王志功电路与电子线路基础(电路部分)电子教案第3章

1、东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电路与电子线路基础Fundamental Electric and Electronic Circuits第3章 电源与电信号源电源与电信号源王志功 东南大学射频与光电集成电路研究所http:/ 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1第第3章章 电源与电信号源电源与电信号源n直流电源n正弦波交流电源n三相交流电源与三相电路n信号源n理想电源n独立电源的SPICE语言描述n突变与奇异函数n受控电源 东东 南南 大大 学学

2、射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1第3章 电源与电信号源n 电源是电路中的基本元件，也是任何电路中不可缺少的组成部分。假定没有电源，任何电路均不会工作，元件中无电流通过，两端也不会出现电压。第二章初步涉及到电源及其模型。实际电源种类繁多，模型各异。有的很简单，有的却相当复杂。电路中常见的电源大体上只有四类：n 供应电能确保电路正常工作的电源。n 电信号源，电信号源的主要任务是产生信号和携带信息。n 人为设计的、作为构造电路的基本元件，如描述晶体管等有源器件转移特性的受控源（controlled source）。n 并非实际存在的，而是人为虚拟

3、设置作为分析或计算电路用的模型，如代替PN结势垒（potential barrier）的直流电压源。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1直流电源l电池化学直流电源组成：正、负极、电解液和电极间的隔离物。工作原理：(1) 正极从外电路中 获取电子，维持正极同电解液间的还原反应。(2) 负极同电解液之间发生氧化反应，产生多余的电子，输送给外电路。这样，在外电路中就有电子从负极迁移到正极，从而产生持续的电流。(3)负极氧化产生的电子在还原反应中由正极所消耗。这样的过程不断持续，直至电极内的活性材料和电解液中的活性材料耗尽为止。

4、这时，电池放电结束。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1锰锌电池 n锰锌（Mn-Zn）电池就是一般使用的干电池。电池的正极是二氧化锰（MnO2）矿粉，负极用锌筒，电解液用氯化铵水溶液。由于正极的引出是依靠炭棒插在二氧化锰粉中，故锰锌电池有时也称炭锌（C-Zn）电池和炭棒电池。n电池放电反应（discharge reaction）方程式：AZn+8MnO2+ZnCL2+8H2O ZnCL24Zn(OH)2+8MnOOH 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/

5、2/1国际电工委员会国际电工委员会IEC制定的锰锌电池标准制定的锰锌电池标准正极负极电解液IEC标准JIS（日本工业标准）标准电压（V）最大开路电压（V）标准电压（V）最大开路电压（V）MnO2ZnZnCL2NH4CL1.51.7251.51.5东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1国际电工委员会IEC电池外形尺寸规范和习惯称呼 直径高度习惯称呼（型号）IEC美国日本欧洲中国34.261.5R20D单1形Mono1号电池26.250.0R14C单2形Baby2号电池14.550.5R6AA单3形Mignon 5号电池10.

6、544.5R03AAA单4形Micro6号电池12.030.2R1N单5形Laby7号电池东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1锰锌电池的容量 电池型号容量/Ah 15.422.350.760.470.2放电开始时电流: 1.5/10=150 mA放电60小时，电池两端电压降至0.9V，此时电流: 0.9/10=90 mA估计电池容量: 90mA60h=5.4Ah东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1R6(AA, 5号) 电池在不同负载电阻下得到的放电

7、容量 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1碱性电池（Alkaline） n 仍是一种锰锌电池，电池的正极采用电解生成二氧化锰，负极用高纯度锌。与一般锰锌电池主要区别有二：一是电解液不用ZnCl2、NH4Cl等中性盐类的水溶液，改用强碱氧化钾或氯氧化钠，其放电反应方程式为: Zn+2MnO2+H2O ZnO+2MnOOH 二是负极不再用锌筒，而用高纯度锌粉胶合成多孔状圆柱体安置在二氧化锰内，从而极大增加了活性反应的表面积，成倍提高了电池的放电容量。n 放电容量比一般锰锌电池大2倍，间歇工作时至少大1.7倍。n 放电时电压下

