电子技术基础电路与模拟电子

优选电子技术基础电路与模拟电子当前第1页\共有73页\编于星期六\9点课程介绍课程性质：专业基础课课程要求：（1）掌握一定的理论知识，抓住基础知识和方法；（2）认真独立完成课后作业；（3）认真做好每一个实验，以加深对理论知识的理解；（4）遵守课堂纪律，不玩手机。当前第2页\共有73页\编于星期六\9点重点难点重点：基尔堆夫定律、电源等效变换；难点：电流与电压的参考方向、基尔霍夫定律

当前第3页\共有73页\编于星期六\9点1.1电路及电路模型1.1.1实际电路1.定义:实际电路是由一些电气器件按一定的方式连接而构成的

。组成实际电路的电气器件种类繁多、性能各异。常用的有电池、信号产生器、电阻器、电容器、电感器、开关、晶体管等。其中电池可以提供电能，信号产生器可以输出多种标准信号，电阻器可以消耗电能，电感器可以存储磁场能等等。当前第4页\共有73页\编于星期六\9点2.电路的功能：（1）电能的传输、分配和转换，如电力系统中的输电线路（2）实现电信号的传送和处理，如电话线路、放大器电路等（3）测量电路，例如万用表电路

（4）存储信息，例如计算机的存储电路

当前第5页\共有73页\编于星期六\9点反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。导线电池开关灯泡1.1.2电路模型电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件电路模型(a)(b)当前第6页\共有73页\编于星期六\9点电路组成:电源：

提供电能量：如蓄电池、发电机、太阳能电池等——电压源、电流源负载：

消耗能量而做功：如电灯、电机、电磁铁、电磁炉等(能量转换:光、声、热、磁、机械能)连接导线：

提供电的通路（导体）开关：

对电路状态进行控制（通、断）当前第7页\共有73页\编于星期六\9点几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式。当前第8页\共有73页\编于星期六\9点1.2电路的基本物理量1.2.1电流电荷在电场力作用下的定向移动形成电流。计量电流大小的物理量是电流强度，简称电流，记为i(t)或i。电流强度的定义是：单位时间内通过路径中导体横截面的电荷量，即 电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。本章主要讨论的物理量是电流、电压和功率。当前第9页\共有73页\编于星期六\9点方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向单位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A1nA=10-9AA（安培）、kA、mA、A元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:

实际方向实际方向AABB问题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断当前第10页\共有73页\编于星期六\9点参考方向i

参考方向大小方向电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。ABi

参考方向i参考方向i>0i<0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：AABB当前第11页\共有73页\编于星期六\9点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，iBA,电流的参考方向由B指向A。

iAB=-i

BA1A123410Visi→→→↓↓当前第12页\共有73页\编于星期六\9点电压U

单位：V(伏)、kV、mV、V1.2.2电压单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小电位单位正电荷q从电路中一点移至参考点（＝0）时电场力做功的大小实际电压方向电位真正降低的方向电位与电压的概念电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。结论当前第13页\共有73页\编于星期六\9点问题复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。电压(降)的参考方向U<0>0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–U假设的电压降低方向电压的参考方向(voltagereferencedirection)当前第14页\共有73页\编于星期六\9点元件或支路的u，i采用相同的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向i+-+-iUU当前第15页\共有73页\编于星期六\9点注(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参考方向一经选定，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。（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。例ABABi＋－U电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。当前第16页\共有73页\编于星期六\9点例1电路如图1.2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Ucd的数值，则电流表和电压表应如何接入电路?图1.2←→←+--+当前第17页\共有73页\编于星期六\9点解(1)在指定电流参考方向后，结合电流值的正负就可判定其实际方向。已知I2为正值，表明该电流的实际方向应与它的参考方向一致；而I1和I3为负值，表明它们的实际方向与指定的参考方向相反。同理，根据Uab=Ua-Ub=5-(-5)=10VUcd=Uc-Ud=(-2)-0=-2V可知Uab＞0,电压实际方向由a指向b，或者a为高电位端，b为低电位端。Ucd＜0，表明电压实际方向与参考方向相反，即d为高电位端，c为低电位端。(2)测量直流电流时，应将电流表串联接入被测支路，使实际电流从电流表的“+”极流入，“-”极流出。测量直流电压时，应把电压表并联接入被测电路，使电压表“+”极与被测电压的高电位端连接，“-”极与低电位端连接。图1.6中给出了具体连接方法。

