1、電子信息技術(shù)對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的巨大貢獻(xiàn)。1906年電子管發(fā)明開啟電子時(shí)代無線廣播、無線通信誕生1947年晶體三極管發(fā)明開啟固體電子學(xué)時(shí)代雷達(dá)、大型計(jì)算機(jī)誕生1958年集成電路誕生開啟了微電子時(shí)代信號(hào)處理技術(shù)、彩色電視大發(fā)展1966年光纖通信及光電子時(shí)代信息技術(shù)、衛(wèi)星及現(xiàn)代通信、個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)1.1 電子電氣科學(xué)技術(shù)的回顧晶體管的發(fā)明（1947）及半導(dǎo)體器件 梅曼1960年梅曼發(fā)明紅寶石激光器1958年工程師杰克基爾比在一塊6.45平方毫米硅片上集成了12個(gè)元件，制成了一個(gè)RC移相振蕩器。這是世界上第一塊集成電路芯片。基爾比集成電路與內(nèi)部布線設(shè)計(jì)。 華人科學(xué)家高錕1966年提出光纖理論，

2、隨后發(fā)明光纖，獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，1946 今天的電腦 貝爾及早期電話馬克尼及早期通信裝置現(xiàn)代通信技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)組成通信網(wǎng)的融合1.2 應(yīng)用示例圖1-5 電的廣泛應(yīng)用電路的功能大體上可分為兩大類。一類是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和分配，另一類是用來轉(zhuǎn)換處理各種信號(hào)。圖1-6 電路功能的示意圖1.3 電路模型1.3.1 實(shí)際電路與電路模型實(shí)際電路是由若干電氣元器件按應(yīng)用的需要組合起來構(gòu)成電流通路的整體。電路的三個(gè)組成部分是電源、負(fù)載和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。圖1-7 實(shí)際電路圖1-8 電路模型的示意圖為了用數(shù)學(xué)的方法從理論上判斷電路的主要性能，必須將組成實(shí)際電路的電子器件在一定條件下按其主要性質(zhì)加以

3、理想化，從而得到一系列理想化元件，如電阻元件、電容元件和電感元件等。這些理想元件稱為實(shí)際器件的模型( model)。 1.3.2 電路分析作為電路分析的基礎(chǔ)，本書主要討論對(duì)集總參數(shù)電路、線性電路和時(shí)不變電路的分析方法。 集總參數(shù)電路：如果實(shí)際電路的幾何尺寸遠(yuǎn)小于其工作信號(hào)的波長時(shí)，可以認(rèn)為電流傳送到電路的各處是同時(shí)到達(dá)的，即沒有時(shí)間延遲，這時(shí)整個(gè)電路可以看成電磁空間的一個(gè)點(diǎn)。這種條件下的電路稱為集總參數(shù)電路(lumped circuit)，否則就稱為分布參數(shù)電路(distributed circuit)。 以常見的低頻放大電路來說，假定它所傳輸?shù)男盘?hào)的最高頻率為f= 30 kHz，傳播速度為光

4、速c= 3108m/s，則信號(hào)的最小波長為線性電路：若描述電路特征的所有方程都是線性代數(shù)方程或線性微積分方程，則這類電路就是線性電路?；蛘哒f，由線性元件（電阻、電感、電容等）組成的電路稱為線性電路。時(shí)不變電路：若組成電路的元器件參數(shù)不隨時(shí)間變化，這類電路則稱為時(shí)不變電路或非時(shí)變電路。“電路基礎(chǔ)”課程是以集總參數(shù)線性時(shí)不變的電路為主要對(duì)象，而建立的基本理論、基本概念和基本分析方法。所應(yīng)用的輸入信號(hào)主要是直流、正弦交流、階躍信號(hào)，進(jìn)而研究電路在這些輸入信號(hào)作用下電路響應(yīng)(電流或電壓)的變化規(guī)律。1.4 電路的基本變量1.4.1 電流與電壓1.電流把單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量定義為電流i，即

5、式中，若電荷量的單位為庫侖(C)，時(shí)間的單位為秒(s)，則電流的單位為安培( A)。習(xí)慣上把正電荷運(yùn)動(dòng)的方向規(guī)定為電流的方向。如果電流大小和方向不隨時(shí)間變化則稱為直流，常用大寫字母I表示。若電流的數(shù)值和方向隨時(shí)間變化，則稱為時(shí)變電流。在分析電路之前，先任意假設(shè)各支路電流的方向，這個(gè)方向稱為參考方向。依據(jù)這些假設(shè)，若求解的電流為正值，說明實(shí)際方向與參考方向一致；電流為負(fù)值，說明實(shí)際方向與所標(biāo)的參考方向相反。 圖1-9電流的參考方向2.電壓電路中兩點(diǎn)間的電壓又稱為該兩點(diǎn)的電位差。從能量的觀點(diǎn)來說，將單位正電荷從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)其能量的得失量定義為這兩點(diǎn)間的電壓u，即 式中，若能量的單位為焦耳(J)

