大学计算机电子电路技术-电子与模拟电子部分(西安电子

第一章电路的基本概念和定律下一页前一页第1-1页返回本章目录1.1电路模型1.2电路变量1.3电阻元件1.4电源元件1.5基尔霍夫定律1.6电阻的串联和并联1.7实际电源模型1、电路模型2、电压、电流的参考方向3、基尔霍夫定律第一章电路的基本概念和定律下一页前一页第1-2页返回本章目录重点：1.1电路模型（circuitmodel)下一页前一页第1-3页返回本章目录1、何谓电路(circuit)?由电器件相互连接所构成的电流通路称为电路。2、实际电路的组成①提供电能的能源,简称电源；②用电装置，统称其为负载。它将电源提供的能量转换为其他形式的能量；③连接电源与负载而传输电能的金属导线，简称导线。电源、负载、导线是任何实际电路都不可缺少的三个组成部分。开关②③①简单的手电筒电路1.1电路模型（circuitmodel)下一页前一页第1-4页返回本章目录3、实际电路的功能实际电路种类繁多，功能各异。电路的主要作用可概括为两个方面：①进行能量的传输与转换；如电力系统的发电、传输等。②实现信号的传递与处理。如电视机、电话、通信电路等，实现雷达信号处理、通信信号处理、生物信号处理等。1.1电路模型（circuitmodel)下一页前一页第1-5页返回本章目录4、为什么要引入电路模型实际电路在运行过程中的表现相当复杂,如：制作一个电阻器是要利用它对电流呈现阻力的性质，然而当电流通过时还会产生磁场。要在数学上精确描述这些现象相当困难。为了用数学的方法从理论上判断电路的主要性能，必须对实际器件在一定条件下，忽略其次要性质，按其主要性质加以理想化，从而得到一系列理想化元件。这种理想化的元件称为实际器件的“器件模型”。用理想化元件表示实际元件，并按实际电路的连接方式连接起来的电路图成为电路模型。1.1电路模型（circuitmodel)下一页前一页第1-6页返回本章目录5、几种常见的理想化元件（器件模型）①理想电阻元件：只消耗电能，如电阻器、灯泡、电炉等，可以用理想电阻来反映其消耗电能的这一主要特征；②理想电容元件：只储存电能，如各种电容器，可以用理想电容来反映其储存电能的特征；③理想电感元件：只储存磁能，如各种电感线圈，可以用理想电感来反映其储存磁能的特征；R理想电阻模型符号C理想电容模型符号L理想电感模型符号1.1电路模型（circuitmodel)下一页前一页第1-7页返回本章目录6、电路模型和电路图电路模型是由若干理想化元件组成的；将实际电路中各个器件用其模型符号表示，这样画出的图称为称为实际电路的电路模型图，常简称为电路图。7、说明①实际器件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式；②不同的实际器件只要有相同的主要电气特性，在一定的条件下可用相同的模型表示。如灯泡、电炉等在低频电路中都可用理想电阻表示。SUSRSR手电筒的电路图电源的模型L低频电路中L高频宇航器电路中RL更高频电路中R电路分类下一页前一页第1-8页返回本章目录1.2电路变量一、电流（current）下一页前一页第1-9页返回本章目录1、电流的形成在电场力作用下，电荷有规则的定向移动形成电流，用i(t)或i表示。单位：安[培]（A）。2、电流的大小---电流强度，简称电流式中dq为通过导体横截面的电荷量，电荷的单位：库[仑]（C）。若dq/dt即单位时间内通过导体横截面的电荷量为常数，这种电流叫做恒定电流，简称直流电流，常用大写字母I表示。E自由电子sdttdqtttqti)(0)(lim)(一、电流（current）下一页前一页第1-10页返回本章目录3、电流的方向实际方向——规定为正电荷运动的方向。参考方向——假定正电荷运动的方向。规定：若参考方向与实际方向方向一致，电流为正值，反之，电流为负值。为什么要引入参考方向？