电路分析基础-电路元件和基本定律

《电路分析基础》
(Basis of circuit analysis) ------光电工程学院电子工程系
前言
一、学习本课程的意义 二、目的和任务 三、本课程特点及学习方法 四、要求
四、要求
课程总评成绩：由平时成绩、阶段成绩和期末卷面成绩加权构成。 过程成绩
平时成绩认定：（占30%） （1）课堂出勤次数（2）课堂听课表现/回答问题情况 （3）作业上交次数（4）每次作业完成质量等
电路的两大主要功能 1.电能的产生、存储、传输、分配、利用。
如：电力技术、电气工程领域（强电） 电压较高，几百伏——几十万伏
2.信号/信息的产生、获取、存储、传输、变换、处理。
如：电子信息、通信技术领域（弱电） 电压较低，十几伏 毫伏 微伏
电路组成： 1、从能量传输角度看分为：
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
为什么要引入参考方向 ？
(a) 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），根据计算结果正负，才能 确定电流的实际方向。
(b) 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，才能表示出特定时刻电流的 大小和实际方向。
电流方向：规定为正电荷沿导体移动的方向 （与电子的运动方向相反）
直流（ Direct Current) : 大小和方向都不随时间改变的 恒定电流。简记DC。 符号: I (大写字母）
交流（ Alternating Current) : 大小或方向随时间改变 的电流。简记AC。符号: i (小写字母）
1838 莫尔斯电报 1876 电话 1887 赫芝无线电波试验 1897 马可尼跨海无线
电通信试验成功 1904 真空管 1918 超外差接收机 1920 调幅广播
1925 电视
1934 雷达 1945 数字计算机 1946 晶体管 1957 人造卫星 1958 集成电路 1961 程控交换机 1972 SPICE 1979 蜂窝电话
半导体工艺提高：从10m 1 m 0.1 m
集成度的提高，在电子技术领域引发了巨大的变化：
小规模 中规模大规模（LSI）超大规模（VLSI）
电子设备从电路板 二次集成 片上系统（SOC）
系统设计从器件级门级 标准单元级 可重用模块
第一章 电路元件和电路定律
(circuit elements) (circuit laws)
阶段成绩认定（占20%） ：课内测验/阶段测验/中期考试等 期末卷面成绩：（50%） 考试资格：课堂缺席1/3，或作业缺交1/3，期末均无考试资格！ 作业：每周第一次课交上周作业，发上上周作业本。 考勤：课堂随机点名与课堂签到相结合。重修生要求每次签到。
在人类发展历史中，现代信息技术的进步，是从电的应 用开始起步、电子技术的出现奠定基础、半导体集成电 路技术和现代计算机技术的应用迅猛加速而形成今天这 种蓬勃兴旺的局面的。
Uac= Ua–Uc = 1.5 –(–1.5) = 3 V
结论：电路中电位参考点可任意选择；当改变电位参考点
时，电路中各点电位均改变，但任意两点间的电压 保持不变。
4. *电动势(eletromotive force)：在电源内部，局外力（非电场力）
克服电场力把单位正电荷从负极移到正极所作的功称为电源的 电动势。
1.5 V Ubc= Ub–Uc Uc = Ub –Ubc= –1.5–1.5= –3 V b
Uac= Ua–Uc = 0 –(–3)=3 V
1.5 V (2) 以b点为参考点，Ub=0
c
Uab= Ua–Ub Ua = Ub +Uab= 1.5 V
Ubc= Ub–Uc Uc = Ub –Ubc= –1.5 V
(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
A
UAB
B
小结：
(1) 电压和电流的参考方向是任意假定的。分析电路前
必须标明。
(2) 参考方向一经假定，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。
2. 电路模型：由理想元件及其组合代表实际电路元件，与
实际电路具有基本相同的电磁性质，称其为电路模型。
* 电路模型是由理想电路元件构成的。
例.
开关 灯泡
电 池
导线 (a)实际电路
(b) 电路模型（电路图）
电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际 电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当 用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加 以说明。
实际线圈的几种电路模型
(a)线圈的图形符号
(b)线圈通过低频交流的模型
(c)线圈通过高频交流的模型
三. 集总参数元件与集总参数电路
集总参数元件：每一个元件只表示一种电磁现象，电磁特
性可用数学方法精确定义，且电磁参数不随空间位置变化 而变化。
集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。
一个实际电路要能用集总参数电路近似， 要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小 于电路工作频率下的电磁波的波长。
重点： 1. 电压、电流及其方向 2. 电路元件特性 3. 基尔霍夫定律
1.1 电路和电路模型 1.2 电压和电流及其方向 1.3 电路元件的功率 1.4 电阻元件 1.5 独立电源元件 1.6 基尔霍夫定律 1.7 受控电源
1.1 电路和电路模型（model)
一、 电路：
是由各种电的元器件（如电阻器、电容器、电感器、晶 体管、电源、开关等）按照一定的方式组合起来，能够实现 特定功能的电的通路。如：日光灯电路、电话网络等。
常用大规模可 编程逻辑器件
CPLD（Complex Programmable Logic Device）
复杂可编程逻辑器件
FPGA（Field Programmable Gate Array） 现场可编程门阵列
硬件描述语言（Hardware Description Language，
HDL） VHDL，Verilog HDL
2. 电压(voltage)：电场中某两点A、B间的电压(降)UAB
等于将单位正电荷从A点移至B点时电场力所做的功, 或者称为在此过程中该电荷获得或失去的电能，即
单位：V (伏) (Volt，伏特) 当把点电荷q由B移至A时，需外力克服电场力做同样的功 WAB=WBA，此时可等效视为电场力做了负功–WAB，则B 到A的电压为
1.3 电路元件的功率 (power)
一、 电功率：单位时间内电场力所做的功。
功率的单位：W (瓦) 能量的单位： J (焦)
(Watt，瓦特) (Joule，焦耳)
电能的单位还常用度， 1度=1千瓦时
二、功率的计算和功率正负号的含义
1. u, i 关联参考方向
+
i p = ui 表示计算元件吸收的功率
2. 电压(降)的实际方向与参考方向
+ 实际方向
实际方向 +
参考方向
+
U
–
+ 实际方向
U>0
参考方向
+
U
–
实际方向 +
U <0
电压参考方向的三种表示方式：
(1) 用箭头表示：箭头指向表示电压（降）的参考方向
U
(2) 用参考正/负极性表示：由参考正极指向参考负极的方向 为
电压 (降)的参考方向
+
U
Uac = Ua ， Udc = Ud
d
c
Uad= Uac –Udc= Ua–Ud
结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的
电位之差。
电位（压）降与电位升
电压的正方向: 规定电压降的方向为电压的正方向
例.
