電子電路與微處理器基礎(chǔ)FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor1.1電子技術(shù)基本概念1.2電的發(fā)展史1.3電子技術(shù)發(fā)展史1.4電子技術(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用第1章電子技術(shù)概述231.1.1電子產(chǎn)品舉例1.1.2電子技術(shù)1.1電子技術(shù)基本概念41.1.1電子產(chǎn)品舉例圖1-1-1手機(jī)

（左）外觀

（右）內(nèi)部電子產(chǎn)品或者電子設(shè)備：內(nèi)部都有電子電路，都能完成一定的功能和性能。51.1.2電子技術(shù)

電子技術(shù)是研究如何用電子元件（電子器件）組成電子電路和電子系統(tǒng)，以解決實(shí)際問(wèn)題的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。

研究?jī)?nèi)容：電子元件（主要為半導(dǎo)體器件）的原理和特性，電子電路的組成、原理、分析和設(shè)計(jì)方法，電子系統(tǒng)的組成、原理、分析和設(shè)計(jì)方法?？萍际堑谝簧a(chǎn)力，目的是造福人類(lèi)社會(huì)661.2.1古代電現(xiàn)象1.2.2電荷及其定理的發(fā)現(xiàn)1.2.3電池、電阻及電路的發(fā)明1.2.4電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1.2.5電路元件的發(fā)明1.2.6電的應(yīng)用1.2電的發(fā)展史學(xué)習(xí)發(fā)展史的重點(diǎn)在于學(xué)習(xí)科學(xué)家的發(fā)明創(chuàng)新的思想，了解科技發(fā)展的趨勢(shì)71.2.1古代電現(xiàn)象公元前三千年左右，在古埃及的壁畫(huà)里有會(huì)放電的電鯰魚(yú)。公元前兩千七百五十年的時(shí)候，有記載一種叫“尼羅河的雷霆”的電鰩，可以給人治病。古代阿拉伯人將雷電稱(chēng)為“raad”。古希臘哲學(xué)家泰勒斯最早研究了靜電現(xiàn)象。81.2.2電荷及其定理的發(fā)現(xiàn)1752年美國(guó)的本杰明·富蘭克林做的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，證明了閃電是自然界的放電現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)正、負(fù)電荷，電荷守恒定律。

1875年，查利·奧古斯丁·庫(kù)倫通過(guò)一個(gè)扭秤實(shí)驗(yàn)，證明了電荷之間的作用力（吸引力或者排斥力）正比于兩個(gè)電荷量的乘積，而反比于它們之間的距離；并研究出了作用力的精確表達(dá)式。

電荷之間的相互作用力電研究上升到精確科學(xué)研究！查爾斯·庫(kù)倫(1736-1806)本杰明·富蘭克林(1706-1790)91.2.3電池、電阻及電路的發(fā)明圖1-2-2伏打電池

（左）實(shí)物

（右）結(jié)構(gòu)1800年，亞歷山大·伏打發(fā)明了伏打電池，可以在電池兩極分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷。圖1-2-4常用的電阻

圖1-2-5手電筒及其電路亞歷山大·伏打(1745-1827)101.2.4電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)圖1-2-6電流的磁效應(yīng)1820年，丹麥的漢斯·奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)在1831年,英國(guó)物理學(xué)家麥克·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律圖1-2-7電磁感應(yīng)現(xiàn)象丹麥，漢斯·奧斯特(1777-1851)英國(guó)，麥克·法拉第(1791-1867)111.2.5電路元件的發(fā)明一、電容1746年，荷蘭物理學(xué)家彼得·凡·穆森布羅克發(fā)明了第一個(gè)公認(rèn)的電容器（簡(jiǎn)稱(chēng)為電容）即萊頓瓶（eydenjar），可以儲(chǔ)存電荷。圖1-2-8萊頓瓶

（左）

（右）結(jié)構(gòu)圖1-2-9電容結(jié)構(gòu)圖1-2-10普通電容實(shí)物荷蘭，彼得·凡·穆森布羅克（EwaldGeorgvonKleist，1692－1761）12二、電感1832年，約瑟夫·亨利證明了當(dāng)在螺旋線兩端加電壓u，產(chǎn)生電流

i后，在線圈中形成感應(yīng)磁場(chǎng)Φ，而感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生反向的感應(yīng)電流-iΦ，來(lái)抵制（或阻止）線圈中電流i的變化。

螺旋線簡(jiǎn)稱(chēng)為線圈，也稱(chēng)為電感。圖1-2-11電感（左）結(jié)構(gòu)

（右）實(shí)物約瑟夫·亨利（JosephHenry，1797－1878）13三、電磁繼電器圖1-2-12電磁繼電器

（左）電路圖

（右）實(shí)物

電磁繼電器是一種用較小的電流、較低的電壓控制較大電流、較高的電壓的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”141.2.6電的應(yīng)用一、電報(bào)

為了簡(jiǎn)化字符的編碼，美國(guó)的塞繆爾·莫爾斯于1837年發(fā)明了莫爾斯碼，用“點(diǎn)”和“劃線”對(duì)字符進(jìn)行編碼，不同的字符對(duì)應(yīng)不同的編碼。圖1-2-13莫爾斯碼（點(diǎn)、劃線）美國(guó)，塞繆爾·莫爾斯(1791-1872)151.2.6電的應(yīng)用一、電報(bào)

若將“點(diǎn)”和“劃線”的編碼對(duì)應(yīng)為數(shù)字“0”和“1”，則電磁繼電器的開(kāi)關(guān)（按鍵）輸入信號(hào)和觸點(diǎn)輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)編碼為數(shù)字信號(hào)“0”和“1”。

數(shù)字信號(hào)是離散的信號(hào)，只在電報(bào)員或觸點(diǎn)動(dòng)作的時(shí)候出現(xiàn)，其他時(shí)間不出現(xiàn)，因此在時(shí)間上是分散（離散）的；并且只取離散的數(shù)值“0”和“1”。電報(bào)機(jī)16二、電話亞歷山大·貝爾于1876年發(fā)明了電話。圖1-2-14語(yǔ)音信號(hào)：連續(xù)的模擬信號(hào)

模擬信號(hào)是一種連續(xù)變化的信號(hào)，用于模擬自然界的各種物理、化學(xué)、生物等的信號(hào)，例如聲音、溫度、壓力、顏色、亮度、脈搏等亞歷山大·貝爾(1847-1922)電話機(jī)17三、無(wú)線電報(bào)1895年意大利的馬可尼發(fā)明了無(wú)線電報(bào)。圖1-2-15無(wú)線電報(bào)發(fā)報(bào)裝置原理圖意大利，古列爾莫·馬可尼(1874-1937)18四、計(jì)算機(jī)1941年德國(guó)的朱賽（Zuse）最先研制成了全自動(dòng)的繼電器計(jì)算機(jī)Z-3，即第一代電計(jì)算機(jī)，它已具備程序控制、數(shù)字存儲(chǔ)等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特征，標(biāo)志著電的應(yīng)用發(fā)展到了一個(gè)新的階段。全自動(dòng)繼電器計(jì)算機(jī)Z-3191.3.1電子管的發(fā)明1.3.2晶體管的發(fā)明1.3.3集成電路的發(fā)明1.3.4電子技術(shù)的早期應(yīng)用1.3電子技術(shù)發(fā)展史201.3.1電子管的發(fā)明一、電子二極管1904年，在無(wú)線電公司工作的英國(guó)電氣工程師約翰·弗萊明，受到“愛(ài)迪生效應(yīng)”的啟發(fā)，發(fā)明了世界上第一個(gè)電子管—真空二極管，可以在無(wú)線電檢波中作開(kāi)關(guān)用。圖1-3-1真空二極管（電子二極管）（左）原理圖

