电子科技大学电子电路基础

电子电路基础主要参考书¾电路分析（第2版），胡翔骏，高等教育出版社，2007年¾模拟电子技术基础（第四版），童诗白等，高等教育出版社，2006年¾FoundationsofAnalogandDigitalElectronicCircuits，AnantAgarwalandJeffreyH.Lang，MorganKaufmannPublishers，2005¾电子学（第二版），PaulHorowitzandWinfieldHill，电子工业出版社，2005年考核方式与成绩评定¾平时考核，占总成绩20%¾中期考核，开卷笔试，占总成绩20%¾期末考核，开卷笔试，占总成绩60%第一章电路与电路模型„电路和电路模型„电路的基本物理量„基尔霍夫定律„电阻元件电容元件电感元件„独立电源和受控源„二极管、晶体管和场效应管„两类约束和电路方程§1-1电路的基本概念‰电路(实际电路)电路的作用：‹提供能量；‹传输和处理信号；‹测量；‹存储信息。‰电路模型在一定的条件下,忽略器件的次要因素,用一个模型来表征其主要性质,该模型称为理想元件。用理想元件构成的电路称为电路模型。集总假设集总元件集总电路条件：器件尺寸工作频率所对应的波长分布参数电路某音频电路工作频率为25kHz，所对应的波长)m(10121025103338×=××=λ3、电路分析的基本变量描述电路特性的基本物理量——电流、电压和功率一般情况下，用i(t)、u(t)和p(t)表示，简记为i、u和p电路分析——已知电路结构和元件参数，在给定激励下，求电路响应¾电源——激励——输入¾电路中产生的电压和电流——响应——输出„电流dtdqti=)(iba单位：安培(A)电流的参考方向„若真实方向与参考方向一致,i0；„若真实方向与参考方向相反,i0；------可任意假定，在电路图中用箭头表示。iba例ibai=1A电流的真实方向?i=-1A电流的真实方向?aÆbbÆa¾未标注参考方向，电流的正负无意义例Iba直流电流I的方向aÆb,大小为2A,如何表示?I=2AbaI=-2Aba„电压dqdwtu=)(+-¾从高电位到低电位，称为“电压降”；¾从低电位到高电位，称为“电压升”；单位：伏特(V)‰电压的参考方向„---------可任意假定，在电路图中用“+”，“–”号表示。u(t)bau(t)ba+–-+¾电压参考方向的另一种表示法:uab、ubau(t)ba+-ƒ若真实方向与参考方向一致,u0；ƒ若真实方向与参考方向相反,u0；未标注参考极性，电压的正负无意义例Uba已知：Ua=3V，Ub=1V，求元件两端的电压U=？Uba+-Uba+-U=Ua-Ub=Uab=2VU=Ub-Ua=Uba=-2V关联参考方向----电流方向指向电压降的方向Uba+-Uba+-IIU与I关联U与I非关联电路中某点的电位——单位正电荷由某点移动到参考点所失去的能量电压——电位差参考点——接地点(虚地“”)——电位为零ƒ功率吸收功率——电路在单位时间内吸收的能量关联参考方向条件下，在dt时间内由a点移动到b点的正电荷dq=idt，正电荷由a点移动到b点所失去的能量dw=udq——这些能量被电路吸收Uba+_iƒ功率dtdwtp=)(p0吸收功率p0产生功率关联方向下iudtdqdqdwdtdwp⋅=⋅==非关联方向下iup⋅−=Uba+_i例u=1Vba+–i=2Ap=u·i=2W（吸收）u=-1Vba+–i=2Ap=－ui=－(－1)×2=2W（吸收）P=？P=？例uba+–i=2A已知该元件产生4W功率，求u=？解：∵p=－ui=－4W∴u=4/2=2V‰功率守恒作业:p29,10=∑P补充：各二端元件的电压、电流和吸收功率如图所示，求图中的未知量。§1-3基尔霍夫定律„电路的几个名词一个结点支路结点回路网孔网孔：平面电路内部不含支路的回路ƒ基尔霍夫电流定律（KCL）KCL——任一集总参数电路的任一结点，在任一时刻，流入(或流出)该结点的全部支路电流的代数和等于零。