当前第18页\共有73页\编于星期六\9点1.2.3电功率（1）电功率功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)单位时间内电场力所做的功。当前第19页\共有73页\编于星期六\9点在p＞0时，表示电场力对电荷作功，这部分能量被元件吸收，所以p是元件的吸收功率；在p＜0时，表示元件吸收负功率，实际上是该元件向外电路提供功率或产生功率。如果元件电流电压取非关联参考方向，如图下(b)所示，则p=-ui

+-iu+-iu(a)(b)当前第20页\共有73页\编于星期六\9点功率的单位是瓦(W)。工程上，常用千瓦小时(kW·h)作为电能的单位。1kW·h又称1度。比如某车间使用100只灯泡(功率均为100W)照明一小时，所消耗电能是10度。1kWh=103W×3600s=3.6×106J综合上述两种情况，将元件吸收功率的计算公式统一表示为

p(t)=±u(t)i(t)式中当电流电压为关联参考方向时，取“+”号；电流电压为非关联参考方向时，取“-”号。计算结果表示元件的吸收功率。具体地说，若p＞0,表示元件吸收功率，其值为p;若p＜0，表示元件发出功率。当前第21页\共有73页\编于星期六\9点例2在下图(a)中，已知U=-5V,I=2A，图(b)中，U=3V，I=-5A，求图1.4(a)、(b)中元件吸收的功率各为多少？。解：图(a)中元件A电压、电流为关联参考方向，故吸收的功率为PA<0，表明图(a)中元件发出功率10W。图(a)元件电压、电流为非关联参考方向，故吸收的功率为

PB>0，表明元件B为吸收功率15W。

+-iu+-iu(a)(b)当前第22页\共有73页\编于星期六\9点

§1-

3电阻元件(resistor)2.线性定常电阻元件（线性时不变）电路符号R电阻元件对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用u～i平面的一条曲线来描述：iu任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。1.定义伏安特性1.3.1线性电阻当前第23页\共有73页\编于星期六\9点

u～i关系R称为电阻，单位：(欧)(Ohm，欧姆)满足欧姆定律(Ohm’sLaw)ui单位G称为电导，单位：S(西门子)(Siemens，西门子)u、i取关联参考方向Rui+-伏安特性为一条过原点的直线当前第24页\共有73页\编于星期六\9点(2)如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式中应冠以负号注(3)说明线性电阻是无记忆、双向性的元件欧姆定律(1)只适用于线性电阻，(R为常数）则欧姆定律写为u–Rii–Gu公式和参考方向必须配套使用！Rui+-非关联参考方向当前第25页\共有73页\编于星期六\9点1.3.2.电阻元件的功率上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p

–ui–(–Ri)ii2R

–u(–u/R)u2/Rp

uii2Ru2/R消耗的功率：Rui+-Rui+-当前第26页\共有73页\编于星期六\9点Riu+–电阻的开路与短路短路开路ui当前第27页\共有73页\编于星期六\9点额定值：额定值是为了保证元件、设备既安全可靠而又充分发挥性能的正常运行，由制造厂家给出的一些限定值。例如，电阻的使用功率，电容器的使用电压，电机的额定电流等。根据给出的额定值，有时还可推导出其它额定值。例如，一个标有1/4W、10kΩ的电阻，表示该电阻的阻值为10kΩ、额定功率为1/4W，由p=I2R的关系，还可求得它的额定电流为5mA。实际使用中，超过额定值运行，会使设备缩短使用寿命或遭致毁坏而造成事故。例如上述电阻在使用电流超过5mA时，将会使电阻因过热而损坏。而低于额定值运行也是不合适的，如220V、5kW电机在低于200V电压下使用，一方面设备资源没有充分利用，另一方面因电机输出功率降低，必然影响系统正常运行。额定值一般记载在设备的铭牌或说明书中，所以在使用设备前必须仔细阅读之。当前第28页\共有73页\编于星期六\9点例3额定功率是40W，额定电压为220V的灯泡，其额定电流和电阻值是多少？解:由，得当前第29页\共有73页\编于星期六\9点1.4电阻电路的等效变换1.4.1电阻的串联图1.5是三个电阻串联的电路。电阻串联电路的特点是：u=u1+u2+u3图1.5电阻串联电路当前第30页\共有73页\编于星期六\9点应用欧姆定律，有 u1=R1i,u2=R2i,u3=R3i

