电子电气科学技术全套课件

1、电子信息技术对人类社会进步的巨大贡献。1906年电子管发明开启电子时代无线广播、无线通信诞生1947年晶体三极管发明开启固体电子学时代雷达、大型计算机诞生1958年集成电路诞生开启了微电子时代信号处理技术、彩色电视大发展1966年光纤通信及光电子时代信息技术、卫星及现代通信、个人电脑、互联网、物联网1.1 电子电气科学技术的回顾晶体管的发明（1947）及半导体器件 梅曼1960年梅曼发明红宝石激光器1958年工程师杰克基尔比在一块6.45平方毫米硅片上集成了12个元件，制成了一个RC移相振荡器。这是世界上第一块集成电路芯片。基尔比集成电路与内部布线设计。 华人科学家高锟1966年提出光纤理论，

2、随后发明光纤，获2009年诺贝尔物理学奖。世界第一台计算机，1946 今天的电脑 贝尔及早期电话马克尼及早期通信装置现代通信技术物联网组成通信网的融合1.2 应用示例图1-5 电的广泛应用电路的功能大体上可分为两大类。一类是实现电能的传输和分配，另一类是用来转换处理各种信号。图1-6 电路功能的示意图1.3 电路模型1.3.1 实际电路与电路模型实际电路是由若干电气元器件按应用的需要组合起来构成电流通路的整体。电路的三个组成部分是电源、负载和转换环节。图1-7 实际电路图1-8 电路模型的示意图为了用数学的方法从理论上判断电路的主要性能，必须将组成实际电路的电子器件在一定条件下按其主要性质加以

3、理想化，从而得到一系列理想化元件，如电阻元件、电容元件和电感元件等。这些理想元件称为实际器件的模型( model)。 1.3.2 电路分析作为电路分析的基础，本书主要讨论对集总参数电路、线性电路和时不变电路的分析方法。 集总参数电路：如果实际电路的几何尺寸远小于其工作信号的波长时，可以认为电流传送到电路的各处是同时到达的，即没有时间延迟，这时整个电路可以看成电磁空间的一个点。这种条件下的电路称为集总参数电路(lumped circuit)，否则就称为分布参数电路(distributed circuit)。 以常见的低频放大电路来说，假定它所传输的信号的最高频率为f= 30 kHz，传播速度为光

4、速c= 3108m/s，则信号的最小波长为线性电路：若描述电路特征的所有方程都是线性代数方程或线性微积分方程，则这类电路就是线性电路。或者说，由线性元件（电阻、电感、电容等）组成的电路称为线性电路。时不变电路：若组成电路的元器件参数不随时间变化，这类电路则称为时不变电路或非时变电路。“电路基础”课程是以集总参数线性时不变的电路为主要对象，而建立的基本理论、基本概念和基本分析方法。所应用的输入信号主要是直流、正弦交流、阶跃信号，进而研究电路在这些输入信号作用下电路响应(电流或电压)的变化规律。1.4 电路的基本变量1.4.1 电流与电压1.电流把单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流i，即

5、式中，若电荷量的单位为库仑(C)，时间的单位为秒(s)，则电流的单位为安培( A)。习惯上把正电荷运动的方向规定为电流的方向。如果电流大小和方向不随时间变化则称为直流，常用大写字母I表示。若电流的数值和方向随时间变化，则称为时变电流。在分析电路之前，先任意假设各支路电流的方向，这个方向称为参考方向。依据这些假设，若求解的电流为正值，说明实际方向与参考方向一致；电流为负值，说明实际方向与所标的参考方向相反。 图1-9电流的参考方向2.电压电路中两点间的电压又称为该两点的电位差。从能量的观点来说，将单位正电荷从a点移动到b点其能量的得失量定义为这两点间的电压u，即 式中，若能量的单位为焦耳(J)

6、，电荷量的单位为库仑(C)，则电压的单位为伏特(V)。在电路中任意假设两点间电压的正、负极性，如图1-10所示，若求解结果u为正，说明该电压的实际方向(或实际极性)与图中标示的相同。 图1-10 电压u的参考方向电流和电压的参考方向可以任意假定，而且二者是互相独立的。若选取电流的方向从电压的正端经过元件本身流向负端，则称电压与电流方向一致，或称关联参考方向。在图1-11中，电路的电压u与电流i方向一致，为关联参考方向；在图1-12中，电压u与电流i方向不一致，称为非关联参考方向。 图1-11 关联参考方向 图1-12 非关联参考方向 实际中若要测量电流和电压，要像图1-13那样，即测电流时应把

