第1章电路和电路元件

1、电工电子技术电工电子技术计信系电子信息教研室计信系电子信息教研室蔡玉涛蔡玉涛1.1 1.1 电路和电路的基本物理量电路和电路的基本物理量1.1.1 电路1.1.2 电压、电流及其参考方向1.1.3 电路功率第1章上页下页返回1.1.1 电路 电路是电流的通路，它是为了某种需要由电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工、电子器件或设备组合而成的某些电工、电子器件或设备组合而成的 。电路的组成：电路的组成：电源、电源、负载负载和导线、开关等。和导线、开关等。实实际际电电路路电电路路模模型型第1章上页下页返回E+SIR上页下页返回第1章 各种蓄电池和干电池由化学能转换成电能。电电源源上页下页返回

2、第1章 汽轮发电机和风力发电机将机械能转换成电能。 实际的负载包括电动机、电动工具和家用电器等等。电动机电动机手电钻手电钻吸尘器吸尘器负负载载上页下页返回第1章电力系统电路的作用电路的作用实现电能的传输和转换实现电能的传输和转换实现信号的传递和处理实现信号的传递和处理电路的作用上页下页返回第1章电 灯电 炉电动机发电机升 压变压器降 压变压器扩音器话筒话筒扬声器扬声器放大器1.1.2 1.1.2 电压、电流及其参考方向电压、电流及其参考方向1 1. . 基本物理量基本物理量上页下页返回第1章1. 1. 电流电流 电荷有规则的定向运动，形成传导电流。单位时电荷有规则的定向运动，形成传导电流。单位

3、时间内通过导体横截面的电荷量称为电流。间内通过导体横截面的电荷量称为电流。(1)(1)直流电流，常用大写字母直流电流，常用大写字母I I 表示表示I = Q / tI = Q / tQ Q 的单位为库的单位为库 仑仑 （C C）；）；t t的单位为秒（的单位为秒（s s）；）；I I的单位为安的单位为安 培培(A)(A)dttdqti)()(2)(2)随时间变化的电流用随时间变化的电流用i i表示，它等于电荷（量）表示，它等于电荷（量）q q对时间对时间t t的变化率的变化率（3 3）电流不但有大小，而且有方向。）电流不但有大小，而且有方向。电流的实际方电流的实际方向规定为正电荷运动的方向。向

4、规定为正电荷运动的方向。在内电路中由电源负在内电路中由电源负极流向正极，在外电路中由电源的正极流向负极。极流向正极，在外电路中由电源的正极流向负极。ba+UabEI+U+上页下页返回2. 2. 电压电压 电场力将单位正电荷从电路的某一点移至另一点电场力将单位正电荷从电路的某一点移至另一点时所作的功。时所作的功。 (1)(1)电压就是电位差电压就是电位差。 (2)(2)直流电路直流电路中电压用中电压用U U表示表示, ,单位也为伏特单位也为伏特(V) (V) 。 (3)(3)电压的实际方向规定为由高电位指向低电位的方电压的实际方向规定为由高电位指向低电位的方向向, ,即电位降的方向。即电位降的方

5、向。电路图中用电路图中用“+”+”和和“”表示表示电压的极性。电压的极性。 “ “+”+”端为高电位端端为高电位端, “”, “”为低电位为低电位端。端。 上页下页返回3. 3. 电位电位 电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时所作的功。所作的功。电位也就是电路中某点至参考点的电压。电位也就是电路中某点至参考点的电压。参考点参考点的电位为零。的电位为零。 (1)(1)电路中电位用电路中电位用“V V ” 表示表示, ,单位为伏特单位为伏特(V).(V). 某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为正，说明该点电位比参考点高； 某点电位为负