（右）實(shí)物圖電子二級(jí)管：電壓→金屬絲（陰極）→發(fā)射電子→金屬網(wǎng)（陽(yáng)極）→產(chǎn)生電流；反過(guò)來(lái)就沒(méi)有電流；相當(dāng)于開(kāi)關(guān)21二、電子三極管1907年，美國(guó)李·德佛瑞斯特給電子二極管增加了第三個(gè)電極—控制柵，研究出了真空三極管（也稱(chēng)為電子三極管，簡(jiǎn)稱(chēng)為電子管）。圖1-3-2真空三極管原理圖三、電子管的應(yīng)用電子管廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)，等。圖1-3-3第一臺(tái)電子管通用計(jì)算機(jī)-伊尼亞克(ENIAC)221.3.2晶體管的發(fā)明1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位科學(xué)家肖克利（WilliamSchockley）、巴?。↗ohnBardeen）和布萊頓（WalterBrattain）發(fā)明了用半導(dǎo)體材料制作的晶體管（Transistor），并于1956年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖1-3-4發(fā)明晶體管的三位科學(xué)家圖1-3-5現(xiàn)代晶體管實(shí)物231.3.3集成電路的發(fā)明1958年，美國(guó)德州儀器公司的工程師JackKilby發(fā)明了鍺半導(dǎo)體材料制成的集成電路(IntegratedCircuit，簡(jiǎn)稱(chēng)為IC)，將具有某一功能的電路全部制作在一塊半導(dǎo)體上，加上封裝和引腳。

1959年，美國(guó)仙童公司（Fairchild）的RobortNoyce發(fā)明了硅半導(dǎo)體材料制成的集成電路。圖1-3-6JackKilby制作的鍺半導(dǎo)體集成電路

241.3.3集成電路的發(fā)明1965年，美國(guó)科學(xué)家摩爾（Moore）預(yù)測(cè)出了集成電路的發(fā)展趨勢(shì)：集成電路的集成度每隔十八個(gè)月要翻一番（即它上面的元件的數(shù)目要增加一倍），但是它的成本卻要降低一倍，這就是著名的摩爾定律。圖1-3-7現(xiàn)代集成電路芯片251.3.4電子技術(shù)的早期應(yīng)用

半導(dǎo)體元件和集成電路早期應(yīng)用于電話、電報(bào)、收音機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等，開(kāi)啟了信息化時(shí)代即第三次工業(yè)革命。1960年，我國(guó)自行研制了第一套1000門(mén)自動(dòng)電話交換機(jī)。1961年，美國(guó)德克薩斯儀器公司與美國(guó)軍方合作，研制出第一臺(tái)集成電路電子計(jì)算機(jī)。1964年，美國(guó)IBM生產(chǎn)出了由混合集成電路制成的IBM360計(jì)算機(jī)，成為第三代計(jì)算機(jī)的主要里程碑。261.4.1電子電路的功能1.4.2電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.4電子技術(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用271.4.1電子電路的功能1.通信2.信號(hào)處理3.計(jì)算4.測(cè)量5.控制6.其它功能

例如顯示信息、存儲(chǔ)信息等。281.4.2電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)、醫(yī)療、交通、農(nóng)業(yè)、通信、工業(yè)、航空航天、軍事、測(cè)量等領(lǐng)域。圖1-3-10手機(jī)與音箱之間傳輸音樂(lè)歌曲29圖1-3-11石油聲波測(cè)井儀器圖1-3-12嫦娥五號(hào)探測(cè)器清華大學(xué)自動(dòng)化系2025.08電子電路與微處理器基礎(chǔ)葉朝輝FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor2.1電子系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成2.3現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法2.4現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則第2章電子系統(tǒng)31322.1.1電子系統(tǒng)定義2.1.2電信號(hào)及信息2.1.3電子電路2.1.4電子元件2.1.5電子零部件2.1電子系統(tǒng)簡(jiǎn)介332.1.1電子系統(tǒng)定義

電子系統(tǒng)是指由若干相互連接、相互作用的電子電路和其它零部件組成，能夠產(chǎn)生或處理電信號(hào)及信息的完整的裝置。342.1.2電信號(hào)及信息一、信息、消息與信號(hào)信息：人類(lèi)社會(huì)和自然界中需要傳送、交換、存儲(chǔ)和提取的抽象內(nèi)容。消息：表示信息的語(yǔ)言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等。信號(hào)：運(yùn)載消息的物理量，它們是時(shí)間或空間的函數(shù)，所攜帶的消息則體現(xiàn)在它們的變化之中。由于電信號(hào)容易產(chǎn)生、傳輸和控制，也容易實(shí)現(xiàn)與其它物理量的相互轉(zhuǎn)換，因此是應(yīng)用最廣泛的信號(hào)。35二、電信號(hào)電信號(hào)：隨時(shí)間變化的電壓或電流，可以用波形或函數(shù)表示。數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間或數(shù)值上均離散的電信號(hào)，例如電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)等。（a）開(kāi)關(guān)信號(hào)

（b）數(shù)據(jù)采集信號(hào)圖2-1-1數(shù)字信號(hào)36二、電信號(hào)模擬信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上均連續(xù)的電信號(hào)，例如聲音、亮度、顏色、溫度、壓力、流量、心電信號(hào)等。（a）溫度信號(hào)

（b）聲音信號(hào)

（c）脈搏信號(hào)圖2-1-2模擬信號(hào)372.1.3電子電路電子電路：用于產(chǎn)生或處理電信號(hào)。模擬電路(AnalogElectronicCircuit)：用于產(chǎn)生或處理模擬信號(hào)，其最基本的處理為放大，此外還有濾波、運(yùn)算、信號(hào)產(chǎn)生電路等。數(shù)字電路(DigitalElectronicCircuit)：用于產(chǎn)生或處理數(shù)字信號(hào)，其最基本的處理為邏輯運(yùn)算，此外還有數(shù)學(xué)運(yùn)算，以及計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)等。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路：用于實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路或模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter，簡(jiǎn)稱(chēng)為A/D或者ADC)：實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。數(shù)-模轉(zhuǎn)換電路或數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter，簡(jiǎn)稱(chēng)為D/A或者DAC)：實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。382.1.4電子元件

常用的電子元件包括電阻、電容、電感、半導(dǎo)體器件，而半導(dǎo)體器件主要包括二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成電路等。

集成電路（IntegratedCircuit，簡(jiǎn)稱(chēng)IC）：采用一定的制造工藝，將電子元件、電阻、電容等組成的具有完整功能的電路制作在同一塊半導(dǎo)體基片上（直徑約為3-10mm），然后加上外部封裝和引腳所構(gòu)成的器件。392.1.4電子元件微處理器：?jiǎn)纹呻娐?，主要由?shù)字電路組成，通常具有信息處理、存儲(chǔ)等功能。片上系統(tǒng)SoC(SystemonChip)：在一塊半導(dǎo)體上集成了多種功能的電路，一個(gè)芯片即可以組成一個(gè)電子系統(tǒng)，也稱(chēng)為系統(tǒng)級(jí)芯片。分立元件：非集成電路的電子元件。硬件：電子元件及其組成的電子電路。軟件：微處理器或SoC中的微處理器中運(yùn)行的程序通常稱(chēng)為。402.1.5電子零部件電子零部件：傳感器（例如麥克風(fēng)、攝像頭、溫度傳感器等）；執(zhí)行器（例如揚(yáng)聲器、蜂鳴器、電機(jī)、閥門(mén)等）；顯示器（例如液晶屏、數(shù)碼管等）；鍵盤(pán)和按鍵；有線或無(wú)線通信信號(hào)的發(fā)射或接收裝置、信號(hào)傳輸線；電子產(chǎn)品的外殼等。412.2.1現(xiàn)代電子器件的特點(diǎn)2.2.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成2.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成422.2.1現(xiàn)代電子器件的特點(diǎn)

現(xiàn)代集成電路的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，例如多核微處理器、片上系統(tǒng)等。432.2.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成圖2-2-1現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成現(xiàn)代電子系統(tǒng)通常以微處理器和SoC為核心組成。一、組成