8、降较慢，承受重负载的能力远比锰锌电池强，广泛用于需要大电流驱动的场合 。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1碱性电池的放电容量 1号电池的容量=9Ah2号电池的容量=3.8Ah5号电池的容量=1.5Ah6号电池的容量=0.6Ah7号电池的容量=0.36Ah电池型号容量/Ah 1823.851.560.670.36东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1镍镉电池 n 镍镉（Ni-Cd）电池是一种二次电池二次电池，可以再充电的，故也称为充电电池充电电池（r

9、echargeable battery）或蓄电池蓄电池（accumulator）等。n 镍镉电池的正极采用镍的氧化物，譬如氢氧氧化镍NiOOH，负极用金属镉Cd。电解液用氢氧化钾水溶液。该电池的放电反应式为2NiOOH+Cd+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2n 方程式指出，正极NiOOH被还原成Ni(OH)2。负极Cd被氧化了，变成Cd(OH)2，还原和氧化产生1.3伏电势，维持电池放电。n 充电时，方程式逆向反应，氢氧化镍与金属镉又重新生成。曾被还原过的正极Ni(OH)2又重新氧化成NiOOH。曾被氧化过的负极Cd(OH)2又重新还原成Cd。反应方程式是双向的、可逆的，理论上允许重复

10、无限次。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1镍镉电池的密封问题n 过充电是指，电池已充满还继续再充。充满是指正常的充电反应已经结束，正极、负极的活性物质又重新生成。若再继续充电，电解液中的水份将被分解为氢气和氧气，随着气体不断产生，电池内部压力不断上升，将对电池起破坏作用。n 1947年德国工程师G. Neumann发明的一个新方法：利用金属镉非常活泼容易氧化这样一个特性将负极做得比正极大。于是，充电时容量小的正极将先充满，容量大的负极离充满为时尚早。这时，水的电解只产生氧气而不产生氢气。聚集在正极周围的氧气将扩散到负

11、极，同刚才还原生产的金属镉发生氧化反应，氧气被吸收。如果氧气被吸收的速度同充电时金属镉生成的速度平衡，电池内部压力将会恒定，密封成为可能。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1Ni-Cd电池的主要参数 国 内习 惯称 呼标称电压(V)标准容量(mAb)标准充电、放电充电（mA）时间（h）放电（mA）1号1.21800180153602号1.21200120152405号1.250050151006号1.2180181536东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022

12、/2/1Ni-Cd电池的主要特征 n电池的外形有圆筒型、方型和纽扣型三种。n额定电压为1.2伏，放电过程中比较稳定。 n能量密度低。 n漏电严重。 n允许反复充电500次以上，有的可达2000次。 n使用方便。 n使用条件和使用环境较为宽松。允许过充电。也允许长期放置。使用温度范围宽广。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1钮扣电池 n 广泛应用于诸如电子表和微型助听器等微型电子产品 直径(mm)厚度(mm)2.62.01.61.2东东 南南 大大 学学 射射 频频

13、 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1钮扣电池四大系列 电池名称IEC标记正极材料负极材料电解液（水溶液）标称电压（V）氧化银电池SRAg2OZnKOH或NaOH（添加ZnO）（蒸馏水）1.55水银电池MRNRHgOHgO+MnO2ZnKOH或NaOH（添加ZnO）（蒸馏水）1.351.4碱性电池LRMnO2ZnKOH或NaOH（蒸馏水）1.5空气电池PRO2ZnKOH或NaOH（蒸馏水）1.4东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1各种钮扣电池的放电特性 东东 南南 大大 学学 射射

14、频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1锂电池 n 锂电池以金属锂（Li）做电池负极n 锂电池有两大优点：一是轻，二是电池的电压高 n 锂电池反应式 Mn4+O2+Li Li+Mn3+O2 反应式中，4价锰变为3价锰，于是把锂结合进去了。产生了较大的放电电压，标称值为3伏，开路电压达3.5伏，是普通电池的两倍。n 过去需要2节电池工作的电路，现在只需一个薄薄的“硬币”就可完成。若用于计算机，向CMOS静态RAM供电以保存重要数据时，一个小小的COIN可维持5年以上。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究

