电路和电路元件第.ppt

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1、1.1 电路和电路的基本物理量,1.2 电阻、电感和电容元件,1.3 独立电源元件,1.4 二极管,1.5 双极晶体管,1.6 绝缘栅场效晶体管,第1章 电路和电路元件,1.1.1 电路,1.1.2 电路元件和电路模型,1.1.3 电流、电压及其参考方向,1.1.4 电路功率,1.1 电路和电路的基本物理量,电 路由电源、开关、连接导线和负载等组成。,强电电路电压较高、电流和功率较大；实现电 能的传输和转换。（如电力系统等）,弱电电路电压较低、电流和功率较小；实现信 号的传递和处理。（如扩音系统等）,1.1.1 电路,1.1.2 电路元件和电路模型,实际电路元件,理想电路元件,实际电路,电路模

2、型,1.1.3 电流、电压及其参考方向,1.电流及其参考方向,电流电荷量对时间的变化率,直流电流电流的大小和方向不随时间变化,电流的实际方向正电荷移动的方向,电流的参考方向假定方向，也称正方向,交流电流电流的大小和方向随时间变化,为什么要设电流参考方向？,简单电路,电流的实际方向可知,各电流的实际方向未知,复杂电路,2.电压及其参考方向,电压 单位正电荷从一点移至另一点作的功,电压的实际方向 高电位指向低电位，电位降低 的方向,直流电压 电压的大小和极性不随时间变化,交流电压 电压的大小和极性随时间变化,电压的参考方向 假定方向,电位、电动势,1.1.4 电路功率,根据电压电流的参考方向，电路

3、功率,i,N消耗功率（吸收功率）,N输出功率（释放功率）,电流、电压、功率的符号和单位,1.2.1 电阻元件,1.2 电阻、电感和电容元件,1.2.2 电感元件,1.2.3 电容元件,1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型,电压电流关系,电阻功率,电阻耗能,伏安特性电压与电流的关系,耗能元件,线 性电 阻,非线性电 阻,（电阻R单位：）,电阻元件,部分电阻器的照片,膜电阻器,线绕电阻器,电位器,热敏电阻器,水泥电阻器,1.2.2 电感元件,线性电感,电压电流关系,电感在直流电路中，,相当于短路,电感是一种储能元件，储存的磁场能量,电感L的单位：亨利()、毫亨()、微亨(),部分电感器的照片,

4、不同类电感器,陶瓷电感器,标准电感器,1.2.3 电容元件,线性电容,电压电流关系,电容在直流电路中，,相当于开路,电容是一种储能元件，储存的电场能量,电容C的单位：法拉、微法拉、微微法拉,部分电容器的照片,电解电容器,普通电容器,电力电容器,单相电动机 电容器,1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型,主要参数（额定参数）：,电阻器：标称电阻值、额定功率,电感器：标称电感值、额定电流,电容器：标称电容值、额定电压,电路模型:,理想电路模型:电阻器R、电感器L、电容器C,实际电路模型:理想元件模型的不同组合,1.3 独立电源元件,1.3.2 实际电源的模型,1.3.1 电压源和电流源,1.3.

5、1 电压源和电流源,电压源（理想电压源）：,I,端电压（输出电压）,端电流（输出电流）,US,输出电压 等于源电压，与 输出电流和外电路的情况无关。,US,US,U,源电压,U,I,电流源（理想电流源）：,I,源电流,IS,端电压,U,端电流,I,IS,输出电流 等于源电流，与输出电压和外电路的情况无关。,I,IS,1.3.2 实际电源的模型,1.实际电压源,端电压随端电流的增加而减小,，开路状态，,开路电压,，短路状态，,短路电流,实际电压源在工作时要避免短路！,US,部分电压源照片,2.实际电流源,IS,端电流随端电压的增加而减小。,等效-对外电路等效,3.两种实际电源模型的等效互换,互换

