大小。，绝对值表示大小。 上一页下一页目 录返 回退 出电流表的使用电流表的使用u电流表测量电流，电流表必须电流表测量电流，电流表必须串接串接在被测电路中。在被测电路中。u电流的参考方向由电流表接线方式决定电流的参考方向由电流表接线方式决定“+”+”接线柱指向接线柱指向“-”-”接线柱接线柱i电流表+_被测支路断开通路串接电流表18上一页下一页目 录返 回

12、退 出电压和电位 当开关当开关S闭合后，手电筒的闭合后，手电筒的小灯泡发光，若将电压表接在小小灯泡发光，若将电压表接在小灯泡两端，电压表就有读数，我灯泡两端，电压表就有读数，我们称其读数为电压。们称其读数为电压。手电筒的电路模型手电筒的电路模型 物理学中定义，电场力将物理学中定义，电场力将单位单位正电荷正电荷q由电场中的由电场中的a点通过电源以外的某条路点通过电源以外的某条路径移动到径移动到b点所做的点所做的功功，就，就称之为这两点之间的称之为这两点之间的电压电压。ddwuq上一页下一页目 录返 回退 出 电压的单位电压的单位:伏特（伏特（V)3361kV10 V , 1mV10 V , 1V

13、10 V直流电压交流电压Uu上一页下一页目 录返 回退 出电压具有方向性，不能单用数值来表示，必须同时电压具有方向性，不能单用数值来表示，必须同时标定其方向。标定其方向。 在对电路分析之前显然不能确定电压的真实方向在对电路分析之前显然不能确定电压的真实方向 两点之间电压只可能有两个方向，可两点之间电压只可能有两个方向，可先假设电压先假设电压的方向的方向，数值的正、负表示真实方向与假设方向，数值的正、负表示真实方向与假设方向之间的关系。称此假设的方向为电压的参考方向。之间的关系。称此假设的方向为电压的参考方向。电压的参考方向电压的参考方向用箭头（或用箭头（或+ / -+ / -号）号）在电路中标

14、在电路中标出。出。 有了参考方向，带方向的电压变量就转变成了代数有了参考方向，带方向的电压变量就转变成了代数量量电压的参考方向电压的参考方向上一页下一页目 录返 回退 出电压的参考方向：电压的参考方向：假设假设的的电压降低方向电压降低方向电压的参考方向与电压实际方向的关系：电压的参考方向与电压实际方向的关系：U 0参考方向参考方向U+实际方向实际方向+实际方向实际方向参考方向参考方向U+U上一页下一页目 录返 回退 出电压表的使用电压表的使用u 采用电压表测量电压，电压表必须和被测支路采用电压表测量电压，电压表必须和被测支路并联并联。 电压的参考方向由电压表接线方式决定电压的参考方向由电压表接

15、线方式决定 “ “+”+”接线柱指向接线柱指向“ ”接线柱接线柱+_被测被测支路支路+_u23电压表电压表上一页下一页目 录返 回退 出关联参考方向关联参考方向u同一电路元件上既有电流参考方向，也有电压参考同一电路元件上既有电流参考方向，也有电压参考方向。方向。u为了分析方便，同一电路元件或电路部分，电压和为了分析方便，同一电路元件或电路部分，电压和电流的参考方向电流的参考方向采用一致采用一致的方向，称为的方向，称为关联参关联参考方向考方向。24上一页下一页目 录返 回退 出电能电能 电能的定义：在一段时间内，电场力或电源力所做电能的定义：在一段时间内，电场力或电源力所做的功的功 。电路中，电

16、源向负载电路中，电源向负载发出发出电能，负载电能，负载吸收吸收电能。电能。 根据能量守恒定律，电源根据能量守恒定律，电源输出输出的电能就应该等于负载所的电能就应该等于负载所消耗消耗的电能。的电能。电能的公式为电能的公式为W=UI(t1-t2)上一页下一页目 录返 回退 出功率功率功率的定义：在单位时间内，功率的定义：在单位时间内，电场力或电源力所做的功。电场力或电源力所做的功。各种电气设备，用电情况用功率来计算。各种电气设备，用电情况用功率来计算。功率表达的公式为功率表达的公式为ddwpt单位：瓦特（单位：瓦特（W） 上一页下一页目 录返 回退 出功率可正可负。功率可正可负。 0p0p若若，表

17、明一段电路吸收功率；是负载表明一段电路吸收功率；是负载，表明一段电路发出功率。是电源表明一段电路发出功率。是电源ddd()dddWWqpPu itqt或采用关联参考方向时采用关联参考方向时采用非关联参考方向时采用非关联参考方向时ddd()dddWWqpPu itqt 或上一页下一页目 录返 回退 出12345902012090800PPPPP注意：注意：28功率平衡实际上是能量守恒的体现，功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源任意时刻，电源发出的电能发出的电能恰为恰为负载负载所消耗所消耗。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。这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的