電子系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生或者處理電信號(hào)，包括信號(hào)提取、信號(hào)處理、信號(hào)輸出三部分。44二、舉例1.石油聲波測(cè)井信號(hào)采集和處理系統(tǒng)圖2-2-2石油聲波測(cè)井信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的功能和組成452.智能家居安防報(bào)警系統(tǒng)圖2-2-4安防報(bào)警模塊組成圖2-2-5無(wú)線網(wǎng)關(guān)組成462.3.1電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2.3.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和流程2.3.3現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例2.3現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法472.3.1電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述一、需要考慮的因素功能和性能：設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮其功能和性能是否能滿足要求。成本和外觀：電子系統(tǒng)都有一定的成本，有不同的外觀，在設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮。時(shí)間：完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能有設(shè)計(jì)時(shí)間要求，即要求在一定時(shí)間內(nèi)完成，在設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮。48二、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)類(lèi)型

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)分為確定型設(shè)計(jì)和創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，根據(jù)性能要求又分為原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。確定型設(shè)計(jì)與創(chuàng)新型設(shè)計(jì)原型設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)（1）原型設(shè)計(jì)

（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖2-3-1脈搏測(cè)量?jī)x原型系統(tǒng)492.3.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和流程一、確定型設(shè)計(jì)1.原型設(shè)計(jì)流程 1）需求分析 2）功能劃分 3）軟硬件功能劃分 4）方案設(shè)計(jì) 5）軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 6）軟硬件單獨(dú)仿真和驗(yàn)證 7）軟硬件聯(lián)合驗(yàn)證502.產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的除了第4步外，其余6個(gè)步驟與原型設(shè)計(jì)的相同，此外還需增加3個(gè)步驟。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的步驟4至10如下所示： 4）方案設(shè)計(jì) 5）軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 6）軟硬件單獨(dú)仿真和驗(yàn)證 7）軟硬件聯(lián)合驗(yàn)證 8）系統(tǒng)制作 9）系統(tǒng)測(cè)試 10）產(chǎn)品制作51與確定型設(shè)計(jì)相比，創(chuàng)新型設(shè)計(jì)的流程多了一個(gè)步驟，即第一步：1）創(chuàng)意醞釀：根據(jù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，確定待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能、性能以及時(shí)間等其他條件限制。

其余步驟與確定型設(shè)計(jì)相同。

創(chuàng)新型設(shè)計(jì)也分為原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這兩種設(shè)計(jì)步驟的區(qū)別與確定型設(shè)計(jì)中的兩種設(shè)計(jì)步驟的區(qū)別相同。522.3.3現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)內(nèi)容：確定型脈搏儀原型。設(shè)計(jì)目的：該設(shè)計(jì)為課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。一、需求分析1.功能：測(cè)量人體脈搏，顯示脈搏次數(shù)和脈搏信號(hào)。2.性能：1）供電電源：+/-15V，或者+/-5V2）測(cè)量脈搏范圍及精度：大于30次/分鐘且小于180次/分鐘，即約為0.5次/秒(赫茲，Hz)至3次/秒，精度為2%（即錯(cuò)誤率小于等于2%）。53二、功能劃分脈搏信號(hào)獲取脈搏信號(hào)處理脈搏信號(hào)顯示圖2-3-2脈搏儀系統(tǒng)功能框圖54三、軟硬件功能劃分

脈搏儀硬件主要功能：傳感器采集脈搏信號(hào)、模擬電路和A/D處理脈搏信號(hào)、顯示器顯示脈搏次數(shù)和信號(hào)；

微處理器軟件主要功能：脈搏次數(shù)計(jì)算和波形分析。四、

方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)為課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，只需要完成原型設(shè)計(jì)，因此可以選用易于快速實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件。1.通過(guò)調(diào)查選擇集成了紅外發(fā)光二極管、紅外接收管和信號(hào)放大電路的脈搏傳感器模塊；

2．模擬電路選擇：采用放大電路和濾波電路。3．通過(guò)調(diào)查選擇內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器的SoC微處理器或。55五、軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)硬件電路，畫(huà)出原理圖，計(jì)算性能參數(shù)；詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件步驟，畫(huà)出流程圖，編寫(xiě)程序。七、軟硬件聯(lián)合驗(yàn)證

最后將硬件連接起來(lái)，讓軟件和硬件同時(shí)工作，來(lái)驗(yàn)證硬件和軟件的整體功能和性能，若滿足要求則設(shè)計(jì)結(jié)束，否則需要修改設(shè)計(jì)，直至滿足要求。六、軟硬件單獨(dú)仿真和驗(yàn)證

模擬電路部分可以用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，程序可以采用廠商提供的仿真工具進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。56圖2-3-3Multisim仿真軟件界面57圖2-3-5電路板圖2-3-4在面包板上搭建硬件電路582.4現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的因素：功能、性能、成本、外觀、時(shí)間等。

通常的設(shè)計(jì)原則：在滿足功能和性能要求的情況下，盡可能做到簡(jiǎn)單、成本低、體積小、重量輕、時(shí)間短等。清華大學(xué)自動(dòng)化系2025.08電子電路與微處理器基礎(chǔ)葉朝輝FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor3.1電路基本概念3.2電路基本定律3.3電路基本分析方法3.4電路基本定理3.5電容、電感和變壓器3.6動(dòng)態(tài)電路分析3.7正弦穩(wěn)態(tài)電路分析第3章電路基礎(chǔ)60613.1.1電路及其模型3.1.2電流和電壓3.1.3電功率3.1.4電路元件3.1電路基本概念62電子電路功能：信息的傳輸、控制與處理。1.電路電路：由電氣和電子元件（器件）互相連接組成的電流通路。電路功能：a.能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；（風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電）

b.信息的傳輸、控制與處理。（計(jì)算機(jī)、手機(jī)）

電子電路：由電氣和電子元件（器件）互相連接組成的電流通路。3.1.1電路及其模型63電路模型：用理想電路元件代替實(shí)際電路元件及其連接的電路。2.電路模型理想電路元件：忽略元件內(nèi)部電磁物理過(guò)程，而僅關(guān)注其電磁性能（電壓和電流）的理想元件。元件符號(hào)電池開(kāi)關(guān)燈泡64

電流：帶電粒子(電荷)有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)電流強(qiáng)度(大小)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量1.電流

電荷量：1庫(kù)侖相當(dāng)于6.24146×1018個(gè)電子所帶的電荷總量3.1.2電流和電壓△表示增量（即變化量），△q為電荷量的增量，△t為單位時(shí)間65實(shí)際方向：規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向1kA=103A1mA=10-3A1

A=10-6A電流單位：A（安[培]，庫(kù)侖/秒）、kA、mA、

A

66參考方向：任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。i>0相同i<0相反電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：67

電壓u：?jiǎn)挝徽姾蓂從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所作功（W）的大小稱(chēng)為兩點(diǎn)之間的電壓。電位

：?jiǎn)挝徽姾蓂從電路中一點(diǎn)移至參考點(diǎn)（

＝0）時(shí)電場(chǎng)力作功的大小。實(shí)際電壓方向：電位真正降低的方向。

單位：V(伏[特])、kV、mV、

V2.電壓（電勢(shì)差）參考點(diǎn)、公共端、地（

＝0）

A＝uuAB＝

A-

B＝u

B＝01800年意大利物理學(xué)家伏特(1745-1827)發(fā)明了伏打電池uAB68u>0<0u

電壓的參考方向：假設(shè)高電位指向低電位的方向。相同相反69例3.1.1已知電路中三個(gè)點(diǎn)的電位分別為φa=5V,

φb=-3V,φc=1V，求Uab和Ucb解：Uab=φa-φb=(5+3)V=8V

Ucb=φc-φb=(1+3)V=4V70

功率的單位：W(瓦[特])能量的單位：J(焦[耳])電功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷所作的功

JamesWatt1736-18191焦耳=1瓦特*1秒焦耳定律3.1.3電功率△??為消耗或吸收電能的增量，單位為焦耳(J)；△t為單位時(shí)間，單位為秒（s）71例3.1.2電路如圖3-1-9所示，已知uS=5V,

i=1A,u=1V，求電源提供的功率PS和R2消耗的功率P2。圖2-1-9

72一、常用電路元件電阻：表示消耗電能的元件。電容：表示產(chǎn)生電場(chǎng)、儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件。電壓源和電流源：表示將其他形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。電子元件：表示能量控制和轉(zhuǎn)換的元件，例如晶體管。電感：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)、儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件。3.1.4電路元件73二、電阻u-i