6、-实际电压源可变换为实际电流源，实际电流源可变换为实际电压源,1.4 二极管,1.4.1 PN结及其单向导电性1.4.2 二极管的特性和主要参数1.4.3 二极管的工作点和理想特性1.4.4 稳压二极管1.4.5 发光二极管和光电二极管,1.4.1 PN结及其单向导电性,物质按导电能力分为：导体、半导体、绝缘体。,本征半导体 纯净的半导体（如硅、锗、砷化镓等）,P型半导体 在纯净的半导体硅、锗中掺入少量 三价元素。多数载流子为空穴。,N型半导体 在纯净的半导体硅、锗中掺入少量 五价元素。多数载流子为电子。,PN结的形成：,浓度差扩散和复合,空间电荷区（耗尽层）内电场,扩散和复合空间电荷区（耗尽

7、层）,内电场阻止扩散、并引起少数载流子漂移,最终，扩散与内电场作用达到平衡PN结,PN结的单向导电性,PN结加正向电压,外电场与内电场方向相反,外电场空间电荷区变窄,当外加电压足够大外电场足够强克服内电场作用 PN结导通电流I从P流向N,外加正向电压外电场,PN结加反向电压,PN结的单向导电性,外电场与内电场方向相同,外电场空间电荷区变宽不导通（截止）,结论：PN结具有单向导电性。PN结加正向电压导 通，加反向电压截止，导通方向：P N,1.4.2 二极管的特性和主要参数,二极管：一个PN结，两个电极-阳极、阴极,1.二极管的伏安特性,二极管两湍的电压与流过的电流之间的关系曲线,正向特性,死区

8、电压小，基本不导通。死区电压：硅管0.40.5V 锗管约0.1V,1.二极管的伏安特性,非线性区开始导通，电流小,正向特性,导通区近似线性，导通压降：硅管0.60.7V 锗管0.20.3V,反向特性,正常工作区截止 反向电流很小,反向击穿区反向电压过大，反向击穿,2.二极管的主要参数,最大正向电流,最高反向工作电压,反向电流,最高工作频率,1.4.3 二极管的工作点和理想特性,二极管的工作点,静态电阻,动态电阻,通常，同一工作点，,不同工作点的,均不同。,二极管的理想特性,考虑正向导通压降,忽略正向导通压降,二极管电路的分析方法,分析关键：判断二极管是否导通方法：,单个二极管：阳极电位高于阴极

9、电位足够大小；,阳极接于同一点（同电位），阴极电位最低的优先导通；阴极接于同一点（同电位），阳极电位最高的优先导通。,二极管电路的分析方法,例题 设右图中二极管导通时的正向压降为0.7V，试分析 的工作情况并求I值。,解 阳极同电位，阴极 导通，,截止，故,多个二极管：,【例题】电路如图所示，D1，D2 均为理想二极管，当输入电压 ui 6V 时，则uO=？,【解】,ui 6V,D1截止,电路可以看成,因此，D2 截止,故 uO=3V,【例题】图示电路，设二极管正向压降为0.7伏，当开关S置“1”时，Ua=伏；当开关S置“2”时，Ua=伏；当开关S置“3”时，Ua=伏；,D1,D2,D3,1k

10、,+,-,6V,+,-,3V,+,-,3V,S,1,2,3,a,【解】,S置“1”时，D1截止,Ua=1.4V,S置“2”时，D1导通,Ua=0.7V,S置“3”时，D1导通,Ua=-2.3V,1.4.4 稳压二极管,稳压二极管是一种特殊的二极管。,1.稳压二极管的伏安特性,伏安特性,图形符号,反向击穿区特性曲线陡直稳压特性,稳压区反向击穿区,2.稳压二极管的主要参数,稳定电压,、稳定电流,最大稳定电流,最大耗散功率,动态电阻,电压温系数,3.稳压二极管稳压电路,稳压条件：,有一定的,稳压二极管工作在 反向击穿状态。,1.4.5 发光二极管和光电二极管,1.发光二极管,发光二极管是一种能将电能

11、转换成光能的器件，简称LED，正向导通后发光,导通压降大于普通二极管通常在1.4V以上,发光二极管具有寿命长、抗冲击和抗振动性能好、可靠性高等优点，应用十分广泛，其外形众多,2.光电二极管,光电二极管是一种将光能转换成电流的器件，其PN结封装在具有透明聚光窗的管壳内。光照射后导通，导通电流与光照强度相关。,无光照射电流很小（暗电流）,受到光照，反向电流增大（光电流）,正向特性类同于普通二极管,注意光电二极管使用时要反向接入电路中，即阳极接电源负极，阴极接电源正极。,部分二极管的照片,整流二极管,稳 压二极管,发光二极管,光 电二极管,1.5 双极晶体管,1.5.1 基本结构和电流放大作用1.5

