清华大学电子电路基础讲义2

电子电路与系统基础理论课第二讲电源和电阻I（基本概念，理想电阻与理想电源）李国林清华大学电子工程系电源和电阻I大纲•基本电量–电流–电压–功率•系统概念•端口与网络•理想电阻与理想电源清华大学电子工程系2014年春季李国林电子电路与系统基础21.1电流Current•电子或离子运动形成电流，如果希望形成确定方向上的电流，则需要施加电动势–所谓电动势EMF，electromotiveforce，就是能让带电粒子运动的‘势力’–或者说，电动势应能提供一个电场，使得带电粒子沿电场方向定向移动，形成定向电流清华大学电子工程系2014年春季E李国林电子电路与系统基础3电流大小与方向•通过某个截面的电流I等于单位时间t内流过这个截面的电荷量q的大小–电荷量等于正电荷量大小减去负电荷量大小tqiE横截面mAi10sCA/11•电流方向为正电荷移动方向•可人为定义电流方向，这个方向称为参考方向•如果参考方向和实际电流方向相同，电流值则为正值•如果参考方向和实际电流方向相反，电流值则为负值mAi10参考方向与实际方向同参考方向与实际方向反4直流与交流•如果电流方向始终朝一个方向，且电流值恒定，则称之为直流电流DCCurrent–DC：DirectCurrent–此时，驱动电荷运动的电动势方向是恒定不变的，称为直流电动势•如果电流大小和方向随时间有变化，且电流平均值为零，则称之为交流电流ACCurrent–AC：AlternateCurrent–此时，驱动电荷运动的电动势是交变的，称为交变电动势清华大学电子工程系2014年春季李国林电子电路与系统基础51.2电动势EMF•移动单位电荷需要的能量大小，定义为电动势–电动势代表的是让电荷运动的电能量大小•这个能量可由化学反应产生，如电池•也可由发电机将机械能转换而来•或者以其他方式将某种形式的能量转换获得–电动势单位为伏特•1伏特的电动势意味着产生电动势的电源移动1库仑电荷所提供的1焦耳能量清华大学电子工程系2014年春季李国林电子电路与系统基础6qE电源electricsource•可产生电动势的电路器件被称为电源•凡是可将某种形式的能量转换为电能的设备或器件，均可建模为电源元件–如果我们仅仅利用的是电源提供的电能量，则称之为powersupply，中文翻译仍然是电源–如果我们还利用其中电的变化所表征的信息，这种电源被称为signalgenerator，signalsource，中文译文为信号源•可产生直流电流的电源称为直流电源，可产生交流电流的电源称为交流电源–信号源都是交流电源•电源的电动势就是电源的开路电压清华大学电子工程系2014年春季李国林电子电路与系统基础71.3电压Voltage•电压–电荷量为q的电荷在电场中受到电场力的作用而从A点移到B点时，电场对电荷作功为WAB–A点到B点的电压为电场对单位电荷移动所作的功的大小–电压单位：伏特：V•用1焦耳的能量移动1库仑的电荷对应的两点电压为1伏特qWvABABABV10E–电压方向为电场移动正电荷运动的方向，也就是电场方向–可人为设定电压方向，称为电压的参考方向–如果参考方向和电压实际方向相同，电压记正值–如果参考方向和电压实际方向相反，电压记负值V10参考方向与实际方向同参考方向与实际方向反CJV/118电位与电压•A点到B点的电压为两点之间电位之差•某个点的电位potential为该点到参考点referencepoint之间的电压–参考点是人为设定的空间的某个点，该点的电位被人为设定为零，参考点也被称为地Ground–电路中，大地、大片金属、设备外壳等经常被设定为参考地，并被连在一起BAABvvvAGAAGAvvvvBAABv9电动势和电压•电动势–化学反应、机械运动等能量形式做功，移动正电荷从电源负端到正端，形成电动势，使得电源对外形成从正端到负端的外部电场，该外部电场可对外界做功，提供电能–化学能、机械能等能量形式被转换为电能形式•电压–电动势对外形成电场，形成电压，它可对电荷做功，从而电荷移动起来–电能形式被转换为电荷运动能量形式，在电阻中，这个能量被进一步转换为热能Ev－某种能量形式电动势电场（电能）电压其他能量形式10电阻、电容和电感元件的抽象•电荷移动过程中，电场对电荷做了WAB的功，意味着电场因而失去了这么多的电能，这个电能到了哪里去了？–电子运动动能?•电阻抽象R–在金属导体中，自由电子移动会碰撞原子晶格，从而这个能量被转化为热能，这个效应被等效为电阻的耗能，并由此抽象出电阻元件来•电感抽象L–电子在导线（回路）中移动，形成的导线电流会在导线周围激发磁场（安培定律），换句话说，电能被转换为磁能，这个效应被等效为导线电感的磁能存储，并由此抽象出电感元件来•电容抽象C–如果导体被截断，自由电子无法继续沿导体流动而是在导体（结点）上累积，则电能将以电荷累积效应存储在导体结构上，这个效应被等效为电容的电能存储，并由此抽象出电容元件来李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2014年春季111.4功率Power•电路元件在电路中可能消耗或者吸收能量，这些能量可视为电场力对该元件所作的功–电路元件消耗或吸收的功率为单位时间内电场对该元件所作的功，做功通过电荷移动实现–电场对电荷做功形成电压，电荷穿过元件形成电流–故而，元件吸收的功率等于该元件两端电压和流过该元件电流的乘积–功率单位：瓦特：W：1W=1J/s=1VA清华大学电子工程系2014年春季ivtqqWtWp李国林电子电路与系统基础12电源和电阻I大纲•基本电量–电压、电流、功率•系统概念–线性与非线性–时变与时不变–记忆与无记忆•端口与网络•理想电源和理想电阻清华大学电子工程系2014年春季李国林电子电路与系统基础132.1系统system•电路是电路元件的连接，又称电路系统•系统是由若干相互作用的、或者相互依存的事物组合而成的具有特定功能的整体–系统有结构：由部件构成–系统有连接：部件、子系统之间有连接关系–系统有行为，有作用：对信号、能量处理，有输入和输出–系统有功能：行为的结果•电路元件因具有特定的功能也可视为系统•电路系统是处理电信号（电子信息）或电能量的系统–怎么处理，由人来设定•人设计电路，使之具有某种功能–怎么设计？