S003-清华大学-电子电路与系统基础

电子电路与系统基础理论课第三讲电源和电阻II（各种形式的电阻与电源，源阻简单连接的分析）李国林清华大学电子工程系电源和电阻II大纲•线性内阻电源–理想电源–线性内阻电源•各种形式的电阻•各种形式的电源清华大学电子工程系2013年春季李国林电子电路与系统基础21.1理想电源李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季30SSVtviviO0SV0SSVtv0SSItivviO0SSIti端口电压不随外接负载而改变，故称恒压：端口电流由外接负载决定端口电流不随外接负载而改变，故称恒流：端口电压由外接负载决定1.2线性内阻电源•图示为某太阳能电池单元的端口伏安特性曲线–端口电压和端口电流按电源端口关联参考方向定义•第一象限，向外电路释放功率，属正常工作区域•第二、四象限，则吸收外电路的功率李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季4viO0SI0SV•或者将曲线抽象为直线•同时也确实存在具有直线特性的电源100SSIiVv该直线是两点的连线（Vs0，0）---（0，Is0）0SV0SIQ直线伏安特性李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季5viO0SI0SVSSRiVv0SSGvIi0100SSIiVv00SSSIVRSSSSRVIG100流控形式压控形式001SSIiVv01,00SSIiVvivfSSviiRVifv0SSivGvIvfi0端口伏安特性方程的一般形式001SSVvIi直线的斜率流控等效电路：有内阻的电压源李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季6viO0SI0SVSSRiVv000SSSIVR0SVivRvSRSvSRvvv0SSVRivSSviiRVifv0流控形式压控等效电路：有内阻的电流源李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季7viO0SI0SVSSGvIi0SSSSRVIG100SiivSGSGiii0SSIGviGi0SISSivGvIvfi0压控形式电源的两种等效形式8viO0SI0SV0SVivSR0SIivSG戴维南等效Theveninequivalent流控形式等效电路诺顿等效Nortonequivalent压控形式等效电路内阻很小，电源更接近于理想电压源时，往往用戴维南等效内阻很大，电源更接近于理想电流源时，往往用诺顿等效从外端口的伏安特性看：这两种等效完全等价001SSSSVIRGSR两种等效李国林电子电路与系统基础viO0SI0SV电源LRviSLRRSLRR戴维南等效内阻远小于负载电阻诺顿等效内阻远大于负载电阻SLRRviO0SI0SVviO0SI0SVviO0SI0SV0SV0SIQQQ清华大学电子工程系2013年春季9适宜诺顿等效适宜戴维南等效两种等效均可SLRRSLRRSLRR~电源端口电压电流关联参考方向和电阻相反的好处：一个iv坐标系电源内阻代表了什么？李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季10SvivSRSSSSSSSSSSSSRvRviRiRViRRiiviRivivp22224121释SSRivvmax,2,41SSrmsSPRVpP释释源的能力大小额定功率•电源能够输出的最大功率称为电源的额定功率（ratedpower）•什么时候能够输出最大功率呢？李国林电子电路与系统基础11SvivSRmax,2,22414121SSrmsSSSSSSPRVRvRviRivpP释释SSRvi21清华大学电子工程系2013年春季最大功率传输匹配impedancematchingformaximumpowertransfer•只有当负载电阻等于电源内阻时，负载才能获得电源能够输出的最大功率，这被称为最大功率传输匹配李国林电子电路与系统基础12SvivSRLRSSRRLSSRvRRviSL2SLRR负载吸收信源释放PivPSrmsSLRVPPivP42,信源释放负载吸收i清华大学电子工程系2013年春季电流源？•自行推导，…李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季13SiivSGGiSSGviimax,2,41...SSrmsSPGIivP释直流源和交流源的额定功率SrmsSSRVP2,max,41SrmsSSGIP2,max,41SpSSRVP2,max,81SpSSGIP2,max,81正弦波电源SSSRVP20max,41SSSGIP20max,41直流电源李国林电子电路与系统基础14清华大学电子工程系2013年春季电源额定功率的一般形式源的能力大小由源幅度和内阻共同决定电源和电阻II大纲•线性内阻电源–理想电源、线性内阻电源•各种形式的电阻–金属电阻–短路与开路–开关–PN结二极管–N型和S型非线性电阻–晶体管：MOSFET•各种形式的电源清华大学电子工程系2013年春季李国林电子电路与系统基础152.1金属材料电阻•假设一段铜导线的长度为100m，半径为2mm，这段铜导线的电阻为多少？