《计算机电子电路技术-电路与模拟电子部分CH.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机电子电路技术-电路与模拟电子部分CH.ppt（101页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第1章 电路基本概念和定律第2章 电阻电路分析 第3章 动态电路分析 第4章 正弦稳态电路分析 第5章 半导体器件 第6章 放大电路分析基础 第7章 负反馈放大电路 第8章 集成运算放大器 第9章 波形产生电路 第10章 功率放大器 第11章 直流电源,计算机电子电路技术,电路与模拟电子部分,学习方法：1、基本概念、基本定理（律）；2、基本方法、典型电路；3、多练。,计算机电子电路技术,电路与模拟电子部分,第1章 电路基本概念和定律,1.1 电路模型1.2 电路变量1.3 电阻元件1.4 电源元件1.5 基尔霍夫定律1.6 电阻的串联和并联1.7 实际电源模型,电路基本概念和定律,1.1 电路
2、模型,一、实际电路及其功能,实际电路：由电气器件构成，并具有一定功能的连接整体。,电气器件,电池、信号产生器、电阻器、电容器、电感器、开关、晶体管,电路的基本功能是：(1)实现电能的产生、传输、分配和转换；(2)完成电信号的产生、传输、变换和处理。,电路电源负载连接器件,电路基本概念和定律,电源(source)：提供能量或信号.,负载(load)：将电能转化为其它形式的能量，或对信号进行处理.,导线(line)、开关（switch)等：将电源与负载接成通路.,三峡工程输电示意图,手机充电,电路基本概念和定律,二、电路模型,电路理论主要研究电路中发生的各种电磁现象，包括电能的消耗现象和电磁能的存
3、储现象。,电阻元件（R）:消耗电能的现象；电容元件（C）:电场储能的现象;电感元件（L）:磁场储能的现象.,对实际器件，在一定条件下，忽略其次要性质，用理想元件或其组合表征它的主要特性。该理想元件或其组合构成实际器件的模型，称为器件模型。,电路基本概念和定律,理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单的数学式子严格表示。,部分电气图用图形符号,电路基本概念和定律,(a)实际电路(b)电气图(c)电路模型(电路图),当实际电路的尺寸远小于使用时其最高工作频率所对应的波长时，可以定义出几种“集总参数元件”(lumped parameter eleme
4、nt)，用来构成实际部、器件的模型。每一种集总参数元件(以后简称为元件)只反映一种基本电磁现象，且可由数学方法精确定义。,电路基本概念和定律,采用集总电路模型意味着不考虑电路中电场与磁场的相互作用，不能考虑电磁波的传播现象，认为电能的传送是瞬间完成的。当电路的尺寸大于最高频率所对应的波长或两者属于同一数量级时，便不能作为集总电路处理，应作为分布(distributed)参数电路处理。,调频接收机(100M Hz):,手机充电,手机（900M/1800M）,电路基本概念和定律,日常生产、生活电路的工作频率为 f=50 MHz则：周期 T=1/f=0.02106 s=0.02 ns 波长=3105
5、 0.02106=6 m,电路基本概念和定律,1.2 电路变量,电路中的主要物理量：主要有电压、电流、电荷、磁链等。在线性电路分析中常用电流、电压、功率等。,一、电流,电荷有规则的定向运动形成电流。,电流强度:单位时间内通过导体截面的电荷量。,常用单位毫安(mA)或微安(A),单位：A(安)(Ampere，安培),当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。,符号 T G M k c m n p中文 太 吉 兆 千 厘 毫 微 纳 皮数量 1012 109 106 103 102 103 106 109 1012,二、电压,为了计量电场力作功的能力，引入电压物理量，记为u(t)或u。,电路中a、
6、b两点间的电压，在数值上等于单位正电荷从a点沿电路约束的路径移至b点时电场力所作的功。,电压的单位是伏特(V)。,常用单位:千伏(kV)、毫伏(mV)或微伏(V),三、电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。,参考点的电位一般定为零，所以:也称为零电位点。,电位用表示，单位与电压相同，也是V(伏)。,a,b,c,d,设c点为电位参考点，则 c=0,a=Uac，b=Ubc，d=Udc,两点间电压与电位的关系：,仍设c点为电位参考点，c=0,Uac=a，Udc=d,Uad=Uac Udc=ad,前例,结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位
7、之差。,例.,1.5 V,1.5 V,已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.V,(1)以a点为参考点，a=0,(2)以b点为参考点，b=0,结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电位参考时，电路中各点电位均不同，但任意两点间电压保持不变。,四、电压、电流的参考方向(reference direction),1.电流的参考方向,元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:,电流参考方向的两种表示：,用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。,用双下标表示：如 iAB,电流的参考方向由A指向B。,i 参考方向,i 0,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,为什么要引入参考方向？,(b)