0)(1=∑=kjjtii5i4i3i2i1节点a：－i1+i2－i3－i4=0节点b：i3+i4+i5=0‰几点说明：1.KCL的实质是电荷守恒；2.式中各项电流前的正、负号取决于各电流的参考方向相对于结点的关系；3.KCL是对连于结点各支路电流的线性约束；4.KCL与电路元件的性质无关；－i1+i2－i3－i4=0ƒKCL可推广用于电路中任意假想封闭面当两个单独的电路只用一条导线相连时,此导线中的电流必定为零。－i1+i2+i５=0i=0例已知:I1=3A,U3=2V，P3=－4W求：I2和P1。解：∵P3=U3×I3=－4W∴I3=P3/U3=－4/2=－2A由节点a的KCL:I1–I2–I3=03–I2–(–2)=0∴I2=5AP1=－U3I1=－6W（产生6W）顺便算出P2=U3I2=10W（吸收10W）可见∑P=0（功率守恒）ƒ基尔霍夫电压定律（KVL）KVL——任一集总参数电路中的任一回路，在任一时刻，沿该回路全部支路电压的代数和等于零0)(1=∑=tukjjU1U3U2U4++++1234¾沿顺时针方向：U1－U2－U3＋U4＝0¾沿逆时针方向：－U4＋U3＋U2－U1＝0‰几点说明：U1－U2－U3＋U4＝0U1U3U2U4++++----ba1.式中每一项前的正、负号取决于绕行方向与电压极性的关系，凡绕行方向与电压降一致取正，否则取负；2.KVL是对回路各支路电压的线性约束；3.KVL的实质是能量守恒，且与元件的性质无关；4.KVL可推广用于任一闭合结点序列。Uab＝U4＋U1¾电路中任意两节点之间的电压Uab等于从a点到b点的任一条路径上所有元件电压降的代数和。Uab＝U3＋U2Uab＝U4＋U1＝U3＋U2Cd例求：U1和U2解得：U1＝－5V，U2＝０V作业:(1)电路如图，求支路电流i3,i5,i6(2)已知i1=2A,i3=–3A,u1=10V,u4=5V,求各二端元件的吸收功率。KCLKVL结构约束，拓扑约束§1-4电阻元件u＝f（i）或i＝f－1（u）‹元件或网络的u与i的关系——VCR对外提供能量与否——¾有源元件¾无源元件对外引出端钮数目——¾二端元件——电阻、电感、电容、独立电源等¾多端元件——受控电源0uiiu0‹电阻元件任一时刻，一个二端元件的u与i的关系由u-i平面上过原点的一条曲线确定，这样的元件称为二端电阻元件。电阻元件的分类0ui1.线性与非线性2.时变与非时变（时不变）iu0（线性时不变电阻）（非线性时不变电阻）√R(G)iU-+R(G)iU-+u=Ri=i/Gi=Gu=u/Rp=u×i=Ri2=Gu2u=－Ri=－i/Gi=－Gu=－u/Rp=－u×i=Ri2=Gu2电导RG1=单位：(西门子),（S）R0，P≥0，正电阻始终吸收（消耗）功率。特例：开路与短路开路短路例:abI=-1A10Ω求电阻两端的电压。解：Uab=―RI=－(10)×(－1)=10VUba=RI=(10)×(－1)=－10V负电阻（R＜0）--------产生功率，向外提供能量。„线性电阻元件与电阻器电阻器有二端或三端（例如电位器),在使用时，注意其额定功率、电压、电流的限制等。通过实验测出的电阻器关联参考方向下的VCR曲线u0iIm-Im如果i∈(-Im,Im)，电阻器的VCR曲线与电阻的VCR曲线基本吻合RbaRcbacR)1(α−Rα在功率允许条件下，可以将电阻器抽象为电阻,电阻——电阻器模型在功率允许条件下,电位器抽象为两个电阻的组合,两个电阻的组合——电位器模型例:100Ω电阻器，额定功率为1W，问电流和电压的使用范围？解:（额定电流值）（额定电压值）A101==RPINVRIUNN10==作业：各线性电阻的电压、电流和电阻如图，求图中的未知量。§1-5独立电压源和独立电流源„电压源+-us一种理想二端元件两端总能保持一定的电压而不论流过的电流是多少。USui0Us¾电流特性：其电流由外电路决定。