电工电子学 课件 第1-6章 电路的基本概念、定律与分析方法-集成运算放大器及其应用

《电工电子学》绪论中国石油大学（华东）控制科学与工程学院绪论

电工电子学课程的性质与任务

电工电子技术的应用简介

电工电子学课程的学习安排主要内容绪论电工电子学是研究电工技术和电子技术的理论和应用的技术基础课。电工技术：研究电能在工程中的应用技术电子技术：研究电子器件及其应用的技术电工技术与电子技术发展十分迅速，应用非常广泛，现代一切新的科学技术无不与电有着密切的关系。一、电工电子学课程的性质与任务一、电工电子学课程的性质与任务绪论

基础性：是指基本理论、基本知识和基本技能。为后续课程打基础，为毕业后从事与电相关的工作打基础。也是为继续深造、拓宽和创新打基础（上册内容）。

应用性：学习电工电子学重在应用，学完该课程，应具有将电工技术和电子技术应用于解决本专业基本问题的能力。为此，课程内容理论应联系实际应用；培养学生分析问题和解决问题的能力（下册内容）；还要注重实验技能的训练。

先进性：电工电子学发展非常迅速。为此，课程内容要不断更新和改革。一、电工电子学课程的性质与任务绪论电工技术与电子技术已经深入到工业、国防、通信、医疗和社会生活的各个方面，并且始终引领工业与社会现代化的进程。

强电应用：电能的产生、传输、变换和控制；

弱电应用：信号的产生、传输、变换和控制。二、电工电子技术的应用简介二、电工电子技术的应用简介绪论1.强电应用强电应用技术的核心是多种能量转换的方法和技术，如电能－热能、电能―光能、电能－机械能、电能―化学能以及电能―电能。二、电工电子技术的应用简介非电能电能非电能非电能→发电机→水能热能太阳能其他能核能风能电气设备机械能热能声能光能风能其他绪论二、电工电子技术的应用简介远距离输电过程示意图升压变压绪论

（1）电力驱动

电动机性能优良、结构简单、价格低廉、使用方便、控制精确、便于调节等，用它驱动多种机械装置仍是首选方案。电动机所消耗的电能占国家发电总量的30％以上，可见它的应用之广泛。二、电工电子技术的应用简介机械加工设备：机床、轧钢等；绪论连续生产设备：泵、风机、传送带等；交通运输：电气机车、磁悬浮列车、电动汽车；家用电器：洗衣机、电冰箱、电烤箱、录音机、打印机等。二、电工电子技术的应用简介绪论

（2）电力照明

电力照明转换效率高，便于控制和调节。迄今为止，还没有任何其他的照明技术可以用来取代电力照明。从发光二极管到泛光灯，多式多样的发光器件和照明灯具广泛应用于家庭、建筑物、影剧院、体育馆、街道公路、机场码头、广告等场合。多种高效、节能型的照明灯还在不断的研究和开发之中。二、电工电子技术的应用简介绪论（3）电力加热电加热是一种高效的加热技术，它可以准确控制加热温度和加热过程，并且把热量严格控制在需要加热的部位或空间中。二、电工电子技术的应用简介绪论传统的电阻加热：用于连续生产过程以及建筑物采暖。中频加热：用于金属冶炼、金属加工、金属热处理以及金属焊接。高频加热：用于非金属材料加工、焊接。日常生活：电灶具、电烤箱、电磁炉、微波炉、热水器。二、电工电子技术的应用简介绪论2.弱电应用

（1）检测系统

检测是获取信号或信息的一种技术手段，它借助传感器感受被测信号并将它转换成电信号，电信号经放大、滤波等处理后，供人们观测、分析或进行记录、存储、显示；或进入计算机进行进一步的处理、分析或参与控制。

工业领域：检测压力、温度、流量、料位等；

医学领域：检测体温、心率、血压等；二、电工电子技术的应用简介绪论各种检测仪器二、电工电子技术的应用简介绪论

(2）通信系统人与人之间交换信息称为通信，如电话、广播、电视等。机器与机器之间交换信息以数据交换为主，称数据通信，如计算机网络。人与机器之间交换信息：常要经过数据到信号或信号到数据的转换，即所谓的数模转换或模数转换。二、电工电子技术的应用简介绪论（3）信息处理系统信息处理包含信号处理和数据处理两个方面。

信号处理：包括信号的放大、滤波、变换等；

数据处理：包含数值计算、图像处理、语音合成等。二、电工电子技术的应用简介绪论

（4）控制系统

控制是对对象状态或过程的调整，使之准确达到既定目标。如：压力控制、温度控制、机器人控制系统。二、电工电子技术的应用简介温度传感（输入）信号放大信号滤波控制执行（输出）功率放大数模转换数字系统模数转换恒温装置模拟小信号电路数字电路非电子物理系统模拟大信号电路电子系统绪论强电应用和弱电应用只是从电能应用的角度对电气工程进行的一种划分。事实上，在强电领域中有弱电技术的应用；在弱电领域也有强电技术的应用。所以这种划分不是绝对的，实际的电气工程系统总是体现强电和弱电技术的综合应用。二、电工电子技术的应用简介绪论典型的机电一体化：电动汽车电子机械电机驱动系统驱动控制系统辅助系统二、电工电子技术的应用简介绪论汽车电子强电弱电电机驱动逆变电源电力电子…...电机与电器控制信号处理（DSP）计算机、单片机…...二、电工电子技术的应用简介绪论3.在石油工业中的应用

在石油开采中的应用：电驱动钻机、抽油机、注水泵等；二、电工电子技术的应用简介在勘探中的应用：信号的控制与处理等；绪论二、电工电子技术的应用简介绪论在储运中的应用：压力、流量、温度的检测，泵驱动；在炼油过程中的应用：过程控制等。二、电工电子技术的应用简介绪论三、电工电子学课程的学习安排1.学习内容

