清华大学电路原理电子课件

清华大学电路原理教学组电路原理课件清华大学电路原理教学组第1章绪论1.1电路1.2电流和电压1.3电路模型的建立和电路分析的基本观点1.4电路用于信号处理1.6电路的分类1.5电路用于能量处理清华大学电路原理教学组1.1电路一、电路（circuits）电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源（source）：提供能量或信号。负载（load）：将电能转化为其他形式的能量，或对信号进行处理。导线（line）、开关（switch）等：将电源与负载接成通路。电路是电工设备构成的整体，它为电流（current）的流通提供路径。清华大学电路原理教学组二、为什么要学习电路？•从学术的观点来看–电路是电气工程（electricalengineering）的基础。–电路是计算机科学（computerscience）的基础。•从实际情况来看–电路原理是许多高级课程的先修课程。–熟练掌握电路原理对现实生活有帮助。三、什么是电气工程？国内习惯的归类与统称各学科领域国外习惯的归类与统称电气工程电力工程电气工程信息科学与技术(或电子信息科学与技术)控制工程通信工程电子工程……计算机科学与技术计算机科学计算机工程统称：电气工程与信息科学（或电气电子信息科学）统称：电气工程与计算机科学（简称EECS、ECE）四、电路都有哪些作用？•处理能量–电能的产生、传输、分配……•处理信号–电信号的获得、变换、放大……电路原理相互融合的信息系统(无处不在的IT产业)公共基础专门技术应用领域电力系统(能量传输与处理)控制系统(信号反馈与处理)通信系统(信号传输与处理)信号处理系统*计算机系统电力电子技术(关注大功率)通信电路(关注高频段)微电子技术(集成芯片设计)模拟电子线路数字电子线路信号与系统*：指各类信号处理课程，包括某些专业的专门课程（如生物医学工程、核电子学等）。五、电路原理的后续课程清华大学电路原理教学组电路分析(analysis)电路理论（电路原理）实际电路电路模型分析求解方程（代数、常微分、偏微分）结果电路分析电路综合电路综合(synthesis)六、电路分析与电路综合清华大学电路原理教学组根据电源性质直流电路交流电路根据负荷性质电阻电路动态电路根据感兴趣的时段暂态分析稳态分析七、如何看待电路返回目录清华大学电路原理教学组1.2电流和电压一、电流（current）带电质点有规律的运动形成电流。电流的大小用电流强度表示。电流强度：单位时间内通过导体横截面的电量。ΔΔΔ0d()=limdtqqittt单位名称：安[培]符号：A（Ampere，安培；1775–1836，France）清华大学电路原理教学组电流的参考方向:实际方向实际方向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AB清华大学电路原理教学组电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向；用双下标表示：如iAB，电流的参考方向由A指向B。i参考方向i参考方向i0i0实际方向电流的参考方向与实际方向的关系:实际方向清华大学电路原理教学组例10V10ABI1II2电路中电流I的大小为1A,其方向为从A流向B。（此为电流的实际方向）若参考方向如I1所示，则I1=1A若参考方向如I2所示，则I2=-1A因此，同一支路的电流可用两种方法表示。清华大学电路原理教学组二、电压（voltage）电场中某两点A、B间的电压（降）UAB等于将点电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB与该点电荷q的比值，即qWuddABAB单位名称：伏[特]符号：V（Volt，伏特；1745–1827，Italian）AB清华大学电路原理教学组电压（降）的参考方向：U0参考方向U+–参考方向U+–0U+实际方向–+实际方向–+实际方向–+实际方向–清华大学电路原理教学组电路中电压UAB=10V，方向从A指向B（实际方向）。若电压参考方向如U1所示，电压参考方向与实际方向相同，则U1=10V。若电压参考方向如U2所示，电压参考方向与实际方向相反，则U2=-10V。U1例10V10ABU2电压参考方向的三种表示方式：(3)用箭头表示：箭头指向为电压（降）的参考方向。(1)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电（降）的参考方向。(2)用双下标表示：如UAB，由A指向B的方向为电（降）的参考方向。UU+ABUAB关于参考方向的小结：（1）分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。（2）参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注（包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。+–Riuu=Ri+-Riuu=-Ri（3）参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。清华大学电路原理教学组（5）参考方向也称为假定方向、正方向，以后讨论均在参考方向下进行。（4）元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向（以减少公式中负号）称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。+-iu+-iu关联参考方向非关联参考方向清华大学电路原理教学组在分析电路问题时，常在电路中选一个点为参考点(referencepoint)，把任一点到参考点的电压（降）称为该点的电位。参考点的电位为零，参考点也称为零电位点。电位用（或U）表示，单位与电压相同，也是V（伏）。abcd设c点为电位参考点，则c=0a=Uac，b=Ubc，d=Udc三、电位（potential）清华大学电路原理教学组两点间电压与电位的关系：仍设c点为电位参考点，c=0Uac=a，Udc=dUad=a–d前例结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位差（potentialdifference）。