电路与模拟电子技术

1、电路与模拟电子技术第1页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电路与模拟电子技术是一门专业技术基础课2、高等数学中的微积分及常系数微分方程。2、关键在于课后练习，举一反三。基础要求：学习要求：1、大学物理中的电部分；1、课堂认真听讲，掌握要点；第2页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电路与模拟电子技术基础第一篇 电路理论基础1、电路的基本概念与基本定律2、电路分析的基本方法3、交流稳态电路分析4、暂态电路分析第二篇 模拟电子技术基础1、半导体器件与二极管电路2、晶体管放大电路基础3、模拟集成电路及其应用电路4、信号产生电路5、直流电源第3页，共109页，

2、2022年，5月20日，0点28分，星期六第一章 电路的基本概念与基本定律本章主要内容1、介绍电路的基本物理量及单位2、引入电流、电压参考方向3、建立电路模型的概念4、介绍几种常用理想电路元件5、介绍电路两类基本约束（欧姆定 律，基尔霍夫定律）第4页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电路的基本概念与电路元件 第1章 1.4 基本电路元件模型 1.13 电路的基本概念 1.5 电路的工作状态与元件 额定值 1.6 基尔霍夫定律第5页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电路的概念 电路是由用电设备或元器件（称为负载）与供电设备（称为电源）通过导线连接而构成

3、的提供给电荷流动的通路。有直流和交流电路。 电路的组成220V控制电源接入的开关等电源开关导线用电设备例如我们常用的照明电路为电路工作提供能量的电源-在电能作用下完成电路功能的用电设备或元器件连接电源和用电设备的导线1.1电路的组成与功能中间设备第6页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六3、电路的功能电能-(用电设备)-其它形式的能量 信息传输信号(接受)-电路-信号(已经放大、去噪、合成) 信息处理能量转换：将传输到负载的电能根据需要转换成其它 能量传输：将电源的电能传输给用电设备(负载)。如光、声、热、机械能等。形式的能量 发电机变压器-传输线变压器-负载第7页，共10

4、9页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电路的激励和响应输出（能量或信号），称为电路的响应。在电路中响应常表示为某一元件上的电压、电流或电功率。 输入（电能或信号），称为电路的激励。在电路中激励常表示为电源（提供电能，使电路工作）或信号源（作为电路传输、处理信息的对象）。220V电源开关导线用电设备例如，照明电路中，220V交流电源就是电路的激励，而灯泡获得的电功率则是电路的响应。第8页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六1、元件模型 忽略元件的次要特性，用规定的理想化模型表征其物理特性。元件模型是一种理想化模型：为了便于分析电路的主要特性和功能把构成实际电路的元件

5、抽象成理想的电路元件电阻元件1.2 电路模型第9页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六2、电路模型对电路中的每个元器件特性建立元件模型把所有元器件的元件模型按照原电路结构连接起来，形成电路的模型导线电池开关灯泡例：第10页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六常用的几种元件模型：电阻元件电感元件电容元件无源元件电压源电流源有源元件无源元件：电阻、电感、电容这些元件任何时刻对外界均 不提供能量，叫做无源元件. 有源元件：凡是发出电压、电流，对外界提供能量的元 件，叫有源元件。如电池、发电机第11页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电流是

6、电路中电荷流动量的度量，它表示单位时间流过电路中某一截面的电荷量。单位名称：安（培） 符号：A （Ampere）1.3.1 电流 (current)电流：1、电流及其表示方式电流的符号：I（不随时间变化） 或 i（随时间变化）1.3 电路的基本物理量第12页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六ab电路中的一条通路正电荷流向q+负电荷流向q-电流的真实方向电流的真实方向：规定正电荷流动的方向为电流的方向 10V10第13页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？问题的提出电流方向AB？电流方向BA？E1

7、ABRE2IR当电流的流向不定或者难以判别时，先任意选定一个方向作为电流的方向第14页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六2、电流的参考方向(1)参考方向：任意选定的一个方向即为电流的参考方向。i 参考方向（2）参考方向的任意性 电流的参考方向是人为定义的。 不一定与实际方向相符第15页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六 电流的参考方向是人为定义的，而电流的真实方向则 是受电路约束客观存在并确定的。 当参考方向设得与真实方向一致时，电流的代数值符号为正；反之为负。 若分析电路后确定的电流符号为正，则表明电流的真实 方向就是参考方向；反之亦然。3、电流的