關(guān)系滿足歐姆定律電路符號(hào)k

(103

),M

(106

)u

Ri

i

Gu關(guān)聯(lián)參考方向電導(dǎo)率：描述物體導(dǎo)電能力的參數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為電導(dǎo)G，單位為西門(mén)子

，簡(jiǎn)稱(chēng)為西(S)。電阻率：描述物體阻礙導(dǎo)電的能力，簡(jiǎn)稱(chēng)為電阻，記為R，單位為歐姆，簡(jiǎn)稱(chēng)為歐(

)。二端元件74例3.1.3電路如圖3-1-12所示，已知R=100Ω。（1）若i=0.1A，求u；（2）若i=-0.1A，求u。解：（1）u=iR=10V；（2）u=iR=-10V。圖3-1-1275三、理想電壓源和電流源1.理想電壓源：其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過(guò)它的電流i

無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。電路符號(hào)

電壓源嚴(yán)禁被短路！短路開(kāi)路注意參考方向762.理想電流源：其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。電路符號(hào)

電流源不能開(kāi)路！注意參考方向三、理想電壓源和電流源773.理想電源的串聯(lián)和并聯(lián)

理想電壓源的串聯(lián)和并聯(lián)串聯(lián)

注意參考方向并聯(lián)

相同的理想電壓源才能并聯(lián),電源中的電流不確定。電壓源一般不并聯(lián)！uS1+_+_iuS2+_u78理想電流源的串聯(lián)和并聯(lián)相同的理想電流源才能串聯(lián),每個(gè)電流源的端電壓不能確定。電流源一般不串聯(lián)！串聯(lián)并聯(lián)

iiS2iS1注意參考方向79四、直流電源與交流電源直流電壓源：電壓保持定值，例如電池、直流電源、直流發(fā)電機(jī)提供的電壓。交流電壓源：電壓保持一定的時(shí)間函數(shù)，例如交流信號(hào)源、交流發(fā)電機(jī)提供的電壓。（a）理想直流電壓源

（b）正弦交流電壓源80五、獨(dú)立電源與受控電源

獨(dú)立電源的值僅由其內(nèi)部決定，與外部其它電路無(wú)關(guān)；而受控電源的值受外部電路的某部分電壓或電流的控制。

按照受控量和控制量的不同，受控電源又分為四種：電壓控制的電壓源，電流控制的電壓源，電壓控制的電流源，電流控制的電流源。二端或一端口81gu1（1）電壓控制的電壓源（2）電流控制的電壓源

82（4）電流控制的電流源（3）電壓控制的電流源

g:轉(zhuǎn)移電導(dǎo)（跨導(dǎo)）

83

受控源與獨(dú)立源的比較獨(dú)立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其他電壓、電流無(wú)關(guān)，例如電池、信號(hào)發(fā)生器；而受控源電壓(或電流)由控制量決定。獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，沒(méi)有獨(dú)立源電路無(wú)法工作；而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對(duì)另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，在電路中不能作為“激勵(lì)”。84例2.求電壓u2。

5i1+_u2_i1+3u1=6V

-3V+_+_5V+_u例1.求電壓u、電流i。-2mA10mAi

2853.2.1基本概念3.2.2基爾霍夫定律(Kirchhoff'sLaw)3.2.3簡(jiǎn)單電阻電路分析3.2電路基本定律86電路中通過(guò)同一電流的分支。b=31.支路2.節(jié)點(diǎn)三條以上支路的連接點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，例如a和b。n=23.2.1基本概念87l=333.回路88一、基爾霍夫電流定律(KCL)令流出為“+”、流入為“-”，有：

任意時(shí)刻，對(duì)任意節(jié)點(diǎn)，流出（或流入）該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。

流入的總電流等于流出的總電流3.2.2基爾霍夫定律(Kirchhoff'sLaw)89

三式相加得：

KCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)節(jié)點(diǎn)的任一閉合面。節(jié)點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)2節(jié)點(diǎn)390二、基爾霍夫電壓定律(KVL)

（1）標(biāo)定各元件電壓實(shí)際方向或者參考方向。（2）選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針。

任一時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。（3）若回路繞行方向是從元件或者支路電壓的正極指向負(fù)極，則電壓為“+”，否則為“-”。91–uA+uB+uC=0uB+uC=uAKVL也可以推廣至回路的部分電路，節(jié)點(diǎn)b和a之間的電壓可表示為uba=

uA=

uB+uC。92一、電阻串聯(lián)各電阻位于同一支路，流過(guò)同一電流

i

根據(jù)KVL定律，總電壓等于各電阻的電壓之和

等效

3.2.3簡(jiǎn)單電阻電路分析93串聯(lián)電阻的分壓兩個(gè)電阻的分壓：

電位器，可調(diào)電阻：

滑動(dòng)端94二、電阻并聯(lián)根據(jù)KVL，各電阻兩端為同一電壓

u根據(jù)KCL，總電流等于流過(guò)各并聯(lián)電阻的電流之和i=i1+i2+

…+ik+…+in

95

96并聯(lián)電阻的分流兩個(gè)電阻的分流：

973.3電路基本分析方法

電路分析的目的是求解出指定的電壓和電流值。首先需要指定一些（n個(gè)）未知的變量，然后利用KCL或KVL列寫(xiě)（n個(gè)）方程組，最后聯(lián)立求解。n個(gè)節(jié)點(diǎn)、b條支路，求解b條支路電流，需列出b個(gè)獨(dú)立的電路方程：以支路電流為未知量，列寫(xiě)電路方程分析電路的方法，適合于支路數(shù)不多的情況，也是最常用的方法。標(biāo)定各支路電流（電壓）的參考方向；選定n–1個(gè)節(jié)點(diǎn)，列寫(xiě)其KCL方程；再選定b–(n–1)個(gè)回路，指定回路繞行方向，結(jié)合KVL和支路方程列寫(xiě)回路方程；求解上述方程，得到b條支路電流。進(jìn)一步進(jìn)行其他分析。1.支路電流法99已知R1=R2=R3=1kΩ，US1=5V，US2=1V。試用支路電流法求解支路電流I1、I2、I3的數(shù)值。利用KCL對(duì)節(jié)點(diǎn)a列寫(xiě)方程：-I1+I2+I3=??選取2個(gè)網(wǎng)孔為獨(dú)立回路（回路1和回路2），利用KVL列寫(xiě)方程：US2+I2R2+I1R1-US1=0I3R3-I2R2-US2=0聯(lián)立上述三個(gè)方程求解，得到：I1=3mA，I2=1mA，I3=2mA。100以節(jié)點(diǎn)電壓為未知量列寫(xiě)電路方程分析電路的方法。適用于節(jié)點(diǎn)較少的電路，也是較常用的方法。標(biāo)定各支路電流（電壓）的參考方向，將支路電流用該組節(jié)點(diǎn)電壓表示。選定參考節(jié)點(diǎn)，標(biāo)明其余n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓。列寫(xiě)n-1個(gè)獨(dú)立的KCL方程。進(jìn)一步進(jìn)行其他分析。2.節(jié)點(diǎn)電壓法101