14李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2014年春季2.2系统分类•一般可根据描述系统的数学模型（系统属性）的差异来对系统进行分类–无记忆系统，记忆系统•即时系统，动态系统•电阻电路，动态电路–线性系统，非线性系统–时变系统，时不变系统–连续时间系统，离散时间系统–集总参数系统，分布参数系统–可逆系统，不可逆系统15清华大学电子工程系2014年春季15李国林电子电路与系统基础2.2.1记忆与无记忆memoryvsmemoryless•无记忆系统：系统输出仅由当前输入决定，和之前的输入无关•记忆系统：系统输出不仅由当前输入决定，还和之前的输入有关16RtvtidttdvCtitdttiCVtv001nvRni1111nvnvRnvnvtCnieq线性电阻：无记忆元件电容：记忆元件2.2.2线性与非线性LinearvsNonlinear•满足叠加性和均匀性的系统，称为线性系统–不满足的则为非线性系统清华大学电子工程系2014年春季17ref11ref22ref2121rreef11ref叠加性AdditivitySuperpositionproperty均匀性Homogeneity齐次性，同质性线性Linear2121rreefvs:versus相对，或比较李国林电子电路与系统基础激励e：excitation响应r：response函数f：function线性•线性不要求输出波形和输入波形一模一样，只要满足叠加性和均匀性即可•线性电阻上的电压电流波形一模一样，是比例线性–这种线性最易理解，但不是唯一的线性关系•无记忆线性电路：输出仅和当前输入有关–线性电容、电感上电压、电流的微积分也是线性关系•有记忆线性电路：输出除了和当前输入有关，还和以前的输入有关18dttdvCtiRtvti线性电阻：阻值R和元件电压、电流无关线性电容：容值C和元件电压、电流无关如果R、L、C和元件两端电压v或流过元件的电流i有关，则为非线性电阻、非线性电感和非线性电容李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2014年春季dttdiLtv线性电感：感值L和元件电压、电流无关2.2.3时变与时不变timevaryingvstimeinvarianttrteftrtef00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01-1-0.500.511.500.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01-1-0.500.511.5tetr00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01-1-0.500.511.500.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01-1-0.500.511.5mste1mstr1系统参量不随时间变化：是定常量RtvtiR是常量：线性时不变电阻R随时间改变，但改变和端口电压、端口电流无关，则为线性时变电阻19电源和电阻I大纲•基本电量–电流、电压、功率•系统概念–记忆与无记忆、线性与非线性、时变与时不变•端口与网络–端口定义–单端口网络与多端口网络–端口连接–有源性•理想电源和理想电阻清华大学电子工程系2014年春季李国林电子电路与系统基础203.1什么是端口port？•端点：terminal•端口：port•如果从一个端点流入多少电流，从另一个端点流出同样大小的电流，这两个端点则构成一个端口–一般端口的电压电流关联参考方向如图所示李国林电子电路与系统基础21AiBi端口条件ABv电路网络ABiiAB端口关联参考方向定义iv电路网络associatereferencedirection关联参考方向电路系统有功能，体现在对外端口上端口定义是电路抽象的前提条件•如果一个电磁系统无法定义端口，那么这个电磁系统就只能用电磁场方程求解，无法用电路模型进行分析•能够用电路处理的电磁场问题，一定都是可定义端口的问题–端口定义后，用电路方法求解电路时，我们往往只关注端口特性，网络内部如何工作可以不必关注•例如天线，仅从端口看，发射天线可等效为一个电阻，接收天线可等效为电源，虽然天线的工作机制并非通常的电阻和电源工作机制李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2014年春季223.2单端口网络和多端口网络李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2014年春季23ivN1i1v2i2vN1i1v2i2vninvN单端口网络二端口网络n端口网络Single-portnetworkTwo-portnetworkMulti-portnetwork网络对外有n个端口接出，就是n端口网络电路系统，功能电路，元件，…，均可视为网络电路功能体现在端口上三端网络可视为二端口网络李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2014年春季24ABNBiAiBACiiiAiAvBiBvNAiBiCiCGDSGDS栅极Gate源极Source漏极DrainGSport栅源端口DSport漏源端口电荷守恒MOSFETMOS场效应晶体管源极作为公共端点从端口对网络进行描述•外界只能看到端口，电路功能都是从端口电压、电流关系来体现的，因而端口电压、电流关系就是网络特性（系统功能）的表述•每个端口都有一对变量：–j端口：(vj,ij)•n个端口有n对变量，2n个