8、参考方向与实际方向的关系第16页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六i 0i 0U 0 实际吸收 是负载p吸 0 实际吸收 是负载P吸0 w0电阻是一种耗能元件 电阻属于无记忆元件 是一种无源元件 第47页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六、电容元件+ + + + +qq1、电容元件的概念电容元件是一种表征电路元件储存电荷特性的理想元件，其原型是平板电容器，基本特性是存储在极板上的电荷量 q 与两极板之间的电压 u 满足代数关系。电容元件的符号有极性无极性C+Cq =Cu第48页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六云母电容器薄膜电容

9、器瓷片电容器第49页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电解电容器第50页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电解电容器第51页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六qu0电容库伏特性曲线线性电容非线性电容2、电容元件的库伏特性用 q-u 平面上的一条曲线 fC(q, u)=0 描述线性电容的qu 特性是过原点的一条直线电容元件的参数为特性曲线的斜率，记作 C ，C 称为电容元件的电容（量）q =Cu 或单位法拉（F），微法F(10-6F)、皮法 pF(10-12F)。C tg电容的容量第52页，共109页，2022年，5月20日，0点

10、28分，星期六u, i 取关联参考方向3.线性电容的伏安特性Ciu+动态元件q = Cu（1）在关联参考方向下，电容元件的电流与其电压的导数成正比，而与电容元件的端电压的绝对值无关，说明电容元件是一种动态元件。（2）在某一时刻电容的电流取决于该时刻电容电压的变化率。电容电压变化越快，电流的值越大。当 u 为常数(直流)时，du/dt =0 i=0。电容在直流电路中相当于开路，电容有隔直作用。（3）电容两端的电压发生突变（导数为无穷大），则电路需要提供无穷大的电流，这不可能，所以电容两端的电压不能不能突变。第53页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六对两边积分则(4) 电容元

11、件是一种记忆元件；(积分形式) 电容上的电压所不仅与t,0时间间隔内的电流有关，还与初始电压u(0)有关，说明电容是一种记忆元件(5) 表达式前的正、负号与u，i 的参考方向有关i= Cdu/dti= Cdu/dt C+UiC+Ui第54页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六4. 电容元件的功率和能量由此可以看出，电容是无源元件，它本身不消耗能量。u, i 取关联参考方向（1）电压绝对值增大，p0，电容吸收电功率并将电能转换为电场能储存。（2）电压绝对值减少，p 0，电容发出电功率，将储存电场能转换为电能输出。（3）电压绝对值不变， p = 0，电容功率为0与电流无关电容储

12、存的电场能为：第55页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六？电容两端的电压是直流时, 储存的电场能量是否为0？否！第56页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六1.4.3 电感元件iu1、电感元件的概念电感元件的原型是空心线圈，基本特性是线圈中的磁通量 与流过线圈的电流 i 满足代数关系磁链，单位（Wb，韦伯）= N 一个线圈的磁通量 Li+u电感电路符号第57页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电感线圈第58页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六线性电感, 任何时刻，磁链 与电流 i 成正比。2、元件特性：韦安特

13、性电感韦安特性曲线i0线性电感非线性电感= Li 或用 -i 平面上的一条曲线 fL(, i)=0 描述线性电感的韦安特性是过原点的直线电感元件的参数为特性曲线的斜率，记作 L 单位亨利（H），毫亨mH(10-3H)和微亨H(10-6H)第59页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六u , i 关联i , 右螺旋u , 一致i+u3. 线性电感电压、电流关系 电感线圈通以电流就会产生磁通，变化的电流产生变化的磁通，从而在线圈中产生感应电动势。根据电磁感应定理，感应电压等于磁链的变化率。电感的伏安特性：（u , i 关联）第60页，共109页，2022年，5月20日，0点28分

14、，星期六Li+u动态元件记忆元件L1dt=di第61页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六(1) u的大小取决与 i 的变化率，与 i 的大小无关；(3) 电感元件是一种记忆元件；(2) 当 i 为常数(直流)时，di / dt =0 u=0。电感在直流电路中相当于短路；Li+u(4) 当 u，i 为关联方向时，u=L di / dt； u，i 为非关联方向时，u= L di / dt 第62页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电感是无源元件，它本身不消耗能量。4.电感的功率与能量可正可负，有时吸收能量，有时放出能量，但本身也不消耗能量（无损耗）以磁场

