電路與模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)

第一章直流電路1.電路的基本概念有哪些？2.電路變量有哪些？3.如何分析電路？本章解決的主要問題1.1電路及電路模型電路的組成要素：1.電源：如電站的發(fā)電設(shè)備、電池等2.用電設(shè)備：也稱負(fù)載，如電燈、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)等3.控制裝置：如自動(dòng)、手動(dòng)開關(guān)4.導(dǎo)線：通常由銅或鋁等電阻率小的金屬制成1.1.1實(shí)際電路（宋體加粗24號(hào)）實(shí)際電路是指由電阻器、電容器、線圈、晶體管等器件或設(shè)備連接而成的電路。1.1電路及電路模型理想元件：1.消耗電能（電阻）2.供給電能（理想電源）；3.儲(chǔ)存電場(chǎng)能量（理想電容）4.儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量（理想電感）1.1.2電路模型由理想元器件構(gòu)成的電路，就是實(shí)際電路的電路模型，它是對(duì)實(shí)際電路電磁性質(zhì)的科學(xué)抽象和概括。實(shí)際電路電路模型表1-1部分電路元件圖形符號(hào)

1.2電路變量

1.2.1電流自由電子在電場(chǎng)力的作用下做定向運(yùn)動(dòng)，形成電流（current）電流的單位是安培（A）

電流實(shí)際方向和參考方向的關(guān)系

設(shè)定好電流參考方向后，進(jìn)行電路分析計(jì)算：如果I的計(jì)算結(jié)果為正，表明參考方向與實(shí)際方向相同；反之，如果I的結(jié)果為負(fù)，表明參考方向與實(shí)際方向相反電壓的參考極性：1.正負(fù)極表示法?！?”表示高電位，“-”表示低電位2.雙下標(biāo)表示法。如UAB，由A指向B的方向?yàn)殡妷海ń担┑膮⒖挤较?.2.2電壓?jiǎn)挝徽姾蓮碾娐分械哪骋稽c(diǎn)移到參考點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)力所做的功，稱為該點(diǎn)的電壓，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

電壓實(shí)際方向和參考方向的關(guān)系設(shè)定好電壓參考方向后，進(jìn)行電路分析計(jì)算：如果U的計(jì)算結(jié)果為正，表明參考方向與實(shí)際方向相同；反之，如果結(jié)果為負(fù)，表明參考方向與實(shí)際方向相反

【有關(guān)參考方向的說明】（1）參考方向是人為設(shè)定的，在分析問題時(shí)需要先假設(shè)參考方向，然后根據(jù)設(shè)置的參考方向列寫方程。（2）參考方向一經(jīng)設(shè)定，在整個(gè)分析過程中就必須以此為準(zhǔn)，不能變動(dòng)。（3）不標(biāo)明參考方向而說某電流或電壓的值為正或?yàn)樨?fù)是沒有意義的。（4）參考方向的設(shè)定不會(huì)影響實(shí)際方向。因?yàn)閰⒖挤较蛟O(shè)置成與實(shí)際方向相反的情況時(shí)，解出的電流、電壓值也帶有相應(yīng)的負(fù)號(hào)，從而得到的結(jié)果與實(shí)際方向相同。

關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)參考方向當(dāng)電流從電壓高電位流向低電位時(shí)，稱為關(guān)聯(lián)參考方向；當(dāng)電流從電壓低電位流向高電位時(shí)，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。1.2.3功率

功率的計(jì)算（以直流電路為例）：當(dāng)二端元件的電壓和電流之間是關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，P=UI；當(dāng)電壓和電流之間是非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，P=-UI。代入電壓電流的數(shù)值，若得到P>0，表明該元件（如電阻）吸收（消耗、獲得）功率；若得到P<0時(shí)，表明該元件（如電源）發(fā)出（提供、產(chǎn)生）功率?！竟β视?jì)算步驟】（1）設(shè)電路元件電壓電流參考方向；（2）根據(jù)元件上電壓電流參考方向判斷關(guān)聯(lián)還是非關(guān)聯(lián)選取公式（關(guān)聯(lián)：P=UI；非關(guān)聯(lián)：P=-UI）；（3）代入電壓電流變量數(shù)據(jù)計(jì)算；（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷吸收還是發(fā)出功率。

1.3電阻電荷在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到分子和原子等其他粒子的碰撞與摩擦，碰撞和摩擦的結(jié)果形成了導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙，這種阻礙作用最明顯的特征是導(dǎo)體消耗電能而發(fā)熱或發(fā)光。物體對(duì)電流的這種阻礙作用，稱為該物體的電阻。

熱敏電阻

碳膜電阻

光敏電阻

壓敏電阻

貼片電阻電位器實(shí)際電阻類型電壓和電流大小成正比的電阻元件稱為線性電阻元件，伏安特性曲線為U—I平面上過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線，該直線的斜率為它的電阻值。線性電阻符號(hào)

