工学电路分析基础第三版沈元隆刘栋编著.pptx

电路分析基础电路分析基础南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院20132013年年年年22月月月月引引 言言一、课程的性质、地位及任务一、课程的性质、地位及任务 1、技术基础课。技术基础课。电类本科生第一门专业基础课。电类本科生第一门专业基础课。后续课程后续课程“信号与线性系统信号与线性系统”、“模拟电子电路模拟电子电路”、“数字电路数字电路”的基础的基础。2、掌握电路分析的基本概念、基本、掌握电路分析的基本概念、基本理论和基本分析方法。理论和基本分析方法。二、学习要求和方法二、学习要求和方法5.答疑，总结。答疑，总结。1.上课不讲话，有问题下课来问；上课不讲话，有问题下课来问；2.预习；预习；3.听讲听讲,笔记；笔记；4.复习，（最低限度作业量）；复习，（最低限度作业量）；必须必须抄题目、画电路抄题目、画电路。独立完成作业独立完成作业1.1.邱关源，邱关源，电路电路（修订版）（修订版）,高等教育出版社高等教育出版社 19991999年。年。3.3.W H.H，（周周玲玲玲玲译译）工工程程电电路路分分析析,电电子子工工业业出出版社，版社，2011年。年。4.4.电路原理电路原理 清华大学视频清华大学视频 .5.5.电路与电子学电路与电子学 MIT MIT 公开课视频公开课视频三三 参考书目参考书目参考书参考书 开阔知识面；开阔知识面；要以教材为主；以讲课的内容为主。要以教材为主；以讲课的内容为主。四、电路理论四、电路理论包括电路分析和电路综合两方面内容包括电路分析和电路综合两方面内容 电路分析：已知电路分析：已知 已知已知 求解求解电路综合：已知电路综合：已知 求解求解 已知已知电路分析是电路综合的基础。电路分析是电路综合的基础。输入输入 输出输出 电路电路电路分析与电路综合电路分析与电路综合实际电路实际电路电路模型电路模型计算分析计算分析电气特性电气特性电路分析电路分析电路综合电路综合精度要求性能第一章第一章 电路基本概念电路基本概念1-1 实际实际电路和电路模型电路和电路模型1-2 电路分析的变量电路分析的变量1-3 电路元件电路元件1-4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1-1 实际电路和电路模型实际电路和电路模型电路是由一些的电工、电子器件按照一电路是由一些的电工、电子器件按照一定的方式相互联接起来，构成电流通路定的方式相互联接起来，构成电流通路,具有一定功能的整体。具有一定功能的整体。（作为信号处理、能量处理）（作为信号处理、能量处理）例如例如.电路模型是实际电路的抽象化，理想化电路模型是实际电路的抽象化，理想化,近似化。近似化。电路理论中所说的电路是指由各种理想电路电路理论中所说的电路是指由各种理想电路元件按一定方式连接组成的总体元件按一定方式连接组成的总体。实际器件实际器件 理想元件理想元件 符号符号 图形图形 反映特性反映特性LRC电阻器电阻器 电阻元件电阻元件 R 消耗电能消耗电能电容器电容器 电容元件电容元件 C 贮存电场能贮存电场能电感器电感器 电感元件电感元件 L 贮存磁场能贮存磁场能 互感器互感器 互感元件互感元件 M 贮存磁场能贮存磁场能固态电容和电解电容固态电容和电解电容电阻电阻贴片电容贴片电容电感电感变压器变压器实际器件与理想元件的区别：实际器件与理想元件的区别：实际器件实际器件有大小、尺寸，代表多种有大小、尺寸，代表多种电磁现象；电磁现象；理想元件理想元件是一种假想元件，没有大是一种假想元件，没有大小和尺寸，即它的特性表现在空间的一小和尺寸，即它的特性表现在空间的一个点上，仅代表个点上，仅代表一种一种电磁现象。电磁现象。集总参数电路集总参数电路：电路的几何尺寸远小于其内部的电压、电路的几何尺寸远小于其内部的电压、电流的波长，其元件特性可理想化地集电流的波长，其元件特性可理想化地集中在一个点上。也称为集中参数电路。中在一个点上。也称为集中参数电路。每一个具有两个端子的元件中有确定的电流，端子间有确定的电压。