15、方式储存储能与电流的方向无关第63页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电感两端的电流是直流时, 储存的电场能量是否为0？否！第64页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六R1UR2当U为直流电压时，计算电感和电容的电压、电流和储能。例UR1R2LCiLuC，第65页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六无源元件小结 RLC定义伏安关系直流应用仍有短路开路第66页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六RLC能量关系特点耗能电能磁场能无源元件电能电场能储能元件耗能元件记忆元件无记忆第67页，共109页，2022年，5月20

16、日，0点28分，星期六电路符号us电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关,理想电压源中的电流由外电路决定。一、理想电压源1、概念：+-us恒压源直流：us为常数，称为恒压源 或直流源交流： us是确定的时间函数， us=Umsintus1.4.4 有源电路元件第68页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六2、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，由外电路决定。I1 5V (c)电压源的电压和电流一般取非关联参考方向。5VI=5AI10 5VI=1A第69页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六ui03

17、. 伏安特性(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。 us+_iu+_USui0(2) 电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合，相当于 短路状态。恒压源电压源为0第70页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六4. 理想电压源的开路与短路uS+_iu+_R(1) 开路：R，i=0，u=us(2) 短路：R=0，i ，此时理想电源模型不存在。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。US+_iu+_R0实际电压源第71页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六5. 功率i ,

18、 us 非关联p= -uiuS+_iu+_外力克服电场力做功， 发出功率。物理意义：若p= -ui 0 说明电源吸收的功率瞬时值为正值，这时电源处于充电状态，电源已经成了负载。第72页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六7 .实际电压源任何一个实际的电源都含有内阻，由理想电压源和内阻R0串联组成。+_USR0UIU= US-IR0伏安特性UIUSUS /R0第73页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六2、特点：(a) 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；(b) 电源两端电压是由外电路决定。 直流：iS为常数，称为直流电流源或恒流源 交流： iS是确定的

19、时间函数，如 iS=Imsint电路符号iSUIR1A电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。1.7.2 电流源：1、概念：iS第74页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六3、伏安特性(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。 ISui0iSiu+_(3) 电流为零的电流源，伏安曲线与 u 轴重合，相当于开路状。ISui0直流电源电流源为0第75页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六4、 理想电流源的短路与开路(1) 开路：R，i= 0 ，u 。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流

20、源不允许开路。(2) 短路：R=0， i= iS ，u=0 ，电流源被短路。RiSiu+_第76页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六5、功率p= -u is iSiu+_u , iS 非关联 p0，则电流源吸收电功率，变成了负载。在u , iS 非关联条件下 第77页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六由理想电流源与内阻R0并联组成abIUabIsR0Uab = Is R0-IR0IUabISIs R0伏安特性6、实际电流源：可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，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池被激发产生一定

21、值的电流等。I = Is Uab/R0第78页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六电压源中的电流如何决定？电流源两端的电压等于多少？原则：Is不能变，Us 不能变。Us-Uab=恒压源中的电流 I= IS恒流源两端的电压IUs _+abUab=?Is例1第79页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六+_10v2AR求：R= 1和R= 10两种情况下的UIs，并判断各元件的功率。当R=1， UIs =10-2R=8v例2+ UIS -当R=10， UIs =10-2R=-10vP=-210-20WP=2(10)-20W 关联， P0 发P=221040W 关

22、联， P 0 吸10v电压源：2A电流源：10 R： 功率平衡！非关联，P0 发+_10v2AR+ UIS -10v电压源：P=-210-20W非关联，P0 发2A电流源：P=2816W 关联， P 0 吸10 R：P=2214W 关联， P 0 吸 功率平衡！第80页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六独立源小结+_us(t)电压源电流源符号特点工作状态is(t)电压恒定电流随外电路变化电流恒定电压随外电路变化开路保存，P=0W短路事故状态短路保存，P=0W开路事故状态第81页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六独立源小结电压源电流源置零实际元件+_U

23、SR0IsR0短路开路第82页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六1.5 电路的工作状态与元件额定值一、开路工作状态一部分电路对外连接端断开时，这部分电路没有电流流过，这部分电路所处的状态称为开路。 电源工作在开路状态（空载状态）。I=0Uoc=E（开路电压）P=0+_ER0UocIR1R2S1S21.5.1 电路的工作状态第83页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六二、短路工作状态：当用导线将某一部分电路的两端直接连起来时，这部分电路被短路。S1,S2同时闭合，电源处于短路工作状态。U=0I=ISC=E/ R0（短路电流）电源短路容易烧坏电源，因此电源

