1-2008級電路部分：電路的基本概念和定律.ppt

1、1,電路分析與電子技術(shù),授課教師：呂紅 教學(xué)對象：信息學(xué)院計算機(jī)專業(yè)2008級本科生 教學(xué)方式：多媒體課件教學(xué) 聯(lián)系方式：,2,教 學(xué) 要 求,3,本課程是一門實踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。 學(xué)習(xí)目的：掌握電路基礎(chǔ)知識和模擬電子技術(shù)的基本理論及分析方法，為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)，為工程實踐培養(yǎng)操作技能。 本課程分為兩個部分。上篇：電路基礎(chǔ)下篇：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)。,課 程 介 紹,4,上篇 電路基礎(chǔ) 內(nèi)容包括：簡單電路的分析，線性網(wǎng)絡(luò)分析的一般方法和定理。下篇 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 內(nèi)容包括：半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，放大電路基礎(chǔ)，功率放大器，負(fù)反饋放大器，運(yùn)算放大器及其應(yīng)用電路，直流電源。,課 程 介 紹,5,本章主要

2、介紹： 三個物理量 ：電流、電壓、功率 一個概念：電位 三個定律：歐姆定律、基爾霍夫電流定律和電壓定律 兩個公式：分壓公式、分流公式 兩種分析法：支路電流法、節(jié)點電位法 三個定理：疊加定理、戴維南定理和諾頓定理 幾種元件：電阻、電源電壓源、電流源、受控源,上篇 電路基礎(chǔ)電路是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的基礎(chǔ)。,6,學(xué) 習(xí) 目 標(biāo),深刻理解電流、電壓的參考方向，電壓的參考極性及電流、電壓間關(guān)聯(lián)、非關(guān)聯(lián)參考方向的概念。 熟練掌握基爾霍夫電流定律（KCL）、基爾霍夫電壓定律（KVL)，并能靈活運(yùn)用于電路分析計算。 理解電壓源、電流源、電阻元件的伏安特性，熟練寫出有源支路的伏安特性。,7,學(xué) 習(xí) 目 標(biāo),深刻理解等

3、效電路、等效變換的概念。熟練運(yùn)用等效概念的方法來化簡和求解電路。 牢固掌握、熟練運(yùn)用支路電流法、節(jié)點電位法計算各種電路問題。 深刻理解、靈活運(yùn)用疊加定理、戴維南定理、諾頓定理。 充分理解受控源的概念，掌握計算含受控源的電路的方法。,8,1.1 電路與電路模型,1.1.1 電 路 電路就是電流所通過的路徑。實際電路種類繁多，如衛(wèi)星接收設(shè)備，郵電通信設(shè)備等。實際電路是由一些電路器件用導(dǎo)線連接起來組成的。 實際電路中使用電路器件，如電阻、電容、燈泡、晶體管等。,9,1.1.2 電 路 模 型,為了便于分析實際電路，常將實際電路器件理想化（模型化）。即由理想化元件近似地代替實際的器件，從而構(gòu)成了與實際

4、電路相對應(yīng)的電路模型。 將一個小燈泡用導(dǎo)線與電池連接起來就組成一個簡單的電路，其電路模型如圖1-1。,10,1.1.2 電路模型,元件的分類： 1、按電特性分 電源（元件向電路提供電能） 負(fù)載（元件吸收并轉(zhuǎn)化電能） 負(fù)載主要有： 電阻、電容、電感。 2、按外電路聯(lián)接端子數(shù)目分 二端元件：如電阻、電感 三端元件：如晶體三極管 四端元件：如受控源,11,1.2 電流、電壓、電位,1.2.1 電流和電流的參考方向 電流 由電荷有規(guī)則的定向流動形成的。 電流強(qiáng)度 單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量。簡稱電流，用 i 表示。單位是安培（A） 。 電流的實際方向規(guī)定正電荷流動的方向。 電流的參考方向任意選定的

5、方向。,12,1.2.1 電流和電流的參考方向電流強(qiáng)度簡稱電流，即：,電流的實際方向與電流的參考方向一致時，電流為正值；電流的實際方向與電流的參考方向不一致時，電流為負(fù)值。,大小、方向不隨時間變化的電流叫做恒定電流，簡稱直流電流，常用大寫字母I表示。,13,電壓:電場力把單位正電荷從a點移到b點所做的功，稱為兩點間的電壓。用u表示，單位是伏特（V）。即：,1.2.2 電壓和電壓的參考方向,電壓的實際方向與電壓的參考方向一致時，電壓為正值；電壓的實際方向與電壓的參考方向不一致時，電壓為負(fù)值。 電場內(nèi)兩點間的電壓也稱為電位差。,14,電壓的實際方向：高電位指向低電位。電壓的參考方向：任意選取電壓的