18、检验准则。上一页下一页目 录返 回退 出1.4 基本电路元件模型基本电路元件模型u常用理想元件种类常用理想元件种类电荷电荷 q磁通磁通 电压电压 u电流电流 i电阻元件电阻元件电容元件电容元件电感元件电感元件忆阻元件忆阻元件ddt上一页下一页目 录返 回退 出1.4.1 电阻电阻常用的电阻元件有线性电阻、非线性电阻及热敏电阻等。常用的电阻元件有线性电阻、非线性电阻及热敏电阻等。 线性电阻的阻值是线性电阻的阻值是常数常数，其值由其制作的材料决定，其值由其制作的材料决定。对于长度为。对于长度为l、横截面积为、横截面积为s的均匀介质，其电阻为的均匀介质，其电阻为lRs上一页下一页目 录返 回退 出欧

19、姆定律欧姆定律 电阻的单位电阻的单位:, k , M流过电阻的电流与电阻流过电阻的电流与电阻两端的电压成两端的电压成正比正比，即，即U = RI URI上一页下一页目 录返 回退 出功率功率Riu+p吸吸 ui i2R u2 / R某一时刻电阻元件上的功率为某一时刻电阻元件上的功率为电阻元件上的功率总是正，电阻元件上的功率总是正，电阻是耗能元件电阻是耗能元件上一页下一页目 录返 回退 出能量能量能量：可用功率表示。从能量：可用功率表示。从 t0 到到 t 电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：00ddttRttWp tui t上一页下一页目 录返 回退 出1.4.2电容元件电容元件表征电路元件表征电

20、路元件存储电荷存储电荷特性的理想元件，特性的理想元件，模型为模型为平板电容器。平板电容器。34 + + + + + + + - - - - - - -+q-quE当在两极板上加当在两极板上加电压电压后，后，两极板间产生两极板间产生电场。电场。积聚的电荷越多，电场就越积聚的电荷越多，电场就越强。所存储的电场能也就越强。所存储的电场能也就越大。大。上一页下一页目 录返 回退 出电容用字母电容用字母 C C 来表示，来表示，35电容用来表征电容元件电容用来表征电容元件存储电荷存储电荷的能力的能力单位为法拉单位为法拉 （F）。）。1F =10-6 F1pF = 10-12F上一页下一页目 录返 回退

21、出l功率功率在关联参考方向下在关联参考方向下：dupuicudt电压绝对值增大，电压绝对值增大，p0,电容吸收电功率，电容吸收电功率，电能转换成电场能，存储起来（电能转换成电场能，存储起来（电容充电电容充电)电压绝对值减小，电压绝对值减小，p0,电感吸收电功率，电感吸收电功率，电能转换成电能转换成磁磁场能，存储起来场能，存储起来电流绝对值减小，电流绝对值减小，p0,电感发出电功率，电感发出电功率，将存储的磁场能转换成将存储的磁场能转换成电电能，输出能，输出上一页下一页目 录返 回退 出ULLiLl 从从-到到t的时间内，电感元件的储存的磁场能为的时间内，电感元件的储存的磁场能为2012tiWu

22、idtLidiLi 电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，电路，因此电感元件是无源元件、是储能元件，它因此电感元件是无源元件、是储能元件，它本身不本身不消耗能量。消耗能量。上一页下一页目 录返 回退 出有源电路元件有源电路元件u电阻，电容，电感，都不能主动向电路提供电阻，电容，电感，都不能主动向电路提供能量，称为无源元件。能量，称为无源元件。u电路中能电路中能向外提供能量向外提供能量的电路元件，称为的电路元件，称为有有源电路元件源电路元件43上一页下一

23、页目 录返 回退 出电路符号电路符号: :uS+_il其两端电压总能其两端电压总能保持定值保持定值（u uS S为常数）为常数）或一定的或一定的时间函时间函 数数（如（如u uS S= =U Um msinsin t t），），理想电压源理想电压源上一页下一页目 录返 回退 出理想理想（独立独立）电压源电压源u理想电压源的伏安特性为一条平行于电流轴的直线。理想电压源的伏安特性为一条平行于电流轴的直线。uiuSOu=uSUS直流电压源或恒压源直流电压源或恒压源45uS+_i上一页下一页目 录返 回退 出特点：特点：uS+_i理想电压源理想电压源电源两端电源两端电压电压由电源本身决定，与外电路无关

24、；由电源本身决定，与外电路无关；通过它的通过它的电流电流是由电源及外电路共同决定。是由电源及外电路共同决定。上一页下一页目 录返 回退 出电路符号电路符号: :l其两端电流总能其两端电流总能保持定值保持定值（ i iS S为常数为常数）或一定的或一定的时间函时间函 数数（如（如i iS S= =I Im msinsin t t），），理想电流源理想电流源iS+_u理想电流源提供的电流不随负载电压变化理想电流源提供的电流不随负载电压变化上一页下一页目 录返 回退 出理想理想（独立独立）电流源电流源u理想电流源的伏安特性为一条平行于电压轴的直线。理想电流源的伏安特性为一条平行于电压轴的直线。i=i