15、 所所2022/2/1其它锂电池n 铜铜-锂电池（锂电池（Cu-Li） 正极采用氧化铜CuO，放电反应产生的电压，其标称值为1.55伏，与普通的锰锌电池和氧化银电池相近，允许互换使用。n 氯化硫氯化硫-锂电池（锂电池（SOCl2-Li） 这种电池的正极用氯化氧硫，负极用锂，放电反应产生的电压较多，标称值达3.6伏，开路电压超过4伏。是最新开发出来的新品种，它相当于3个Ni-Cd电池串联工作，可用在3.3伏的计算机中。n 二次锂电池：二次锂电池：碳-锂电池，钒-锂电池，锰-锂电池，聚酰胺-锂电池等均可提供标称电压为3伏的，适用于高温、低温放电的优良的二次电池。东东 南南 大大 学学 射射 频频

16、与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电池型号 nIEC原标准 电池系列字母a锰-锌碱性L水银M锰水银N氧化银S过氧化银T空气（铵酸）A空气 （碱）P氟化碳-锂B锰-锂C电池外形字母b圆形R方形 S东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1太阳能电池原理：把来自太阳的光变成电。就把光变成电这一点来讲，太阳能电池同光敏二极管是一样的。只是作为能源要求效率高，在设计上作了巨大的改进，确保提供强大的电流。因此，如果说化学电池是产生直流电压的话，太阳能电池则是产生直流电流。鉴于输出电流较大，引出电极

17、的欧姆电阻rs必须计及，又因太阳能电池的面积大，漏电不可忽略，故有电阻RL与PN结并联，上图是太阳能电池的模型。 由于太阳能是无污染的能源，有取之不尽的能量，可以永久地工作，目前除了用于卫星等航天电子装置中外，还广泛用于手表、计算器和收音机等微型电子装置上。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/13.1.3 电池的伏安特性l电池有两个重要参数：电压与容量。l电压是电池的第一重要参数，指的是标称电压（normal voltage)。 l电池的容量是电池的第二重要参数，是指一个电池在给定负载（给定负载电阻或给定输出电流）下能连续

18、放电多少时间？多少安培小时？ 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电池的伏安特性 电池的伏安特性与一般电阻元件的伏安特性的三点区别电池的伏安特性与一般电阻元件的伏安特性的三点区别 a) 伏安特性上有一个起始电压b) 伏安特性是有范围的c) 伏安特性的斜率是负的东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电池同负载电阻相连接时的伏安特性和电路图 n 利用两条伏安特性相交可以求出简单电路中的电流和电压。这种图解法无论对线性电路还是非线性电路均适用，但必须能得到

19、电源和负载的伏安特性，并且限于求解简单电路。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1n电池模型：一个理想电池同 一个非线性元件相串联 电池的非线性伏安特性东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电池同负载电阻相连接时的折线近似伏安特性和含线性电阻的电路模型 n E是电池的标称电压。n r是电池的内阻 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/13.2 正弦波交流电源n 电力电源是指为城乡提

20、供的电能的电源。n 电力电源由发电厂产生。巨大的发电机平稳地旋转，源源不断地将机械能转变成电能。由于线圈相对于磁场作旋转运动，穿过线圈的磁通量按余弦(cosine)规律变化。根据法拉第感应定律，感应电动势必然是按正弦(sine)规律变化。故交流电（AC, alternative current)是一种正弦波形。若没有超负荷(overload)运行，电力电源是频率稳定、电压恒定的交流电源。n 用理想电压源表达的电力电源模型与计及内阻后的模型 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/13.2.2 正弦波交流电源与电路工程n 发电机

21、的旋转运动。通过线圈绕组的磁通量(magnetic flux)是旋转角度t的余弦函数，d/dt将是正弦电压。故发电机发出来的电是正弦交流。n 交流电对输配电特别有利：利用变压器提升可以克服线路上的电压降，再利用高压输电与低压配电技术大大推进了电力的应用。显然，正弦交流是传送电能的最佳载荷体。n 正弦交流很容易产生旋转磁场。交流感应电动机结构简单，旋转平稳，为工业界提供了灵活机动的、高效率动力，促进了工业电气化。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1其他方式生成的正弦波n Maxwell方程组导出的波动方程式。它的解是正弦

22、波。并暗示着正弦电磁场以无线方式在真空或介质中传播。因而，正弦波被作为一种载玻，实现无线电通信。 n 在电感和电容的电路里，描述电流、电压的方程式是二阶常微方程。其解是正弦函数。阿姆斯特朗LC振荡器可以产生稳定的正弦信号。提供载波的来源。n 谐振电路和滤波器的发明，允许把不同频率的正弦信号分离开来。这样，人们就可以用不同频率的正弦波传送复杂信号，或传送若干个不同的信号。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1正弦波形与表达式正弦波形与表达式0( )cos(2)v tAt T0( )sin(2)v tAt T0100( )co