分布参数电路分布参数电路：电子器件的几何尺寸与其中通过的电压、电流的电子器件的几何尺寸与其中通过的电压、电流的波长属同一数量级。波长属同一数量级。例例 晶体管调频收音机最高工作频率约晶体管调频收音机最高工作频率约108MHz108MHz。问该收音机的电路是集中参。问该收音机的电路是集中参数电路还是分布参数电路数电路还是分布参数电路?几何尺寸几何尺寸d2.78Mdba-b；解解：（：（1 1）表明表明此时此时真实方向与参考方向相反，从真实方向与参考方向相反，从b-ab-a(2)(2)参考方向改变，因真实方向不变，参考方向改变，因真实方向不变，代数表达式改变。即为代数表达式改变。即为1-2-21-2-2电压及其参考方向电压及其参考方向1 1 电电压压：即即两两点点间间的的电电位位差差。abab间间的的电电压压，数数值值上上为为单单位位正正电电荷荷从从a a到到b b移移动时所获得或失去的能量。动时所获得或失去的能量。方方向向：电电压压降降落落的的方方向向为为电电压压方方向向；高高电位端标电位端标“+”，低电位端标，低电位端标“-”。单位：伏，单位：伏，1 1伏伏=1=1焦焦/库。库。V V2 2 直直流流电电压压大大小小、方方向向恒恒定定，用用大写字母大写字母U U表示。表示。3 3 参考方向参考方向：也称：也称参考极性参考极性。两种表示方法：两种表示方法：在图上标正负号；在图上标正负号；用双下标表示用双下标表示 。a ba b在电子电路课程中也在电子电路课程中也可用箭头表示。可用箭头表示。+-+-在假设参考方向（极性）下，在假设参考方向（极性）下，若若计算值为正，表明电压真实方向与参计算值为正，表明电压真实方向与参考方向一致；考方向一致；若计算值为负，表明电压真实方向与参若计算值为负，表明电压真实方向与参考方向相反。考方向相反。注意：计算前，一定要标明电压极性；注意：计算前，一定要标明电压极性；参考方向可任意选定，但一旦选参考方向可任意选定，但一旦选定，便不再改变。定，便不再改变。解：解：（1）相当于正电荷从）相当于正电荷从b到到a失去能量，故电失去能量，故电压的真实极性为：压的真实极性为：b”+”,a”-”。例例 2（1）若单位负电荷从）若单位负电荷从a移到移到b，失去，失去4J能能量，问电压的真实极性。量，问电压的真实极性。（2）单位负电荷移动时，失去）单位负电荷移动时，失去4J能量，说明电压能量，说明电压大小为大小为4伏，由于电压的参考极性与真实方向相反，伏，由于电压的参考极性与真实方向相反，因而，因而，u=-4 V。a b+u -（2）若电压的参考方向如图，则该电压）若电压的参考方向如图，则该电压u为多少？为多少？1-2-3 关联参考方向关联参考方向关联关联：电压、电流的参考方向设为一致。电压、电流的参考方向设为一致。即即 电流的参考方向为电流的参考方向为 从电压参考极性的正端从电压参考极性的正端“+”流流向向“”端。端。当电流电压采用关联参考方向时，只须标上其中之一当电流电压采用关联参考方向时，只须标上其中之一即可即可。a i b +u -1-2-4 功率与能量功率与能量直流时，直流时，P=UIP=UI单位：瓦（单位：瓦（W），），1W=1 J/S=1VA功率功率：能量随时间的变化率：能量随时间的变化率注意：注意：u 与与 I 关联时关联时，u与与 i 不不关联时关联时，无论用上面的哪一个公式，都是按吸收功无论用上面的哪一个公式，都是按吸收功率计算的率计算的 若若 p0 0，表示该元件，表示该元件吸收吸收功率；功率；若若 p0,吸收吸收6W B段，段，u2,i2不关联，不关联，PB=-u2i2=10 W0,吸收吸收-u3 +C段，段，u3,i3关联，关联，W0,吸收功率吸收功率BCD-u3 +i3+u4 -i4 验证：验证：=0 称为功率守恒称为功率守恒能量能量：从：从-到到 t 时间内电路吸收的总时间内电路吸收的总能量。能量。电路元件特性描述：伏安关系（电路元件特性描述：伏安关系（VCR）无无源源元元件件：该该元元件件在在任任意意电电路路中中，全全部部时时间间里，输入的能量不为负。里，输入的能量不为负。即即 如如R、L、C 1-3电路元件电路元件有源元件有源元件：在任意电路中，在某个时间：在任意电路中，在某个时间 t 内，内，w(t)0，供出电能。