6、，说明该点电位比参考点低。某点电位为负，说明该点电位比参考点低。上页下页返回4. 4. 电动势电动势电源中的非电场力将单位正电荷从电源的负极移至电电源中的非电场力将单位正电荷从电源的负极移至电源的正极所作的功。反映电源把其它形式能转化为电源的正极所作的功。反映电源把其它形式能转化为电能的本领能的本领 。(1)(1)直流电路中用直流电路中用E E 表示。单位也是伏特（表示。单位也是伏特（V V）。）。(2)(2)电动势的实际方向规定由电源负极电动势的实际方向规定由电源负极指向电源正极的方向，即电位升的方向。指向电源正极的方向，即电位升的方向。它与电源电压的实际方向是相反的。它与电源电压的实际方向

7、是相反的。ba+UabEI+U上页下页返回W、kW、mWV、kV、mV、 VV、kV、mV、 VA、mA、 A(用电或供电)电源负极指向电源正极（低电位低电位 高电位高电位）电位降的方向（高电位高电位 低电位低电位） 正电荷移动的方向 高电位流向低电位PE（直流直流） e（交流交流）U（直流直流） u（交流交流）i（交流）（交流）I（直流直流）物理量物理量单位单位方向方向功率功率电流电流电压电压电动势电动势上页下页返回第1章2. 2. 电压、电流参考电压、电流参考方向方向 在复杂电路中难于预先判断某段电路在复杂电路中难于预先判断某段电路中电流的实际方向，从而影响电路求解。中电流的实际方向，从而

8、影响电路求解。问题问题电流方向ba,ab？abR5R2R1R3R4R6+ + +E1E2E URIab电压、电压、电流实际方向：电流实际方向：上页下页返回第1章 在解题前先任意选定一个方向，称为在解题前先任意选定一个方向，称为参参考方向（或正方向）。考方向（或正方向）。依此参考方向，根据依此参考方向，根据电路定理、定律列电路方程，从而进行电路电路定理、定律列电路方程，从而进行电路分析计算。分析计算。解决方法解决方法: :计算结果为正，实际方向与假设方向一致；计算结果为正，实际方向与假设方向一致；计算结果为负，实际方向与假设方向相反。计算结果为负，实际方向与假设方向相反。 由计算结果可确定由计算

9、结果可确定U、I 的实际方向：的实际方向：上页下页返回第1章解：解：假定假定I I 的的参考方向参考方向, ,如图所示。如图所示。 则：则：（实际方向与参考方向相反！）（实际方向与参考方向相反！） 已知：已知：U=2=2V, , R R =1=1问：当问：当Uab为为1V时，时，I = ?= ?ab121V A1A1UI , ,上页下页返回第1章 例例1.1.11.1.1URU IRabdUUUUURdbadabRUURUIabR/ )(/ 假定假定U 、I 的参考方向如图所示的参考方向如图所示，若若 I = -= -3 3A ，U =2=2V , , R =1 Uab= =？（实际方向与参考

10、方向一致）实际方向与参考方向一致） 小结小结1.1.电压电流“实际方向”是客观存在的物理现象，“参考方向” 是人为假设的方向。解解：上页下页返回第1章URU IRabd=-(-(-3）1+2V = 5V 例例1.1.21.1.2UIRUUUUURadab4 4.为方便列电路方程，习惯假设I与U 的参 考方向一致（关联参考方向）。 2.2.方程U/I=R 只适用于R 中U、I参考方向一 致的情况。即欧姆定律表达式含有正负号， 当U、I参考方向一致时为正，否则为负。 3.3.在解题前，一定先假定电压电流的“参考方 向 ”，然后再列方程求解。即 U、I为代数 量，也有正负之分。当参考方向与实际方 向

11、一致时为正，否则为负。上页下页返回第1章 小结小结电流的参考方向设成从电流的参考方向设成从a流向流向b, 电压的参电压的参考方向设成考方向设成a为高电位端，为高电位端，b为低电位端，为低电位端，这样所设的电流电压参考方向称为这样所设的电流电压参考方向称为参考方参考方向关联向关联 设电路任意两点间的电压为设电路任意两点间的电压为U，电流为电流为 I（参参考方向关联考方向关联），），则这部分电路的功率为则这部分电路的功率为1.1.3 1.1.3 电路功率电路功率上页下页返回第1章bIRUa+ +- -P = UI P0,P0,该元件吸收功率；该元件吸收功率；P0,P 0, 0, 则说明则说明U、I