一、电流（current）下一页前一页第1-11页返回本章目录判断R3上电流I3的方向？如果电路复杂或电源为交流电源，则电流的实际方向难以标出。交流电路中电流方向是随时间变的。参考方向假设说明两点：1、原则上可任意设定；2习惯上：A、凡是一眼可看出电流方向的，将此方向设为参考方向；B、对于看不出方向的，可任意设定。II1I2I3?R1R2R3R4R5US一、电流（current）下一页前一页第1-12页返回本章目录4、电流总结1、今后，电路图上只标参考方向。电流的参考方向是任意指定的，一般用箭头在电路图中标出，也可以用双下标表示；如iab表示电流的参考方向是由a到b。2、电流是个既具有大小又有方向的代数量。在没有设定参考方向的情况下，讨论电流的正负毫无意义。二、电压（voltage）下一页前一页第1-13页返回本章目录1、电压的定义电路中，电场力将单位正电荷从某点a移到另一点b所做的功，称为两点间的电压。功（能量）的单位：焦[耳](J);电压的单位：伏[特](V)。2、电压的极性（方向）实际极性：规定两点间电压的高电位端为“+”极，低电位端为“-”极。两点电位降低的方向也称为电压的方向。参考极性：假设的电压“+”极和“-”极。若参考极性与实际极性一致，电压为正值，反之，电压为负值。dqdWqqWu0limuabiN二、电压（voltage）下一页前一页第1-14页返回本章目录3、关联参考方向电流和电压的参考方向可任意假定，而且二者是相互独立的。若选取电流i的参考方向从电压u的“+”极经过元件A本身流向“-”极，则称电压u与电流i对该元件取关联参考方向。否则，称u与i对A是非关联的。uA与iA关联uB与iB非关联u与i对元件1关联u与i对元件2非关联ABiAuAiBuBui12二、电压（voltage）下一页前一页第1-15页返回本章目录4、电压说明1、今后，电路图中只标电压的参考极性。在没有标参考极性的情况下，电压的正、负无意义。2、电压的参考极性可任意指定，一般用“+”、“-”号在电路图中标出，有时也用双下标表示，如uab表示a端为“+”极，b端为“-”极。3、电路图中不标示电压/电流参考方向时，说明电压/电流参考方向与电流/电压关联。4、大小和方向均不随时间变化的电流和电压称为直流电流和直流电压，可用大写字母I和U表示。三、功率（power）和能量（enerage）下一页前一页第1-16页返回本章目录1、功率的定义单位时间电场力所做的功称为电功率，即：简称功率，单位是瓦[特]（W）。2、功率与电压u、电流i的关系如图(a)所示电路N的u和i取关联方向,由于i=dq/dt，u=dw/dq，故电路消耗的功率为p(t)=u(t)i(t)对于图(b)，由于对N而言u和i非关联，则N消耗的功率为p(t)=-u(t)i(t)dttdwtpuiN(a)uiN(b)三、功率（power）和能量（enerage）下一页前一页第1-17页返回本章目录3、功率的计算利用前面两式计算电路N消耗的功率时，①若p0，则表示电路N确实消耗（吸收）功率；②若p0，则表示电路N吸收的功率为负值，实质上它将产生（提供或发出）功率。由此容易得出，当电路N的u和i关联（如图a），N产生功率的公式为p(t)=u(t)i(t)当电路N的u和i非关联（如图b），则N产生功率的公式为p(t)=-u(t)i(t)三、功率（power）和能量（enerage）下一页前一页第1-18页返回本章目录4、能量的计算根据功率的定义，两边从-∞到t积分，并考虑w(-∞)=0，得dttdwtp)()(对于一个二端元件（或电路），如果w(t)≥0，则称该元件（或电路）是无源的或是耗能元件（或电路）。否则称为有源元件。ddiuptwtt（设u和i关联）三、功率（power）和能量（enerage）下一页前一页第1-19页返回本章目录前面介绍了电流、电压、功率和能量的基本单位分别是安（A)、伏（V)、瓦（W)、焦耳（J)，有时嫌单位太大（无线电接受），有时又嫌单位太小（电力系统），使用不便。