计算机电路基础

计算机电路基础（1）目录：第一章电路分析的基础知识第二章半导体基本器件第三章开关理论基础第四章门电路第五章组合逻辑电路第六章时序逻辑电路第七章存储器和可编程逻辑器件第八章数字系统基础第一章电路分析的基础知识教学要求：1.掌握电流的参考方向、电压的参考极性；关联参考方向等概念。2.掌握电阻、电容、电感，电压源、电流源的伏安关系式。3.掌握列写KCL、KVL的方法。4.掌握用等效变换、分压、分流分式、KCL、KVL计算简单直流电路的方法。5.熟悉戴维南定理及叠加定理。6.熟悉简单RC电路的过渡过程。7.了解受控源的四种形式。本章主要内容1.1电路的组成及电路分析的概念1.2电路中的主要物理量及参考方向1.3电路的基本元件1.4基尔霍夫定律1.5简单电阻电路的分析方法1.6简单RC电路的过渡过程1.1电路的组成及电路分析的概念电路：是由若干电路元件按一定的方式相互连接而成的联结体。电路分析：是在已知电路结构及参数的条件下，求解电路中待求电量的过程。电路设计：是在设定输入信号或功率（能量）的条件下，欲在输出端口产生给定的信号或功率（能量），而求解电路应有结构及参数的过程。电路中常见元件有：电压源、电流源、受控源、电阻、电感和电容。为了对电路结构做进一步描述，下面介绍支路、节点和回路等概念。支路：每一个二端元件组成一条支路。有时也将流过同一个电流的几个“串联”元件的组合称为一条支路。节点：电路中元件支路的连接点。回路：电路中由若干条支路组成的闭合路径。对每一个回路常设定一个方向：沿顺时针或逆时针绕行。图1.1.1电路的组成图1.1.1ⅢⅡⅠⅣIs=2A0.40.612546Us=26VABEOCDFI返回1.2电路中的主要物理量及参考方向1.2.1电流及其参考方向电流是电路中的一个具有大小和方向的基本物理量。电流的大小：恒定电流：I=U/R变化电流：i=dq/dt电流的方向：电流的真实方向：正电荷运动的方向参考方向：可以任意假设？如何判别一个电流的参考方向？与真实方向是否一致？任意假设电流的参考方向是否影响计算结果的正确性？在一般情况下，电路图中所标出的电流方向的箭头是该电流的参考方向，在同时考虑该电流的正、负值之后，才能确定该电流的真实方向。电流I的参考方向被任意假设不影响结果正确性1.2.2电压及参考极性电压：是电路中一个具有大小的方向（极性）的物理量。如图：电路元件上的电压表示为u，u=uAB电压的大小：在电路中，单位正电荷经任意路径由A点运动到B点电场力所做的功。电压的极性：电压的方向称为电压的极性。定义为：如果该电场力做功的数值为正，则A、B之间的电压为正。ABuUAB=UA-UB0UA，UB的电位是选定一个参考点,相对于参考点的电压。电路中A、B两点任意标定的电压极性称为电压的参考极性。若UAB0,则电压的真实极性与参考极性相同。若UAB0,则电压的真实极性与参考极性相反。如：UAB=2V，说明电压的真实极性与参考极性相同，UAB=-2V,说明电压的真实极性与参考极性相反。P5例1.2.1例1.2.1在图1.2.4中,方框泛指电路中的一般元件,试分别指出图中各电压的真实极性。(a)一致(b)相反(c)不确定U=2vU=-2vU=2v++––(a)(b)(c)aaabbb图1.2.4关联参考方向：当电路中某元件上的电压参考极性与电流参考方向相一致时，称为关联参考方向。反之称为非关联参考方向。例:P61.2.5(a),(c)取关联参考方向；(b),(d)取非关联参考方向-2A3V-3V2A3V2A3V-2A(a)(b)(c)(d)1.2.3功率元件上吸收的功率定义为:关联非关联例:P6图1.2.6产生功率吸收功率,0,0ppiup产生功率吸收功率,0,0ppiup返回iuiuiuiu++++––––(a)(b)(c)(d)对于u=-2v，i=-3A，P=ui=-2(-3)=6W(对于a,b)P=-ui=-(-2)(-3)=-6W(对于c,d)u=5v，i=-3A，P=ui=5(-3)=-15W(对于a,b)P=-ui=-5(-3)=15W(对于c,d)例1.2.2求元件R和电池上分别消耗的功率。