8、实际电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。,(a)有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。,2.电压(降)的参考方向,+,+,U,0,实际方向,实际方向,0,U,电压参考方向的三种表示方式：,(2)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压(降低)的参考方向,(3)用双下标表示：如 UAB,由A指向B的方向为电压(降)的参考方向,U,+,A,B,UAB,小结：,(1)电压和电流的参考方向是任意假定的。分析前必须标明。,(2)参考方向一经
9、确定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。,(4)参考方向也称为假定方向、正方向，以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。,(3)元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向，以减少公式中负号，称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。,例1 电路如图1.6所示，图中矩形框表示电路元件。已知电流I1=-1A,I2=2A,I3=-3A,其参考方向如图中所标；d为参考点，电位Ua=5V,Ub=-5V,Uc=-2V。求(1)电流I1、I2、I3的实际方向和电压Uab、Ucd的实际极性。(2)若欲测量电流I1和电压
10、Ucd的数值，则电流表和电压表应如何接入电路?,能量对时间的导数称为功率，记为p(t)或p,五、能量和功率,功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特),能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳),当 u,i 的参考方向一致时，p表示元件吸收的功率；,当 u,i 的参考方向相反时，p表示元件发出的功率。,二、功率的计算和判断,1.u,i 关联参考方向,p=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率(吸收),P0 吸收负功率(发出),p=ui,2.u,i 非关联参考方向,P0 吸收正功率(吸收),P0 吸收负功率(发出),上述功率计算不仅适用于元件，也使用于任意二端网络。,电阻元件在电路中总是消耗(吸收
11、)功率，而电源在电路中可能吸收，也可能发出功率。,若已知元件吸收功率为p(t)，并设w(-)=0,则,表示从-开始至时刻t元件所吸收的电能。一个元件，如果对于任意时刻t,均有,则称该元件（或电路）是无源的，否则就称其为有源的。,例 U1=10V，U2=5V。分别求电源、电阻的功率。,I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 A,PR=URI=51=5 W,PU1=-U1I=101=10 W,PU2=U2I=51=5 W,P发=10 W，P吸=5+5=10 WP发=P吸(功率守恒),例:如图所示电路，已知i=1A,u1=3V,u2=7V,u3=10 V,求ab、bc、ca三部分电路上各
12、吸收的功率p1,p2,p3。,1.3 电阻元件,一、线性电阻,电阻元件是电能消耗器件的理想化模型，用来描述电路中电能消耗的物理现象。,线性定常电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。,(a)电路符号；(b)伏安特性,二.欧姆定律(Ohms Law),(1)电压与电流的参考方向设定为一致的方向,u R i,令 G 1/R,R 称为电阻,G称为电导,则 欧姆定律表示为 i G u.,电阻的单位：(欧)(Ohm，欧姆)电导的单位：S(西)(Siemens，西门子),1k=103 1M=103k=106,(2)电阻的电压和电流的参考方向相反,则欧姆定律写为,u Ri 或 i Gu,公式必须和
13、参考方向配套使用！,R,i,u,+,三.开路与短路,对于一电阻R，,当R=0，视其为短路。i为有限值时，u=0。,当R=，视其为开路。u为有限值时，i=0。,*理想导线的电阻值为零。,四.功率和能量,R,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p吸 ui(Ri)i i2 R u(u/R)u2/R,p吸 ui i2R u2/R,功率：,i,能量：可用功率表示。从 t 到t0电阻消耗的能量：,例4 图1.15电路，已知R=5，u(t)=10costV,求i(t)。,R,ut,+,-,例5 图1.16电路，已知R=5k，U=-10V，求电阻中流过的电流和电阻的功率。,1.4 电源元件(sou