實(shí)際上是用節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流為未知量，列寫(xiě)b+n-1個(gè)方程。102以回路電流為未知量列寫(xiě)電路方程分析電路的方法。適用于回路較少的電路，也是較常用的方法。將支路電壓用回路電流表示。選定l個(gè)獨(dú)立回路，標(biāo)明回路電流的參考方向。列寫(xiě)l個(gè)獨(dú)立回路的KVL方程。進(jìn)一步進(jìn)行其他分析。求解上述方程，得到l個(gè)回路電流。3.回路電流法實(shí)際分析電路時(shí)：需要根據(jù)電路特點(diǎn)和求解對(duì)象靈活運(yùn)用各分析方法；有時(shí)還可以結(jié)合幾種方法來(lái)分析，可以同時(shí)以節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流、獨(dú)立回路電流、元件電壓或者端口電壓的一種或者多種作為變量，列寫(xiě)足夠數(shù)量的方程來(lái)求解。104uS1=i1R1+i2R2例：已知uS1=5V，i3=6mA，R1=R2=R3=1kΩ，求i1。i1=5.5mA+_R1uS1i3R2R3abi2i1

i1=i2+i35V

=i1*1k

+i2*1k

i1=i2+

6mA

ua=uS1-i1R1ua=i2R2-i1+i2+i3=0i2=-0.5mA1.支路電流法2.節(jié)點(diǎn)電壓法

ua=i2R2=-0.5V

ui3=

ua

–i3R3=-6.5V

+-ua=uS1-i1R11053.4.1疊加定理與齊性定理3.4.2戴維南定理與諾頓定理3.4電路基本定理106

線性電路中，任一支路的電流（或任意兩個(gè)端之間的電壓），都等于所有獨(dú)立電源（激勵(lì)）單獨(dú)作用時(shí)，在該支路產(chǎn)生的電流（或該兩個(gè)端之間的電壓）（響應(yīng)）的代數(shù)和。獨(dú)立電源單獨(dú)作用：其它獨(dú)立電壓源為零-短路

其它獨(dú)立電流源為零-開(kāi)路?？梢砸淮我粋€(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用，也可以一次幾個(gè)獨(dú)立源同時(shí)作用。R1iS1R2R3uS3i2i3+–+–uS2一、疊加定理3.4.1疊加定理與齊性定理107=++

R1iS1R2R3R1R3

uS2+–R2R1R3uS3+–

R2

R1iS1R2R3uS3i2i3+–+–uS2i2=i2(1)

+i2(2)+i2(3)

求i2、i3i3=i3(1)

+i3(2)+i3(3)

108

109線性電路中，當(dāng)所有獨(dú)立源都增大或縮小k倍（k為實(shí)常數(shù)）時(shí)，所有支路電流或電壓也將同樣增大或縮小k倍。當(dāng)只有一個(gè)獨(dú)立源時(shí)，則響應(yīng)與激勵(lì)成正比。

疊加定理和齊性定理適用于由獨(dú)立源、受控源、無(wú)源器件（電阻、電容、電感）和變壓器組成的線性電路。二、齊性定理110例：已知US1=6V，US2=3V，R1=R2=R3=2kΩ，求i1。用疊加定理求解。+_R1US1+_US2R2R3abi3i2i1i1(1)=2mAi1(1)=US1/(R1+R2//R3)

令US2=0i1(2)=-0.5mAi3(2)=

-US2/(R3+R1//R2)=

-1mA令uS1=0i1=i1(1)+i1(2)=1.5mA111

在分析復(fù)雜電路時(shí)，有時(shí)僅對(duì)電路的一部分電壓或電流感興趣，此時(shí)可以將其余部分電路進(jìn)行等效變換，以簡(jiǎn)化電路分析。戴維南定理和諾頓定理可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路的等效。3.4.2戴維南定理與諾頓定理112一個(gè)含有獨(dú)立電源、線性受控源及電阻的一端口（二端）電路，其對(duì)外部的作用都可以用一個(gè)理想電壓源U和一個(gè)電阻R的串聯(lián)電路來(lái)等效置換;電壓源U的數(shù)值等于一端口電路在端口處的開(kāi)路電壓uoc

，電阻R等于該端口內(nèi)部所有獨(dú)立電源均為零時(shí)電路在端口處開(kāi)路的等效電阻（輸入電阻）Req。一、戴維南定理:法國(guó)科學(xué)家L·C·戴維南于1883年提出注意參考方向11310

10

+–20V+–Uocab+–10VI(1)求開(kāi)路電壓Uoc(2)求等效電阻Req

5

15VabReqUoc+-應(yīng)用戴維南定理求開(kāi)路電壓Uoc和等效電阻Req

114

115任何一個(gè)含源線性一端口電路，對(duì)外電路來(lái)說(shuō)，可以用一個(gè)電流源和電阻的并聯(lián)組合來(lái)等效置換；電流源的電流等于該一端口的短路電流，電阻等于該一端口的輸入電阻。二、諾頓定理注意參考方向116例：用諾頓定理求電流I。求短路電流IscI1=12/2A=6A

I2=(12+24)/10A=3.6AIsc=-(I1+I2)

=-9.6A求等效電阻Req諾頓等效電路應(yīng)用分流公式

Req2

10

4

I-9.6A1.67

12V2

10

+–24V4

I+–

I1I2117兩個(gè)定理的應(yīng)用：電源的等效變換

實(shí)際電壓源和電流源兩種模型可以用兩個(gè)定理進(jìn)行等效變換。uS

=

iSRSiS=uS

/RS兩個(gè)端口特性相同，兩個(gè)電源可以互相等效iRS+u_iSi+_uSRS+u_諾頓定理戴維南定理u=uS

–RS

ii=iS

-u/RS=(uS–u)/RS1183.5.1

電容3.5.2電感3.5.3變壓器3.5電容、電感和變壓器119

1.電容的結(jié)構(gòu)

又稱(chēng)為電容器，由兩個(gè)導(dǎo)體用絕緣材料分開(kāi)而組成。在電容兩端加電壓，兩個(gè)極板上分別帶上等量異號(hào)電荷，撤去電源，電極上的電荷仍可長(zhǎng)久地聚集下去，是一種儲(chǔ)存電能的元件。3.5.1

電容120

電容特點(diǎn)

任何時(shí)刻，電容極板上的電荷q與電壓u成正比。

電路符號(hào)F(法拉),常用

F，nF

，pF等表示。單位1F=106

F1F=103

nF1

F=106pF

3.電容的電壓-電流關(guān)系u、i

取關(guān)聯(lián)參考方向當(dāng)u為常數(shù)(直流)時(shí)，i

=0，電容相當(dāng)于開(kāi)路，電容有隔斷直流的作用。某一時(shí)刻電容電流i

的大小取決于電容電壓u

的變化率，而與該時(shí)刻電壓u的大小無(wú)關(guān)。電容是動(dòng)態(tài)元件。40

122當(dāng)電流i

通過(guò)螺線管（線圈）時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生反向的感應(yīng)電流，來(lái)抵制（或阻止）線圈中i

的變化。電感是一種儲(chǔ)存磁能的元件。右手螺旋法則每匝線圈中產(chǎn)生磁通

(t)

總磁通鏈為

(t)＝N(t)3.5.2電感磁鏈

與電流i成正比，

-i

（韋-安）特性為過(guò)原點(diǎn)的直線123

電路符號(hào)H(亨利)，常用

H，mH表示單位電感器的自感1H=103

mH1mH=103

H+-uiL電感電壓u的大小取決于i

的變化率,與i

的大小無(wú)關(guān)，電感是動(dòng)態(tài)元件。當(dāng)i為常數(shù)(直流)時(shí)，u=0。電感相當(dāng)于短路。

u、i

取關(guān)聯(lián)參考方向

124一、互感線圈N1中通入電流i1時(shí)，在線圈N1中產(chǎn)生磁通（磁場(chǎng)），同時(shí)，有部分磁通穿過(guò)臨近的線圈N2，這部分磁通稱(chēng)為互感磁通。兩線圈間有磁的耦合。

1

=

11=L1i1自感磁通

當(dāng)兩個(gè)線圈都有電流時(shí)，每一線圈的磁通鏈為自感磁通鏈與互感磁通鏈的代數(shù)和：

1

=

11

12=

L1i1

M12i2

2

=

22

21=

L2i2

M21i1M12，M21互感系數(shù)M12=M21

21+–u11

11N1N24.1.3變壓器125

兩線圈的自感磁通鏈和互感磁通鏈方向一致，互感電壓取正，否則取負(fù)。126

兩線圈的自感磁通鏈和互感磁通鏈方向一致，互感電壓取正127

兩線圈的自感磁通鏈和互感磁通鏈方向不一致，互感電壓取負(fù)128對(duì)互感電壓，因產(chǎn)生該電壓的電流在另一線圈上，因此，要確定其符號(hào)，就必須知道兩個(gè)線圈的繞向。這在電路分析中顯得很不方便。為解決這個(gè)問(wèn)題引入同名端的概念。