6、，電荷量的單位為庫侖(C)，則電壓的單位為伏特(V)。在電路中任意假設(shè)兩點(diǎn)間電壓的正、負(fù)極性，如圖1-10所示，若求解結(jié)果u為正，說明該電壓的實(shí)際方向(或?qū)嶋H極性)與圖中標(biāo)示的相同。 圖1-10 電壓u的參考方向電流和電壓的參考方向可以任意假定，而且二者是互相獨(dú)立的。若選取電流的方向從電壓的正端經(jīng)過元件本身流向負(fù)端，則稱電壓與電流方向一致，或稱關(guān)聯(lián)參考方向。在圖1-11中，電路的電壓u與電流i方向一致，為關(guān)聯(lián)參考方向；在圖1-12中，電壓u與電流i方向不一致，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。 圖1-11 關(guān)聯(lián)參考方向 圖1-12 非關(guān)聯(lián)參考方向 實(shí)際中若要測量電流和電壓，要像圖1-13那樣，即測電流時(shí)應(yīng)把

7、電流表串在支路中，測電壓時(shí)應(yīng)把電壓表跨接在元件兩端。圖1-13 電壓與電流的測量1.4.2 功率與能量功率(power)是量度電路中能量轉(zhuǎn)換速率的一個(gè)物理量。電路在單位時(shí)間內(nèi)所消耗的能量定義為瞬時(shí)功率，即在圖1-14(a)中，電路N的u和i方向一致，故消耗的瞬時(shí)功率為圖1-14 計(jì)算功率的示意圖對(duì)于直流電路，可表示為：P=UI對(duì)于圖1-14（b）所示電路，由于對(duì)N而言，u和i是非關(guān)聯(lián)參考方向，則N消耗的功率為用以上兩個(gè)式子計(jì)算功率時(shí)，若p 0，表明電路N此時(shí)消耗功率；若p 0，表明N此時(shí)產(chǎn)生功率。功率的單位是瓦特（W）。 若電路N的電壓u和電流i已知時(shí)，在關(guān)聯(lián)參考方向下，N在任何時(shí)刻t所吸收的

8、能量為電能的單位是焦耳（J）。在生活和工程中還常用千瓦時(shí)（kWh）作電能的單位，1 kWh俗稱為1度（電）。例1-1 如果電視顯像管中電子束每秒射出1015個(gè)電子，為要加速該電子束達(dá)到6.4W的功率，問激勵(lì)電壓應(yīng)為多少？解：已知一個(gè)電子的負(fù)電荷量為e=1.610-19C，則電流所以，激勵(lì)電壓例1-2 設(shè)有2A的恒定電流通過一個(gè)燈泡10s（秒），若燈泡所消耗的熱能為2.2kJ（焦耳），試求燈泡兩端的電壓U。解：在10s內(nèi)的總電荷量為則電壓1.5 基爾霍夫定律1.5.1 基爾霍夫電流定律為了敘述方便，下面先介紹幾個(gè)有關(guān)術(shù)語。 （1）支路（branch）：電路中每一個(gè)二端元件稱為一條支路。（2）節(jié)點(diǎn)

9、（node）：兩條或兩條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。（3）回路（loop）：電路中由支路組成的任一閉合路徑稱為回路。（4）網(wǎng)孔（mesh）：平面電路中，回路內(nèi)部不另含有支路的回路稱為網(wǎng)孔。圖中共有5個(gè)二端元件，支路數(shù)b=5；節(jié)點(diǎn)數(shù)n=4（A、B、C、D），回路數(shù)l=3；網(wǎng)孔數(shù)m=2KCL敘述如下：在集總參數(shù)電路中，在任一時(shí)刻，流出(或流入)任一節(jié)點(diǎn)或封閉面的各支路電流的代數(shù)和為零。即或?qū)θ我还?jié)點(diǎn)，流入該節(jié)點(diǎn)的電流等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流。上述電流定律實(shí)質(zhì)上是電荷守恒原理的體現(xiàn)。也就是說，到達(dá)任何節(jié)點(diǎn)的電荷既不可能增生，也不可能消滅，電流必須連續(xù)流動(dòng)。圖1-16 應(yīng)用KCL的示意圖對(duì)節(jié)點(diǎn)a,有對(duì)封閉面