如，供出电能。如 uS 、iS。1-3-1 电阻元件电阻元件线性：VCR曲线为通过原点的直线。否则，为非线性。时变：VCR曲线随时间变化而变化。非时变：VCR曲线不随时间变化而变化电阻元件有以下四种类型：u-i特性特性 线性线性非线性非线性 u u 时不变时不变 i i u t1 t2 u t1 t2时变时变 i i 1 线性时不变电阻(定常电阻)VCR即欧姆定律：单位：欧姆（）也称线性电阻元件的约束关系。u确定时，R 增大，则 i 减小。体现电阻阻碍电流的能力大小。其中，G=1/R 称为电导，单位：西门子（S)当 R=(G=0)时，相当于断开，“开路”当 G=（R=0）时，相当于导线，“短路”注意：u与 i 非关联时，欧姆定理应改写为iuiu例4 分别求下图中的电压V或电流I。3A 2+u -+-6v -I 2解：关联 非关联iu线性电阻R的VCR电阻消耗能量，无源元件。线性电阻R的VCR关于原点对称，瞬时功率：因此，线性电阻又称为双向性元件。实际电阻有额定值（电压，电流）例5电阻器RT-100-0.5W，（1）求额定电压和额定电流。（2）若其上加5V电压，求流经的电流和消耗的功率。解：（1）额定（rating)电压 额定电流（2）例5电阻器RT-100-0.5W，（1）求额定电压和额定电流。（2）若其上加5V电压，求流经的电流和消耗的功率。解：1-3-2 独立电源是有源元件，能独立对外提供能量。1 电压源符号：+-特性：端电压由元件本身确定，与流过的电流无关；流过的电流由外电路确定；若 uS=0，相当于一条短路线；不能短接（否则电流无穷大）；uS为常数时，称为直流电压源。VCR曲线平行于i轴的直线。uS为给定时间函数时，称为时变电压源。VCR曲线：平行于i轴的直线，随时间变化。iuSUSiuS(t)uS(t1)uS(t2)可提供能量，也可吸收能量。特性：流过的电流由元件本身确定，与端电压无关；端电压由外电路确定；若 iS=0，相当于开路；注意不能开路（电压为无穷大）；iS 为常数时，称为直流电流源。iS 为时间函数时，称为时变电流源。is2 电流源符号：iuSiS例6 图(a)us=10V，求其上电流:（1）R=1 （2）R=10 （3）R=100 解：图(a)，I +us R -电压源中的电流由外电路确定。Is=+1A u R -电流源上电压由外电路确定。图(b)，求其上电压:（1）R=1 （2）R=10 （3）R=100 1-3-3 受控电源可对外提供能量，输出电压或电流受电路中其他支路的电压或电流控制，是四端元件。电压 受控电压源 受控电流源电流有四种形式：1 受控电压源 VCVS 电压放大系数 i1 i2 +u1 uu1 u2-i1 i2 +u1 ri1 u2-CCVS u2=ri1r 转移电阻 2 受控电流源受控电流源 VCCS g转移电导转移电导 i1 i2 +u1 gu1 u2-i1 i2 +u1 u2-CCCS 电流放大系数电流放大系数 与独立源相似之处：1受控电压源的电流由外电路决定；受控电流源的电压由外电路决定。2 能对外提供能量（有源）。与独立源不同之处：受控源不能独立作为电路的激励。即：电路中若没有独立电源，仅有受控源，电路中任意元件的电压、电流为零。瞬时功率：关联参考方向下由于控制端，不是i1=0,就是u1=0,故对于CCVS右端接RL的电路，得 受控源功率 ，即 为有源，提供能量。i1 i2 +u1 ri1 u2-1-4 基尔霍夫定律电路基本定律，适用于任何集总参数电路，而与元件性质无关。几个重要名称：ac d eb一个二端元件称为一条支路。为了减少支路个数，往往将流过同一电流的几个元件的串联组合作为一条支路，如a-c-b,a-d-b,a-e-b.1.支路：两条或两条以上支路的联结点 （a,b）ac d eb内部不含有支路的回路 （前2个回路）。电路中任一闭合的路径（3个）a-c-b-d-a,a-d-b-e-a,a-c-b-e-a2.节点：3.回路：4.网孔：注意：平面网络才有网孔的定义。指电网络，一般指含元件较多的电路，但往往把网络与电路不作严格区分，可混用；可以画在一平面上而无支路交叉现象的网络；.