12、 的的实际方实际方 向一致，向一致，此部分电路吸收电功率此部分电路吸收电功率（消耗能量消耗能量） 负载负载 。 若计算结果若计算结果P UD1 D2 优先导通，优先导通， D1截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V例例: :D1承受反向电压为承受反向电压为6 V流过流过 D2 的电流为的电流为求：求：U UABABD2BD16V12V3k AUAB+mA43122D I第1章上页返回下页第1章上页返回下页1.4.4 稳压二极管特殊二极管：稳压二极管、发光二极管、光电二特殊二极管：稳压二极管、发光二极管、光电二 极管等。极管等。稳压管是一种

13、特殊的面接触型半导体二极管。稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。符号符号: :DZ阴阴 极极阳阳 极极特点特点: :(1)(1)反向特性曲线比较陡反向特性曲线比较陡(2)(2)工作在反向击穿区工作在反向击穿区稳压二极管第1章上页下页返回I/mAU/V0 0UZIZIU- -第1章上页下页稳定电压稳定电压UZ最大稳定电流最大稳定电流I IZMZM动态电阻动态电阻rZ最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZ M一般情况:高于6V的UZ为负,低于6V的UZ为正。 电压温度系数电压温度系数UZrz = UZ / IZ返回I/mAU/V0 0UZIZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。几几 几十几十

14、，越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。IZM UZ IZ允许通过的最大反向电流。IR = IZ + ILUO= UI IR R图中R为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。UIR- - -DZRL- -UOIRILIZUZ当当 UI 波动时波动时( (RL不变不变) ) ORZOL UIIUR当当 RL 变化时变化时( (UI 不变不变) ) IU OU ZI RI OU稳压管构成的稳压电路稳压管构成的稳压电路第1章上页下页返回1.5 双极型晶体管双极型晶体管1.5.1 基本结构和电流放大作用1.5.2 特性曲线和主要参数1.5.3 简化的小信号模型第1章上页下页返回1.5.1

15、基本结构和电流放大作用基本结构和电流放大作用NPN型型PNP型型CP PN NN NN NP PP PE EE EB BB B发射区集电区基区基区基极发射极集电结发射结发射结集电结集电区发射区集电极集电极C发射极基极BETCNPNBETCPNP第1章上页下页返回B BE EC C基极基极发射极发射极集电极集电极结构特点：结构特点：第1章上页下页返回晶体管的电流放大原理晶体管的电流放大原理IEIBRBUBBICUCC输输入入电电路路输输出出电电路路公共端公共端发射结正向偏置发射结正向偏置集电结反向偏置集电结反向偏置NPN 管：管： UBE0 UBCVBVERCBCE共发射极放大电路共发射极放大电

16、路第1章上页下页PNP 管：管： UBE0即即V VCVBIB第1章上页下页返回21）三电极电流关系）三电极电流关系 IE = IB + IC2） IC IB ， IC IE 3） IC IB当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的的微小变化时，必定使微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。管的基极电流对集电极电流具有控制作用。第1章上页下页返回晶体管起电流放大作用，必须满足发射结正偏，晶体管起电流放大作用，必须满足发射结正偏，集电结反偏的条件。集电结反偏的条件。3晶体管中有电子和空穴两种

17、极性的载流子晶体管中有电子和空穴两种极性的载流子参与导电，故称为双极性晶体管。参与导电，故称为双极性晶体管。1.5.2 特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数IB = f (UBE )UC E = 常数常数UCE1V第1章上页下页返回IEIBRBUBICUCCRC- - -UBEUCEUBE/VIB/AOOIC = f (UCE ) | IB = 常数常数IB 减小减小IB增加增加UCEICIB = 20AIB =60AIB =40A第1章上页下页返回IEIBRBUBICUCCRC- - -UBEUCE晶体管输出特性曲线分三个工作区晶体管输出特性曲线分三个工作区UCE /VIC / mA8060