23、s(22)cos(2)v tAt Tt TAt T东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1正弦波形的傅立叶（Fourier）分解 0100( )cos(22)cos(2)v tAt Tt TAt T00( )cos(2)cossin(2)sinv tAt TAt T00( )cos(2)sin(2)v tat Tbt T101000coscos(2)(0),0sinsin(2)(4),4aAAt TvtbAAt Tv ttt 22Aab1()tgb a 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电

24、路路 研研 究究 所所2022/2/1正弦波的频率(frequency)与角频率(radian frequency) n 描述正弦波形的时间表达式时，人们习惯于采用频率。频率定义为每单位时间内周期的个数，即每单位时间内有几周。因为周期T0是一周的秒数，因而每秒的周数为 f0称为循环周数的频率，简称为频率，其单位为赫兹（Hz）n 因为每一周，相角变化360(2)，因此，频率也可以用每秒钟变化多少角度，多少个2来表示，这种表达频率的方法，称为角频率0 0=2 f0=2/ T0 角频率0 的单位为每秒弧度，即rad/s 001fT东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电

25、 路路 研研 究究 所所2022/2/1频率与角频率应用场合n 当涉及到交流电源时，人们喜欢用周数频率，如50 Hz，60 Hz，400 Hz等等。n 当涉及到各种信号时，人们也喜欢采用周数频率f0，如，我们的收音机接收1008kHz调幅广播电台，或92.6MHz调频立体声广播电台。n 但在涉及到各种系统时，人们却喜欢采用角频率0 。因为用0表示时，系统的描述可以更清晰更简洁，容易分析，容易设计。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1正弦波形的重要性质n加法性质加法性质 1101( )cos()v tAw t2202( )

26、cos()v tAw t21vvv21vvvsincosbbbAaaaA221221v）（）（bbaaA东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1两个频率相同的正弦波形之和两个频率相同的正弦波形之和: 波形与振幅波形与振幅n 相加合成得到的正弦波形振幅 n 正巧是三角形的余弦定理 22121222221212111 22212121 222121212121222121212()()2222222()vAaabbaaa abbbbAAa abbAAA A coscosA A sinsinAAA A cos 东东 南南 大大 学

27、学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1正弦波形的矢量求和正弦波形的矢量求和把正弦波形看成矢量: 则合成矢量Au 结论结论: 正弦波形之和不是代数和，两个振幅不能直正弦波形之和不是代数和，两个振幅不能直接以接以Av=A1+A2的形式相加，而是矢量和。的形式相加，而是矢量和。 222111AAAAv12vvAAAA东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/13.3 三相交流电源与三相电路n 电力系统的电源有两类，即=单相电源（single-phase power supply）=三

28、相电源（3-phase power supply）n 以上介绍的交流电源只产生一个交变电动势，所以叫单相交流电。单相交流电源和负载是由两根导线连接起来的。我们日常生活中的电器，如220V的电灯、电炉、电风扇、收音机、PC等都是单相负载。n 由三个同频率、等幅度、相位依次相差120的正弦交流电压源，叫三相交流电。n 由三相电源、三相负载和三相输电线路组成电路称之为三相电路(3-phase circuit)。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电路的优点 1）在发电方面，三相电源比单相电源可提高功率50；2）在输送电力方

29、面，三相输电比单相输电节省钢材25，因为在比单相电多用一条线的情况下，输送电力的能力是单相输电的三倍。3）配电方面：三相变压器比单相变压器经济且便于接入负载。4）用电方面：三相电动机等设备结构简单、成本低、运行可靠、维护方便。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相交流电的产生 n 三相交流电通常是由三相交流发电机产生。n 发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其它结构件组成。转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。n 由轴承及

30、端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相发电机 n AX、BY、CZ为发电机的三相绕组，其参数相同，在空间上对称分布。n A、B、C为正极性端标记，X、Y、Z为负极性端标记。n 转子绕组通入直流电流，建立磁场，在原动机带动下，以角速度 匀速转动形成旋转磁场，分别在绕组AX、BY、CZ中产生三个最大值相等，频率相同，相位互差120的感应电压vA、vB和vC。东东 南南 大大 学学 射