25、SuiOiS理想电流源的两端不能被开路，否则，理想电流源的两端不能被开路，否则，将产生无穷大电压。将产生无穷大电压。48上一页下一页目 录返 回退 出特点：特点：uS+_i理想电流源理想电流源电流源电流源电流电流由电源本身决定，与外电路无关；由电源本身决定，与外电路无关；电流源两端电流源两端电压电压由电源及外电路共同决定。由电源及外电路共同决定。上一页下一页目 录返 回退 出50如果理想电流源的参数不随时间变化（恒定），又如果理想电流源的参数不随时间变化（恒定），又称为称为直流电流源或恒流源直流电流源或恒流源。恒流源恒流源上一页下一页目 录返 回退 出电源的模型电源的模型2：电流源模型：电流源

26、模型u当实际电流源两端电压愈大，其输出的电流就愈小。当实际电流源两端电压愈大，其输出的电流就愈小。实际电源+_uiRLiuOiS理想电流源特性实际电流源特性oSuiiR实际电流源模型实际电流源模型+_uiRLiSR051上一页下一页目 录返 回退 出在电路分析中，这两种实际电源的电路模在电路分析中，这两种实际电源的电路模型可以等效互换。型可以等效互换。 从以上两个电源的外特性可见，它们对负载从以上两个电源的外特性可见，它们对负载 RL的作用，结果是相同的。的作用，结果是相同的。 两种电源模型的转换两种电源模型的转换上一页下一页目 录返 回退 出实际电源实际电源+_uiRL电流源模型电流源模型+

27、_uiRLiSR0电压源模型电压源模型+_uiRL+uS_R0ui0uS实际电源特性S0uuRiS0 SuR iSS0uiR53两种电源模型的转换两种电源模型的转换上一页下一页目 录返 回退 出1.5电路的工作状态与元件额定值电路的工作状态与元件额定值 工作时，根据所接负载不同，电路的工作状态分工作时，根据所接负载不同，电路的工作状态分为三种：为三种：开路、短路、负载状态开路、短路、负载状态。u开路工作状态开路工作状态含源电路+_iu端口电压由电路内部电源与结端口电压由电路内部电源与结构决定，称为开路电压，记作构决定，称为开路电压，记作 uOC 或或 UOC=UOC54上一页下一页目 录返 回

28、退 出1.5电路的工作状态与元件额定值（续电路的工作状态与元件额定值（续1）u短路工作状态短路工作状态含源电路+_iu此时，端电流由电路内部电此时，端电流由电路内部电源与结构决定，称为短路电源与结构决定，称为短路电流，记作流，记作 iSC 或或 ISC ISC55上一页下一页目 录返 回退 出电气设备的额定值电气设备的额定值额定电流额定电流I IN N ：电气设备在长期连续运行或规定工：电气设备在长期连续运行或规定工作制下允许通过的最大电流。作制下允许通过的最大电流。额定电压额定电压U UN N ： 根据电气设备所用绝缘材料的耐根据电气设备所用绝缘材料的耐压程度和容许温升等情况规定的正常工作电

29、压。压程度和容许温升等情况规定的正常工作电压。额定功率额定功率P PN N ：电气设备在额定电压、额定电流下：电气设备在额定电压、额定电流下工作时的功率。工作时的功率。56上一页下一页目 录返 回退 出1.5 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs CurrentLaw，简称，简称KCL）和基尔霍夫电）和基尔霍夫电压定律（压定律（Kirchhoffs Voltage Law，简称，简称KVL）。）。基尔霍夫电流定律描述的是各支路电流之间的关系，基尔霍夫电流定律描述的是各支路电流之间的关系，基尔霍夫电压定律描述的是回路中各段电压之间

30、的基尔霍夫电压定律描述的是回路中各段电压之间的关系。关系。基尔霍夫定律是1845年德国物理学家G.R.Kirchhoff提出的，定律阐述了集总参数电路各结点电压之间和各支路电流之间的约束关系，是电路理论的最基本定律。上一页下一页目 录返 回退 出在图在图 中，对结点中，对结点a可以写出可以写出123III上式也可写成上式也可写成 1230III0I 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律（KCL）上一页下一页目 录返 回退 出I1I2I3I44231IIII或或04231IIII【例例 】电路某结点如图所示，试列出基尔霍夫电流定律方程。电路某结点如图所示，试列出基尔霍夫电流定律方程。【解解】上一页下一页目 录返 回退 出60KCL不仅适用于电路中的任一结点，也可推广不仅适用于电路中的任一结点，也可推广到包围部分电路的到包围部分电路的任一闭合面。任一闭合面。I1+I2=I3I1I2I3上一页下一页目 录返 回退 出对于电路中的任一回路，在任一瞬时沿回路对于电路中的任一回路，在任一瞬时沿回路绕行一周，在回路绕行方向上的绕