10、S1,有對(duì)封閉面S2,有對(duì)于圖1-16(b),有由上可知，KCL僅是支路電流的約束關(guān)系，它與元件的性質(zhì)無關(guān)，因此KCL既適用于線性電路，也適用于非線性電路。例1-3 集成電路的電流關(guān)系如圖1-17所示，求i1=？圖1-17 KCL應(yīng)用于IC電路解：對(duì)于IC，因流入的電流應(yīng)等于流出的電流，即i1+（4+6+10）mA=（3+8+5+2）mA所以i1= 2mA1.5.2 基爾霍夫電壓定律在集總參數(shù)電路中，在任一時(shí)刻，沿任一回路巡行一周，各元件電壓的代數(shù)和為零。即在列KVL方程時(shí)，具體方法如下:(1)首先規(guī)定各支路的電壓參考方向。(2)標(biāo)出各回路的巡行方向。(3)凡支路電壓方向與巡行方向相同者取正，

11、反之取負(fù)。例如，在圖1-18中圖1-18 應(yīng)用KVL的示意圖對(duì)回路I:對(duì)回路II:對(duì)回路III:由上可知，KVL方程反映了任一回路中各元件的電壓關(guān)系，但與各元件的性質(zhì)無關(guān)，不管是電源，還是電阻、電感和電容，只要電路的結(jié)構(gòu)確定了，都可以寫出各回路的KVL方程。KVL既適用于線性電路，也適用于非線性電路。 觀察思考圖1-19 測量法驗(yàn)證KVL例1-4 如圖1-20所示直流電路，已知UAB=5V，UBD=3V，UBC=8V，試求U和UCD。圖1-20 例1-4圖解： 由KVL故 又因即 所以1.6 歐姆定律與電阻元件一個(gè)實(shí)際電阻器件的特性，通常可以用u-i平面上的一條曲線來確定，如圖1-21(b)、

12、1-21 (c)所示。這種特性曲線稱為電阻元件的伏安特性曲線或外特性曲線。 圖1-21 電阻器件及其外特性如果電阻元件的電壓電流關(guān)系(Voltage Current Relationship, VCR)在任何時(shí)候都是通過u-i平面坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線，如圖1-21(b)所示，則該電阻就稱為線性時(shí)不變電阻，用R表示。這類線性電阻元件以后簡稱為電阻。若電阻元件的u-i關(guān)系不是線性的，則此電阻就是非線性的。對(duì)(線性時(shí)不變)電阻而言，其VCR由歐姆定律(Ohms Law)決定，即直流時(shí)：U=RI如電流的單位為安培(A)，電壓的單位為伏特(V)，則電阻的單位為歐姆()。 電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)(conduct

13、ance)，用符號(hào)G表示，即G=1/R電導(dǎo)的國際制單位為西門子(S)。 在任意時(shí)刻，電阻上消耗（或吸收）的功率為對(duì)于直流情況：當(dāng)電流通過電阻時(shí)，電阻會(huì)發(fā)熱，這稱為電流的熱效應(yīng)。因此各種電氣設(shè)備為了安全運(yùn)行，都有一定的功率限額、電壓限額、電流限額，它們分別稱為這些設(shè)備的額定功率、額定電壓、額定電流。在使用時(shí)，不能超過這些額定值，否則會(huì)損壞設(shè)備。 圖1-22 實(shí)際電阻器例1-5 設(shè)有一個(gè)額定功率1W，阻值為10k的金屬膜電阻，問工作在額定條件下的電流和電壓是多少？解： 由已知，得故有電壓即該電阻上電壓不超過100V，或電流不超過0.01A時(shí)，電阻所消耗的功率就不會(huì)超過1W，這時(shí)工作狀態(tài)是安全的。應(yīng)

14、用實(shí)例 1-1 為了測量電阻的伏安特性（VCR關(guān)系），通常使用內(nèi)接法或外接法。圖1-24 伏安特性測量電路觀察思考1. 圖1-25（a）為5線性電阻的u-i特性，觀察圖（b），其電阻為多大？圖1-25 線性電阻特性觀察思考2.圖1-26（a）是一個(gè)電位器（可變電阻），圖（b）是圖（a）的結(jié)構(gòu)圖。圖（c）是測量電位器阻值的方法。在圖（c）中，Rbc的值是多少？圖1-26 電位器及阻值測量各種電氣開關(guān)各種電氣開關(guān)1.7 電壓源與電流源 電路中常遇到兩類電源：一類電源如電池、穩(wěn)壓電源等，當(dāng)接上負(fù)載后，在一定范圍內(nèi)，其輸出電流隨負(fù)載的變化而變化，但電源兩端的電壓保持為規(guī)定值，這類電源常稱為獨(dú)立電壓源，

