第1章光纖通信概述

1、1電路分析基礎(chǔ)電路分析基礎(chǔ) ( (第三版第三版) ) 主編主編 付玉明付玉明 副主編副主編 陳陳 曉曉 中國水利水電出版社 21世紀(jì)高職高專新概念教材2第一章第一章 電路的基本概念和定律電路的基本概念和定律1.1 電路和電路模型 1.3 電 功 率1.4 電 阻 元 件1.5 電壓源和電流源1.6 基 爾 霍 夫 定 律1.2電流和電壓的參考方向3第一章第一章 電路的基本概念和定律電路的基本概念和定律1.8 等效電路的概念1.9 電阻的串聯(lián)與并聯(lián)1.10 含獨立源電路的等效化簡1.11 含受控源電路的等效化簡1.12 平衡電橋、電阻y形連接與三角 形連接的等效變換1.7 受控源與運算放大器4【

2、本章重點本章重點】 支路上電流（電壓）的參考方向及電流、 電壓間關(guān)聯(lián)參考方向的概念。 基爾霍夫電流、電壓定律及其運用于電 路的分析計算。 理解理想電壓源、理想電流源的伏安特 性，以及它們與實際電源兩種模型的區(qū)別。 受控源和理想運算放大器的特性，求解含受控源的電路。 運用等效概念和方法來化簡和求解電路。 電阻的 形連接與 連接的等效變換。 y5【本章難點本章難點】 電阻的電阻的y形連接與形連接與連接的等效變換。連接的等效變換。 受控源和理想運算放大器的特性，求受控源和理想運算放大器的特性，求 解含受控源的電路。解含受控源的電路。 6 1.1 電路和電路模型1.1.1 電路及其功能電路及其功能 實

3、際電氣裝置種類繁多，如自動控制設(shè)備，衛(wèi)星接收設(shè)備，郵電通信設(shè)備等；實際電路的幾何尺寸也相差甚大，如電力系統(tǒng)或通信系統(tǒng)可能跨越省界、國界甚至是洲際的，但集成電路的芯片有的則小如指甲。 為了分析研究實際電氣裝置的需要和方便，常采用模型化的方法，即用抽象的理想元件及其組合近似地代替實際的器件，從而構(gòu)成了與實際電路相對應(yīng)的電路模型。71.1.2 實際電路的組成 下圖1-1是我們?nèi)粘Ｉ钪械氖蛛娡搽娐?，就是一個最簡單的實際電路。它由3部分組成：（1）是提供電能的能源,簡稱電源；（2）是用電裝置，統(tǒng)稱其為負(fù)載，它將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量； s123圖 1-1 手電筒電路（3）是連接電源與負(fù)載傳輸電能的金

4、屬導(dǎo)線，簡稱導(dǎo)線。電源、負(fù)載和連接導(dǎo)線是任何實際電路都不可缺少的3個組成部分。81.1.3 電電 路路 模模 型型 實際電路中使用著電氣元、器件，如電阻器、電容器、燈泡、晶體管、變壓器等。在電路中將這些元、器件用理想的模型符號表示。如圖1-2。 電路模型圖將實際電路中各個部件用其模型符號表示而畫出的圖形。如圖1-3。+-usr圖1-3 電路模型圖圖1-2 電阻元件、電壓源的模型符號91.2 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 1.2.1 電流及其參考方向 電流在電場作用下，電荷有規(guī)則的移動形成電流，用u表示。電流的單位是安培。 電流的實際方向規(guī)定為正電荷運動的方向。 電流的參考方向假定正

5、電荷運動的方向。用符號i(t)表示電流強度。其定義是單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量。電流強度簡稱電流，即：dtdqti)(101.2.2 電壓及其參考電壓及其參考方向方向 電壓即電路中兩點之間的電位差。用u表示。即 電壓的實際方向電位真正降低的方向。 電壓的參考方向即為假設(shè)的電位降低的方向。 dqdwtu)(111.2.3 電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向指電流是從電壓的“+”極 流 向 “-”極。非關(guān)聯(lián)參考方向電流從電壓的“”極 流 向 “+”極。圖1-4 u、i關(guān)聯(lián)參考方向圖1- u、i非關(guān)聯(lián)參考方向u+_i_+ui121.3 電 功 率 電功率電功率:即電場力