6、參考方向。 電路中電流和電壓的參考方向一致時，即電流的流向是從電壓的“+”極，流向 “-”極，稱之為關(guān)聯(lián)參考方向；反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。,1.2.2 電壓和電壓的參考方向,15,1.2.3 電 位,電位值的確定方法： 在電路中選定一點作為參考點，并將參考點的電位規(guī)定為零，則某點與參考點之間的電壓就作為該點的電位。 同一點的電位值是隨著參考點的不同而變化的，而任意兩點之間的電壓卻與參考點的選取無關(guān)。,16,1. 3 電 功 率,關(guān)聯(lián)參考方向時，p=ui 或 P= UI代表元件吸收的功率；非關(guān)聯(lián)參考方向時，p=ui 或 P= UI代表元件發(fā)出的功率。 由于電壓和電流均為代數(shù)量，顯然功率也是代數(shù)

7、量，電路是否真正吸收或發(fā)出功率，還要看計算結(jié)果p的正負(fù)而定。,電功率: 單位時間內(nèi)元件所吸收或發(fā)出的電能。用p 表示，單位是瓦特（W）。p=dw/dt,17,1.4 電 阻 元 件,電阻: 用R表示，單位是歐姆。電阻反映電阻元件對電流的阻力。 電導(dǎo)：用G表示。單位是西門子。電導(dǎo)反映電阻元件的導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱。 G = 1/R 伏安特性：在電阻兩端加電壓后，元件中有電流流過，電阻元件上的電壓與電流之間的關(guān)系曲線。,1.4.1 電阻元件,18,1.4.1 電 阻 元 件,線性電阻：電阻元件的伏安特性是經(jīng)過坐標(biāo)原點的一條直線。特點：電阻值為一常數(shù)，與通過它的電流或其兩端電壓的大小無關(guān)。 非線性電阻：電

8、阻元件的伏安特性不是直線。特點：電阻值不是常數(shù)，而與通過它的電流或作用其兩端的電壓大小有關(guān)。,19,內(nèi)容：通過電阻R的電流i與作用在電阻兩端的電壓u成正比。i = u/R 歐姆定律（電導(dǎo)式）：i = Gu 注：應(yīng)選u、i為關(guān)聯(lián)參考方向。 當(dāng)u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向時，歐姆定律為： i = - u/R 歐姆定律只適用于線性電阻。,1.4.2 歐姆定律,20,1.4.3 電阻元件上吸收的功率,在電流、電壓關(guān)聯(lián)參考方向下，電阻R吸收的功率為: p = ui 根據(jù)歐姆定律可以推導(dǎo)出功率與電阻的關(guān)系式為：,對于正電阻來說，吸收的功率總是大于或等于零。,= u2/R,21,1.5 電壓源與電流源 1.5.1

9、 電壓源,理想電壓源（電壓源）：無論接在它輸出端的負(fù)載如何變化，其輸出端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)的電源。 u = uS 它有兩個基本性質(zhì)： 1、電壓源的伏安特性曲線是平行于 i 軸其值為 uS(t) 的直線。電壓源輸出的電流與所連接的外電路有關(guān)。 2、若電壓源的電壓為零，它在電路中相當(dāng)于短路。,22,1.5.2 電 流 源,理想電流源（電流源）：無論接在它輸出端的負(fù)載如何變化，其輸出電流總能保持定值或一定的時間函數(shù)的電源。i = iS 它有兩個基本性質(zhì): 1、電流源的伏安特性曲線是平行于u 軸其值為 iS(t)的直線，電流源兩端的電壓與所連接的外電路有關(guān)。 2、如果電流源的電流等于零，

10、它在電路中相當(dāng)于開路。,23,1.5.3電壓源與電流源的等效變換,等效變換：對于外電路而言，用新的電路結(jié)構(gòu)替代電路中某一部分結(jié)構(gòu)時，必須不影響電路中其他未被變換部分的電壓和電流。即伏安特性相同的部分電路可以互相等效變換。 一、 等效電壓源和等效電流源 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 。,24,1、幾個電壓源相串聯(lián)，可用一個等效的電壓源替代，替代條件為該電壓源電壓值為各個電壓源電壓值的代數(shù)和。對于圖1-7有：,圖17 電壓源串聯(lián)等效,US=US1-US2+US3,25,2、幾個電流源相并聯(lián)，可以用一個等效的電流源替代，替代條件為該電