7、电流表串在支路中，测电压时应把电压表跨接在元件两端。图1-13 电压与电流的测量1.4.2 功率与能量功率(power)是量度电路中能量转换速率的一个物理量。电路在单位时间内所消耗的能量定义为瞬时功率，即在图1-14(a)中，电路N的u和i方向一致，故消耗的瞬时功率为图1-14 计算功率的示意图对于直流电路，可表示为：P=UI对于图1-14（b）所示电路，由于对N而言，u和i是非关联参考方向，则N消耗的功率为用以上两个式子计算功率时，若p 0，表明电路N此时消耗功率；若p 0，表明N此时产生功率。功率的单位是瓦特（W）。 若电路N的电压u和电流i已知时，在关联参考方向下，N在任何时刻t所吸收的

8、能量为电能的单位是焦耳（J）。在生活和工程中还常用千瓦时（kWh）作电能的单位，1 kWh俗称为1度（电）。例1-1 如果电视显像管中电子束每秒射出1015个电子，为要加速该电子束达到6.4W的功率，问激励电压应为多少？解：已知一个电子的负电荷量为e=1.610-19C，则电流所以，激励电压例1-2 设有2A的恒定电流通过一个灯泡10s（秒），若灯泡所消耗的热能为2.2kJ（焦耳），试求灯泡两端的电压U。解：在10s内的总电荷量为则电压1.5 基尔霍夫定律1.5.1 基尔霍夫电流定律为了叙述方便，下面先介绍几个有关术语。 （1）支路（branch）：电路中每一个二端元件称为一条支路。（2）节点

9、（node）：两条或两条以上支路的连接点称为节点。（3）回路（loop）：电路中由支路组成的任一闭合路径称为回路。（4）网孔（mesh）：平面电路中，回路内部不另含有支路的回路称为网孔。图中共有5个二端元件，支路数b=5；节点数n=4（A、B、C、D），回路数l=3；网孔数m=2KCL叙述如下：在集总参数电路中，在任一时刻，流出(或流入)任一节点或封闭面的各支路电流的代数和为零。即或对任一节点，流入该节点的电流等于流出该节点的电流。上述电流定律实质上是电荷守恒原理的体现。也就是说，到达任何节点的电荷既不可能增生，也不可能消灭，电流必须连续流动。图1-16 应用KCL的示意图对节点a,有对封闭面

10、S1,有对封闭面S2,有对于图1-16(b),有由上可知，KCL仅是支路电流的约束关系，它与元件的性质无关，因此KCL既适用于线性电路，也适用于非线性电路。例1-3 集成电路的电流关系如图1-17所示，求i1=？图1-17 KCL应用于IC电路解：对于IC，因流入的电流应等于流出的电流，即i1+（4+6+10）mA=（3+8+5+2）mA所以i1= 2mA1.5.2 基尔霍夫电压定律在集总参数电路中，在任一时刻，沿任一回路巡行一周，各元件电压的代数和为零。即在列KVL方程时，具体方法如下:(1)首先规定各支路的电压参考方向。(2)标出各回路的巡行方向。(3)凡支路电压方向与巡行方向相同者取正，

11、反之取负。例如，在图1-18中图1-18 应用KVL的示意图对回路I:对回路II:对回路III:由上可知，KVL方程反映了任一回路中各元件的电压关系，但与各元件的性质无关，不管是电源，还是电阻、电感和电容，只要电路的结构确定了，都可以写出各回路的KVL方程。KVL既适用于线性电路，也适用于非线性电路。 观察思考图1-19 测量法验证KVL例1-4 如图1-20所示直流电路，已知UAB=5V，UBD=3V，UBC=8V，试求U和UCD。图1-20 例1-4图解： 由KVL故 又因即 所以1.6 欧姆定律与电阻元件一个实际电阻器件的特性，通常可以用u-i平面上的一条曲线来确定，如图1-21(b)、

12、1-21 (c)所示。这种特性曲线称为电阻元件的伏安特性曲线或外特性曲线。 图1-21 电阻器件及其外特性如果电阻元件的电压电流关系(Voltage Current Relationship, VCR)在任何时候都是通过u-i平面坐标原点的一条直线，如图1-21(b)所示，则该电阻就称为线性时不变电阻，用R表示。这类线性电阻元件以后简称为电阻。若电阻元件的u-i关系不是线性的，则此电阻就是非线性的。对(线性时不变)电阻而言，其VCR由欧姆定律(Ohms Law)决定，即直流时：U=RI如电流的单位为安培(A)，电压的单位为伏特(V)，则电阻的单位为欧姆()。 电阻的倒数称为电导(conduct