解：对于电池，由于UI取非关联参考方向，则其功率为：P=-UI=-31=-3w（产生）对于电阻，UI取关联参考方向，则其功率为：P=UI=31=3w（吸收）U=3vI=1ARU’图1.2.71.3电路的基本元件常见的有六种:电阻、电容、电感、电流源、电压源、受控源。1.3.1电阻元件U=IR（关联），U=-UI（非关联）1.3.2电容元件C=q/u，i=Cdu/dt1.3.3电感元件u=Ldi/dtC=q/u,i=dq/dt,u,i取关联参考方向i=Cdu/dttttiCtudiCtuÞ)(1)()(1)(。。1.3.4电压源电压源是实际电源的一种模型。直流电压源是我们研究的对象。Us=某恒定值I由Us及外电路共同决定注意：1.流过电压源电流的真实方向不一定由a流向b。2.当Us=0时，a,b两点间相当于短路。abUsI1.3.5电流源电流源也是理想模型，本节研究恒流源。Is=某恒定值U由Is及外电路共同决定注意：1.电流源所吸收的功率为P=-U·Is2.当Is=0时，a,b两点相当于断路。一个实际电压源是由理想电压源Us与一个内阻Rs串联构成的一个实际电流源是由理想电流源Is与一个内阻Rs并联构成的abUIs1.3.6受控源受控源是一种四端控制元件，由控制支路和受控支路两部分组成。四种类型受控源：电压控制电压源（VCVS）电流控制电流源（CCVS）电压控制电流源（VCCS）电流控制电流源（CCCS）RsabUsbUIsaRsIIU电压源电流源U1i1U2U2U1i1i2i2(a)(b)(c)(d)(a)VCVS(b)CCVS(c)VCCS(d)CCCS？受控源与独立电源有何区别返回1.4基尔霍夫定律在电路分析中，基尔霍夫定律与元件的伏安关系相结合形成对各种复杂电路的一般分析方法。基尔霍夫定律仅与电路结构(即组成电路的节点数、支路数及电路各支路的国家连接关系)有关，而与具体电路元件本身具有何种伏安关系无关。基尔霍夫定律有两个内容：电流定律和电压定律1.4.1基尔霍夫电流定律(简称KCL)KCL指出：在电路中的任何一个节点,在任何时刻流入(或流出)该节点的电流代数和为零,即:i=0KCL源于电荷守恒。例：i1+(-i2)+(-i3)=0i1i2i31.4.2基尔霍夫电压定律（简易称KVL）KVL指出：在电路中的任何一个回路，在任何时刻，沿该回路绕行一周，该回路上所有支路的电压降的代数和为零。即u=0KVL源于能量守恒。例1.4.2：在图1.4.3中，方框代表一般元件，且已知u1=3v，u2=-4v，u3=-2v。利用KVL求支路电压ux和uy返回1.5简单电阻电路的分析方法1.5.1二端网络的等效概念当电路中的某个部分,由一个或多个元件组成,但只有两个端点(钮)与电路中的其他部分(外电路)相连接时,则称该电路部分为一个二端网络.当一个二端网络与另一个二端网络端点的伏安关系完全相同时,则称这两个二端网络在电路分析中对于外电路的作用是相同的.当电路中的某些元件上流过的电流相同时,称为串联当某些元件两端施加相同的电压时,称这些元件是并联一个实际的电压源与电流源之间的等效变换abUsiURs电压源bUisaRs’i电流源当这两个模型相互等效时,则它们的端点a,b上的伏安关系应相同，即i相同、u也相同。