6、做功的速率，用p表示。 電功率的計算： 當(dāng)電流與電壓為關(guān)聯(lián)參考方向時，一段電路（或元件）吸收的功率為： p=ui 或 p= ui當(dāng)電流與電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向時 p=-ui 或 p= -ui 由于電壓和電流均為代數(shù)量，顯然功率也是代數(shù)量，二端電路是否真正吸收功率，還要看計算結(jié)果p的正負(fù)而定，當(dāng)功率為正值，表示確為吸收功率；反之為負(fù)值實為提供功率。 13 1.4 電 阻 元 件 即電阻值不隨其上的電壓u 、電流 i 和時間t 變化的電阻，叫線性非時變電阻。顯然，線性、非時變電阻的伏安特性曲線是一條經(jīng)過坐標(biāo)原點的直線。如圖1-6 (b)所示，電阻值可由曲線的斜率來確定。 圖-6線性非時變電阻模型及伏

7、安特性1.4.1 線性非時變電阻141.4.2 電阻元件上消耗的功率與能量 1. r吸收的功率為: riuip2 對于正電阻來說，吸收的功率總是大于或等于零。 2 . 設(shè)在to-t區(qū)間r 吸收的能量為w(t)、它等于從 t0- t 對它吸收的功率作積分。即：ttdpw0)( 上式中是為了區(qū)別積分上限t 而新設(shè)的一個表示時間的變量。 151.5 電壓源和電流源1.5.1 電壓源電壓源 不論外部電路如何變化,其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)的電源定義為理想電壓源,簡稱電壓源。它有兩個基本性質(zhì):1、其端電壓是定值或是一定的時間函數(shù)，與流過的電流無關(guān)。2、電壓源的電壓是由它本身決定的，流過它的電

8、流則是任意的。電壓源的伏安特性曲線是平行于 i 軸其值為 us(t) 的直線。如圖1-7所示. 圖 1 7 電壓源伏安特性曲線16 1.5.2 電電 流流 源源 不論外部電路如何,其輸出電流總能保持定值或一定的時間函數(shù)的電源，定義為理想電流源，簡稱電流源。它有兩個基本性質(zhì)它有兩個基本性質(zhì):1、它輸出的電流是定值或一定的時間函數(shù)，與其兩端的電壓無關(guān)。 2、其電流是由它本身確定的，它兩端的電壓則是任意的。電流源的伏安特性曲線是平行于u 軸其值為 i s(t)的直線，如圖1-8所示。 圖 1-8 電流源伏安特性曲線171.6 基爾霍夫定律 1.6.1 基爾霍夫電流定律(kcl) 圖1-9 說明kcl

9、2143ai2i4i3i1 其基本內(nèi)容是：對于集總電路的任一節(jié)點，在任一時刻流入該節(jié)點的電流之和等于流出該節(jié)點的電流之和。例如對圖1-9所示電路a點，有 i1= i2+i3+ i4 或 i1-i2-i3-i4=018 1.6.2 基爾霍夫電壓定律(kvl) kvl的基本內(nèi)容是：對于任何集總電路中的任的基本內(nèi)容是：對于任何集總電路中的任一回路，在任一瞬間，沿回路的各支路電壓的代數(shù)一回路，在任一瞬間，沿回路的各支路電壓的代數(shù)和為零。和為零。1234+_u4u1u2u3abcd圖1-10 電路中的一個回路如圖1-10，從a點開始按順時針方向(也可按逆時針方向）繞行一周，有： u1- u2- u3+