18、40 0 IB= 20 AO24681234截止区截止区饱和区饱和区放大区放大区第1章上页下页返回晶体管三个工作区的特点晶体管三个工作区的特点发射结正偏,集电结反偏有电流放大作用, IC=IB输出曲线具有恒流特性发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用, IC0晶体管C、E之间相当于开路发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间相当于短路CEB+-+CEB+-+CEB+-+第1章上页下页返回IEIBRBUBBICUCCRC- - -UBEUCE 共射极电路中，设共射极电路中，设UCC=6V， IB=20A时晶体管时晶体管的输出特性曲线如图，求（的输出特性曲线如图，求（1）工作点为曲线上）

19、工作点为曲线上Q1时的时的RC值值;(2)工作点为工作点为时的时的RC值值例例1.5.1第1章上页下页返回OICmAUCE / V1.0IB= 20 A2.0Q1Q20.520.3KIUURURIUCCECCCCECCCC4101263(1)晶体管处于放大状态晶体管处于放大状态OICmAUCE / V1.0IB= 20 A2.0Q1Q20.520.3KIUURURIUCCECCCCECCCC111052. 03 . 063(2)晶体管处于饱和状态晶体管处于饱和状态由题可知，当由题可知，当UCC、IB为一定值时，增大为一定值时，增大RC能使晶体管能使晶体管的工作点输出特性曲线向左移，从放大进入到

20、饱和状态的工作点输出特性曲线向左移，从放大进入到饱和状态，反之，若原来饱和，减小，反之，若原来饱和，减小RC能进入放大状态。能进入放大状态。 3.3.主要参数主要参数集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流 ICBO集电极发射极间穿透电流集电极发射极间穿透电流 ICEOICEO=(1+)ICBO交流电流放大系数交流电流放大系数=IC / IB第1章上页下页直流电流放大系数直流电流放大系数=IC / IB返回ICEOCBEAAICBOCEB集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM集集- -射反向击穿电压射反向击穿电压 U(BR)CEO集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PC

21、MPCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO第1章上页下页返回1.5.3 简化的小信号模型简化的小信号模型 三极管工作在放大状态时可用电路模三极管工作在放大状态时可用电路模型来表征它的特性。型来表征它的特性。上页下页第1章返回1.1.受控源受控源受控源的电压或电流受电路中另一处的电压或电流受控源的电压或电流受电路中另一处的电压或电流的控制，不能独立存在。的控制，不能独立存在。+u2i2i1 = 0+u1 u1压控电压源压控电压源 (VCVS)u2 = u1 转移电压比转移电压比(无量纲常数无量纲常数)上页下页第1章返回+u2i2+u1g u1i1 = 0i2 = g u1g

22、 转移电导转移电导(电导量纲电导量纲)压控电流源压控电流源 (VCCS)流控电流源流控电流源 (CCCS)i2 = i1 转移电流比转移电流比(无量纲常数无量纲常数)i2i1 +u1 = 0 i1+u2上页下页第1章返回 +u1 = 0 i1i2+u2 i1流控电压源流控电压源 (CCVS)u2 = i1 转移电阻转移电阻(电阻量纲电阻量纲)受控电压源没有串联内阻受控电压源没有串联内阻R0，即，即R0=0；受控电流源没；受控电流源没有并联内阻，即有并联内阻，即R0=。控制量为电压时，两输入端。控制量为电压时，两输入端间开路；控制量为电流时，两输入端短接。间开路；控制量为电流时，两输入端短接。建

23、立简化小信号模型的条件建立简化小信号模型的条件：1 1）三极管工作在放大状态）三极管工作在放大状态; ;2) 2) 输入信号非常小（一般输入信号非常小（一般A A数量级）数量级）上页下页第1章返回2.2.晶体管简化的小信号模型晶体管简化的小信号模型晶体管的基极电流控制集电极电流，电路模型晶体管的基极电流控制集电极电流，电路模型采用电流控制电流源。采用电流控制电流源。 rbe = 200+ （1+）26（mv）IE（mA）三极管微变等效模型的建立步骤：三极管微变等效模型的建立步骤：iB0uBEUce1VIBIBUBE第1章上页下页Q 输入回路微变等效电路输入回路微变等效电路返回b be er r