已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V
a
(1) 以a点为参考点，Ua=0
Uab= Ua–Ub Ub = Ua –Uab= –1.5 V
波长 = 3×105 0.0210–6 = 6 m 此时一般电路尺寸均与 可比，所以电
路不能视为集总参数电路，此时应视为
分布参数电路。
1.2 电压和电流及其方向
一、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、电位等。
1. 电流 (current)：带电质点的定向运动形成电流。
信号进行处理.
导线(line)、开关（switch)等：将电源与负载接成通路. 2、 从信号处理角度看分为：
激励信号 （输入信号）
电路 （网络）
响应信号 （输出信号）
二、电路模型 (circuit model)
1. 理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性
质所抽象出来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。 几种基本的理想电路元件： 电阻元件：表示消耗电能的元件 电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存磁场能的作用 电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电场能的作用 电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件
电流的大小用电流强度表示：Biblioteka Baidu位时间内通过导体截 面的电量。
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。
SI制中，一些常用的十进制倍数的表示法： 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 10–2 10–3 10–6 10–9 10–12
u
p>0 吸收正功率 (实为吸收)
p<0 吸收负功率 (实为发出)
–
2. u, i 非关联参考方向
+
i p = ui 表示计算元件发出的功率
u
p>0 发出正功率 (实为发出)
p<0 发出负功率 (实为吸收)
–
u, i 参考方向关联和非关联取向时,功率正负号表示 的意义相反.
实际方向
实际方向
参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。
i
参考方向
A
大小
B
电流(代数量)
方向
电流的参考方向与实际方向的关系：
i
参考方向
i
参考方向
实际方向
i>0
实际方向
i<0
电流参考方向的两种表示：
用箭头表示：箭头的指向表电流的参考方向。 用双下标表示：如 iAB , 表电流的参考方向由A指向B。
单位也是 V (伏)
A+
R B -
根据能量守恒：UAB = eBA。
电压以电位降为正方向，电动势以电位升为正方向，即从A 到B的电压，数值上等于从B到A的电动势。
二、电压、电流的参考方向 (reference direction)
1. 电流的实际方向与参考方向
+
10V
不正确
10k
电流为1mA
元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:
1985 IP网络
常用电路仿真软件：
Protel，Maxplus II，Multisim, EWB, Matlab等
移动通信发展历程：
1G: 模拟蜂窝移动通信系统（主要支持业务：语音） 2G: 数字…………………（业务：语音、短信、数据、图像 ） 3G: 宽带多媒体………..(支持视频） B3G/LTE/4G: 下行：100Mbps, 上行：20Mbps 5G：
3. 电位：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。
参考点的电位一般选为零，所以，参考点也称为零电位点。
电位单位与电压相同，也是V(伏)。
a
b
设c点为电位参考点，则 Uc=0
Ua=Uac， Ub=Ubc， Ud=Udc
d
c
两点间电压与电位的关系：
前例
a
b
仍设c点为电位参考点， Uc=0
已知电磁波的传播速度与光速相同，即 v=3×105 km/s (千米/秒)
(1) 若电路的工作频率为f=50 Hz，则
周期 T = 1/f = 1/50 = 0.02 s
波长 = 3×105 0.02=6000 km 一般电路尺寸远小于 。
(2) 若电路的工作频率为 f=50 MHz，则 周期 T = 1/f = 0.0210–6 s = 0.02 s
(a) 连续（模拟）信号
采样 (b)
离散信号
幅值量化 (c)
数字信号
电子技术发展的几个主要趋势：
（1）分立元件
—— 集成电路
（2）模拟数字电路/信号—— 数字电路/信号
（Analog circuit/Signal ） （Digitalcircuit/Signal）
（3）固定功能
—— 可编程
1969年： Moore定律
(3) 元件或支路的u、i采用相同的参考方向，称关
联参考方向；反之，称为非关联参考方向。
i
i
N
+
u
–
关联参考方向
N
+
u
–
非关联参考方向
思考： u、i参考方向关联与否，与它们真实方向
有关否？与支路元件种类有关否？ (4) 参考方向也称为假定方向、假定正方向，以后
讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。