信号的测量与处理变压器与电动机直流稳压电源工厂供电与安全用电应用模块（16-32学时）电路分析基础模拟集成电路数字集成电路Multisim及应用基础模块（32-48学时）电气控制技术绪论

●建立学习电工电子学课程的兴趣；

●课堂上要认真听课，提高效率；

●在自学过程中要认真思考；重点掌握基本概念、基本电路、基本方法;对课后习题予以充分重视，独立完成，注意解题方法和技巧；

●充分利用教学网站（课件、动画、实验、交互学习）；●注重实验。充分利用实验来消化、理解课程的理论内容；借助multisim软件或其它EDA软件进行仿真分析和设计。2.学习要求和方法三、电工电子学课程的学习安排第一章电路的基本概念、定律和电路元件中国石油大学（华东）控制科学与工程学院主要内容电路的基本概念电路的基本元件基尔霍夫定律电路的分析方法1.1

电路的基本概念1.1.1电路与电路模型1.1电路的基本概念1.实际电路为完成某种预期目的而设计、安装、运行，由电路部件（如电阻器、蓄电池等）和电子器件（例如晶体管、集成电路等）相互连接而成的电流通路。电路的基本功能：传输电能、处理信号、测量、控制和计算等。开关断开灯泡电池照明电路

1.1电路的基本概念开关闭合灯泡电池1.1电路的基本概念照明电路

2.电路模型

电路理论建立在模型分析的基础之上，即用理想化的模型来描述实际电路。理想化的模型是由一些理想元件所构成。理想元件：①一个二端电子元件的数学模型。②可由端口的电压、电流关系完全描述其性质。

③不能被分解为其他二端元件。理想元件能够反映实际电路中的电磁现象，表征其电磁性质。1.1电路的基本概念电阻元件电感元件电容元件电源元件1.1电路的基本概念电路模型实际电路1.1电路的基本概念照明电路

1.1电路的基本概念线圈直流电路交流电路关于电路模型要注意以下几点：①

一个器件的电路模型及参数与该器件的工作条件有关。②

电路模型只是对实际物理过程的一种近似描述，模型的繁简与实际工程计算要求的精度有关。1.1.2

电流、电压及其参考方向1.电流定义:单位时间内通过导体横截面积的电量。实际方向：正电荷运动的方向。单位：安培A直流(DC)交流(AC)1.1电路的基本概念

UsIsRIRab电流正方向ab？电流正方向ba？复杂电路中难于判断元件中电流的实际方向，电流如何求解？1.1电路的基本概念2.电流的参考方向电流的参考方向——假定的电流正方向1.1电路的基本概念i1.1电路的基本概念2.电流的参考方向电流的参考方向——假定的电流正方向iabi>0参考方向真实方向i6mA电流的参考方向与真实方向一致，则i>0。1.1电路的基本概念2.电流的参考方向电流的参考方向——假定的电流正方向iabi<0参考方向真实方向电流的参考方向与真实方向相反，则i<0。i-6mA3.电压及参考方向定义：单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。正电荷由a移到b，若失去能量，则ua

ub，即a端为正b端为负；若得到能量，则ua<ub

。方向：电压降方向，即由高电位指向低电位。单位：伏特V1.1电路的基本概念电压的参考方向（极性）——假定的电压正方向1.1电路的基本概念3.电压及参考方向电压的参考方向与真实方向一致，则u>0。电压的参考方向与真实方向相反，则u<0。4.电压、电流的关联参考方向

对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。abiu+

(a)关联方向abiu−+(b)非关联方向1.1电路的基本概念1.1.3

电路中的功率定义：元件吸收或释放能量的速率。单位：瓦特W方向：在电压、电流取关联参考方向下，p=ui

表示的是该元件“消耗”（吸收）的电功率的大小。即为：p>0p<0+

ui+

ui1.1电路的基本概念实际吸收功率实际提供功率+

uip=ui+

ui+

ui+

uip=

uip=

uip=ui功率(吸收)与电压、电流参考方向的关系：请思考：功率(提供)与电压、电流参考方向的关系如何？1.1电路的基本概念例1.1已知i=1A，u1=3V，u2=7V，u3=10V，求ab、bc、ca三部分电路吸收的功率P1、P2、P3。（吸收）（吸收）（提供）功率平衡解：1.1电路的基本概念第一章电路的基本概念、定律和电路元件中国石油大学（华东）控制科学与工程学院1.2电路元件1.2.1电阻元件

电阻元件是一种消耗电能的元件。

如果一个二端元件在任意时刻t，其电压与电流的关系（伏安关系，VAR）服从欧姆（Ohm）定律，即u=Ri则该元件称线性二端电阻元件。单位：欧姆（Ω）电阻元件的电路符号:+

uiR1.2电路元件（a）开路电阻元件的两种特殊情况

当一个电阻元件中的电流i不论为何值时，它的端电压u恒为零，则称“短路”，即R=0。

当一个电阻元件的端电压u不论为何值时，流过它的电流恒为零，则称“开路”，即R→∞。（b）短路Nabu+-R=∞i=0R=0Nabu=0+-i1.2电路元件1.2.2电容元件平板电容电容元件的电路符号定义：一个二端元件，如果在任意时刻t，它所储存的电荷q和其端电压u之间满足

q=Cu所确定的关系，则此二端元件称线性电容元件。C是

电容元件的参数，单位：法拉(F)