伏安特性曲線電壓和電流大小不成正比的電阻元件為非線性電阻。伏安特性曲線為U—I平面上過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條曲線。

非線性電阻符號(hào)

伏安特性曲線

注意：只有在電壓與電流為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，才可以使用上式

1.4電源1.4.1電壓源理想電壓源

理想電壓源的電路符號(hào)和伏安特性

1.4電源實(shí)際電壓源實(shí)際電壓源與理想電壓源是有差別的，它有內(nèi)阻，可以用一個(gè)理想電壓源與電阻串聯(lián)的模型來表示實(shí)際電壓源電路模型

實(shí)際電壓源伏安特性曲線1.4.2電流源理想電流源（1）其流過電流由電源本身決定,為定值I，與端電壓無關(guān)；

(2)它的端電壓不是由電流源本身確定，而是由與之相連接的外電路決定的。

理想電流源的電路符號(hào)和伏安特性實(shí)際電流源實(shí)際電流源與理想電流源有差別，可以用一個(gè)理想電流源與電阻并聯(lián)的電路模型來表征實(shí)際電流源。實(shí)際電流源的電流I往往會(huì)隨著電源電壓的增加而下降。1.5基爾霍夫定律1.5.1基爾霍夫電流定律對(duì)任意集總參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，流入（或“流出”）任一節(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和等于零。支路：電路中的每一分支稱為支路，一條支路流過一個(gè)電流，稱為支路電流，在圖中共有三條支路電流，I1、I2、I3。節(jié)點(diǎn)：電路中三條或三條以上的支路連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，在圖中共有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：a和b?；芈罚夯芈肥怯梢粭l或多條支路所組成的閉合電路，在圖中共有三個(gè)回路：adeba，abfca和debfcad。

基爾霍夫電流定律也可以推廣應(yīng)用于任意假設(shè)閉合面。閉合面可以看成一個(gè)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。即，流入該閉合面的電流之和等于流出該閉合面的電流之和。

例

電路如圖所示，根據(jù)已知支路電流，求出其他未知支路電流。

1.5.2基爾霍夫電壓定律對(duì)任一集總參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，如果從回路中任意一點(diǎn)出發(fā)，以順時(shí)針或逆時(shí)針方向沿回路繞行一周，所有支路電壓降（或“電壓升”）的代數(shù)和等于零。

推廣：對(duì)任一集總參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，環(huán)繞任一假想回路（可自行假定為逆時(shí)針環(huán)繞或者順時(shí)針環(huán)繞），所有支路電壓降（或“電壓升”）的代數(shù)和等于零。

1.6單口網(wǎng)絡(luò)及等效單口網(wǎng)絡(luò)：一組元件組成的整體，若只有兩個(gè)端鈕和外電路相聯(lián)，則稱其為單口網(wǎng)絡(luò)，或二端網(wǎng)絡(luò)。單口網(wǎng)絡(luò)端口上電壓U和電流I的關(guān)系稱為單口網(wǎng)絡(luò)的伏安特性（VCR），該特性由其本身決定，外電路無關(guān)。如果單口網(wǎng)絡(luò)N1和單口網(wǎng)絡(luò)N2的伏安關(guān)系完全相同，則稱這兩個(gè)單口網(wǎng)絡(luò)N1和N2是等效的。盡管這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有完全不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但對(duì)于任一外電路來說，它們的作用相同。1.6.1電阻串并聯(lián)等效

1.6.2電源等效理想電源的串聯(lián)和并聯(lián)

例

求圖所示單口網(wǎng)絡(luò)的等效電路，并寫出其VCR。

等效電路【理想電源等效注意事項(xiàng)】（1）多個(gè)理想電壓源串聯(lián)在一起，可以等效成一個(gè)理想電壓源，等效出的理想電壓源為多個(gè)串聯(lián)理想電壓源的代數(shù)和，注意等效電壓源方向。（2）多個(gè)理想電流源并聯(lián)在一起，可以等效成一個(gè)理想電流源，等效出的理想電流源為多個(gè)并聯(lián)理想電流源的代數(shù)和，注意等效電流源方向。（3）原則上理想電壓源不并聯(lián)，如果要并聯(lián)，必須保證大小方向一致。（4）原則上理想電流源不串聯(lián)，如果要串聯(lián)，必須保證大小方向一致。實(shí)際電源之間的等效變換

【實(shí)際電源等效變換注意事項(xiàng)】（1）理想電流源的大小等于理想電壓源大小除以它的串聯(lián)電阻；理想電壓源的大小等于理想電流源大小乘以它的并聯(lián)電阻。串聯(lián)R電阻和并聯(lián)電阻R’相等。（2）等效出的理想電流源方向?yàn)榧^指向理想電壓源的“+”端，即理想電流源的電流方向指向理想電壓源的高電位。例