31、射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电瞬时值时域表达式、波形与矢量表示n瞬时值时域表达式 波形n矢量表示)240cos(2)()120cos(2)()cos(2)(CBAtVtvtVtvtVtv2401200CBAVVVVVV东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1相量与对称三相电源 n相量三相电压的差别仅在于它们的相位。因此在电路教科书通常把它们称之为相量（phasor） n对称三相电源 0 CBAvvv0CBAVVV东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电

32、集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电压矢量相加关系 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电源的星形（Y形）接法 A、B、C三根线称之为相线（Phase Line），或称之为火线（上接高压，对地短接会产生火花）。N称之为中线（Neutral Line， 对称三相电压在此中和抵消），或称之为零线（对地电压为零）。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电源星形接法的相电压和线电压 n相电压定义为相线对中线的电压相电压定义

33、为相线对中线的电压 AANVVBBNVVCCNVVn线电压定义为相线之间的电压线电压定义为相线之间的电压 210302409032401203031200ANCNCACNBNBCBNANABVVVVVVVVVVVVVVVVVV东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1线电压与相电压之间的通用关系n在日常生活与工农业生产中，多数用户的电压等级为VP = 220VVL = 380V pL 3VV东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电源的三角形（形）接法

34、n 发电机三个定子绕组的始末端顺次相接，再从各联接点A、B、C引出火线来，就构成一台三角形联接的三相发电机。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相负载的接法 星形三角形 负载的相电压负载的相电压：每相负载上的电压负载的线电压负载的线电压：负载端线间的电压线电流线电流：流过端线的电流 。相电流相电流：流过每相负载的电流东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电路联结 n Y形和形两种接法的三相电源与Y形和形两种接法三相负载联接时，可以构成四种联接

35、形式： Y-Y、Y-、-Y、-n 在三相负载与三相电源联接时，有一个相序问题，即三相电源三相电源各相经过同一值各相经过同一值(如最大值如最大值)的先后顺序。的先后顺序。n 将三相负载的A、B和C分别与电源的A、B、和C联接时，我们得到一个正序正序(顺序顺序)联接，联接，即三相负载各相经过同一值的先后顺序为A-B-C-A。假如负载是一个三相电动机，此时它转动的方向为正，那么，只要换一根联结线，譬如，A接B，B接A，三相负载各相经过同一值的先后顺序就变为为B-A-C-B。从而得到一个负序负序(逆序逆序)，电动机就向相反的方向转动。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电

36、电 路路 研研 究究 所所2022/2/1单相电路的瞬时功率若考虑只含电阻、电感和电容等的网络N，如右图所示，端口电压为v，端口电流为i，则网络吸收的瞬时功率为在正弦稳态情况下，设则令为电压与电流之间的相位差，有vip )ivtIitVv cos2 cos2)ivivivtVIVItItVvip2coscoscos2cos2iv)v v 22sinsin22cos1cos tVItVIp东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1单相电路的有功功率和无功功率)v v 22sinsin22cos1cos tVItVIp上式第一项恒

37、大于零，说明这部分是网络消耗的能量；第二项是正负交替的，说明这部分能量在电源和网络之间反复的交换。瞬时功率在实际应用中意义不大，人们关注的通常是电网络实际消耗的功率，对于正弦稳态电路，我们可以计算一个周期内电路消耗功率的平均值，即 )cosd2coscos1d1 0 0 VIttVITtpTPTivT该功率被称为平均功率或有功功率。有功功率的表达式恰好是*式第一项的“系数”因子。工程中还将*式第二项的“系数”因子定义为无功功率，用Q表示，即 *sinVIQ 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1单相电路的视在功率n许多电力

38、设备的容量（例如：变压器、电机的输出功率）由它的额定电压和额定电流的乘积决定，为此，人们引入了视在功率S的概念，其定义为有功功率、无功功率和视在功率都具有功率的量纲，为区分起见，有功功率的单位用瓦特(W)，无功功率的单位用乏尔(var)，视在功率的单位用伏安(VA)VIS 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三相电路的功率n单相电路的平均功率：单相电路的平均功率： 为相电压与相电流的相位差为相电压与相电流的相位差(阻抗角阻抗角)cos 为功率因数为功率因数n三相总功率三相总功率 nY形联接三相总功率形联接三相总功率n形联