+

quc+q+++++++1.2电路元件1.2.2电容元件

i

du/dt。只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但i=0，相当于开路，即电容具有隔直作用。又1.2电路元件1.2.2电容元件电容元件的伏安关系在取关联参考方向时电容元件在t时刻储存的总电场能量为：UC(t0)为初始时刻t0时的电容电压，反映t0前电容电流的积累效应——电容对它的电流具有记忆能力，又称记忆元件。电容元件储存的电场能量只和考察时刻它的端电压数值有关。1.2电路元件1.2.3电感元件电路符号电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件。Ψ=LiL为一常系数时，则该元件就称为线性电感元件。

L：自感系数也称电感单位：H

iL、eL1.2电路元件1.2.3电感元件（1）uL

diL/dt

，电感是一动态元件。（2）在实际电路中，电压为有限值，故流入电感的电流不能跃变，即diL/dt≠∞。（3）当电感的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但u=0，相当于短路。1.2电路元件1.2.3电感元件电感元件的伏安关系也可表为：IL(t0)为初始时刻t0时电感的电流，反映t0前电感电压的积累效应——电感对其电压具有记忆能力，又称记忆元件。

电感元件在某一时刻储存的总磁场能量为：

电感在某一时刻所储存的磁场能量只与该时刻电流的瞬时值有关。因电感电流不能跃变，故电感的能量也不能跃变。1.2电路元件1.2.4电源元件

独立电源：能够独立地向外电路提供能量，即称为激励（或输入）非独立电源（或受控源）：为分析有源器件（如晶体管、运算放大器等）

建立的电路模型。两大类电源：独立电源非独立电源或受控源1.2电路元件1.独立理想电压源定义：如果一个二端元件接到任一电路后，其两端的电压us(t)总能保持规定值，与通过它的电流大小无关，则该二端元件就称为理想的独立电压源。电压源的伏安特性曲线+

usUsor电压源的电路符号usi0u1.2电路元件例1.2电压源中的电流由外电路决定当并联一个2Ω电阻时:当4Ω电阻接入时:i=0.5Ai=1.5A解：1.2电路元件2.独立理想电流源电流源的电路符号电流源的伏安关系Isi0u定义：如果一个二端元件接到任一电路后，不论其端电压的大小如何，该元件能够对外电路提供规定的电流is(t)，则该元件就称为独立的理想电流源。is、Is1.2电路元件例1.3设:Is=1AR=10时，

Uab

=10

VR=1

时，

Uab=1

V则:电流源两端电压由外电路决定解：1.2电路元件3.受控电压源和受控电流源根据控制变量与被控制变量的不同，受控电源可以分成四类：压控电压源流控电压源压控电流源流控电流源us=µux+

+

uxis=gux+

uxus=rix+

ixis=

ixix1.2电路元件例1.4

根据理想电源的定义，说明下列连接是否允许？1.2电路元件例1.4根据理想电源的定义，说明下列连接是否允许？

1.2电路元件例1.5（1）求图示电路中电流源两端的电压。（2）当电压源的电压或电阻的阻值变化时，电流源的输出电流是否变化？电流源的电压是否变化？1A10Ω++−−10VUU=10×1+10=20V（1）（2）电流源输出电流不变化电流源的电压变化解：1.2电路元件第一章电路的基本概念、定律和电路元件中国石油大学（华东）控制科学与工程学院1.3基尔霍夫定律几个有关电路结构的名词基尔霍夫电流定律基尔霍夫电压定律电路的基本规律包含两方面的内容（即两大类约束关系）：其一，电路中的各种元件本身具有的约束关系——元件的电压电流关系；其二，电路的结构整体所遵循的约束关系——基尔霍夫定律。1.3基尔霍夫定律电路中通过同一电流的一段电路称为支路。3条或3条以上支路的连接点称为结点。电路中任一闭合的路径称为回路。回路内部不另含回路的回路称为网孔。图示电路有

条支路，

个结点，

个回路，

个网孔。3322几个有关电路结构的名词：1.3基尔霍夫定律1.3.1基尔霍夫电流定律简称KCL

若流出结点的电流规定为正，流入结点的电流为负，则KCL可以表示为：

在集总参数电路中，任一时刻，流入任意结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。数学表示为：1.定律表述：i1＝i4＋i6i2＋i4－i5＝0结点a:结点b:i1－i4－i6＝01.3基尔霍夫定律2.基尔霍夫电流定律的扩展结点

任意封闭面i1

＋i2＋i3

＝0U2U3U1+−RR1R+_+−RII=0I=?1.3基尔霍夫定律1.3.2基尔霍夫电压定律简称KVL1.定律表述：

在集总参数电路中，任一时刻，对任意回路，按一定方向巡行一周，回路中各支路电压的代数和为零。数学表示为：顺时针绕行UR1−Us2+Us3+UR2−Us1=0UR1+Us3+UR2=Us2+Us1

任何时刻，沿任一回路循行，电压降的代数和恒等于电压升的代数和。1.3基尔霍夫定律Uab+−10V++−I−−+30V8V5Ω3Ω2.基尔霍夫电压定律的扩展Uab＝5I+8或Uab＝10−3I+30回路

开口电路1.3基尔霍夫定律例1.6图示电路的基尔霍夫电压方程为

。A.U=Us+IRB.U=Us−IRC.U=−Us+IRD.U=−Us−IR

B1.3基尔霍夫定律例1.71.求图示电路中的io；2.求各元件的功率，并验

证电路的功率平衡性。1.求图示电路中的ioKCL：KVL：Ohm’sLaw：

120V6Aio10

50

解：

120V6Aio10

50

i1

u2uo1.3基尔霍夫定律2.求各元件的功率，并验证电路的功率平衡性。电阻消耗的功率：电源提供的功率：验证功率平衡：

120V6Aio10

50

i1

u2uo1.3基尔霍夫定律第一章电路的基本概念、定律和电路元件中国石油大学（华东）控制科学与工程学院主要内容1.4.1半导体的基本知识与PN结1.4.2二极管的符号、特性和主要参数1.4.3二极管的电路模型1.4.4二极管应用电路1.4.5特殊二极管1.4半导体二极管1.4.1半导体的基本知识与PN结半导体的基本知识