當(dāng)兩個(gè)電流分別從兩個(gè)線圈的對(duì)應(yīng)端子同時(shí)流入或流出，若所產(chǎn)生的磁通相互加強(qiáng)時(shí)，則這兩個(gè)對(duì)應(yīng)端子稱(chēng)為兩互感線圈的同名端。同名端：二、互感線圈的同名端129確定同名端的方法：(1)當(dāng)兩個(gè)線圈中電流同時(shí)由同名端流入(或流出)時(shí)，兩個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互增強(qiáng)。(2)當(dāng)隨時(shí)間增大的時(shí)變電流從一線圈的一端流入時(shí)，將會(huì)引起另一線圈相應(yīng)同名端的電位升高。

1.理想變壓器的三個(gè)理想化條件

理想變壓器是實(shí)際變壓器的理想化模型全耦合：無(wú)損耗：線圈導(dǎo)線無(wú)電阻，做心子的鐵磁材料的磁導(dǎo)率無(wú)限大。參數(shù)無(wú)限大：

三、理想變壓器

耦合系數(shù)k表示兩個(gè)線圈磁耦合的緊密程度，與線圈的結(jié)構(gòu)、相互幾何位置、空間磁介質(zhì)有關(guān)。

1312.理想變壓器的主要性能（1）變壓關(guān)系理想變壓器模型n:1+_u1+_u2

1

=

11=

L1i1

2

=

21=

M

i1

i1+–u1+–u2N1N2

21

11i1流入N1，N2產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2

132

理想變壓器既不儲(chǔ)能，也不耗能，在電路中只起傳遞信號(hào)和能量的作用。原、副邊功率守恒。（2）功率性質(zhì)n:1+_u1+_u2i1i2

1

=

11=

L1i1

2

=

21=

M

i1

=

L2i2

1333.6.1一階RC動(dòng)態(tài)電路3.6.2動(dòng)態(tài)電路的定性分析3.6.3動(dòng)態(tài)電路的定量計(jì)算3.6動(dòng)態(tài)電路分析1341.動(dòng)態(tài)電路：含有電容、電感的電路，當(dāng)電路結(jié)構(gòu)或元件參數(shù)發(fā)生變化（即換路）時(shí)，例如某條支路的突然斷路或者接入等，儲(chǔ)能元件的能量將發(fā)生變化，電路的工作狀態(tài)將發(fā)生改變。

只含有一個(gè)儲(chǔ)能元件的電路稱(chēng)為一階電路。3.6.1一階RC動(dòng)態(tài)電路1352.一階RC電路的動(dòng)態(tài)電路（1）零狀態(tài)響應(yīng)電路：沒(méi)有電源輸入

→接通電源；電容將從無(wú)能量的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到儲(chǔ)存能量的狀態(tài)，也稱(chēng)為充電狀態(tài)；（2）零輸入響應(yīng)電路：接通電源

→斷開(kāi)電源；電容將從儲(chǔ)能狀態(tài)轉(zhuǎn)換到釋放能量的狀態(tài)，也稱(chēng)為放電狀態(tài)。t=0為換路瞬間t=0-換路前的終了瞬間t=0+換路后的初始瞬間換路瞬間儲(chǔ)能元件的能量不會(huì)發(fā)生變化：uC(t=0-)=

uC(t=0+)電容兩端電壓不突變136i=0,uC

=USi

=0,uC

=0S接通電源后很長(zhǎng)時(shí)間，電容充電完畢，電路達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)：S未動(dòng)作前，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)：前一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)新的穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)t=3RC時(shí),電容電壓uC

≈0.95US當(dāng)t=4RC時(shí),電容電壓uC

≈0.98US一、一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)3.6.2動(dòng)態(tài)電路的定性分析137i=0,uC

=0S斷開(kāi)電源后很長(zhǎng)時(shí)間，電容放電完畢，電路達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)：二、一階RC電路的零輸入響應(yīng)當(dāng)t=3RC時(shí),電容電壓uC

≈0.05US當(dāng)t=4RC時(shí),電容電壓uC

≈0.02US138一階RC電路零狀態(tài)響應(yīng)仿真當(dāng)t=100ms時(shí)開(kāi)關(guān)從下方撥至上方位置，電容開(kāi)始充電，uO開(kāi)始增加，當(dāng)t=500ms即?t=4RC時(shí)uO≈4.9V=0.98US。139一階RC電路零輸入響應(yīng)仿真當(dāng)t=100ms時(shí)開(kāi)關(guān)從上方撥至下方位置，電容開(kāi)始放電，uO開(kāi)始減小，當(dāng)t=500ms即?t=4RC時(shí)uO≈95mV≈0.02US。140

初始時(shí)刻uC(t=0+)=0，將其帶入上式，解得A=-USuC=-USe-t/τ+US

=US（1-e-t/τ）

若初始時(shí)刻uC(0+)=U0，則解得A=U0-US，uC=

(U0-US)e-t/RC

+US

3.6.3動(dòng)態(tài)電路的定量計(jì)算141

uC(t)=

uC(∞)+[uC(0+)-

uC(∞)]e-t/τ142例已知US=10V，R

=10Ω，C

=1μF，

uC(0-)

=0V。t=0時(shí)刻開(kāi)關(guān)閉合。1.求t>=0時(shí)的uC

(t)。2.uC達(dá)到5V所需的時(shí)間。3.若此時(shí)US跳變?yōu)?10V，求uC(t)。1.uC(0+)

=uC(0-)

=0V

uC

(∞)

=US=10V時(shí)間常數(shù)τ=RC=10Ω*1μF=10-5s用三要素法求uC(t)表達(dá)式

uC(t)=

uC

(∞)

+[uC(0+)-

uC

(∞)

]e-t/τ=(10-10e-105t)V2.達(dá)到5V所需的時(shí)間t≈6.93μs3.uC(0'+)

=uC(0'-)

=5V

uC

(∞)

=U'S=-10V用三要素法求uC表達(dá)式

u'C(t)=

(-10+15e-105t)V1433.7.1正弦信號(hào)3.7.2正弦穩(wěn)態(tài)電路分析3.7正弦穩(wěn)態(tài)電路分析1441.正弦量（信號(hào)）：隨時(shí)間周期性變化的信號(hào)（2）周期T

和頻率f頻率f

：每秒重復(fù)變化的次數(shù)。周期T

：重復(fù)變化一次所需的時(shí)間。單位:Hz(赫茲)單位：s(秒)

波形重復(fù)（1）幅值(振幅、最大值)Um反映正弦信號(hào)變化幅度的大小。（3）瞬時(shí)值表達(dá)式u(t)=Umsin(ωt+

)Um-Um3.7.1正弦信號(hào)一、正弦信號(hào)145（4）角頻率ω（5）初相位

單位：rad/s

，弧度/秒相位變化的速度，反映正弦量變化快慢。反映正弦量的計(jì)時(shí)起點(diǎn)，常用角度表示。u(t)=Umsin(ωt+

)

Um-Um1463.正弦信號(hào)是一種基本信號(hào)，法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉提出，任何周期函數(shù)（例如方波、三角波）都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無(wú)窮級(jí)數(shù)來(lái)表示，稱(chēng)為傅里葉級(jí)數(shù)。

2.正弦電路在電力系統(tǒng)和電子技術(shù)領(lǐng)域占有十分重要的地位。正弦函數(shù)是周期函數(shù)，其加、減、求導(dǎo)、積分運(yùn)算后仍是同頻率的正弦函數(shù)。正弦信號(hào)容易產(chǎn)生、傳送和使用。

147

周期性正弦電流、電壓的瞬時(shí)值隨時(shí)間而變，為了衡量其平均效果，工程上采用有效值來(lái)表示。

在一個(gè)周期內(nèi)消耗的能量（或產(chǎn)生的熱量）相等二、正弦信號(hào)的有效值直流交流148

當(dāng)f2<f1，即T2>T1時(shí)，若?u相同時(shí)所需時(shí)間?t2>?t1，則平均電流i2<i1，電阻上的電壓幅值?uR減小，因而電容上的電壓幅值?uC(?uO)增大。說(shuō)明頻率減小時(shí)信號(hào)容易通過(guò)，該電路稱(chēng)為低通電路。