39、接三相总功率形联接三相总功率 PPPcosPVIPPP33cosPPVILLLL13cos3cos3PV IV I LLLL13cos3cos3PVIV I东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1有功功率P与无功功率Q n 平均功率P都是有功功率，即负载吸收的功率有功功率，即负载吸收的功率 n 与有功功率P相对应的是无功功率无功功率Q n 单相电路的无功功率：单相电路的无功功率：n 三相电路的总无功功率：三相电路的总无功功率：n 三相电路的视在功率：三相电路的视在功率：n 功率因数定义：功率因数定义： PPPsinQVIPB

40、A3Q QQQQCPPLL 3sin3sinQV IV I22PPLL33SPQV IV ISPcos东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/13.4 信号源信号源: 能量、信息与信号能量、信息与信号u 正弦波电源既可以作为提供能量的电源，也可以作为提供信息的信号源。虽然50Hz的交流电源所能提供的信息是很少的（幅度、频率和相位），一系列不同频率的正弦波电源就可以在开关作用下实现数字信号的频率调制，实现信息的传递。u 任何一个产生多种正弦电流或电压的电源都可以提供能量和信息。但提供能量的电源所能提供的信息通常可以忽略不计，而提

41、供信息的电源所能提供的能量通常也可以忽略不计。u 由于携带信息的电流和电压在传输过程中会衰减，而电路中还存在噪声，为使最终得到的信息不被噪声淹没，生成信息的电源必须具有足够的功率。以一定功率携带信息的电压或电流称为电信号。在电路理论和工程中，我们更多研究的是信号。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1有用信号与干扰信号n 有用信号是通过各种传感元件变换，需传输、处理或存储的携带信息的信号。比如，话筒产生的音频信号，摄像机产生的视频信号等。对电路分析设计来说，人们必须知道这类信号源的模型。由于传感器种类繁多，建立的模型往往带

42、有该类传感器的特色。n 干扰信号来源众多。电路内部产生的有：电路中的热噪声、半导体器件中的各种噪声、非线性电路产生的各种虚假信号等。外部干扰主要有自然界中存在的各种电磁干扰、电子产品和各种电气装置产生的电磁干扰以及许多人为干扰等。n 干扰信号有两大特点：=无规则、随机变化。=干扰信号源分布在整个电路上，因而模型复杂，计算困难。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1产生语音信息的信号源产生语音信息的信号源话筒话筒 n 目前使用的话筒仍是1880年爱迪生发明的炭粒话筒。该话筒结构简单，一盒压紧的炭粉，盒盖是可以振动的膜片。当声

43、波作用到膜片上时，膜片振动引起炭粉上压力的变化，改变了炭盒的电阻，如果电路里有直流电源，它所产生的电流中将含有变化的成份，这个变化的成份将反比于电路中的电阻，而炭盒电阻又反比与膜片上声波的压力。n 电路中的电流将正比于声压，将声压变为电流信号。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1产生语音信息的信号源产生语音信息的信号源听筒听筒听筒的功能是相反的，将电流变化转化为声压变化。听筒的原理和结构基本上与1876年贝尔发明时一样。当通过线圈的电流变化时，磁场发生变化，磁力的变化引起膜片振动，推动空气，产生声波。 东东 南南 大大

44、学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1监测温度变化的信号源监测温度变化的信号源热电偶（热电偶（thermoelectric couple） n 两跟不同类型的金属丝，若将其中一端合在一起，另一端悬空，则悬空端会产生电压，其值决定于两端的温度差，大约有几个毫伏，可用于测量温度.n 这种信号源的模型是一理想电压源VT，其值仅取决于温度，与电路中别的变量和参数无关。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1探测磁场变化的信号源探测磁场变化的信号源磁头磁头 n 磁头(magnet

45、ic head)的基本结构是一个具有微小间隙的磁路。当磁带通过间隙时存储着信息的磁针改变了间隙磁场，从而感应出电势。n 磁头电路及其等效电路。由于线圈本身有电感量，故模型中除了有一个理想电压源EM外，还有一个电感LM 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1探测光变化的信号源探测光变化的信号源光敏二极管光敏二极管 n 光敏二极管(photosensitive diode)以半导体PN结为基础。当光射入PN结时引起了共价键分解，产生了新的电子空穴对。在PN结内电场的作用下，新空穴进入P区，新电子进入N区。使P区的空穴越来越多，