代入上式可得

u=(R1+R2+R3)i=Ri

式中 R=R1+R2+R3

称为三个串联电阻的等效电阻。图1.5电阻串联电路当前第31页\共有73页\编于星期六\9点用等效电阻代替串联电阻是一种等效变换，一方面能简化总体电路，另一方面又能保证不影响外接电路中的电流电压。这样，会给分析计算外电路中的未知量带来方便。u1、u2、u3与电流的关系如下:当前第32页\共有73页\编于星期六\9点1.6.2电阻的并联图1.6(a)是三个电阻并联的电路。电阻并联电路的特点是：通过并联电路的总电流是各并联电阻中电流的代数和，即i=i1+i2+i3图1.28电阻并联电路当前第33页\共有73页\编于星期六\9点应用欧姆定律，上式可表示为上式中电阻R称为并联电阻的等效电阻，它的倒数等于各个并联电阻倒数的总和。图1.6(b)与图1.6(a)电路具有相同的伏安关系，对其相连的外部电路而言，它们是互为等效的电路。当前第34页\共有73页\编于星期六\9点i1、i2、i3与电压u的关系如下:当前第35页\共有73页\编于星期六\9点同时含有电阻串联和并联的电路称为混联电路，此种电路，可以根据电阻的实际连接方式，分别按串联或并联电路处理的方法来分析。对于两个电阻并联，则其等效电阻为：两条支路的电流分别为：当前第36页\共有73页\编于星期六\9点例8如图1.7(a)电路，已知us=8V,R1=2Ω,R2=1.6Ω,R3=R4=4Ω,R5=6Ω。求电流i1。图1.7例8电路当前第37页\共有73页\编于星期六\9点解:图1.7(a)是一个电阻混联电路，如果能求出虚框部分二端电路的等效电阻Rad,就可把原电路等效成如图1.29(d)所示的简单电路，这时计算i1是容易的。计算等效电阻时，假设在a、d端加上一个电源，观察电路中哪些电阻流过同一电流，Rad=2Ωi1=2A当前第38页\共有73页\编于星期六\9点

§1-5独立电源(independentsource)（P20）其两端电压总能保持定值(直流)或一定的时间函数(交流)，其值与流过它的电流i无关的元件叫理想电压源。电路符号(注意方向)1.理想电压源(P20)定义i+_电源:电压源、电流源us当前第39页\共有73页\编于星期六\9点电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。理想电压源的电压、电流关系(P21)ui伏安关系例Ri-+外电路电压源不能短路！当前第40页\共有73页\编于星期六\9点电压源的功率电场力做功，电源吸收功率。（1）

电压、电流的参考方向非关联；

物理意义：+_iu+_+_iu+_电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功电源发出功率。

发出功率，起电源作用（2）

电压、电流的参考方向关联；

物理意义：吸收功率，充当负载或：发出负功当前第41页\共有73页\编于星期六\9点例+_i+_+_10V5V计算图示电路各元件的功率。解发出（实际吸收）吸收满足：P（发）＝P（吸）发出当前第42页\共有73页\编于星期六\9点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。实际电压源i+_u+_考虑内阻伏安特性一个好的电压源要求usuiO当前第43页\共有73页\编于星期六\9点其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压u无关的元件叫理想电流源。电路符号（注意方向）2.理想电流源(p22)定义u+_(1)电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关电流源两端的电压由电源及外电路共同决定理想电流源的电压、电流关系ui伏安关系当前第44页\共有73页\编于星期六\9点例外电路电流源不能开路！Ru-+实际电流源的产生可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。当前第45页\共有73页\编于星期六\9点例计算图示电路各元件的功率。解发出发出满足：P（发）＝P（吸）+_u+_2A5Vi（实际吸收）当前第46页\共有73页\编于星期六\9点实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。isuiO