有源网络：含独立电源的网络。.网络：.平面网络：在集总参数电路中，任一时刻，任一节点上，所有支路电流的代数和为零。1-4-1基尔霍夫电流定律KCLi1 i4 i2 i3说明：先选定参考方向，习惯上取流出该节点的支路电流为正，流入为负。如由下图可得,可自行决定另一形式：另一形式：流出电流之和流出电流之和=流入电流之和。流入电流之和。实质是电流连续性或电荷守恒原理的体现实质是电流连续性或电荷守恒原理的体现i i3 3i i2 2i i1 1i i6 6i i5 5i i7 7i i4 4电路可以扩大到广义节点（封闭面）可以扩大到广义节点（封闭面）例7 已知：i1=-1 A,i2=3 A,i 3=4 A,i8=-2A,i 9=3A求：i4,i5,i6 ,i7解：A：i8 i4 i9 i2 B i5 C i7i1 A i3 D i6B：i1 A i3 D i6D:i8 i4 i9 i2 B i5 C i7在集总参数电路中，任一时刻，任一回路中，各支路电压的代数和等于零。即1-4-2基尔霍夫电压定律KVL说明：指定支路电压的参考方向，并选定回路的绕行方向；支路电压参考方向与绕行方向一致时取正，相反时取负。先遇到“+”记为正u1+-_+_+u3u4u2另一形式 电压降之和=电压降之和。实质是能量守恒原理在电路中的体现u1-u2-u3-uAD=0 =u1-u2-u3=3-(-5)-(-4)=12V解：选顺时针方向推广到广义回路（假想回路）例8 求uAD A B +u1=3V-u2=-5V E +u3=-4V-+CD例9 求 i1 和 i2 。节点a:I2+I a c-3=0,得 I2=1A节点d:-I2-I b d-I1=0 得 I1=-I2-I b d=-1-1=-2A解：u b d-4+2=0 得 u b d=2V,I b d=1Au a c+4-14=0得 ua c=10V,I a c=2AKCL和KVL da +14V -3A -b2V +c+4V -i1i2I a c例10 求电压U及各元件吸收的功率。解：4-I+2I-U/2=0 又 U=6I 故 U=12V,I=2AP6 =UI=24W;P4A=-4U=-48W;P2 =U2/2=72W;P2I=-2IU=-48W（产生功率）2I26+4A I U-+6V -+3U -2-U+6I例例11 求电流求电流I及各元及各元件吸收的功率。件吸收的功率。P6 =6I2=54W;P2 =-UI=18W;P6V=-6I=-18W;P3U=3IU=-54W（产（产生功率生功率）解：解：-6-U+3U+6I=0 又又 U=-2I 故故 U=-6V,I=3A电路理论有：电路理论有：一条假设一条假设集总参数集总参数 两条公设两条公设电荷守恒，能量守恒电荷守恒，能量守恒逻辑推论得逻辑推论得电路的两类约束电路的两类约束：拓扑（电路结构）约束拓扑（电路结构）约束KCL、KVL 元件特性约束元件特性约束VCR 1实际电路的几何尺寸远小于电路工作信号的波长时，可用电路元件连接而成的集中参数电路(模型)来模拟。基尔霍夫定律适用于任何集总参数电路。2一般来说,二端电阻由代数方程f(u,i)=0来表征。线性电阻满足欧姆定律(v=Ri)，其特性曲线（VCR）是v-i平面上通过原点的直线。摘 要3电压源:特性曲线是v-i平面上平行于i轴的垂直线。电压源的电压按给定时间函数vS(t)变化，其电流由vS(t)和外电路共同确定。4电流源:特性曲线是v-i平面上平行于v轴的水平线。电流源的电流按给定时间函数iS(t)变化，其电压由iS(t)和外电路共同确定。6基尔霍夫电压定律(KVL)：对于任何集总参数电路，在任一时刻，沿任一回路或闭合节点序列的的各段电压的代数和等于零。其数学表达式为：5基尔霍夫电流定律(KCL)：对于任何集总参数电路，在任一时刻，流出任一节点或封闭面的全部支路电流的代数和等于零。数学表达式式为：流出任何节点的电流代数和等于零沿任何闭合回路的电压代数和等于零7任何集总参数电路的电压电流都要受KCL、KVL和VCR方程的约束。所列电路方程作为分析电路的依据。作业1：P19 1-2 1-4作业2 （P20）1-9，1-10，1-12，1-13