11、流源電流值為各個電流源電流值的代數(shù)和。對于圖1-8電路，有： IS= IS1+ IS12-IS3,圖18 電流源并聯(lián)等效,26,二、實際電源的兩種電路模型及其等效變換,實際電壓源與理想電壓源的差別是它總有內(nèi)阻，其端電壓不為定值，可以用一個理想電壓源與電阻相串聯(lián)的模型來表征實際電壓源。如下圖所示。其中： U =US RSI,圖1-9 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差別是它總有內(nèi)阻，其電流值不為定值，可以用一個理想電流源與電阻相并聯(lián)的模型來表征實際電流源。如下圖所示。其中： I = IS G US,圖1-10 實際電流源模型及其伏安特性,28,同一個實際電源的兩種模型對外

12、電路有相同的伏安特性。因此，實際電源兩種模型是可以等效互換的。等效條件為： 注意互換時電壓源電壓極性與電流源電流方向的關(guān)系。兩種模型中RS相同，連接方式不同。,可見一個實際電源可用兩種電路模型表示：一種為電壓源Us和內(nèi)阻RS串聯(lián)，另一種為電流源Is和內(nèi)阻RS并聯(lián)。,29,US與RS串聯(lián)電壓源模型等效為IS 與GS并聯(lián)電流源模型，電流源電流應(yīng)為IS = USGS，并聯(lián)電阻為GS =1/ RS ；,反之， IS 與GS電流源模型等效為US與RS電壓源模型，電壓源電壓應(yīng)為US=RSIS，串聯(lián)電阻為 RS =1/ GS 。 而電源模型等效可以進(jìn)一步理解為含源支路等效變換，即一個電壓源與電阻串聯(lián)的組合可

13、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,實際電源兩種模型等效互換。如圖1-11所示。,圖1-11 電壓源模型與電流源模型的等效變換,31,1.6 基爾霍夫定律,三個術(shù)語： 支路：電路中流過同一電流的分支稱支路。 節(jié)點：三條或三條以上支路的連接點稱節(jié)點。 回路：電路中由支路構(gòu)成的閉合的路徑稱回路。 圖中共有三條支路,兩個節(jié)點,三個回路。,32,基爾霍夫定律分基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。,1.6.1 基爾霍夫電流定律（KCL）,基本內(nèi)容是：對于電路中的任何一個節(jié)點，流入或流出電流的代數(shù)和為零；即，流入該節(jié)點的電流之和等于流出該節(jié)點的電流之和。 即： I0 電流定律體現(xiàn)的是

14、電流的連續(xù)性。,33,1.6.1 基爾霍夫電流定律（KCL）,根據(jù)各支路電流的參考方向是流出節(jié)點還是流入節(jié)點來決定前面去“+”號或取“-”號。 推廣： KCL也可以推廣應(yīng)用于電路中任何一個假定的閉合面。對虛線所包圍的閉合面可視為一個結(jié)點。則：任意一個閉合面，電流的代數(shù)和等于零。,34,1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL),KVL的基本內(nèi)容是：沿任何一個閉合回路繞行一周，各支路電壓的代數(shù)和恒等于零。 即：U0,任意選定回路的繞行方向，當(dāng)回路內(nèi)某段電壓的參考方向與回路的繞行方向一致（從正極到負(fù)極）時，電壓為正，反之為負(fù)。 推廣：閉合路徑 電路中兩點間的電壓與路徑無關(guān)。,35,1.7.1 電阻的串

15、聯(lián) 兩個或多個電阻的串接，稱為電阻串聯(lián)。串聯(lián)電阻通過的是同一個電流。 電阻串聯(lián)的特點： 電流相同，總電阻等于各電阻之和；總電壓等于各電壓之和，串聯(lián)電阻有分壓作用。 RR1R2 UU1U2I R1I R2I (R1R2)I R,1.7 簡單的電阻電路,36,1.7.1 電阻的串聯(lián),37,分壓公式,1、 兩個電阻R1 、R2串聯(lián)，各自分得的電壓u1 、u2分別為：,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。,1.7.1 電阻的串聯(lián),38,兩個或多個電阻并接，稱電阻的并聯(lián)。并聯(lián)電阻兩端是同一個電壓。,1.7.2 電阻的并聯(lián),電阻并聯(lián)的特點：電壓相