46、N区的电子越来越多，形成了正负极性，从而在外电路中引起电流，把光转化为电流，其值大小决定于光的强度。n 光激发产生的是载流子，故是电流源，不是电压源。n 二极管依旧存在，它相当于电流源的内阻。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1光敏二极管的应用光敏二极管的应用 n 光信号的传输。通过光将前级的信号传输给后级，而前后级之间却没有任何电路上的连接， 从而保证了前后级之间电气 的隔离，如右图所示。这种 光传输原理也广泛用于空间光通信和光纤通信系统。n 光信号检测:利用光信号可以检测出物体的位置和运动。下图是两种应用方案，透射式

47、和反射 式。广泛用于磁盘定位、磁带 检出以及各种定位控制系统中。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1三种主要光电二极管的剖面图Cross-views of 3 Principle PDspin-PD APD MSM-PD (雪崩光敏（电）二极管) i(n)np_+h+_RLi(p)np_+h+_RLp+_RL(a)(b)(c)hintrinsic substrate东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1光电二极管原理（Principle of PD

48、s）=所有的光电二极管工作是都加反向偏置(reverse biased). =无辐照时（no radiation），只有很小的反向饱和电流（saturated reverse current）即暗电流（dark current）流过二极管. =有光（light）辐照时, 在二极管耗尽区(depletion region) 产生电子空穴对(electron-hole pairs）.这些电子空穴对在外电源作用下迅速掠过耗尽区，漂移到电极，在外电路（external circuit）形成电流.东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/

49、1光电二极管等效电路（Equivalent Circuits of PDs）光电效应等效为一个 独立电流源东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1理想电源理想电源n各种实际电源的模型均较复杂，尚需进一步分解。这说明了客观上需要一种更基本的电源模型作为基元来构造实际电源的模型，比如，理想电压源（ideal voltage source）与理想电流源（ideal current source）。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1理想电压源理想电压源n 理

50、想电压源是二端元件。它的端电压Va-Vb始终保持不变，通过端点的电流无论多大，它始终是常数。n 理想电压源的基本行为是 ) )arbitraryor or babatiIEVVtevv东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1需要注意的问题需要注意的问题 名称问题名称问题 电压极性和电流方向电压极性和电流方向 充电与放电充电与放电 电压值为零的电压源电压值为零的电压源 任意信号任意信号e(t)的表达的表达东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1名称问题名称问

51、题 n 理想电压源的名称众多，比如：独立电压源，是指它的输出电压不受外接电路的影响始终保持不变，说明该电压源是独立的。n 有时也称为恒压源，即使电压值实际上是随时间变化的，如e(t)，但因其输出电压不受外接负载变化而变化始终保持恒定不变，故称为恒压源。n 也有人简称为电压源，即使没有别的说明，人们也能理解，指的是理想电压源。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电压极性和电流方向电压极性和电流方向 n 伏打电池诞生以来，人们已习惯于在电 池两端标注极性。电位高的一端称为正 极，低的一端称为负极。电流从正极流 出，经负载，从

52、负极返回。从电源的一 侧看，电流是从电源正端流出的。从负载一侧看，电流是从电源正端流入的，正好相反。这个差别反映了电源是电能的供方，负载是电能的需方。作为供方电流当然从正端输出。但作为需方，电流方向并不是由负载自身确定。n 电阻是没有极性的，电流无论从哪端流入效果都一样。流过负载的电流方向是由供方确定的，电阻上的电压极性也由供方确定，因而才会出现上述景象。这个差别就是有源（active）元件与无源（passive）元件的差别。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1充电与放电充电与放电 n 当电源作为供电元件时，电流从电源正

53、端流出，电源放电。n 假如电路中还有别的电源，有可能出现这种情况：全部电源作用的结果使得有电流从电源的正端输入。这时，电源变成电能 的需方，进行充电，如上图所示。若是可充电的二次电池，则引起充电反应，电能储蓄在电池中。若是一次电池，充电结果将引起电池发热，耗散掉这些充入的电能。n 若既不是二次电池，也不是一次电池，是一个理想电压源，一种抽象的电源模型，显然无法解释这些能量的去处，恐怕也无必要作解释。 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1理想电压源充电区放电区无限大理想电压源充电区放电区无限大n 理论上，理想电压源是一种无