导体：电阻率ρ<10-4cm

绝缘体：ρ

1010cm

半导体：10-4cm<

ρ<1010cm，导电性能介于导体与绝缘体之间，受温度、光照和掺杂程度影响极大。自然界的物质按其导电能力的大小可分为：物质的分类:1.4半导体二极管

近代大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）中主要用硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）材料。半导体根据纯度的不同可以分为：

本征半导体杂质半导体1.4半导体二极管

纯净的、具有晶体结构的半导体，也称为晶体。1.本征半导体284+14Si28184+32Ge

最外层原子轨道上的电子称为价电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键+4简化模型二维晶格结构图4个价电子晶体结构1.4半导体二极管本征激发：因热运动产生自由电子空穴对的现象。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴复合：空穴与自由电子结合而消失的现象。一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。本征浓度：1.4半导体二极管在半导体中能够运载电荷的粒子有两种——自由电子和空穴，称为载流子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子移动空穴移动导电机理：当外部加电场时，载流子即空穴与自由电子在电场的作用下而定向移动，形成电流。1.4半导体二极管外加电场漂移电流漂移电流与电场强度和载流子浓度成正比。1.4半导体二极管+4+4+4+4+4+4+4+5+52.杂质半导体N型半导体—掺入5价元素如砷（As）、磷（P）自由电子、空穴对多余自由电子——N型半导体和P型半导体自由电子称为多数载流子，简称多子；本征激发产生的空穴称为少数载流子，简称少子。1.4半导体二极管+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半导体—掺入3价原子如硼（B）、镓（Ga）多余空穴自由电子、空穴对多数载流子（多子）是空穴；少数载流子（少子）是自由电子。1.4半导体二极管在两种半导体交界面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少载流子所以也称为耗尽层。浓度差

多子的扩散运动

空间电荷区

内电场

促使少子漂移阻止多子扩散动态平衡

PN结PN结1.PN结的形成1.4半导体二极管

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。2.PN结的单向导电性

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。结论：PN结具有单向导电性。1.4半导体二极管+−uDiD1.4.2二极管的符号、特性和主要参数

将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管（D）。电路符号与基本结构电路符号A阳极K阴极1.4半导体二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。2.面接触型二极管1.点接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。正极引线铝合金小球P型硅N型硅底座金锑合金负极引线负极引线正极引线金属触丝外壳N型锗1.4半导体二极管3.平面型二极管

用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路。正极引线P型硅N型硅SiO2负极引线1.4半导体二极管604020–0.02–0.0400.40.8–25–50i/mAu/V死区死区电压——Uth

正向特性1.正向特性二极管伏安特性死区电压UT＝kT/q≈26mV（常温）当加正向电压，且u>>

UT时,+−uDiD1.4半导体二极管2.反向特性二极管具有单向导电性。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50i/mAu/V小功率硅管：＜1A小功率锗管：10~100A当u＜0时，i=−Is（反向饱和电流）反向特性U(BR)+−uDiD导通电压硅管：0.6~0.7V锗管：0.2~0.3V导通电压1.4半导体二极管3.反向击穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50i/mAu/V反向特性反向击穿当反向电压增大至U(BR)时，反向电流将突然增大。二极管失去单向导电性。U(BR)+−uDiD导通电压1.4半导体二极管主要参数2.最高反向工作电压URM

它是保证二极管不被击穿而给出的最高反向电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。1.最大整流电流IFM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。3.最大反向电流IRM

指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。1.4半导体二极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：命名方法用字母表示材料。A、B、C、D用字母表示器件的种类。P：普通管用数字表示同种器件的序号二极管

2AP91.4半导体二极管半导体二极管图片1.4半导体二极管半导体二极管图片1.4半导体二极管半导体二极管图片1.4半导体二极管

二极管是一种非线性器件，一般采用非线性电路的模型分析法。2.恒压降模型1.理想模型uD>0D导通理想开关uD>导通电压UonD导通uD<0D截止+−uDiDAKDAK×AKuD<导通电压UonD截止+−UonAK×AK1.4半导体二极管1.4.3二极管的电路模型

在电子技术中二极管电路得到广泛应用。基本电路有限幅电路、整流电路、钳位电路、开关电路等。1.判断二极管在电路中的工作状态例1.4.1设图示电路中各二极管性能理想，试判断各电路的二极管是导通还是截止？15V12VD15.1k

6V12V3k

D1D21.4半导体二极管判断二极管在电路中的工作状态，常用的方法是：

首先假设二极管断开，然后求得二极管阳极与阴极之间将承受的电压UU>导通电压，二极管正向偏置，导通；U<导通电压，二极管反向偏置，截止；

在用上述方法判断的过程中，电路中出现两个以上二极管共阳极或者共阴极时，如果承受大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先导通，其两端电压为导通电压降，然后再用上述方法判断其余的二极管。1.4半导体二极管D1断开UAK=(−12)−(−15)=3V>0VD1、D2均断开UA1K1=12VUA2K2=12−(−6)=18VUA2K2>UA1K1，D2优先导通UA1K1=−6V<0D1截止15V12V5.1k

KAD16V12V3k

A1K1A2K2D1D2D1导通1.4半导体二极管1.整流电路当us>0，D导通，uo=us单向整流电路当us<0，D截止，uo=0+−+−usuoRLD1+−+−usuoRLAK1.4半导体二极管1.4.4二极管的应用电路2.限幅电路

二极管D1、D2用恒压源模型，Uon=0.7V。+−+−usuoRD1D21.4半导体二极管uA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=−usD1导通，D2截止+−+−usuoRA1K2K1A22.限幅电路