14、rce，independent source),一、理想电压源：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关。,1.特点：,(a)电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,(b)通过它的电流是任意的，由其与外电路共同决定。,直流：uS为常数,交流：uS是确定的时间函数，如 uS=Umsint,uS,电路符号,2.伏安特性,US,(1)若uS=US，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与 电源中的电流无关。,(2)若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是 这样。电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合,相当于短路元件。,3.理想电压源的开路与短路,(1)开路：R，i=
15、0，u=uS。,(2)短路：R=0，i，理想电源出现病态，因此理想电压源不允许短路。,*实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,4.功率：,二、理想电流源：电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。,1.特点：,(a)电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,(b)电源两端电压是任意的，由外电路决定。,直流：iS为常数,交流：iS是确定的时间函数，如 iS=Imsint,电路符号,2.伏安特性,IS,(1)若iS=IS，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与 端电压无关。,(2)若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是 这样 电流为零
16、的电流源，伏安曲线与 u 轴重合,相当于开路元件,3.理想电流源的短路与开路,(2)开路：R，i=iS，u。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流源不允许开路。,(1)短路：R=0，i=iS，u=0，电流源被短路。,4.功率,1.5 基尔霍夫定律(Kirchhoffs Laws),基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(Kirchhoffs Current LawKCL)和基尔霍夫电压定律(Kirchhoffs Voltage LawKVL)。它反映了电路中所有支路电压和电流的约束关系，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,一、几个名词：(定义),1.支
17、路(branch)：电路中通过同一电流的每个分支。(b),2.节点(node):三条或三条以上支路的连接点称为节点。(n),4.回路(loop)：由支路组成的闭合路径。(l),b=3,3.路径(path)：两节点间的一条通路。路径由支路构成。,5.网孔(mesh)：对平面电路，每个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。,l=3,n=2,二、基尔霍夫电流定律(KCL)：在任何集总参数电路中，在任一时刻，流出(流入)任一节点的各支路电流的代数和为零。即,物理基础:电荷恒定，电流连续性。,令流出为“+”(支路电流背离节点),i1+i2i3+i4=0i1+i3=i2+i4,i1+i210(12
18、)=0 i2=1A,47i1=0 i1=3A,(1)电流实际方向和参考方向之间关系；(2)流入、流出节点。,两种符号:,KCL可推广到一个封闭面：,i1+i2+i3=0,(其中必有负的电流),思考：,EWB,三、基尔霍夫电压定律(KVL)：在任何集总参数电路中，在任一时刻，沿任一闭合路径(按固定绕向)，各支路电压的代数和为零。即,R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0,例:,顺时针方向绕行:,UAB(沿l1)=UAB(沿l2）电位的单值性,推论：电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。元件电压方向与路径绕行方向一致时取正号，相反取负号。,R1I1US
19、1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0,1.5(续)电路的图及KCL/KVL独立方程,个图G是结点和支路的一个集合，每条支路的两端都连到相应的结点上。,图的概念：,电路的“图“是指把电路中每一条支路画成抽象的线段形成的一个结点和支路的集合。,KCL和KVL的独立方程数,对有n个节点的电路，就有n个KCL方程。每条支路对应于两个节点,支路电流一个流进,一个流出。所有n个节点的KCL方程之和为,所以：独立KCL方程数最多为(n1)。可以证明：此数目恰为(n1)个。即 n个方程中的任何一个方程都可以从其余(n1)个方程推出 来。,独立节点：对有n个节点的电路，与独立方程对应的节点。任选(n1)个
20、节点即为独立节点。,给定一b条支路，n个结点的平面电路(planar circuit)：(a)该电路有b-(n-1)个网孔；(b)b-(n-1)个网孔的KVL方程是独立的。,平面电路网孔数mb-(n-1),共有13个不同的回路。,一个连通图G的树T包含G的全部结点和部分支路，而树本身是连通的且又不包含回路。,在树的基础上，每增加一条连支，必形成一个回路且这些回路相互独立。,一b条支路，n个结点的平面电路的树枝为n-1条，所以其独立回路数:mb-(n-1),独立回路的选取：,每增选一个回路使这个回路至少具有一条新支路。因这样所建立的方程不可能由原来方程导出，所以，肯定是独立的(充分条件)。以后可