54、限能源。可以提供无限电流，无限电功率和无限电能，是取之不尽，用之不竭的。n 同理，它也允许输入无限电流，充进无限电功率和无限电能，简直是一个“黑洞”，因而无需研究充电能量的去处。n 下图指出，放电区是无限大的，充电区也是无限大的。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电压值为零的电压源电压值为零的电压源 n 理想电压源是一种伏安类元件，它像电阻一样可用伏安特性来表示其行为，区别仅在于伏安特性不同。电阻的伏安特性是一条通过坐标原点的正斜率直线。理想电压源的伏安特性是一条平行于横坐标i的直线。平行线的高度代表着该电压源的电压值

55、。n如果电压源的电压值E0时，则平行线将位于横坐标之上。若E0，即a端为正，b端为负。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电流源的端电压极性是受外接电路影响电流源的端电压极性是受外接电路影响n 除电能的需方外，若还有别的电流源，如图所示，电压VaVb的极性就取决于电流源I1和I2的相对大小。n 当I1I2时，显有VaVb0，a端是正，b端为负。n 当I1I2时，则VaVbI2，则(VaVb)0，得P10，表示电流源I1给出的功率是正的，I1处于放电状态。同时也得P20，伏安特性位于右半平面。若I0，伏安特性位于左半平面。

56、若I=0，该电流源的伏安特性就与电压轴重合。n 要注意，I=0是一种特殊的电流源，其行为是：arbitrary0baVVI东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1开路元件看成一个开路元件看成一个I=0的理想电流源的理想电流源n 不管电压多大，通过元件的电流总是零，表示这条支路是不通的，a、b两点间开路。换言之，开路元件可以看成一个I=0的理想电流源。n 过去人们把开路看成阻值无穷大的电阻元件。然而，这只能作为意会，不能作为分析计算的依据。因为无限大毕竟不是一个数，人们也从未验证过它是否还遵循OL。n 现在有了确切的电阻定义，

57、并把R=排除在电阻之外，况且人们对电流源又有较多的认识，发现用I=0的电流源来描述开路元件更为恰当，就逐渐放弃R=的描述方法。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1短路元件和开路元件的描述方法短路元件和开路元件的描述方法n 下图是短路元件和开路元件的描述方法。n 以后将会发现这种描述方法将带来许多好处。l比如，短路元件和开路元件的引入不改变电路矩阵，简化了电路计算；l用电压源和电流源描述短路和开路的方法客观上为开关元件的描述奠定了基础，为开关电路的分析计算提供了一种可能的方法。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光

58、 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1理想电源的联接理想电源的联接n 由于理想电源是一种抽象，它们有一些特殊的性质，在电路联接的时候，服从特定的电学规则（electric rule）。违反这些电学规则的电路理论上是不能成立的，物理世界中则是要出问题、甚至引发灾难的。n 在电路分析程序如SPICE中，有一个步骤称之为电学规则检查（ERC：electric rule check），目的就是检查输入的电路是否满足电学规则。东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电压源的联接电压源的联接 n 右图是两个电压

59、源的串联。假设连续点为b，则串联后得到的电压为 故电压源的串联表现为电压的相加。若有一电压源的极性相反，则串联后的电压为故极性相反的电压源相互串联表现为电压相减 12acabbcVVVVVVEE12acabbcVVVVVVEE东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1多个电压源串联 n 若有多个电压源串联，极性又不完全一致，串联所得之总电压将是各电压源电压值的代数和（正、负号全包括在电压值内），得niiEVV1ba东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1两个

60、极性相反的电压源相串联两个极性相反的电压源相串联n 重新回顾两个极性相反的电压源相串联的情形如果E2=E1，则得 表示a端与c端同电位。n 现在我们用一条导线将a，c两端短接起来显然不会有电流流过，对整个电路无影响。这样，a端就是c端，作为电压源使用时只能从a、b两端联接。串联的电压源就成并联了，如图所示。仔细观察并联电路不难 发现，在并联电路内部有一个 串联的环路，且满足E1E1=0。n 推而广之，沿着环路各元件的 电压代数和为零。12110acV VE EE E 东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所2022/2/1电压不相等的电压源