二极管D1、D2用恒压源模型，Uon=0.7V。1.4半导体二极管2.限幅电路

二极管D1、D2用恒压源模型，Uon=0.7V。uo=0.7V+−+−usuoRK2A2+−0.7VuA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=−usD1导通，D2截止1.4半导体二极管2.限幅电路

二极管D1、D2用恒压源模型，Uon=0.7V。uo=0.7VuA2K2>0.7V:D2导通，D1截止+−+−usuoRA1K2K1A2uA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=−usD1导通，D2截止1.4半导体二极管uo=−0.7V2.限幅电路

二极管D1、D2用恒压源模型，Uon=0.7V。uo=0.7VuA2K2>0.7V:D2导通，D1截止+−+−usuoRA1K1+−0.7VuA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=−usD1导通，D2截止1.4半导体二极管|uS|<0.7V:

uo=usD1、D2均截止+−+−usuoRA1K2K1A2uo=−0.7V2.限幅电路

二极管D1、D2用恒压源模型，Uon=0.7V。uo=0.7VuA2K2>0.7V:D2导通，D1截止uA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=−usD1导通，D2截止1.4半导体二极管例1.4.2

在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R负电源–12V。求输出端电位VO。（设二极管的正向压降是0.3V）D1起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。解：VO=+2.7V。UA1K1=3−(−12)=15VUA2K2=12VD1优先导通UA2K2=−2.7VD2截止D1RD2VAVB−12VVoA2K2+−0.3VA1K11.4半导体二极管

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管工作于反向击穿区。

稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。1.稳压二极管0i/mAu/VUZ

IZIZminIZmax

UZ正向+−反向+−+−uDiD1.4半导体二极管1.4.5特殊二极管

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。+−UIDZRLRUZILI

稳压条件：UImin≥UZ,IZmin≤IZ≤Izmax0i/mAu/VUZ

IZIZminIZmax

UZ正向+−反向+−电阻R的作用:

起限流作用，以保护稳压管。当输入电压或负载电流变化时，通过R上的压降调节保持输出电压基本不变。1.4半导体二极管稳压原理，输入电压或负载变化时:

+−UIDZRLRUZILI0i/mAu/VUZ

IZIZminIZmax

UZ正向+−反向+−UI↑→Uo↑→Iz↑→I↑

→UR↑→Uo↓RL↓→IL↑

→UR↑→Uo↓→Iz↓→I

↓→UR↓→Uo↑1.4半导体二极管RDZRLIOIZIUOUI++−−例1.4.3一硅稳压电路如图。其中未经稳压的直流输入电压UI=18V，R=1kΩ，RL=2kΩ，硅稳压管DZ的稳定电压UZ=10V，动态电阻及未被击穿时的反向电流均可忽略。（a）试求UO、IO、I和IZ的值；（b）试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。1.4半导体二极管（a）试求UO、IO、I和IZ的值DZ被反向击穿，使输出电压稳定，故解：先断开DZDZ两端电压：RDZRLIOIZIUOUI++−−1.4半导体二极管（b）试求RL值降低到多大时，电路的输出电压将不再稳定。解：若DZ不能被击穿，电路不能稳定。代入UI、R及UZ可求得电路不再稳压时的RL，即分析：稳压管稳压时，管子必须反向击穿，条件是在管子断开时的其两端电压应大于稳定电压。RDZRLIOIZIUOUI++−−1.4半导体二极管

当电流流过时，发光二极管将发出光来，光的颜色由二极管材料（如砷化镓、磷化镓）决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几mA至几十mA之间。2.发光二极管1.4半导体二极管3.光电二极管

光电二极管可将光信号转变为电信号。其特点是光电二极管的反向电流与照度成正比。

应用：将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后用光电二极管接收，再现电信号。1.4半导体二极管第一章电路的基本概念、定律和电路元件中国石油大学（华东）控制科学与工程学院1.5双极型晶体管三极管的结构与电流放大原理三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的其它形式ecbNPN型N＋NP按结构可分为：NPN型和PNP型。集电极，用C表示基极，用B表示发射区，掺杂浓度高发射结集电结，面积比发射结大发射极，用E表示集电区，掺杂浓度低基区，薄1.5.1晶体管的结构与工作原理1.三极管的结构与符号发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。becbecNPN型与PNP型三极管的工作原理相似，只是使用时所加电源的极性不同。2.电流分配与放大作用

三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。外部条件：发射结正偏，集电结反偏。以NPN型为例①发射区向基区注入电子（形成电流IE）②电子在基区扩散、复合（形成电流IB）③集电区收集电子（形成电流IC）IBICIEUBUCRBRCCBE2.电流分配与放大作用用实验说明三极管的电流分配和放大作用。

为了使三极管具有放大作用，必须使发射结上加正向电压（正向偏置），集电结加反向电压（反向偏置）。

改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE

都发生变化。mA

AVVmAICUCCIBIERB+UBE

+UCE

UBBCEBIB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05三极管电流测量数据结论：（2）有电流放大作用。电流放大系数（1）

IE=IC+IB，且

IC≈IEICUCCIBIE+UBE

+UCE

UBBCEBRBBUBE+

UCE+

ECBUBE+

UCE+

ECNPN型三极管应满足:UBE

>0，UBC

<

0

即

VC>

VB>

VEPNP型三极管应满足:

UBE<0UBC>0即

VC<VB<VE三极管实现放大的外部条件：

发射结加正向电压，集电结加反向电压。

PNNPPN1.输入特性曲线iB

和uBE之间的关系与二极管相似。

输入特性也有一段死区，在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生iB。1.5.2晶体管的特性曲线++−−iBiCuBEuCEoiB