13、ance)，用符号G表示，即G=1/R电导的国际制单位为西门子(S)。 在任意时刻，电阻上消耗（或吸收）的功率为对于直流情况：当电流通过电阻时，电阻会发热，这称为电流的热效应。因此各种电气设备为了安全运行，都有一定的功率限额、电压限额、电流限额，它们分别称为这些设备的额定功率、额定电压、额定电流。在使用时，不能超过这些额定值，否则会损坏设备。 图1-22 实际电阻器例1-5 设有一个额定功率1W，阻值为10k的金属膜电阻，问工作在额定条件下的电流和电压是多少？解： 由已知，得故有电压即该电阻上电压不超过100V，或电流不超过0.01A时，电阻所消耗的功率就不会超过1W，这时工作状态是安全的。应

14、用实例 1-1 为了测量电阻的伏安特性（VCR关系），通常使用内接法或外接法。图1-24 伏安特性测量电路观察思考1. 图1-25（a）为5线性电阻的u-i特性，观察图（b），其电阻为多大？图1-25 线性电阻特性观察思考2.图1-26（a）是一个电位器（可变电阻），图（b）是图（a）的结构图。图（c）是测量电位器阻值的方法。在图（c）中，Rbc的值是多少？图1-26 电位器及阻值测量各种电气开关各种电气开关1.7 电压源与电流源 电路中常遇到两类电源：一类电源如电池、稳压电源等，当接上负载后，在一定范围内，其输出电流随负载的变化而变化，但电源两端的电压保持为规定值，这类电源常称为独立电压源，

15、简称为电压源(voltage source )；另一类电源，如光电池等，当负载在一定范围内变化时，其两端的电压随之变化，但电源的输出电流保持为规定值，这类电源常称为独立电流源，简称为电流源(current source)。它们都是理想电源元件。1.7.1 电压源电压源是实际电源的一种理想元件，若电源产生的电压是大小和方向都不随时间变化的，则称为直流(direct current, DC)电源；若电源产生的是大小和方向均变化的交流(alternate current, AC )，则称为交流电源。图1-28是电压源的符号和波形示意图。图1-28 电压源符号及示例电压源的特性：（1）电压源两端的电压

16、仅由自身决定，与外电路无关；（2）通过电压源的电流大小由外电路决定；（3）若uS(t)=0，相当于电压源短路。 （a）各种电池 （b）稳压电源 图1-29 电源的几种样品应用实例1-2 实际电源的模型理想电源实际上并不存在。当实际电源接入负载(load)后，其两端子间的电压电流关系(或称外特性)通常与负载RL的变化有关，原因是实际电源有内阻存在。如图1-30(c)所示，有 U=USRSI图1-30 实际电源的模型式中，US为电源开路（open circuit）（RL=）时的端电压；RS为电源的内阻。因此，实际电源可以用电压源和电阻串联的模型表示，如图1-30(c)所示。例1-6 为了得到实际的

17、内阻，可以在电源外接入负载RL，电压表跨接在RL两端，如图1-31所示。先测得两端电压U，再断开RL，测得开路电压UOC，已知R=10，U=12V，UOC=15V，试求内阻RS。图1-31 例1-6图（设电压表内阻为无穷大）解： 当RL开路时，应有UOC=US，而接入RL时，有整理得代入数据，可得内阻例1-7 如图1-32所示直流电路，RS为电源内阻，US为电源电压。图（a）是接入负载电阻RL，图（b）是负载短路（RL=0），图（c）是负载开路（RL=）。试求以上三种状态下的电压U和电流I。图1-32 例1-7图解： 对于图（a）所示电路，由KVL，得RSI+RLI=US从而有对于图（b），因

18、对于图（c），因故 I=0U=US观察思考图1-33 电源内阻的测量1.7.2 电流源电流源也是实际电源的一种理想元件，其图形符号如图1-34(a)所示。电流源的特点是为外电路提供稳定的电流。图1-34 电流源的符号与特性电流源的特性是：（1）电流源的输出电流仅由自身决定，与外电路无关。（2）电流源两端的电压由外电路负载决定。（3）若iS(t)=0，相当于电流源开路。实际电流源的模型也可以通过测量得到。如图1-35（a）所示，实际电流源内有较大内阻存在。其特性可以用图1-35（c）电路表示。 图1-35 实际电流源的模型观察图1-35（c），依KCL，有例1-8 图1-36所示为含有电压源US和电流源IS的电路，已知I1=1A，R=8，试求电路中各元件消耗或产生的功率。图1-36 例1-8图解： 对电压源US，因电流I1流入US，故其消耗的功率（产生5W）由KCL，得且电压3