10、u4=0 當(dāng)繞行方向與電壓參考方向一致（從正極到負(fù)極），電壓為正，反之為負(fù)。19 1.7 受控源與運算放大器受控源與運算放大器 受控源也是一種電源，它表示電路中某處的電壓或電流受其他支路電壓或電流的控制。1.7.1 四種形式的受控源:v1 受電壓控制的電壓源，即vcvs.v2 受電流控制的電壓源，即ccvs.v3 受壓流控制的電流源，即vccs. v4 受電流控制的電流源，即cccs.20圖1-11 四種受控源模型(a) vcvs+_uu1u1+_(b) ccvsu1=0+_+_ri1i1(c) vccsgu1+_u1(d) cccsi1ai1211.7.2 理想運算放大器 運算放大器是由具有

11、高放大倍數(shù)的直接耦合放大電路組成的半導(dǎo)體多端器件。 圖1-12 運算放大器22 1. 即從輸入端看進去元件相當(dāng)于開路，稱為“虛斷”。 2. 開環(huán)電壓增益a=（模型中的a改為），即兩輸入端之間相當(dāng)于“短路”，稱為“虛短”。 “虛斷”、“虛短”是分析含理想運算放大器電路的基本依據(jù)。 作為理想運算放大器模型，具有以下條件：231.8 等效電路的概念等效電路的概念 如果兩個二端電路n1與n2的伏安關(guān)系 完全相同,從而對連接到其上同樣的外部電路的作用效果相同,則說n1與n2是等效的。 如下圖中，當(dāng)r=r1 +r2+r3時，則n1與n2是等效的。r1r3r2iab+_un1ra+_ubn2i圖1-13 兩

12、個等效的二端電路24ir1r2u1u2+_+_uab1.9 電阻的串聯(lián)和并聯(lián) 1、 兩個電阻r1 、r2串聯(lián)，各自分得 的電壓u1 、u2分別為：圖1-14 兩個電阻r1 、r2串聯(lián)urrruurrru21222111 上式為兩個電阻串聯(lián)的分壓公式，可知：電阻串聯(lián)分壓與電阻值成正比，即電阻值越大，分得的電壓也越大。 25 2、兩個電阻r1 、r2并聯(lián) 圖1-15為兩個電阻r1 、r2并聯(lián)，總電流是i，每個電阻分得的分別為i1和i2：i2i1ir2r1+_abu圖1-15 兩個電阻并聯(lián)irrriirrri21122121 上式稱為兩個電阻并聯(lián)的分流公式?？芍弘娮璨⒙?lián)分流與電阻值成反比，即電阻值

13、越大分得的電流越小。261.10 含獨立源電路的等效化簡 1.10.1 實際電壓源的模型及其等 效變換 可以用一個電壓源與電阻相串聯(lián)的模型來表征實際電壓源。如圖1-16所示。+-usrsi+-abu0uusiu=usu=us-rsi圖1-16 實際電壓源模型及其伏安特性27 實際電流源與理想電流源也有差別，其電流值不為定值，可以用一個電流源與電阻相并聯(lián)的模型來表征實際電流源。如圖1-17所示。圖1-17 實際電流源模型及其伏安特性irsis+_uoiisi=isis=u / rs+ iu28 實際電源兩種模型是可以等效互換的。如圖1-18所示。 圖1-18 電壓源模型與電流源模型的等效變換 2

14、9 這就是說：若已知us與rs串聯(lián)的電壓源模型，要等效變換為is與rs并聯(lián)的電流源模型，則電流源的電流應(yīng)為is=us/rs，并聯(lián)的電阻仍為rs；反之若已知電流源模型，要等效為電壓源模型，則電壓源的電壓應(yīng)為us=rsis，串聯(lián)的電阻仍為 rs 。 請注意，互換時電壓源電壓的極性與電流源電流的方向的關(guān)系。兩種模型中rs是一樣的，僅連接方式不同。上述電源模型的等效可以進一步理解為含源支路的等效變換，即一個電壓源與電阻串聯(lián)的組合可以等效為一個電流源與一個電阻并聯(lián)的組合，反之亦然。30 1. 幾個電壓源相串聯(lián)的二端電路,可等效成一個電壓源，其值為個電壓源電壓值的代數(shù)和。對圖1-19有：us2+us3us