/uBE/VμA204060801000.20.40.60.81.01V10VuCE=0V2.输出特性曲线（1）放大区NPN型管:VC

>VB>

VE

IC＝βIB（2）截止区对应IB=0以下的区域。

处于截止状态：发射结和集电结均处于反向偏置。PNP型管:VC

<VB<VE

++−−iBuBEuCEiCiC/mA

uCE/VIB=20μA02468

IB=0放大区截止区饱和区IB=40μA4321（3）饱和区

三极管处于饱和状态：发射结和集电结均处于正向偏置状态。在饱和区，IC和IB不成正比。

当三极管饱和时，UCE

0，C-E间如同一个开关的接通。当三极管截止时，IC

0，C-E之间如同一个开关的断开。可见，三极管除了有放大作用外，还有开关作用。++−−iBuBEuCEiCiC/mA

uCE/VIB=20μA02468IB=0放大区截止区饱和区IB=40μA4321例1.5.1在放大电路中测得4个三极管的各管脚对“地”电位如图所示。试判断各三极管的类型（是NPN型还是PNP型，是硅管还是锗管），并确定e、b、c三个电极。（a）3V3.7V8V

−3V2V2.3V

（b）−5V−0.6V0V

（c）−0.8V6V−1V

（d）分析：1）三极管工作于放大状态，发射结应正偏，集电结应反偏，

因而NPN型有VC>VB>VE，PNP型有VC<VB<VE。可见基极

电位总是居中，据此可确定基极。2）硅管|UBE|=0.6~0.8V，锗管|UBE|=0.2~0.4V，与基极电位相

差此值的电极为发射极，并可判断是硅管还是锗管。3）余下一电极为集电极。4）集电极电位为最高的是NPN型管，集电极电位为最低的是PNP型管。（a）3V3.7V8V

−3V2V2.3V

（b）−5V−0.6V0V

（c）−0.8V6V−1V

（d）（a）NPN型硅管，

-发射极，-基极，-集电极（b）PNP型锗管，

-集电极，-基极，-发射极（c）PNP型硅管，

-集电极，-基极，-发射极（d）NPN型锗管，

-基极，-集电极，-发射极例1.5.2:

测得电路中三极管3个电极的电位如图所示。问哪些管子工作于放大状态，哪些处于截止、饱和，哪些已损坏？锗管−3V0V−2.7V发射结、集电结均反偏，管子截止。锗管1.8V3.7V1.5V发射结正偏、集电结反偏，管子放大。硅管−2.8V−1.4V−3.5V发射结正偏、集电结反偏，管子放大。硅管2V12V−0.7VUBE=2.7V，远大于发射结正偏时的电压，故管子已损坏。锗管1.3V1.1V1V发射结偏、集电结均正偏，管子饱和。锗管−0.3V−3V0V发射结正偏、集电结反偏，管子放大。1.2V锗管1.3V1.5V发射结、集电结均正偏，管子饱和。晶体管的主要参数（1）电流放大系数β（2）极间反向电流ICBO、ICEO（3）极限参数集电极最大允许电流ICM

集电极—发射极间的击穿电压U(BR)CEO

集电极最大耗散功率PCM

三极管的参数是用来表征其性能和适用范围的，也是评价三极管质量以及选择三极管的依据。1.常用的主要参数uCEiC0ICMU(BR)CEOIB=0PCM=ICUCE安全区过流区过压区过损区国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A锗PNP管,B锗NPN管,C硅PNP管,D硅NPN管第三位：X低频小功率管，D低频大功率管，

G高频小功率管，A高频大功率管，K

开关管用字母表示材料用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管2.三极管型号的意义三极管的其它形式1.复合三极管β=β1β2复合管的类型取决于T1管BCEibicieT1T2BECibieicT1T2BCEibicieBECibieic2.光电三极管和光电耦合器+−uCE第二章电路的分析方法中国石油大学（华东）控制科学与工程学院2.1

电路的等效变换

具有相同电压电流关系（即伏安关系，简写为VAR）的不同电路称为等效电路。+

u1i1N1外电路+

u2i2N2外电路当u1=u2，i1=i2时,N1与N2对外电路的影响是相同的。1．等效的概念Reqiu

+baN2R1R2Rniu+

b++

+u1u2unN1a（1）电阻的串联2．电阻串并联接的等效变换u=u1+u2+

+un=R1i+R2i+

+Rni

=(R1+R2+

+Rn)iu=Reqin个电阻串联可等效为一个电阻Reqiu

+baN2R1R2Rniu+

b++

+u1u2unN1a分压公式两个电阻串联时电阻串联使用多用于分压。（1）电阻的串联2．电阻串并联接的等效变换（2）电阻的并联Reqiu

+baN2R1R2Rn…ii1i2inab+

uN1i=i1+i2++

in

=G1u+G2u++

Gnu

=（G1+G2+…+Gn）ui=Gequ（2）电阻的并联R1R2Rn…ii1i2inab+

uN1分流公式电阻并联使用多用于分流。两个电阻并联的等效电阻为两个电阻并联时例2.1.1求解端口ab的等效电阻。1.找到并联电阻进行等效。2.串联电阻等效3.如不是最简形式可反复使用串、并等效，直到得到等效电阻。Req=8//8+6//3+0//5

=4+2=6Ω解：例2.1.2求解图示电路中a、b间的等效电阻。Rab=4+6=10

3．实际电源模型间的等效变换ui0电流源Is电压源Usu=Us

Rs

iUS+−ua+-iRsbRLIsuab+-iRL注意事项：电压源的极性与电流源的方向之间的关系。理想电压源与理想电流源之间是不可等效变换的。电源模型等效变换的推广：理想电压源与电阻串联的含源支路可等效为电流源与电阻并联的含源支路，反之亦然。等效变换的条件bUS+−ua+-iRobIsuab+-i