16、同，總電流等于各個電流之和，總電阻的倒數(shù)等于各個電阻倒數(shù)之和。電阻并聯(lián)具有分流作用。,II1I2 URI I,39,1.7.2 電阻的并聯(lián),40,分流公式 兩個電阻R1 、R2并聯(lián)，總電流是i，各自分得的電流為i1和i2：,上式稱為兩個電阻并聯(lián)分流公式?？芍弘娮璨⒙?lián)分流與電阻值成反比，即電阻值越大分得的電流越小。,1.7.2 電阻的并聯(lián),41,1.8 支路電流分析法,支路電流法是以支路電流作為電路的變量，直接應(yīng)用基爾霍夫電壓、電流定律，列出與支路電流數(shù)目相等的獨立節(jié)點電流方程和回路電壓方程，然后聯(lián)立解出各支路電流的一種方法。 一個具有b條支路、n個節(jié)點的電路，根據(jù)KCL可列出（n1）個獨立的

17、節(jié)點電流方程式，根據(jù)KVL可列出b(n1)個獨立的回路電壓方程式。,42,圖 2-1 支 路 電 流 法,43,節(jié)點1-3,（3）根據(jù)KVL列出回路方程。選取 l=m-(n-1) 個獨立的回路，選定繞性方向，由KVL列出l個獨立的回路方程。,以圖2-1為例說明其方法和步驟： （1）由電路的支路數(shù)m，確定待求的支路電流數(shù)。該電路 m=6，則支路電流有i1 、i2. i6六個。 （2）節(jié)點數(shù)n=4，可列n-1個獨立的節(jié)點KCL方程。,44,（4）將六個獨立方程聯(lián)立求解，得各支路電流。如果支路電流的值為正，則表示實際電流方向與參考方向相同；如果某一 支路的電流值為負(fù)，則表示實際電流的方向與參考方向相

18、反。 （5）根據(jù)電路的要求，求出其他待求量，如支 路或元件上的電壓、功率等。,回路1-3,45,1.9 節(jié)點電位分析法,在電路中任意選擇一個節(jié)點為非獨立節(jié)點，稱此節(jié)點為參考點。其它獨立節(jié)點與參考點之間的電壓，稱為該節(jié)點的節(jié)點電壓。 節(jié)點電壓法是以節(jié)點電壓為求解電路的未知量，利用基爾霍夫電流定律和歐姆定律導(dǎo)出（）個獨立節(jié)點電壓為未知量的方程，聯(lián)立求解，得出各節(jié)點電壓。然后進(jìn)一步求出各待求量。,46,節(jié)點電壓法適于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、獨立回路選擇麻煩、以及節(jié)點少、回路多的電路的分析求解。對于n個節(jié)點、m條支路的電路，節(jié)點電壓法僅需(n1)個獨立方程，比支路電流法少m(n 1)個方程。 也可以將其推廣到具有n

19、個節(jié)點（獨立節(jié)點為n1個）的電路。,1.9 節(jié)點電位分析法,47,綜合以上分析，采用節(jié)點電壓法對電路進(jìn)行求解，可以根據(jù)節(jié)點電壓方程的一般形式直接寫出電路的節(jié)點電壓方程。其步驟歸納如下：,1.9 節(jié)點電位分析法,48,（1）指定電路中某一節(jié)點為參考點，標(biāo)出各獨立節(jié)點電位（符號）。 （2）按照節(jié)點電壓方程的一般形式，根據(jù)實際電路直接列出各節(jié)點電壓方程。 列寫第K個節(jié)點電壓方程時，與K節(jié)點相連接的支路上電阻元件的電導(dǎo)之和一律取“+”號；與K節(jié)點相關(guān)聯(lián)支路的電阻元件的電導(dǎo) 一律取“ ”號。流入K節(jié)點的理想電流源的電流取“+”號；流出的則取“ ”號。,1.9 節(jié)點電位分析法,49,在線性電路中，若存在有