等效条件为：Rs’=Rs和us=iRs’（推导过程教材P20）当Rs与Us相并联，Us等效为理想电压源当Rs’与is相串联时，is等效为理想电流源1.5.2电流源、电压源的等效变换，电阻的串联、并联及分压、分流公式i3i1i2iuis=i1+i2-i3i1=-15A,i2=3A,i3=2Aabuab电流源合并us=u1+u2-u3iabUabui+–+–u1u2u3电压源合并+–对于n个并联电阻R1、R2…Rn组成的二端网络，可用一个等效电阻R等效：R=R1‖R2‖‥‥‥‖Rn若只有R1、R2对于图1.5.7所示电路：2121RRRRRR1R2﹢﹣﹣﹣﹢﹢usu1u2(a)﹢﹣isi1i2R1R2u(b)图1.5.7图(a)分压公式:(R1,R2串联,电流相同)图(b)分流公式:(R1,R2并联,电压相同)例1.5.1例1.5.2例1.5.3例1.5.4例1.5.5ssuRRRuuRRRu21222111,ssiRRRiiRRRi21122121,解：对a图等效变换，将电压源等效为电流源，得IS1=20/0.4=50A,IS2=10/3A,如图bIS=IS1+IS2=50-10/3=46.7A,设并联后的总电阻为：Rs=0.4//3=0.353I3=IsRs/(R+Rs)=7A20.43I1I3I220v10v++––ba(a)图1.5.1050A0.423Is1Is210v/3v(b)I31.5.3戴维南定理戴维南定理：一个由电压源、电流源及电阻构成的二端网络，可以用一个电压源Uoc和一个电阻Ro的串联等效电路来等效。Uoc为该二端网络开路时的开路电压；Ro--戴维南等效电阻，其值为该网络中所有电压源及电流源为零值时的等效电阻。注意：当电压源为零时，将其等效为短路；当电流源为零值时，将其等效为开路。例1.5.8；例1.5.9例1.5.8用戴维南定理计算例1.5.5电路中的电流I3解:分别得到求Uoc及Ro的等效电路图1.5.13对(a)图电路,有I=(20+10)/(0.4+3)=8.82AUoc=8.823-10=16.5v由(b)图电路,得Ro=0.4//3=(0.43)/(0.4+3)=0.353由(c)图戴维南等效电路,得I3=16.5/(0.353+2)=7.0A0.43Ro20v10v30.4UocI++–––+Uoc=16.5v2Ro=0.353+–I3图1.5.13(a)求Uoc电路(b)求Ro电路(c)戴维南等效电路上一页例1.5.9用戴维南定理计算图1.5.14(a)电路中的电压Ｕ。解:(1)将(a)图a,b两端开路，由(b)图求开路电压Uoc，得Uoc=-210+3=-17v(2)将3v电压源等效为短路，将2A电流源等效为开路，得图(c)电路，则Ro=4+10=14(3)由图(d)戴维南等效电路求待求电压U：U=-176/(14+3+6)=-4.4v1042A3v++––U36ab(a)电路图+2A+––4103vUoc(b)求Uoc电路104Roab(c)求Ro电路++––Uoc=-17vURo=1436ab(d)等效电路1.5.4叠加定理当电路中由电阻、电压源及电流源组成时，电路中任何一个支路的电压（或电流）是电路中各个电源单独作用时，在该支路上产生的电压（或电流）之和。例1.5.10返回1.6简单RC电路的过渡过程研究它的过渡过程是学习电子电路中产生脉冲波形电路的基础。图1.6.1RC电路用于说明电容的充放电过程。KUsabRiC++––图1.6.1开关K接到a点：充电过程开关K接到b点：放电过程结论：当简单RC电路处于过渡过程时，其电容电压Uc(t)的表达式为：Uc(0),Uc()分别为在过渡过程起始时刻的结束时刻电容C上的电压值。三要素：Uc(0),Uc(),RCRCteUc(0)]-)[Uc()Uc(Uc(t)填空题1.元件的特性是由其所描述的.2.KVL及KVL仅与电路有关.3.电流及电压是具有和的物理量.4.关联参考方向是指.5.若已知某元件上U=-3V,I=4A,且U,I取非关联参考方向,则其吸收的功率P=,该元件是吸收还是产生功率?6.电容上的及电感中的一般不会发生突变.在直流电路中,电容相当于,电感相当于.7.直流电压源Us两端第二章半导体基本器件教学要求：1.掌握PN结的单向导电性,二极管导通电压Uon