21、以证明:用KVL只能列出b(n1)个独立回路电压方程。对平面电路，b(n1)个网孔即是一组独立回路。,写出独立的KVL方程,KCL反KVL分别表明支路电流之间以及支这些约束关系与构成电路的元件性质无关，因此，在研究这些约束关系时经常直接用一线段来代替电路中的每一个元件。,求下图中未知的电压、电流。,KCL、KVL小结：,(1)KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对支路电压的线性约束。,(2)KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,(3)KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是电位单值性的具体体现(电压与路径无关)。,(4)KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,1.电路特点:,一
22、、电阻串联(Series Connection of Resistors),1.6 电阻的串联、并联和串并联,KVL u=u1+u2+uk+un,由欧姆定律,uk=Rk i,(k=1,2,n),结论：,Req=(R1+R2+Rn)=Rk,u=(R1+R2+Rk+Rn)i=Reqi,串联电路的总电阻等于各分电阻之和。,2.等效电阻Req,3.串联电阻上电压的分配,由,即,电压与电阻成正比,故有,(注意方向!),4.功率关系,p1=R1i2，p2=R2i2，pn=Rni2,p1:p2:pn=R1:R2:Rn,总功率 p=Reqi2=(R1+R2+Rn)i2=R1i2+R2i2+Rni2=p1+p2
23、+pn,二、电阻并联(Parallel Connection),2.等效电阻Req,Rin=1.36.513,G=1/1.3+1/6.5+1/13=1,R=1/G=1,4.功率关系,p1=G1u2，p2=G2u2，pn=Gnu2,p1:p2:pn=G1:G2:Gn,总功率 p=Geqi2=(G1+G2+Gn)u2=G1i2+G2i2+Gni2=p1+p2+pn,三、电阻的串并联,例1.,R=4(2+36)=2,R=(4040+303030)=30,例2.,已知R2，求开关打开和闭合时等效电阻Rab。,例3.,解：,用分流方法做,求：I1,I4,U4,1.6（续）星形联接与三角形联接的电阻的 等
24、效变换(Y 变换),三端无源网络:引出三个端钮的网络，并且内部没有独立源。,三端无源网络的两个例子：，Y网络：,Y型网络,型网络,下面是，Y 网络的变形：,型电路(型),T 型电路(Y 型),这两种电路都可以用下面的 Y 变换方法来做。,下面要证明：这两个电路当它们的电阻满足一定的关系时，是能够相互等效的。,等效的条件:i1=i1Y,i2=i2Y,i3=i3Y,且 u12=u12Y,u23=u23Y,u31=u31Y,Y接:用电流表示电压,u12Y=R1i1YR2i2Y,接:用电压表示电流,i1Y+i2Y+i3Y=0,u31Y=R3i3Y R1i1Y,u23Y=R2i2Y R3i3Y,i3=u
25、31/R31 u23/R23,i2=u23/R23 u12/R12,i1=u12/R12 u31/R31,(1),(2),由式(2)解得：,i3=u31/R31 u23/R23,i2=u23/R23 u12/R12,i1=u12/R12 u31/R31,(1),(3),根据等效条件，比较式(3)与式(1)，得由Y接接的变换结果：,或,类似可得到由接 Y接的变换结果：,或,上述结果可从原始方程出发导出，也可由Y接 接的变换结果直接得到。,简记方法：,特例：若三个电阻相等(对称)，则有,R=3RY,(外大内小),或,注意：,(1)等效对外部(端钮以外)有效，对内不成立。,(2)等效电路与外部电路无
26、关。,应用：简化电路,例1.桥 T 电路,例2.双 T 网络,一、理想电压源的串并联,串联:,uS=uSk(注意参考方向),电压相同的电压源才能并联，且每个电源的电流不确定。,并联:,1.7 实际电源模型,二.、理想电流源的串并联,可等效成一个理想电流源 i S（注意参考方向），即 iS=iSk。,电流相同的理想电流源才能串联,并且每个电流源的端电压不能确定。,串联:,并联：,一个实际电压源，可用一个理想电压源uS与一个电阻Ri 串联的支路模型来表征其特性。当它向外电路提供电流时，它的端电压u总是小于uS，电流越大端电压u越小。,三、实际电压源,u=uS Ri i,Ri:电源内阻,一般很小。,
27、uS=US时，其外特性曲线如下：,四、实际电流源,一个实际电流源，可用一个电流为 iS 的理想电流源和一个内电导 Gi 并联的模型来表征其特性。当它向外电路供给电流时，并不是全部流出，其中一部分将在内部流动，随着端电压的增加，输出电流减小。,i=iS Gi u,iS=IS时，其外特性曲线如下：,Gi:电源内电导,一般很小。,三、电源的等效变换,本小节将说明实际电压源、实际电流源两种模型可以进行等效变换，所谓的等效是指端口的电压、电流在转换过程中保持不变。,u=uS Ri i,i=iS Giu,i=uS/Ri u/Ri,通过比较，得等效的条件：,iS=uS/Ri,Gi=1/Ri,由电压源变换为电流源：,由电流源变换为电压源：,(2)所谓的等效是对外部电路等效，对内部电路是不等效的。,注意：,开路的电流源可以有电流流过并联电导Gi。,电流源短路时,并联电导Gi中无电流。,电压源短路时，电阻中Ri有电流；,开路的电压源中无电流流过 Ri；,(1)方向：电流源电流方向与电压源电压方向相反。,(3)理想电压源与理想电流源不能相互转换。,应用：利用电源转换可以简化电路计算。,I=0.5A,U=20V,例2.,即,