24、bebeUBEIBubeib= =rbe =ibec+-+-uceubeicb输出回路微变等效电路输出回路微变等效电路iC 0uCEICQUCEI CUCE = IBIC rce = I CUCE第1章上页下页iC= ib 返回ic= =ib受控恒流源受控恒流源I IC CI IB BC Ce eibr rcecee第1章上页下页返回ibec+-+-uceubeicbebibicrceib等等效效模模型型cuceuberbe+bibiCcib简简化化模模型型ubeucerbe+1.6 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管1.6.1 基本结构和工作原理第1章上页下页返回1.6.2 特性曲线和主要

25、参数1.6.3 简化的小信号模型概述概述第1章上页下页返回 场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，绝缘栅型场效应管的应用最为广泛，种半导体器件，绝缘栅型场效应管的应用最为广泛，这种场效应管又称为金属氧化物半导体场效应这种场效应管又称为金属氧化物半导体场效应晶体管（晶体管（MOS）。）。 按其导电类型可将场效应晶体管分为按其导电类型可将场效应晶体管分为N沟道和沟道和P沟道两种，按其导电沟道的形成过程可分为耗尽型沟道两种，按其导电沟道的形成过程可分为耗尽型和增强型两种。和增强型两种。 增强型就是当增强型就是当UGS 0时，漏源间没有导电沟道，

26、时，漏源间没有导电沟道，即使在漏源极间加上电压，也没有电流；反之。在即使在漏源极间加上电压，也没有电流；反之。在UGS 0时，漏源间存在沟道称为耗尽型。时，漏源间存在沟道称为耗尽型。PP+N+N+SGDBNN+P+SGDBP+SGBDSGBD1. 1. 增强型增强型MOSMOS管管 由金属、氧化物、和半导体组成，以一块杂质浓由金属、氧化物、和半导体组成，以一块杂质浓度较低的度较低的P P型或型或N N型硅片为衬底。箭头朝里的为型硅片为衬底。箭头朝里的为N N沟道沟道管，箭头朝外的为管，箭头朝外的为P P沟道管。沟道管。第1章上页下页返回2.2.耗尽型耗尽型MOSMOS管管SGBDIDSGBDI

27、DPP+N+SGDBN+N沟道沟道DMOSNN+P+SGDBP+P沟道沟道DMOSuGS=0时，导电沟道已存在时，导电沟道已存在在绝缘层中掺入大量的正离子，在在绝缘层中掺入大量的正离子，在u uGSGS=0=0时，导电沟道已存在。时，导电沟道已存在。第1章上页下页返回1.6.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理BG G栅极栅极D D漏极漏极SiO2BDGSP P型硅衬底型硅衬底S S源极源极N沟道增强型结构示意图图形符号第1章上页下页返回N+N+ D D与与S S之间是两个之间是两个PNPN结反向串联，无论结反向串联，无论D D与与S S之间加什么极性之间加什么极性的电压，漏极电流均的电压

28、，漏极电流均接近于零。接近于零。(1) (1) UGS =0结构示意图结构示意图衬底引线衬底引线BUDSID = 0GDSP型硅衬底型硅衬底SiO2栅源电压对导电沟栅源电压对导电沟道的控制作用道的控制作用第1章上页下页N+N+返回(2) 0 UGS UGS(th)衬底中的电子进一步被衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的吸至栅极下方的P P型衬底型衬底表层，使衬底表层中的表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为数量，该薄层转换为N N型型半导体，称此为反型层。半导体，称此为反型层。当当D D、S S加上正向电压加上正向电压后可产生漏极电流后可产生漏极电流I ID D 。 N+N+SiO2GDS耗尽层耗尽层BP P型硅衬底型硅衬底UGSN型导电沟道ID第1章上页下页返回UDS UGS愈大，导电沟道愈厚愈大，导电沟道愈厚, ,在在U UDSDS电压作用下电压作用下, ,电流电流I ID