凡是与电压源并联的元件，在求其它支路电压、电流时不起作用，可视为开路;

凡是与电流源串联的元件，在求其它支路电压、电流时不起作用，可视为短路。两个可以直接使用的结论例2.1.3如图所示电路，求解6V电压源的功率，并判断其是吸收还是提供功率。解：利用电源等效变换条件，原图可变换为解：反复进行电源等效变换电压源的电流为(19.2-6)/(4+12)=0.825A因此电压源吸收的功率为I第二章电路的分析方法中国石油大学（华东）控制科学与工程学院2.2支路电流分析法

支路电流法是最基本的电路分析法，它是应用KCL、KVL分别对结点和回路列出所需要的方程组，而后解出各未知支路电流。（1）对具有n个结点、b条支路的的电路应用基尔霍夫电流定律只能得到(n-1)个独立方程。（2）应用基尔霍夫电压定律列出其余的[b-(n-1)]个方程，通常可取单孔回路（或称网孔）列出。（3）应用基尔霍夫电流定律和电压定律一共可以列出(n-1)+[b-(n-1)]=b个独立方程，能够解出b个支路电流。列基尔霍夫电压方程和基尔霍夫电流方程求解电流I1、I2和I3。一、引例未知数个数：3基尔霍夫电压方程基尔霍夫电流方程5选3？I1I2+−20V6Ω10Ω2ΩI310V+−ab对具有b条支路n个结点的电路，只有（n-1）个独立结点，[b-(n-1)]个独立回路（一般选网孔作为独立回路）。独立方程根据基尔霍夫定律，可列出（n-1）个独立的KCL方程和[b-(n-1)]个KVL方程。列基尔霍夫电压方程和基尔霍夫电流方程求解电流I1、I2和I3。一、引例基尔霍夫电压方程基尔霍夫电流方程5选3I1I2+−20V6Ω10Ω2ΩI310V+−aI1＝2.4AI2＝-0.4AI3＝-2.8A例解：I1I2用支路电流法求U。1、b=3，各支路电流参考方向如图。2、n=2，有1个独立的KCL方程。结点a3、只有2个待求电流，还需1个KVL方程。+−20V6A6Ω10Ω2Ω4Ω+−Ua解得：I2＝2.8A由KVL：避开电流源列KVL方程总结电压、电流、功率等未知数解方程电路支路电流支路数b结点数n(n−1)个KCL[b−(n−1)]个KVL列KCLKVL方程第二章电路的分析方法对于一个具有n个节点的电路，任选一节点为参考点，其它N=(n

1)个节点对参考点的电压称节点电压。

u1+

u2+

节点分析法：以(n

1)个节点电压为未知变量，根据KCL，建立(n

1)个独立的节点电压方程。un1un2一、电位

在电路中任选一点，设其电位为零（用标记），此点称为参考点。其他各点对参考点的电压，就是该点的电位，记为V，单位为伏。各点电位是多少？140V+−20Ω6Ω5Ω90V+−6Adacb4A10A2.3节点电压分析法

140V+−20Ω6Ω5Ω90V+−6Adacb4A10A以a点为参考点，则Va=0(V)Vb=Uba=－10×6=－60(V)Vc=Uca=4×20=80(V)Vd=Uda=6×5=30(V)140V+−20Ω6Ω5Ω90V+−6Adacb4A10A以b点为参考点，则Vb=0(V)Va=Uab=10×6=60(V)Vc=Ucb=140(V)Vd=Udb=90(V)Uab=Va－Vb=0－(－60)=60(V)Uab=Va－Vb=60－0=60(V)

电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；电路中两点间的电压值是绝对的，不会因参考点的不同而改变。电压与电位的区别

在电子电路中，电源的一端通常都是接“地”的，为了作图简便和图面清晰，电路可以做如下变换+−R1US2−+US1R2R3R1−US2+US1R2R3二、利用电位简化电路US1,US2,R1,R2,R3已知，求A点电位。电位电压电流KCLR1−US2+US1R2R3AI1I2I3结点电压：对于一个具有n个结点的电路，任选一结点为参考点，其它N=(n

1)个结点对参考点的电压。

un1+

un2+

un1un2三、结点电压分析法以(n

1)个结点电压为未知变量，根据KCL，建立(n

1)个独立的结点电压方程。

un1un2三、结点电压分析法例解：用结点电压法求un1、un2。应用KCL，结点1：结点2：un1=5Vun2=2V

解方程得：例2用结点电压法求u1、u2、u3

。结点1：结点2与结点3可看成一广义结点，有4条支路与其关联。且有解：

u1=-0.5Vu2=-1.5Vu3=1.5V解方程得：

（一）找出结点，确定参考点；（二）对其他

n

1个结点列KCL方程；（三）解方程，求未知量。结点电压分析法步骤：注意：若支路中有电压源，利用广义结点概念列写KCL方程。第二章电路的分析方法中国石油大学（华东）控制科学与工程学院2.4叠加原理

当线性电路中有两个或两个以上独立电源作用时，任一支路的电压或电流等于各个独立电源单独作用下，分别在该支路上所产生响应的代数和。=+电源单独作用保留所有电阻及受控源，其他独立电源：如果是电流源，则令IS=0,即恒流源开路；如果是电压源，则令US=0,即恒压源短路。代数和各电源共同作用产生的电压或电流称为总量。各电源单独作用产生的电压或电流称为分量。代数和即为某电压或电流的总量=分量之和。=+

(us单独作用下的响应)+(is单独作用下的响应)=(us

、is共同作用下的响应)