清华大学电子工程系2013年春季16SlR1电阻率和电导率互为倒数lrmmrml2100Cu137.01026.11001080.5111026.110214.3/1080.557252327CuSlRmrSmS电阻器resistor•电路设计中，常用的电阻器–金属薄膜电阻，贴片电阻，…–可变电阻（电位器）李国林电子电路与系统基础RWR172.2极限情况：开路李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季18viO普通电阻伏安特性直线斜率为电导值viO斜率为0电导值为0：不导电开路Gvi00iGviGvi极限情况：短路李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季19viO普通电阻伏安特性直线斜率为电导值viO斜率为电导值为电阻值为0：电流流动没有任何阻力短路Rvi00vRviRiv2.3开关李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季第二种常见开关符号viOviOvivi开关断开时，开路开关闭合时，短路0v0i控制端连接端1连接端2开关是三端器件：threeterminalcomponent20开关是线性的•添加一个地结点，构成三端口网络•如是使用的开关是线性的–满足叠加性和均匀性–但线性比值关系可能是时变的•如果控制电压在正负值之间随时间而变化，则开关是线性时变系统21invoutvcv电子开关，控制端是电信号开关断开开关闭合000ccinoutvvvvincwoutvvSv0001cccwvvvS开关控制函数李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季开关是非线性的•输入信号作为开关的控制端，开关则是一个非线性系统–V0为常数，则为时不变系统–V0为随时间变化的变量，则为时变系统–V0直连输入，此为非线性时不变系统22invoutv0V开关断开开关闭合0000ininoutvvVvinvoutv开关断开开关闭合000inininoutvvvv开关是否线性由它的连接关系决定2.4PN结二极管•PN结二极管是将一个PN结封装后的二端器件（单端口网络）•二极管伏安特性曲线–正偏导通，反偏截止23反偏截止区反向击穿区正偏导通区OVDID-VBR：5V，50V，…VON=0.7VPNVDID李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季零阶模型：理想整流二极管•正向导通，反向截止–导通即短路，截止即断路•开关模型李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季24反偏截止区反向击穿区正偏导通区OvD-VBR：5V，50V，…VON=0.7VDvDcvv0,00,0DDDDivvi截止：导通：iD一阶模型•考虑内建电位差影响–低于内建电位差则截止李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季25反偏截止区反向击穿区正偏导通区OvD-VBR：5V，50V，…VON=0.7VDv7.0DcvvV7.00,7.07.0,0DDDDivvi截止：导通：iD二阶模型•考虑导通后体电阻的影响李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季26反偏截止区反向击穿区正偏导通区OvD-VBR：5V，50V，…VON=0.7VDv7.0DcvvV7.0BR0,7.07.0,0DDDBDDiviRvi截止：导通：iD半波整流INvLRDOUTvttvINttvOUT平均值为零，没有直流分量平均值不为零，有直流分量反向截止时，输入电压全部加载在二极管两端，二极管应能承受这样的反向偏压pVPBRVV假设输入峰值电压很高，二极管采用理想整流模型图解法理解半波信号的形成李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季28tvSINOUTvLRDviO正向导通反向截止ivtVtvSpS0sinttti正半周负半周,...2,,00t,...25,20t,...27,230tLOUTRtitv半波描述李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季29ttvOUTtVtvpINcostvtStttVtvINpOUT10cos00coscos0cos00cos11tttSVVp7.0pV开关函数李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季30ttS110246...5cos523cos32cos2210cos00cos11ttttttS输出频率分量李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季31...6cos7524cos5322cos312cos2cos...5cos523cos32cos2211tVtVtVtVVtVttttvtStvppppppINOUTpOUTdcVtvVinoutff周期信号可傅立叶级数分解周期信号的频率：基频平均值和有效值•有效值：代表的是功率平均效果–如果两个信号的有效值相等，则它们对电阻的热效果是一致的李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季32ppOUTdcVVtvV318.0ppOUTrmsVVtvV5.022半波整流例•某二极管半波整流器，交流信号源有效值为10V，频率为50Hz，求整流后半波的有效值和平均值VVVinrmsinp1.142,,VVVinpoutp1.14,,VVVoutpdc50.4,VVVoutprms07.72,VVVinpoutp4.137.0,,VVVoutpdc28.4,VVVoutprms72.62,李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季332.5N型和S型非线性电阻李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季34ODiDvDiDvOiviv高阻区低阻区负阻区TunnelDiode：隧道二极管：N型负阻ShockleyDiode：肖克利二极管：S型负阻非单调的非线性可能具有多值解李国林电子电路与系统基础清华大学电子工程系2013年春季350SVDvRDiiv0SVDODDDvfisQ0sQ1sQusQR较小R较大稳定直流工作点稳定平衡点不稳定直流工作点不稳定平衡点实测不到这个点可以作为状态存储器使用：0、