一、一階RC電路的定性分析3.7.2正弦穩(wěn)態(tài)電路分析

1.一階RC低通電路當(dāng)f2>f1，即T2<T1時(shí)，若?u相同時(shí)所需時(shí)間?t2<?t1，則平均電流i2>i1，電阻上的電壓幅值uR(uO)增大。說(shuō)明頻率增大時(shí)信號(hào)容易通過(guò)，該電路稱(chēng)為高通電路。

2.一階RC高通電路151二、正弦穩(wěn)態(tài)電路分析1.相量法

（1）正弦穩(wěn)態(tài)電路及其特點(diǎn)

線性時(shí)不變動(dòng)態(tài)電路在角頻率為ω的正弦電壓源或電流源激勵(lì)下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，當(dāng)暫態(tài)響應(yīng)消失，只剩下正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，電路中全部電壓和電流都是角頻率為ω的正弦波時(shí)，稱(chēng)電路處于正弦穩(wěn)態(tài)。滿足這類(lèi)條件的動(dòng)態(tài)電路通常稱(chēng)為正弦電流電路或正弦穩(wěn)態(tài)電路。

在正弦電流電路中，為了簡(jiǎn)化分析，可以采用向量（復(fù)數(shù)）來(lái)表示正弦量以及電容、電感的正弦激勵(lì)下的模型，稱(chēng)為相量法。152

代數(shù)式指數(shù)式極坐標(biāo)式三角函數(shù)式（2）復(fù)數(shù)及其運(yùn)算

虛數(shù)單位

圖3-7-6向量坐標(biāo)圖3-7-7復(fù)數(shù)坐標(biāo)153復(fù)數(shù)運(yùn)算加減運(yùn)算—采用代數(shù)式F1±F2=(a1±a2)+j(b1±b2)F1=a1+jb1，F(xiàn)2=a2+jb2乘除運(yùn)算—采用極坐標(biāo)式

F1=|F1|

1，F(xiàn)2=|F2|

2

模相乘角相加模相除角相減

1541）RC電路方程是微分方程，求解復(fù)雜兩個(gè)正弦量的運(yùn)算：

同頻的正弦量相加、減、積分、微分仍得到同頻的正弦量，因此只需確定初相位和有效值。正弦量復(fù)數(shù)變換的思想（3）正弦向量把時(shí)域問(wèn)題變?yōu)閺?fù)數(shù)問(wèn)題以簡(jiǎn)化分析計(jì)算155設(shè)定復(fù)函數(shù)

對(duì)F(t)取虛部

任意一個(gè)正弦時(shí)間函數(shù)都有唯一與其對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)函數(shù)

無(wú)物理意義正弦量,有物理意義2）正弦量的相量表示

正弦量對(duì)應(yīng)的相量156同樣可以建立正弦電流與相量的對(duì)應(yīng)關(guān)系用相量表示i,u

寫(xiě)出電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式

1573）正弦量的微分、積分運(yùn)算–借助復(fù)數(shù)的微分、積分運(yùn)算

微分運(yùn)算積分運(yùn)算

158正弦量相量時(shí)域頻域相量法只適用于激勵(lì)為同頻正弦量的時(shí)不變線性電路。相量法用來(lái)分析正弦穩(wěn)態(tài)電路。把時(shí)域問(wèn)題變?yōu)閺?fù)數(shù)問(wèn)題。把微積分方程的運(yùn)算變?yōu)閺?fù)數(shù)方程運(yùn)算?？梢园阎绷麟娐返姆治龇椒ㄖ苯佑糜诮涣麟娐贰Ｏ嗔糠ǖ膬?yōu)點(diǎn)例題：

1602.基爾霍夫定律的相量形式

161（1）電阻3.元件電壓與電流關(guān)系的相量形式相量形式相量模型uR(t)i(t)R+-有效值關(guān)系R+-

相量關(guān)系

UR=RI

162（2）電容元件的相量形式時(shí)域形式相量形式

相量模型iC(t)u(t)C+-

+-

相量關(guān)系

|XC|O

1633.電感元件的相量形式時(shí)域形式相量形式

相量模型相量關(guān)系

j

L+-

i(t)uL(t)L+-

4.一階RC電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析（1）一階RC低通電路

4.一階RC電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析（2）一階RC高通電路

清華大學(xué)自動(dòng)化系2025.08電子電路與微處理器基礎(chǔ)葉朝輝FundamentalsofElectronicCircuitsandMicroprocessor4.1原子與元素4.2半導(dǎo)體(Semiconductor)4.3PN結(jié)(PNJunction)4.4二極管(Diode)及其特性4.5晶體管4.6場(chǎng)效應(yīng)管第4章半導(dǎo)體器件1671684.1.1

原子4.1.2元素4.1原子與元素1694.1.1

原子物質(zhì)是由分子、原子構(gòu)成。原子：由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的核外電子構(gòu)成。原子核：由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，中子不帶電，電子帶負(fù)電。

質(zhì)子所帶正電荷=核外電子所帶負(fù)電荷

原子不顯電性，呈電中性。圖4-1-1原子結(jié)構(gòu)核外電子：分層排布的，離核最遠(yuǎn)的稱(chēng)為最外層。

離核越近的電子層能量越低，離核越遠(yuǎn)的電子層能量越高。170最外層電子數(shù)多于4個(gè)的原子易于得到電子，成為帶負(fù)電的負(fù)離子；而最外層電子數(shù)少于4個(gè)的易于失去電子，成為帶正電的正離子。離子鍵：帶相反電荷離子之間的相互作用。共價(jià)鍵：原子間通過(guò)共用電子對(duì)的相互作用。

價(jià)電子：最外層電子。圖4-1-2氯原子通過(guò)共價(jià)鍵組成氯分子1714.1.2

元素元素：質(zhì)子數(shù)相同的一類(lèi)原子的總稱(chēng)，是組成物質(zhì)的基本成分。圖4-1-3元素周期表1724.2.1本征半導(dǎo)體4.2.2雜質(zhì)半導(dǎo)體4.2半導(dǎo)體(Semiconductor)1734.2.1

本征半導(dǎo)體1.半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間第一代半導(dǎo)體材料-元素半導(dǎo)體：常用的有硅（Si）和鍺（Ge），為四價(jià)元素。第二代半導(dǎo)體材料-

化合物半導(dǎo)體：由三價(jià)和五價(jià)元素組成，例如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、銻化銦(InSb)，它們主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件。第三代半導(dǎo)體材料–寬禁帶半導(dǎo)體：以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為主，可用于制作耐高壓、大功率、高頻電子器件。1742.本征半導(dǎo)體：純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)一定的工藝制作成的單晶體。圖4-2-1硅本征半導(dǎo)體空間結(jié)構(gòu)示意圖價(jià)電子共價(jià)鍵正離子圖4-2-2硅本征半導(dǎo)體平面結(jié)構(gòu)示意圖175圖4-2-3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴

本征半導(dǎo)體載流子的濃度相對(duì)于導(dǎo)體仍然很低，因此導(dǎo)電性能很差，并受溫度影響。本征激發(fā)：常溫下由于熱激發(fā)產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)復(fù)合：自由電子和空穴同時(shí)消失1764.2.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體

為了改善和控制本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，可以在其中摻入微量其他元素（雜質(zhì)），變成雜質(zhì)半導(dǎo)體。圖4-2-4N型半導(dǎo)體

由于少子濃度低，因此相對(duì)變化量大，受溫度影響大，將影響半導(dǎo)體器件的性能。N型半導(dǎo)體：

自由電子–多子空穴–少子P型半導(dǎo)體：

空穴–多子自由電子–少子圖4-2-5P型半導(dǎo)體1774.3PN結(jié)(PNJunction)4.3.1PN結(jié)的形成4.3.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.3.3