試用實(shí)際電壓源模型和實(shí)際電流源模型等效變換的方法，計(jì)算圖中3Ω電阻上的電流I。

解：

根據(jù)實(shí)際電源等效變換法，可畫出下圖

最簡(jiǎn)電路1.7疊加定理在線性電路中，若含有多個(gè)獨(dú)立電源共同作用在某一支路中產(chǎn)生的電壓或電流，等于各獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的電壓或電流的代數(shù)和，這一定理稱為疊加定理。線性元件：當(dāng)元件的VCR關(guān)系呈線性特性線性電路：由線性元件、獨(dú)立電源構(gòu)成的電路

a)電路原圖b)電壓源Us1單獨(dú)作用c)電壓源Us2單獨(dú)作用當(dāng)某個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)，其它電源置零，即電壓源電壓為零，相當(dāng)于短路；電流源電流為零，相當(dāng)于開路?！警B加定理分析步驟】（1）畫出每個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)的電路圖。有幾個(gè)獨(dú)立源就畫幾個(gè)分電路圖，每個(gè)分電路圖中保留一個(gè)獨(dú)立源，其他的獨(dú)立源置零處理（電壓源短路，電流源開路）；待求變量符號(hào)與原圖要有所區(qū)別，如原圖中待求變量為I，則分電路圖中可以采用I'、I''等變量名來表示。（2）運(yùn)用學(xué)過的分析方法，求解分電路圖中的電流或電壓分量。（3）將所有分量做代數(shù)疊加，求出待求變量。疊加時(shí)注意分量方向是否與原電路圖中的變量一致。

解：（1）12V電壓源單獨(dú)作用時(shí)，8A電流源置零處理，相當(dāng)于開路

（2）8A電流源單獨(dú)作用時(shí)，12V電壓源置零處理，相當(dāng)于短路

1.8受控源晶體管運(yùn)算放大器受控源又稱為非獨(dú)立電源，電壓或電流大小受電路中其他支路電壓或電流控制的電源。受控源是四端元件，它的輸出電壓或輸出電流（稱為受控量），受另外一條支路的電壓或電流（稱為控制量）的控制。根據(jù)控制量、受控量的不同，受控源分為四種：電壓控制電壓源（VCVS）、電流控制電壓源（CCVS）、電壓控制電流源（VCCS）、電流控制電流源（CCCS）。VCVSVCCSCCVSCCCS

【受控源分析注意事項(xiàng)】（1）受控電壓源的輸出電壓或受控電流源的輸出電流隨其控制量的變化而變化。在控制量不變的情況下，其特性與獨(dú)立源相同。（2）對(duì)于獨(dú)立源推導(dǎo)得出的結(jié)論，也適用于受控源。（3）在對(duì)含受控源電路的分析過程中，受控源的控制量所在支路必須保留。1.9電位的概念與計(jì)算

電位簡(jiǎn)化圖

a）b）1.10節(jié)點(diǎn)分析法節(jié)點(diǎn)電壓分析法以節(jié)點(diǎn)電壓為待求量，列寫電路方程求解電路的方法。節(jié)點(diǎn)電壓：

選電路中某節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)相對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的電壓。

依據(jù)：(1)

KCL

(2)

支路VCR

步驟：1、選擇參考節(jié)點(diǎn)，標(biāo)出其余節(jié)點(diǎn)電壓變量；3、求解節(jié)點(diǎn)電壓；4、求其它響應(yīng)。

2、列寫節(jié)點(diǎn)電壓方程：方程數(shù)=獨(dú)立節(jié)點(diǎn)數(shù)自電導(dǎo)互電導(dǎo)互電導(dǎo)流入節(jié)點(diǎn)電流源電流代數(shù)和【節(jié)點(diǎn)電位方程注意事項(xiàng)】（1）用節(jié)點(diǎn)法分析電路，無須再依據(jù)KVL和VCR組合方程求解變量，直接用整理出的節(jié)點(diǎn)方程一般形式列寫各獨(dú)立節(jié)點(diǎn)方程。（2）節(jié)點(diǎn)電位方程的個(gè)數(shù)=獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。（3）自電導(dǎo)系數(shù)前的符號(hào)為“+”，互電導(dǎo)系數(shù)前的符號(hào)為“-”。（4）方程等號(hào)右邊為流入電流源代數(shù)和，即電流源流入為“+”，電流源流出為“-”。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)分析法一般形式，一步到位列寫各節(jié)點(diǎn)電位方程：

1.11戴維南定理

線性含源單口網(wǎng)絡(luò)對(duì)外電路作用可等效為一個(gè)理想電壓源和電阻的串聯(lián)組合。其中：電壓源電壓Uo為該單口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓Uoc

；

電阻Ro為該單口網(wǎng)絡(luò)的除源輸入電阻Ro。

說明：（1）

該定理稱為等效電壓源定理，也稱為戴維南或戴維寧定理（Thevenin’sTheorem）；（2）由定理得到的等效電路稱為戴維南等效電路，Uoc

和Ro稱為戴維南等效參數(shù)。

解：

(1)根據(jù)戴維南定理，需要將原電路最終等效為下圖（1）（1）

解