实际电流源考虑内阻伏安特性一个好的电流源要求u+_i当前第47页\共有73页\编于星期六\9点3、电压源和电流源的等效变换（P25）

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

ii=iS

–Giui=uS/Ri

–u/Ri比较可得等效的条件（注意各方向）iS=uS/RiGi=1/RiiGi+u_iS实际电压源实际电流源端口特性i+_uSRi+u_当前第48页\共有73页\编于星期六\9点A、由电压源变换为电流源：转换转换B、由电流源变换为电压源：i+_uSRi+u_iGi+u_iSiGi+u_iSi+_uSRi+u_当前第49页\共有73页\编于星期六\9点关于实际电源两种模型的等效变换，使用时应注意以下几点：(1)两种模型仅对外电路而言是互为等效的，即变换后不会改变外电路中任一处电流和电压。但对于电源内部来说，在电路结构发生变化的条件下，讨论其电流电压的等效问题，显然是没有意义的。(2)正确选用电压源的极性和电流源的方向，以保证变换前后端口具有相同的伏安关系。如图1.13(a)中，us的极性上正下负，电源外接负载时，电流由a端流出，b端流入。当前第50页\共有73页\编于星期六\9点变换后的电流源，除满足元件参数要求外，其外电路中的电流仍应由a端经负载流向b端，由此确定电流源电流is的参考方向如图1.13(b)所示。(3)两种模型等效变换的方法可以在电路分析中推广运用，即任一电压源us与电阻R的串联连接，都可变换为电流源is与电阻R的并联连接；反之亦然。变换后，不会影响电路中其它地方的电流和电压。当前第51页\共有73页\编于星期六\9点例:化简图1.14所示各电路。图1.14例9电路(一)当前第52页\共有73页\编于星期六\9点解对图1.14(a)电路，利用电源模型等效变换化简。先将电路中的电压源模型分别变换为电流源模型，进而并联等效为图1.14(d)所示电流源模型，需要时，还可再变换为电压源模型。变换过程如图1.14(e)所示。当前第53页\共有73页\编于星期六\9点图1.15例9电路(二)当前第54页\共有73页\编于星期六\9点对图1.14(b)电路，化简过程如图1.15所示。本例应用等效变换方法化简电路过程启示我们:若有多个电源模型相并联时，可将它们等效为电流源模型,如由图1.15(a)、(b)、(c)变换到图1.15(d);若有多个电源相串联时，可将它等效为电压源模型，如图1.15(a)、(b)、(c)电路变换为图1.15(d)电路。当前第55页\共有73页\编于星期六\9点图1.15例9电路(三)当前第56页\共有73页\编于星期六\9点§1-3基尔霍夫定律基尔霍夫定律：基尔霍夫电流定律(KCL)基尔霍夫电压定律(KVL)它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，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、几个名词当前第57页\共有73页\编于星期六\9点电路中通过同一电流的分支。(b)三条或三条以上支路的连接点称为节点。(

n

)b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路(branch)电路中由若干元件串联而成,i3i2i1(2)结点(node)当前第58页\共有73页\编于星期六\9点由支路组成的闭合路径。(l)两节点间的一条通路。由支路构成。对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3)路径(path)(4)回路(loop)(5)网孔(mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔当前第59页\共有73页\编于星期六\9点1.6.1基尔霍夫电流定律

1、基尔霍夫电流定律

kirchhoff’scurrentLaw（KCL）KCL：在任一时刻，流入任一节点电流之和等于流出该节点电流之和。在任一时刻，对于电路中任一节点，流出（+）该节点电流之代数和为零当前第60页\共有73页\编于星期六\9点令流出为“+”，有：例流进的电流等于流出的电流当前第61页\共有73页\编于星期六\9点例6如图1.24所示电路，已知i1=2A,i3=3A,i4=-2A。试求电压源us支路和电阻R5支路中流过的电流。解分别用i0、i5表示支路da和cd中的电流，其参考方向如图中所示。图1.24例6图对节点c，列出KCL方程，有i3+i5-i1=0

求得

i5=i1-i3=2-3=-1A

同理，对节点d,应用KCL，可得

i0+i4-i5=0

所以

i0=i5-i4=(-1)-(-2)=1A当前第62页\共有73页\编于星期六\9点1

32例三式相加得：表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面明确（1）KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；（2）KCL是对支路电流加的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际方向无关。当前第63页\共有73页\编于星期六\9点1.6.2基尔霍夫电压定律KVL：在任一时刻，对于电路中任一闭合回路，电压降的代数和为零。KVL也可叙述为：对电路中的任一回路，在任一时刻，电位降的和等于电位升的和。当前第64页\共有73页\编于星期六\9点（2）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针.–U1–US1+U2+U3+U4+US4=0I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1）标定各元件电压参考方向U2+U3+U4+US4=U1+US1

或：–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4当前第65页\共有73页\编于星期六\9点例KVL也适用于电路中任一假想的回路aUsb__-+++U2U1明确（1）KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;（2）KVL是对回路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；（3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。当前第66页\共有73页\编于星期六\9点4.KCL、KVL小结：(1)KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。(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是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。(4)KCL、KVL只适用于集总参数的电路。当前第67页\共有73页\编于星期六\9点思考：i1=i2?3.AB+_1111113+_2i2i1UA=UB?I=01.？AB+_1111113+_22.i1