20、多個電源作用時，電路中任一支路的電流或電壓等于電路中每個電源分別單獨作用時在該支路中產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。 說明：當(dāng)某一獨立源單獨作用時，其他獨立源置零。,1.10 疊加原理,疊加原理一般適合于電源個數(shù)比較少的電路。,50,應(yīng)用疊加定理求解電路的步驟如下： （1）將含有多個電源的電路，分解成若干個僅含有單個電源的分電路。并給出每個分電路的電流或電壓的參考方向。,（2）對每一個分電路進(jìn)行計算，求出各相應(yīng)支路的分電流、分電壓。 （3）將求出的分電路中的電壓、電流進(jìn)行疊加，求出原電路中的支路電流、電壓。 疊加是代數(shù)量相加，當(dāng)分量與總量的參考方向一致，取“+”號；與總量的參考方向相反，則取“ ”號

21、。,51,戴維南定理： 任何一個線性有源二端網(wǎng)絡(luò)的對外作用，總可以用一個電壓源和一個電阻相串聯(lián)的電路來等效代替。電壓源的電壓等于有源線性網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，串聯(lián)電阻等于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電源均為零式的等效電阻。 戴維寧定理適合于只需要計算電路中某一支路的電流或電壓而不關(guān)心其他之路的電流或電壓,1.11 等效電源定理 1.11.1 戴維南定理,52,2.6.1 戴維南定理,圖 2-7 戴維南定理,電壓源的電壓為該網(wǎng)絡(luò)N的開路電壓uOC，見圖2-7（c）；內(nèi)阻RS等于該網(wǎng)絡(luò)N中所有理想電源為零時，從網(wǎng)絡(luò)兩端看進(jìn)去的電阻，見圖2-7（d）。,53,網(wǎng)絡(luò)開路電壓uOC的計算方法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況，適當(dāng)?shù)剡x用所學(xué)的

22、電阻性網(wǎng)絡(luò)分析的方法及電源等效變換，疊加原理等進(jìn)行。 內(nèi)阻RS的計算，除了可用無源二端網(wǎng)絡(luò)的等效變換方法求出其等效電阻，還可以采用以下兩種方法： （1）開路 / 短路法 先分別求出有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓uOC 和 短路電流iSC，如圖2-7 (a)、(b)所示，再根據(jù)戴維南等效電路求出入端電阻，如圖2-7 (c)示,54,（2）外加電源法,令網(wǎng)絡(luò)中所有理想電源為零，在所得到的無源二端網(wǎng)絡(luò)兩端之間外加一個電壓源uS （或iS）如圖2-8（a），求出電壓源提供的電流iS（或電流源兩端的電壓uS），再根據(jù)圖2-8（b）求出入端電阻：,圖 2-8 外加電源法,55,1.11.2 諾頓定理,諾頓定理：一

23、個線性有源二端網(wǎng)絡(luò)的對外作用可以用一個電流源與電導(dǎo)并聯(lián)的電路（即電流源模型）等效替代。其電流源的電流等于有源網(wǎng)絡(luò)的短路電流，其電導(dǎo)等于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電源均為零時的等效電導(dǎo)。 設(shè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓為UOC，短路電流為ISC，相應(yīng)的無源網(wǎng)絡(luò)的等效電阻為RO，等效電導(dǎo)為GO,則下面的關(guān)系式成立： ISC = UOC/RO GO =1/RO,56,1.12 含受控電源的電阻電路,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。 1.12.1 四種形式的受控源 1 受電壓控制的電壓源，即VCVS. 2 受電流控制的電壓源，即CCVS. 3 受壓流控制的電流源，即VCCS. 4

24、 受電流控制的電流源，即CCCS.,圖1-12 四種受控源模型,58,二、含受控源電阻電路的分析 注意事項： 1、前面的電路分析法如節(jié)點電流法、節(jié)點電位法以及疊加原理、戴維南定理等都可用來分析受控源的電路。 2、將電路進(jìn)行化簡時，當(dāng)受控電源還被保留時，不要把受控源的控制量消除掉。 3、在運(yùn)用疊加原理、戴維南定理或諾頓定理時，所有受控電源均應(yīng)保留，不能像獨立電源那樣處理。,1.12 含受控電源的電阻電路,59,第 一 章 小 結(jié),1 電路模型 將實際電路中各元件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。電荷有規(guī)律的定向移動形成傳導(dǎo)電流. 用電流強(qiáng)度來衡量電流的大小.電流實際方向規(guī)定為正電荷運(yùn)動的方向;電流參考方向是假定正電荷運(yùn)動的方向。,60,（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。 電流、電壓的參考方向是任意假定的；數(shù)值是正，實際方向與參考方向一致；數(shù)值是負(fù)，實際方向