24、使用中通常接入熔断器+_ER0IR1R2S1S2P=0（输出功率）PE =I2 R0 （电源消耗的功率）第84页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六三、负载工作状态： （接负载）+_ER0RLUIU=E-IR0I R0IUE伏安特性伏安特性的斜率与R0有关， R0越小，斜率越小。R0 RL时，U 随负载的变动很小，受负载的影响很小，电源带负载能力强。电源的内阻越小，带负载能力越强。第85页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六（1）满载工作：电路中的电流等于电源的额定电流时。（2）轻载工作：电路中的电流小于电源的额定电流时。（3）超载工作：电路中的电流大于

25、电源的额定电流时。 不允许+_ER0RLUI第86页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六1.5.2 电气设备的额定值一、额定值：各种电气设备的电压、电流、功率都有一个额定值。对负载来讲：额定值指负载正常工作时的条件及消耗的功率限额。 负载必须额定工作（例：220v，40w的白炽灯）。1.额定电流：电气设备在长期连续运行或规定工作条件下通过的最大电流。IN2.额定电压：根据电气设备所用绝缘材料的耐压程度或允许温升等情况，规定的正常工作时的电压。UN3.额定功率：额定电压、额定电流下工作时的功率。PN第87页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六对电源来讲：额

26、定值指电源向负载提供的 电流、电压和功率的限额。 通常在铭牌或说明书中标出 注意使用时不要超过额定值。以电压源为例：R2+_ER0R1R0 0I总R3负载增加， I总、P总增加电源输出的电流、功率取决于负载的大小第88页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六结论：在一定条件下，电源输出的功率取决于负载的大小，所以电源不一定处于额定工作状态，但是一般不应该超过额定值因此：电源的额定状态与负载是有区别的，负载一般要额定工作。电源的输出功率取决于负载。第89页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六练习：+_E=220vR00I60w220v100w220vI1I2

27、s(1) R00，S闭合后 I1变化？不变(2) R00，S闭合后 I1变化？减小(3)电源的额定功率为125kw、220v，接220v、60w的电灯时，电灯会不会烧毁？不会、电源输出的功率为60w第90页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六基尔霍夫电流定律 (Kirchhoffs Current LawKCL )基尔霍夫电压定律(Kirchhoffs Voltage LawKVL )基尔霍夫定律与元件特性是电路分析的基础。Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)基尔霍夫/克西霍夫1.6 基尔霍夫定律第91页，共109页，2022年，5月20日

28、，0点28分，星期六一 . 几个名词1. 支路 (branch)：电路中通过同一电流的一个分支 (b)2.节点 (node):三条或三条以上的支路的连接点称为节点( n )3.回路(loop)：由支路组成的闭合路径。( l )b=34. 网孔(mesh)：不包含支路的回路即网孔。对平面电路，每123ab+_R1uS1+_uS2R2R3l=3n=2123个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。M=2第92页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六支路：ab、ad、 . （共6条）回路：abda、 bcdb、 . （共7 个）结点：a、 b、 . (共4个）例I3E4E3_

29、+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-网孔：abda、 bcdb adca （共3 个）第93页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六1 、在电路中，任一时刻，任一节点的各支路电流的代数和为零。 即-当支路电流参考方向指向节点 n ，上述求和式中取“+”，-当支路电流参考方向背向节点 n ，上述求和式中取“_”。i1 i2 +i3 i4= 0注意：流进流出流进流出二. 基尔霍夫电流定律 (KCL)：i1i2i3i4第94页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六7A4Ai110A-12Ai2i1+i2 = 1012 i2=1A 4=7+i1

30、 i1= 3A 例2、 在电路中，任一时刻，流入结点的支路电流之和等于流出该结点的支路电流之和基尔霍夫电流定律是电荷守恒定律的具体表现第95页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六KCL适用于电路的任意封闭面I1+I2 + I3=0基尔霍夫电流定律的扩展证明：I1I2I3abcIbcIabIcaa:b:c:3、广义KCL：第96页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六I=0I=?E2E3E1+_RR1R+_+_R例ABi只有一条支路相连，则 i=0。i=?第97页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六计算图示电路中的未知电流 I 。I2A-3A4A解：2 - 3 - 4 - I=0I= 2 - 3 - 4=-5A利用扩展的KCL列方程：例第98页，共109页，2022年，5月20日，0点28分，星期六三、基尔霍夫电压定律(KVL) 1、KVL: 在电路中，任一时刻，沿任一闭合路径( 按固定绕向 )，各支路电压代数和为零。 即：取回路的绕行方向设定电压的参考方向通常绕行方向与参考方向一致，取“+”