i:-∞→+∞¾电压特性：恒值电压例求下两图电压源的功率P+-2V2A+--3V-3AP=-2×2=-4WP=(-3)×(-3)=9W(产生功率)(吸收功率)¾电压源既可产生功率，也可吸收功率。例求下列各图中的I和U。I+-10V+-UU=10VI=2AU=10VI=0I+-10V+-U5Ω例求K断开和闭合时的UK和U。解：当K断开时，U=0，UK=US－U=10V当K闭合时，UK=0，U=Us=10VK+-10V+-UsUk+-U10Ω例I1I2I3abcd+-5V+-8V+-12V2Ω2Ω1Ω4Ω1Ω2Ω2Ω1.求I1,I2,I32.求Uab,Ucd解：(1)I3=0→I1=I2=I；10I+8－12=0→I=(12－8)/10=0.4A(2)Uab＝5I+8=10V，Ucd＝Uab－5=5V„电流源Is(is)从一种理想二端元件的端钮上总能向外提供一定的电流而不论其两端的电压为多少。¾电压特性：u:-∞→+∞¾电流特性：恒值电流其电压由外电路决定。iu0Is例:++--iu2A8V3Ω求i、u和三个元件的功率P。解：i=2A，u=3i－8=－2VPI=―ui=4WPU=－8i=－16WPR=Ri2=12W即满足∑P=03、发电机、电池和光电池„实际电源的电路模型ab+-ui实际干电池R0IsciINUocu+-RoUoc+-uabiu=Uoc－R0iR0＝Uoc/Isc™内电阻™电压源模型ab+-ui实际光电池R0UocuUNIsciGoIsc+-uabii=Isc－G0uG0＝Isc/Uoc™内电导™电流源模型作业：求图示各电路的电压u和电流i当电源内阻不能忽略时，可采用这两种电路模型表征实际的电压源和实际的电流源§1-6电容元件动态元件----电容元件和电感元件的VCR都涉及微分或积分关系。动态电路----含有动态元件的电路称为动态电路‰电容元件的定义q0u在u–q平面上由一条过原点曲线所确定的二端元件称为电容元件。（即由电荷和电压相约束的元件）线性时不变电容元件:u1Cq0q=CuC----电容（正值常数）单位:法拉（F）q(t)C+-u(t)‰电容元件的电压和电流约束关系+-Ciuq-+dtduCdtdqti==)(™ic的大小与uc的大小无关，而是取决于uc的变化率，若u(t)=常数(直流)，则C相当于开路；™ic与uc的波形不同21uC(V)0134t(S)ic(A)01234t(S)1-1则(设C=1F)电容元件的VCR还可写成：ξξ+=ξξ+ξξ=ξξ=∫∫∫∫∞−∞−diCudiCdiCdiCtuttt000)(1)0()(1)(1)(1)(式中∫∞−ξξ=0)(1)0(diCu称为电容电压的初始值。+-Ciuu(0)也称为电路的初始状态。™说明：电容元件还有一个重要性质—电容电压的记忆性。即某一时刻t的电容电压，并不取决于该时刻的电流，而是取决于从-∞到t所有时刻的电流值。所以，电容电压有“记忆”电流的作用，电容是记忆元件。如果不知道–∞到0时刻的电流，但给出u(0)和(0，t)区间的电流，也可求出u(t)。例已知u(0)=2V,求u(t),t≥0,并画出u(t)的波形i(t)+-2Fu(t)i(t)(A)102t(s)解:(1)0≤t≤2S2221)0()(0tdutut+=ξ+=∫u(2)=3V(2)t2SVdutut3021)2()(2=ξ⋅+=∫322u(t)(V)t(s)‰电容的贮能求任意时刻t电容的贮能WC(t)设t=0时，uc(0)=0，则∫∫ξξξ=ξξ=ttCdiudptW00)()()()()(21)(2)(00tCuuduCddduCutut==ξξξ=∫∫由于电容电压确定了电容的储能状态，所以称电容电压为状态变量。¾关于电容储能的说明：(1)WC(t)只与该时刻t的电容电压值有关，与电容的电流值无关。由于电压与电场有关，所以电容是一种储藏电场能量的元件。(2)WC(t)≥0,但有时增长,有时减少∵p(t)=dW/dt∴当WC(t)↑时，