将上述结论推广到一般线性网络中，就是叠加定理的内容。叠加原理解题步骤：（1）分解电路：将含有多个电源作用的电路分解为每个电路

单独作用的电路，分解时保留一个电源，而将其余电源除

源。须作图。（2）计算各分电路电流和电压。各分电路可自行规定电流、

电压正方向。（3）进行叠加计算，计算总电压、电流。注意分量与总量的方

向，应先规定总电流、电压的正方向，与总电流或电压方

向一致的分量取正，反之取负。注意事项：

叠加定理只适用于线性网络。

在计算某个独立源单独作用下的响应时，其它独立源取零：即将其它的独立电压源短路，独立电流源开路。而与这些独立源相连接的电阻、受控源或其它元件仍应保留。

叠加定理只能用于计算响应量是电压或电流的情况，不能用于计算功率和能量。如：若电阻R上的电流为i=i'+i

，P=R

i

2=R(i'+i)2=R(

i'2+2i'i

+i

2)≠Ri'2+R

i

2例解：30V+−ab10Ω10Ω4Ω6Ω5A用叠加定理求4Ω电阻的功率。能否用叠加定理直接求功率？30V+−ab10Ω10Ω4Ω6ΩI'+II"ab10Ω10Ω4Ω6Ω5AI"=1+(-2)=-1A第二章电路的分析方法中国石油大学（华东）控制科学与工程学院2.5等效电源定理二端网络：若一个电路只通过两个输出端与外电路相联，则该电路称为“二端网络”。该电路可以是任意电源、电阻等电路元件的复杂连接。无源二端网络：二端网络中没有电源ab有源二端网络：二端网络中含有电源ab1.戴维南定理

线性网络N1可以用一个电压源与电阻串联的戴维南等效电路替代，其端钮a-b上的伏安关系不受影响。这个电压源的电压等于线性网络的开路电压uoc，其电阻等于网络除去独立源后的无源网络N1o的等效电阻Ro。线性有源网络N1uabab+-外电路iuoc+−uabab+-外电路iRo戴维南等效电路参数的含义：N1与外接电路断开N1内部电源取零值N1oRoabN1uocab+-线性有源网络N1uabab+-外电路iuoc+−uabab+-外电路iRo戴维南等效电路定理的证明根据等效概念，外电路可用一电流为is=i的电流源替代，并不影响线性含源网络内部的工作状态。=+根据叠加定理，端口电压u为N内部电源与外接is共同作用的结果。=+端口电压与电流之间的关系：

u=u

+u

u

N端口处的开路电压uoc

；此方程符合一个独立电压源uoc和一个电阻Ro串联组合支路的伏安关系。u

=Rois=Roiu=u

+u

=uoc

Roi即：证明了戴维南定理的正确性。24V+−6Ω6Ω1Ω3Ω2A2Ω例2.5.1解：

使用戴维南定理求解2Ω电阻的功率。找到需要等效的有源二端线性网络。24V+−6Ω6Ω1Ω3Ω2Auoc+-ab18V+−b2Ω7Ωa令有源二端线性网络内部电源为零，得一个纯电阻网络：得到原电路的戴维南等效电路：根据戴维南等效电路求解2Ω电阻功率6Ω6Ω1Ω3ΩRoab24V+−6Ω6Ω1Ω3Ω2A2Ω2.诺顿定理

线性网络N1可以用一个电流源与电阻并联的诺顿等效电路替代，其端钮a-b上的伏安关系不受影响。这个电流源的电流等于线性网络N1的短路电流isc，其电阻等于网络除去独立源后的无源网络N1o的等效电阻Ro。线性有源网络N1uabab+-外电路iiscuabab+-外电路iRo线性有源网络N1uabab+-外电路iiscuabab+-外电路iRoN1iscab诺顿等效电路参数的含义：N1内部电源取零值N1在端口处短路诺顿等效电路N1oRoab第三章电路的暂态分析主要内容换路定则与电压电流初始值的确定一阶线性电路的响应一阶线性电路暂态分析的三要素法稳态：电压、电流不随时间变化或周期性重复变化。过渡过程：电路由一个稳态过渡到另一个稳态需要经历的中间过程。暂态：在电路中，过渡过程往往非常短暂，故也称为暂态过程，简称暂态。1.稳态与暂态3.1

换路定则与电压电流初始值的确定S+−UsR+−CuCuCt0t1过渡过程原稳态Us新稳态2.过渡过程产生的原因（1）电路中存在换路现象（外因）支路的接入、断开；开路、短路等电路参数变化换路（2）电路中含有储能元件（内因）能量不能跃变3.1

换路定则与电压电流初始值的确定3.电路暂态分析的内容

1）利用电路暂态过程产生特定波形的电信号

如锯齿波、三角波、尖脉冲等，应用于电子电路。4.研究暂态过程的实际意义

2）控制、预防可能产生的危害

暂态过程开始的瞬间可能产生过电压、过电流使电气设备或元件损坏。1）暂态过程中电压、电流随时间变化的规律。

直流电路、交流电路都存在暂态过程,我们主要学习直流电路的暂态过程。

2）影响暂态过程快慢的电路的时间常数。3.1

换路定则与电压电流初始值的确定3.1换路定则与电压电流初始值的确定3.1

换路定则与电压电流初始值的确定3.1.1换路定则定义：t=0——换路瞬间

t=0

——换路前的终了瞬间

t=0+——换路后的初始瞬间

从t=0－到t=0+的瞬间，电容的电压和电感的电流不会发生跃变，即：注意：（1）只有uC、

iL受换路定则的约束，电路中其他电

压、电流都可能发生跃变。（2）换路定则仅适用于换路瞬间。3.1

换路定则与电压电流初始值的确定3.1.2电压、电流初始值的确定初始值：在t=0+

时刻电路各部分电压和电流的值。求初始值的一般方法：（1）画t=0

时