我们便在这些单位前加上国际单位制（SI）词头用以表示这些单位被一个以10为底的正次幂或负次幂相乘后所得的SI单位的倍数单位。例564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A解（发出）WIUP221111（发出）WIUP62)3(122（消耗）WIUP1628133（消耗）WIUP3)1()3(366（发出）WIUP7)1(7355（发出）WIUP41)4(244注对一完整的电路，发出的功率＝消耗的功率三、功率（power）和能量（enerage）下一页前一页第1-20页返回本章目录1.3电阻（resistor）元件下一页前一页第1-21页返回本章目录电路中最简单、最常用的元件是二端电阻元件，它是实际二端电阻器件的理想模型。一、电阻元件与欧姆定律1、电阻元件的定义若一个二端元件在任意时刻，其上电压和电流之间的关系(VoltageCurrentRelation，缩写为VCR)，能用u~i平面上的一条曲线表示，即有代数关系f(u，i)则此二端元件称为电阻元件。元件上的电压电流关系VCR也常称为伏安关系(VAR)或伏安特性。ui电阻元件的电路符号R1.3电阻（resistor）元件下一页前一页第1-22页返回本章目录2、电阻的分类①如果电阻元件的VCR在任意时刻都是通过u~i平面坐标原点的一条直线，如图(a)所示，则称该电阻为线性时不变电阻，其电阻值为常量，用R表示。②若直线的斜率随时间变化(如图(b)所示)，则称为线性时变电阻。③若电阻元件的VCR不是线性的(如图(c)所示)，则称此电阻是非线性电阻。本书重点讨论线性时不变电阻，简称为电阻。ui0(a)ui0(b)t=t1t=t2t=t3ui0(c)1.3电阻（resistor）元件下一页前一页第1-23页返回本章目录3、欧姆定律对于（线性时不变）电阻而言，其VCR由著名的欧姆定律(Ohm’sLaw)确定。电阻的单位为：欧[姆](Ω)。电阻的倒数称为电导(conductance)，用G表示，即G=1/R,电导的单位是：西[门子](S)。应用OL时注意：①欧姆定律只适用于线性电阻，非线性电阻不适用；②电阻上电压电流参考方向的关联性。uRiu与i关联时：u(t)=Ri(t)uRiu与i非关联时：u(t)=-Ri(t)1.3电阻（resistor）元件下一页前一页第1-24页返回本章目录4、两种特殊情况①开路(Opencircuit)：R=∞，G=0，伏安特性②短路(Shortcircuit)：R=0，G=∞，伏安特性二、R吸收的功率GuRiuitp22)(t)(0)(任意tutit)(0)(任意titu对于正电阻R来说，吸收的功率和能量总是大于或等于零。因此电阻是无源元件。三、举例Rui下一页前一页第1-25页返回本章目录例1阻值为2Ω的电阻上的电压、电流参考方向关联，已知电阻上电压u(t)=4cost(V)，求其上电流i(t)和消耗的功率p(t)。解：因电阻上电压、电流参考方向关联，由OL得其上电流i(t)=u(t)/R=4cost/2=2cost(A)消耗的功率p(t)=Ri2(t)=8cos2t(W)。例2已知R=5KΩ，U=﹣10V,求电路中流过的电流和电阻的吸收功率。解：因电阻上电压、电流参考方向非关联，由OL得其上电流为I=﹣U/R=﹣(﹣10)/5×103=2mA电阻吸收的功率P=﹣UI=﹣(﹣10)×2×10-3W=20mW1.3电阻（resistor）元件uiR1.4电源元件下一页前一页第1-26页返回本章目录电源是有源的电路元件，它是各种电能量（电功率）产生器的理想化模型。电源独立电源非独立电源，常称为受控源(ControlledSource)独立电压源，简称电压源(VoltageSourc