PN結(jié)的電流方程4.3.4

PN結(jié)的電容效應(yīng)1784.3.1PN結(jié)的形成

采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在交界面附近就形成了一個(gè)缺少載流子的薄層（耗盡層），稱(chēng)為PN結(jié)。多子擴(kuò)散空間電荷區(qū)（耗盡層Deplitionregion）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(Diffusion)：由于濃度差而產(chǎn)生的載流子(多子)的運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)(Drift)：在電場(chǎng)力作用下載流子(少子)的運(yùn)動(dòng)1794.3.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉蚱茫ê?jiǎn)稱(chēng)為正偏）或正向接法：耗盡層變窄；以多子的擴(kuò)散電流為主，電流較大；PN結(jié)呈現(xiàn)出較小的電阻，像開(kāi)關(guān)閉合一樣，PN結(jié)的這種工作狀態(tài)稱(chēng)為導(dǎo)通狀態(tài)。反向偏置（簡(jiǎn)稱(chēng)為反偏）或反向接法：耗盡層變寬；以少子的漂移電流為主，電流很小；PN結(jié)呈現(xiàn)出很大的電阻，像開(kāi)關(guān)打開(kāi)一樣，PN結(jié)的這種工作狀態(tài)稱(chēng)為截止?fàn)顟B(tài)。圖4-3-2PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通

圖4-3-3PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止限流電阻1804.3.3PN結(jié)的電流方程和伏安特性i：流過(guò)PN結(jié)的電流u：PN結(jié)兩端的電壓IS：PN結(jié)反向偏置電流，通常為微安（10-6A）或者納安（10-9A）級(jí)別UT：溫度電壓當(dāng)量，常溫27℃時(shí)UT≈26mVi=IS(eu/UT-1)1.PN結(jié)反向偏置且u<<-UT：eu/UT≈0，i≈IS，其中符號(hào)“<<”表示遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于；2.PN結(jié)正向偏置且u>>UT：eu/UT>>1，i≈ISeu/UT，i與u為近似指數(shù)關(guān)系，i將隨u增大而快速增大，其中符號(hào)“>>”表示遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于。一、電流方程181二、伏安特性將PN結(jié)的端電壓與電流之間的關(guān)系用圖描述，稱(chēng)為伏安特性。當(dāng)u>0即PN結(jié)正向偏置時(shí)，一開(kāi)始電流即非常小，之后電流i隨u增加而快速增長(zhǎng)；當(dāng)u<0即PN結(jié)反向偏置時(shí)，電流i幾乎為零；但是當(dāng)反向偏置電壓超過(guò)U(BR)

之后，電流突然增大，若不加以限制，將損壞PN結(jié)。將U(BR)稱(chēng)為反向擊穿電壓。1824.3.4PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的P區(qū)和N區(qū)與電容的兩個(gè)極板相似，當(dāng)外加電壓時(shí)，載流子將產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使得P區(qū)和N區(qū)的電荷發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，即使得PN結(jié)有等效的電容。PN結(jié)空間電荷區(qū)的寬度隨外加電壓而變化所等效出的電容稱(chēng)為勢(shì)壘電容Cb。

當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，多子將擴(kuò)散到對(duì)方的數(shù)量隨外加電壓而變化，也等效出電容效應(yīng)，稱(chēng)為擴(kuò)散電容Cd。PN結(jié)的等效電容通常很小，約為幾十至幾百皮法（pF，1pF=10-12F），在直流信號(hào)或者較低頻的信號(hào)作用時(shí)，不影響其單向?qū)щ娦?；但?dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，將使其反向偏置的等效阻抗減小，從而影響其單向?qū)щ娦浴?834.4二極管(Diode)及其特性4.4.1

二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)4.4.2

二極管的伏安特性4.4.3

二極管特性及電路分析4.4.4

穩(wěn)壓二極管1844.4.1二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)將PN結(jié)用外殼封裝起來(lái)，加上電極引線就構(gòu)成了二極管。（a）普通二極管

（b）

理想二極管圖4-4-1二極管的符號(hào)圖4-4-2二極管的外形1854.4.2二極管的伏安特性二極管端電壓和電流之間的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。圖4-4-3二極管的伏安特性圖4-4-4簡(jiǎn)化的二極管伏安特性和等效電路對(duì)于硅管，通常Uon≈0.5V，UD為0.5V至0.8V，近似計(jì)算時(shí)可認(rèn)為UD≈0.7V。工程思維（方法）：對(duì)二極管電特性合理近似，是在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)的一種簡(jiǎn)化方法，即工程化方法，便于分析和計(jì)算。1864.4.3二極管特性及電路分析一、伏安特性仿真

圖4-4-6二極管伏安特性仿真187二、二極管開(kāi)關(guān)特性仿真1.正向偏置2.反向偏置1883.二極管整流圖4-4-9二極管回路加入低頻大幅值的正弦波電壓信號(hào)4.發(fā)光二極管電路圖4-4-10發(fā)光二極管回路加入低頻大幅值方波信號(hào)1894.4.4穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管又稱(chēng)為齊納二極管（Zenerdiode），簡(jiǎn)稱(chēng)為穩(wěn)壓管。

穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，其在反向擊穿狀態(tài)下，當(dāng)電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，具有穩(wěn)壓的作用。圖4-4-11

穩(wěn)壓管的符號(hào)

圖4-4-12

穩(wěn)壓管的伏安特性1904.4.4穩(wěn)壓二極管圖4-4-13

穩(wěn)壓管的外形圖4-4-14

穩(wěn)壓管電路1914.5.1

晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)4.5.2

晶體管的放大原理4.5.3

晶體管的特性曲線4.5.4

晶體管的直流等效電路(直流模型)4.5.5

晶體管直流電路分析4.5晶體管1924.5.1晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)用不同的摻雜方式在同一硅片上制造出三個(gè)區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)，引出三個(gè)電極，就構(gòu)成了晶體管。圖4-5-1晶體管的結(jié)構(gòu)晶體管三個(gè)區(qū)的特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)的摻雜濃度很高；基區(qū)很薄且摻雜濃度較低；集電結(jié)的面積大。集電極發(fā)射極基極發(fā)射結(jié)集電結(jié)193圖4-5-2晶體管符號(hào)圖4-5-3晶體管實(shí)物1944.5.2晶體管的放大原理放大狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)，能將基極電流IB成比例地放大為集電極電流IC。圖4-5-4晶體管放大電路

該電路以發(fā)射極為公共端，也稱(chēng)為共發(fā)射極放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)為共射放大電路。195圖4-5-5晶體管放大原理晶體管放大原理：1.發(fā)射結(jié)正偏：有利于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較大的發(fā)射極電流IE；2．基區(qū)很?。簭陌l(fā)射區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到基區(qū)的大量非平衡少子很快到達(dá)集電結(jié)邊沿，只有很少部分形成基極電流IB的一部分（另一部分主要為基區(qū)的多子向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的）。3.由于集電結(jié)反偏：有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，因此基區(qū)的非平衡少子大部分很快又漂移到集電區(qū)，形成較大的集電極電流IC。IC≈βIBβ：電流放大倍數(shù)，其數(shù)值通常為一百至幾百。196圖4-5-6晶體管放大交流輸入信號(hào)晶體管處于放大狀態(tài)時(shí)的特點(diǎn)：(1)發(fā)射結(jié)導(dǎo)通：UBE≈0.7V；(2)集電結(jié)反偏：UC>UB，因此UCE>UBE，即UCE>0.7V；(3)IC≈βIB，IE=IB+IC≈(1+β)IB；(4)當(dāng)輸入交流信號(hào)ui時(shí)，當(dāng)晶體管處于放大狀態(tài)時(shí)，同樣能將iB成比例地放大為iC，比例系數(shù)仍為β。1974.5.3晶體管的特性曲線一、輸入特性圖4-5-7晶體管的輸入特性iB=f(uBE)|UCE=常數(shù)二、輸出特性iC=f(uCE)|IB=常數(shù)圖4-5-8晶體管的輸出特性飽和區(qū)：uCE<uBE

iC<