12、.2 特性曲线和主要参数1.5.3 简化的小信号模型,1.5.1 基本结构和电流放大作用,双极晶体管简称晶体管、三极管。,1.基本结构和符号,NPN型,PNP型,1.基本结构和符号,两个PN结：发射结、集电结,三个电极：发射极E、基极B、集电极C,三个区：发射区杂质浓度高（多数载流子最多）集电区杂质浓度高,比发射区稍低 基 区杂质浓度相对很低,2.电流放大作用,条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,载流子的运动和电流的形成：,发射结外电场发射区大量电子载流子向基区运动,电源向发射区补充电子发射极电流,进入基区的电子载流子少量与基区空穴复合，电源 向基区补充空穴基极电流,集电结外电场基区的大部

13、分电子载流子进入集电区，并由电源收集集电极电流,电流放大作用：,小的基极电流变化量大的集电极电流变化量，具有电流放大作用，电流控制作用电流控制型器件。,1.5.2 特性曲线和主要参数,1.共发射极输入、输出特性曲线,输入特性曲线：,与二极管正向特性曲线类似。,输出特性曲线：,截止区：,无放大作用；,曲线以下区域,特点：集电结、发射结均反向偏置；,集电极与发射极相当于断开的开关用于开关电路。,饱和区：,特点：发射结、集电结均正向偏置；,无放大作用；,集电极与发射极相当于接通的开关用于开关电路。,饱和区特点：,放大区：,特点：发射结正向偏置，集电结反向偏置，,有放大作用用于放大电路。,2.主要参数

14、,电流放大系数,穿透电流,集电极最大允许电流,集电极最大允许耗散功率,集电极发射极反向击穿电压,1.5.3 简化的小信号模型,1.受控源概念,受控源非独立电源,输出电压或电流受电路中另一电压或电流的控制。,电压控制电压源（VCVS）电压控制电流源（VCCS）电流控制电压源（CCVS）电流控制电流源（CCCS）,四种类型：,四种受控源符号：,VCVS,VCCS,CCVS,CCCS,2晶体管的简化小信号模型,晶体管工作在放大区，即:,B-E之间，工作在输入特性的近似线性区，,C-E之间,用电流控制电流源模型。,部分晶体管的照片,1.6 绝缘栅场效应晶体管,1.6.1 基本结构和工作原理1.6.2

15、特性曲线和主要参数1.6.3 简化的小信号模型,1.6.1 基本结构和工作原理,类型：N沟道绝缘栅场效应管（NMOS）P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）增强型绝缘栅场效应管 耗尽型绝缘栅场效应管,1.基本结构,耗尽型NMOS管结构G 栅极S 源极D 漏极,耗尽型 NMOS,耗尽型NMOS管结构,在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子，不加 在 区之间存在N型导电沟道。,增强型NMOS管结构,在二氧化硅绝缘层中掺入少量正离子，尚未形成导电沟道，只有加入足够大的 时才形成导电沟道。,增强型 NMOS,P沟道MOS管的符号,增强型PMOS,耗尽型PMOS,2.工作原理,电压控制型器件。,对耗尽型NMOS，,对增强型NMOS，,在D-S间外加电源，加于G-S间的电压 变 化时，漏极电流 变化。,1.6.2 特性曲线和主要参数,1.特性曲线,输出特性：,转移特性：,耗尽型NMOS管的特性曲线,增强型MOS管的转移特性,NMOS管,PMOS管,2.主要参数,夹断电压,开启电压,饱和漏极电流,低频跨导,最大漏极电流,最大耗散功率,最大漏-源极击穿电压,栅源直流电阻,耗尽型MOS管参数,增强型MOS管参数,耗尽型MOS管参数,1.6.3 简化的小信号模型,栅源电阻很大，栅极电流,栅源电压控制漏极电流 电压控制电流源模型,本章结束返回目录,第2章 电路分析基础,