15、簡稱為電壓源(voltage source )；另一類電源，如光電池等，當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其兩端的電壓隨之變化，但電源的輸出電流保持為規(guī)定值，這類電源常稱為獨(dú)立電流源，簡稱為電流源(current source)。它們都是理想電源元件。1.7.1 電壓源電壓源是實(shí)際電源的一種理想元件，若電源產(chǎn)生的電壓是大小和方向都不隨時(shí)間變化的，則稱為直流(direct current, DC)電源；若電源產(chǎn)生的是大小和方向均變化的交流(alternate current, AC )，則稱為交流電源。圖1-28是電壓源的符號(hào)和波形示意圖。圖1-28 電壓源符號(hào)及示例電壓源的特性：（1）電壓源兩端的電壓

16、僅由自身決定，與外電路無關(guān)；（2）通過電壓源的電流大小由外電路決定；（3）若uS(t)=0，相當(dāng)于電壓源短路。 （a）各種電池 （b）穩(wěn)壓電源 圖1-29 電源的幾種樣品應(yīng)用實(shí)例1-2 實(shí)際電源的模型理想電源實(shí)際上并不存在。當(dāng)實(shí)際電源接入負(fù)載(load)后，其兩端子間的電壓電流關(guān)系(或稱外特性)通常與負(fù)載RL的變化有關(guān)，原因是實(shí)際電源有內(nèi)阻存在。如圖1-30(c)所示，有 U=USRSI圖1-30 實(shí)際電源的模型式中，US為電源開路（open circuit）（RL=）時(shí)的端電壓；RS為電源的內(nèi)阻。因此，實(shí)際電源可以用電壓源和電阻串聯(lián)的模型表示，如圖1-30(c)所示。例1-6 為了得到實(shí)際的

17、內(nèi)阻，可以在電源外接入負(fù)載RL，電壓表跨接在RL兩端，如圖1-31所示。先測得兩端電壓U，再斷開RL，測得開路電壓UOC，已知R=10，U=12V，UOC=15V，試求內(nèi)阻RS。圖1-31 例1-6圖（設(shè)電壓表內(nèi)阻為無窮大）解： 當(dāng)RL開路時(shí)，應(yīng)有UOC=US，而接入RL時(shí)，有整理得代入數(shù)據(jù)，可得內(nèi)阻例1-7 如圖1-32所示直流電路，RS為電源內(nèi)阻，US為電源電壓。圖（a）是接入負(fù)載電阻RL，圖（b）是負(fù)載短路（RL=0），圖（c）是負(fù)載開路（RL=）。試求以上三種狀態(tài)下的電壓U和電流I。圖1-32 例1-7圖解： 對(duì)于圖（a）所示電路，由KVL，得RSI+RLI=US從而有對(duì)于圖（b），因

18、對(duì)于圖（c），因故 I=0U=US觀察思考圖1-33 電源內(nèi)阻的測量1.7.2 電流源電流源也是實(shí)際電源的一種理想元件，其圖形符號(hào)如圖1-34(a)所示。電流源的特點(diǎn)是為外電路提供穩(wěn)定的電流。圖1-34 電流源的符號(hào)與特性電流源的特性是：（1）電流源的輸出電流僅由自身決定，與外電路無關(guān)。（2）電流源兩端的電壓由外電路負(fù)載決定。（3）若iS(t)=0，相當(dāng)于電流源開路。實(shí)際電流源的模型也可以通過測量得到。如圖1-35（a）所示，實(shí)際電流源內(nèi)有較大內(nèi)阻存在。其特性可以用圖1-35（c）電路表示。 圖1-35 實(shí)際電流源的模型觀察圖1-35（c），依KCL，有例1-8 圖1-36所示為含有電壓源US和電流源IS的電路，已知I1=1A，R=8，試求電路中各元件消耗或產(chǎn)生的功率。圖1-36 例1-8圖解： 對(duì)電壓源US，因電流I1流入U(xiǎn)S，故其消耗的功率（產(chǎn)生5W）由KCL，得且電壓3