15、1_abus+_ab圖1-19 電壓源串聯(lián)等效us=us1-us2+us3 1.10.2 含獨立源的二端電路的等效312. 幾個電流源并聯(lián)，可以等效為一個電流源，其值為各電流源電流值的代數(shù)和。對于圖1-20電路，有： is= is1+ is12-is3 請注意請注意:電壓值不同的電壓源不能并聯(lián)，因為違背kvl；電流值不同的電流源不能串聯(lián)，因為違背kcl 。is3is2is1baisba 圖1-20 電流源并聯(lián)等效321.11 含受控源電路的等效化簡含受控源電路的等效化簡n1. 含受控源和電阻的二端電路可以等效為一個電阻，該等效電阻的值為二端電路的端口電壓與端口電流之比。n2. 含受控源、獨立源

16、和電阻的二端電路的最簡等效電路是一個電壓源與電阻的串聯(lián)或一個電流源與電阻并聯(lián)的二端電路。圖1-21 例：求圖1-21電路a、b端鈕的等效電阻rab。ab+一ui+-5i8解：寫出a、b端鈕的伏安關(guān)系： u=8i+5i=13i 所以 rab=u/i=13 歐331.12 平衡電橋、電阻的星形連接和三角形 連接的等效變換 y形連接：即三個電阻的一端連接在一個公共節(jié)點上，而另一端分別接到三個不同的端鈕上。如下圖中的r1、r3 和r4 （ r2、 r3和r5）。圖1-22電阻的y形和三角形連接 三角形連接，即三個電阻分別接到每兩個端鈕之間，使之本身構(gòu)成一個三角形。如左圖中的r1、 r2、和 r3（ r

17、3、 r4和r5）為三角形連接。34 例如要求出圖1-23中a、b端的等效電阻，必須將r12、 r23、 r31組成的三角形連接化為星形連接，這樣，運用電阻串、并聯(lián)等效電阻公式可方便地求出a、b端的等效電阻。 圖1-23 電阻三角形連接等效變換為y形連接351. 已知三角形連接的三個電阻來確定等 效y形連接的三個電阻的公式為：312312312331231223122312312123113rrrrrrrrrrrrrrrrrr362. 已知已知y形連接的三個電阻來確定等效三角形連接的三個電阻來確定等效三角形連接的三個電阻的公式為：形連接的三個電阻的公式為： 213322131113322123

18、313322112rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr37第一章第一章 小小 結(jié)結(jié)1. 電路模型 將實際電路中各元器件都用它們的模型符號表示，這樣畫出的圖形稱為電路模型圖。本課程研究的電路均為電路模型圖。2. 電路中的基本變量 （1）電流。電流有規(guī)律的定向移動形成傳導(dǎo)電流. 用電流強度來衡量電流的大小.電流的實際方向規(guī)定為正電荷運動的方向;電流的參考方向是假定正電荷運動的方向。 38（2）電壓。即電路中兩點之間的電位差。規(guī) 定電壓的實際方向為電位降低的方向； 電壓的參考方向為假定電位降低的方向。 (3) 電功率。即電場力在單位時間內(nèi)所做 的功。 計算一端電路吸收的功率，當(dāng)u、i 為

19、關(guān)聯(lián)方向時， p =ui，非關(guān)聯(lián)時，p =-ui，若p 值為正表示確為吸收功率，為負(fù)表示實為提供功率給電路的其他部分。3 電源 電源可分為獨立源和受控源兩類。獨立39源包括電流源和電壓源，是有源元件，能獨立地給電路提供能量。(1) 電壓源與電流源 電壓源的特性是，其端口電壓為定值或一定的時間函數(shù)，與流過的電流大小、方向無關(guān)；流過電壓源的電流的大小、方向是任意的 ；電流源的特性是，其流出的電流是定值或一定的時間函數(shù)，與它兩端的電壓大小、極性無關(guān)；電流源兩端的電壓大小、方向是任意的。 (2) 受控源 受控源也是一種電源，其電壓或電流受電路中其他地方的電壓或電流的控制。404. 運算放大器 理想運算放大器具