abcd例abc1.5V1.5V已知Uab=1.5V，Ubc=1.5V(1)以a点为参考点，a=0Uab=a–bb=a–Uab=–1.5VUbc=b–cc=b–Ubc=–1.5–1.5=–3VUac=a–c=0–(–3)=3V(2)以b点为参考点，b=0Uab=a–ba=b+Uab=1.5VUbc=b–cc=b–Ubc=–1.5VUac=a–c=1.5–(–1.5)=3V结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位将改变，但任意两点间电压保持不变。清华大学电路原理教学组外力（非静电力）克服电场力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。BAddWeqe的单位与电压相同，也是V（伏）电压UAB表示A点到B点电位的降低（potentialdrop）BAABu电动势eBA表示B点到A点电位的升高（potentialrise）BABAe所以ABBAueBA四、电动势（electromotiveforce）清华大学电路原理教学组五、端口（port）与二端口（two-port）端口由一对端钮构成，且满足从一个端钮流入的电流等于从另一个端钮流出的电流。当一个电路与外部电路通过两个端口连接时称此电路为二端口网络。uii+-线性RLCM受控源i1i2i2i1u1u2+-+-返回目录1.3电路模型的建立和电路分析的基本观点一、电路模型（circuitmodel）1.理想电路元件由实际元件抽象出来具有某种单一电磁性质的假想元件。几种基本的理想电路元件：电阻（resistor）元件：表示消耗电能的元件。电感（inductor）元件：表示各种电感线圈产生磁场、储存能量的作用。电容（capacitor）元件：表示各种电容器产生电场、储存能量的作用。电源（source）元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。清华大学电路原理教学组2.电路模型由理想电路元件组成的电路，其与实际电路具有基本相同的电磁性质。10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡例iRSUfR实际电路电路模型清华大学电路原理教学组二、电路分析的基本观点抽象观点工程近似观点等效观点返回目录清华大学电路原理教学组1.4电路用于信号处理一、信号（signal）信号是消息的表现形式。消息是指运动或状态变化的直接反应，即待传输与处理的原始对象。信号确定性信号随机信号周期信号非周期信号离散信号连续信号数字信号抽样信号模拟信号清华大学电路原理教学组二、周期信号的平均值01()dTxxttT信号的平均值01()dTxxttT信号的绝对平均值返回目录1.5电路用于能量处理一、功率（power）单位时间内电场力所做的功。tqiqwutwpdd,dd,dduitqqwtwpdddddd功率的单位名称：瓦[特]符号：W（Watt，瓦特；1736–1819，British）能量的单位名称：焦[耳]符号：J（Joule，焦耳；1818–1889，British）清华大学电路原理教学组电压、电流采用参考方向时功率的计算和判断：1.u，i取关联参考方向P0吸收正功率（实际吸收）P0吸收负功率（实际发出）+–iu元件发出的功率P发=uiP0发出正功率（实际发出）P0发出负功率（实际吸收）+–iu2.u，i取非关联参考方向P吸=ui元件吸收的功率清华大学电路原理教学组+–5IURU1U2例U1=10V，U2=5V。分别求电源、电阻的功率。I=UR/5=(U1–U2)/5=(10–5)/5=1APR吸=URI=51=5WPU1发=U1I=101=10WPU2吸=U2I=51=5WP发=10W，P吸=5+5=10WP发=P吸（功率守恒）清华大学电路原理教学组二、周期信号的有效值（effectivevalue）有效值也称方均根值(root-meen-square，简记为rms)W1=I2RTRi(t)TtRtiW022d)(TtRtiRTI022d)(TttiTI02d)(1电压有效值TttuTU02defd)(1清华大学电路原理教学组正弦电流、电压的有效值：设i(t)=Imsin(t+y)ttITITd)(sin1022my20sin()dTtty2mmm10.70722ITIIIT)sin(2)sin()(myytItItiTttiTI02defd)(1注意:只适用正弦量01cos2()d2Ttty01122TtTm2II返回目录清华大学电路原理教学组1.6电路的分类一、线性与非线性线性电路：负荷由线性电阻、线性受控源等线性元件构成的电路。用线性方程描述。非线性电路：负荷中包含非线性元件的电路。用非线性方程描述。非时变（定常）电路：负荷由非时变元件构成的电路。时变电路：负荷中包含时变元件的电路。二、时变与非时变例乌鲁木齐发电站发出的正弦电磁波需要多少时间才能传输到长沙？68310(310)10ms50Hz的正弦波周期为20ms。经过10ms以后，乌鲁木齐发出的电磁波刚刚到达长沙，而此时乌鲁木齐发电机的电压与长沙的电压正好反相！Usin(314t)＋－乌鲁木齐长沙3000公里C=3×108米/秒关键在哪里？50Hz电磁波的波长=31080.02=6000km如果电路尺寸的远小于其工作电磁波的波长，则可将该电路建模为集总参数电路。否则只能建模为分布参数电路。三、集总参数与分布参数返回目录End第2章简单电阻电路分析2.1电阻2.2电源2.3MOSFET2.4基尔霍夫定律2.6运算放大器2.5电路的等效变换2.7二端口网络2.8数字系统的基本概念2.9用MOSFET构成数字系统的基本单元——门电路清华大学电路原理教学组一、电阻(resistor)2.1电阻R(1)电压电流采用关联参考方向Riu+uRiR电阻(resistance)单位：(欧)二、欧姆定律(Ohm’sLaw)清华大学电路原理教学组令G1/RG电导(conductance)欧姆定律(关联参考方向下):iGu单位：S(西)(Siemens，西门子)关联参考方向下线性电阻器的u-i关系:R=tanui0uRi清华大学电路原理教学组(2)电压电流非关联参考方向Riu+欧姆定律:u–Ri或i–Gu公