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电工电子学——综述论文

前言：
作为化工学子的我们为什么要学习电工电子学呢？本门课程刚开课的时候我常常这样问自己也常常和同学讨论。在电工电子学的课堂上，老师也曾对这个问题做过回答。电工电子学的学习对于非电专业也有着非常重要的领导作用。因为，各门学科之前存在很大的联系，我们在研究化工的时候，也非常有必要学习化工设备的仪器的原理。一学期的电工电子学课程结束之后，我认识到这门课程对我们化工学子的重要性。
通过对本门课程的学习，我了解到本学期的内容有以下特点：
（1）电路和电子技术适当结合。在第一章电路元件中就介绍二级管、晶体管及它们的模型，于是在第二章中就可对含有这些元件的电路进行分析，为后面学习电子技术打好较好的基础。
(2)适当加强数字电子技术，将模拟和数字电子技术的内容适当交叉。在第三章分立元件基本电路中既介绍基本放大电路，又介绍基本门电路。接着在第四章就讲数字集成电路，并增加了可编程逻辑器件和半导体存贮器等内容。在第六、七章中，则同时含有模拟和数字电子技术的内容。
(3)加强知识的综合和应用系统的介绍。比如将测量和数据采集系统专门列为一章，从系统的基本组成出发，介绍了传感器、有源波、测量放大、模拟开关、取样保持、模拟转换、数模转换等单元电器，最后给出非电量测量系统的实例。
（4）适当反映近代电力电子技术的发展。增加了绝缘门极双极型晶体管、无源逆交、交流调压及变频、直流调压等内容，并将低频功率放大、直流稳压电源、半导体变流电路等内容安排为功率电子电路一章
（5）增加了电子控制方面的内容。在电气控制技术一章中增加了固态继电器、可编程序控制器、异步电动机的软启动及变频调速等，并将变压器，电动机及电子控制安排在电子技术之后，以便于对这些内容的介绍。

第一章 电路和电路元件
1.1 电路和电路的基本物理量
1.1.1 电路
电路：电路是为了实现某种应用目的，将若干电工、电子器件或设备按一定的方式相互连接所组成的整体。

1.1.2 电路元件和电路模型
实际元件：用于构成电路的电工、电子元器件或设备的统称

1.1.3 电压、电流及其参考方向
1. 电流及其参考方向

a

表示参考方向由a指向b
2. 电压及其参考方向
▲ Uab 表示a端为高电位端，b为低电位端
u=dW/dq
电压的方向是从高电位指向地电位

1.1.4 电路功率
P=ui (单位W)
功率是电路分析中常用的另一个物理量

1.2 电阻、电感和电容元件
1.2.1 电阻元件
电阻（R）：具有消耗电能特性的元件。

伏安特性：电阻元件上电压与电流间的关系称为伏安特性。
1.2.2 电感元件
L

电感：能够存储磁场能量的元件。
1.2.3 电容元件
电容：具有存储电场能量特性的元件。
q=Cu (F)
1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型
1.3 独立电源元件
1.3.1 电压源和电流源
1.电压源
外特性：输出电压与输出电流的关系。
_
U
+
I
US
+
_
RL

(1) 端电压始终恒定，等于直流电压
(2) 输出电流是任意的，即随负载(外电路）
a) 的改变而改变。
2. 电流源
RL

(1) 输出电流恒定不变
(2) 端电压是任意的,即随负载不同而不同
1.3.2 实际电源的模型
b
a
I
R
+

U
-

R0
IR0
Is
b
a
I
R
+

U
-
US
R0
+
–
I
U
+
-
实际
电源
R

1.3.3 两种电源的等效互换
b
a
I
R
+

U
-

R0
IR0
Is
b
a
I
R
+

U
-
US
R0
+
–
I
U
+
-
实际
电源
R

U = Us-I·R0
U = IR0·R0
说明：
1） 电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变，即IS和Us方向一致。
2） 所谓“等效”是指“对外电路”等效（即对外电路的伏－安特性一致），对于电源内部并不一定等效。
1.4 二极管
1.4.1 PN结及其单向导电性
1.本征半导体完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征
半导体。它具有共价键结构。
2.在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电。空穴和自由电子都称为载流子。它们成对出现，成对消失。
3. PN结的形成
用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结 。
结论：
² 在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。
² 内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。
² 在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。
1.4.2 二极管的特性和主要参数
阴极
阳极
D

点接触型 面接触型 表示符号
二极管的主要参数：

-40
-20
O
I/mA
60
40
20
-50
-25
0.4
0.8
正向
反向
击穿电压
死区电压
U(BR)
I/μA
U/V

(1) 最大正向电流IFM
(2) 最高反向电压URM
(3) 反向电流IR
(4) 最高工作频率fM

1.4.3 二极管的电路模型
二极管的端电压
UD=US-RID

1.4.4 稳压二极管
稳压管是一种特殊的二极管，具有稳定电压作用。
(1) 反向特性曲线比较陡
(2) 工作在反向击穿区
稳压管的主要参数:
稳定电压UZ：不同型号的稳压管其UZ是不同的，使用是注意选择
动态电阻rZ： rZ越小，稳压性能越好
最大稳定电流IZM：允许通过的最大反向电流
最大允许耗散功率PZM：PZM≈UZIZM
电压温度系数αUZ：温度每升高时稳压值的相对变化量。

1.5 双极晶体管
1.5.1 基本结构和电流放大作用
晶体管具有电流放大作用的外部条件：
(1) 发射结正向偏置
(2) 集电结反向偏置
由上所述可知:
(1) 由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。
(2) 当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC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。
(3) 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。

1.5.2 特性曲线和主要参数
放大区：
(I) 发射结正偏,集电结反偏
(II) 有电流放大作用, IC=βIB
(III) 输出曲线具有恒流特性
截止区：
I、 发射结、集电结处于反偏
II、 失去电流放大作用, IC≈0
III、 晶体管C、E之间相当于开路
饱和区：
I、 发射结、集失去放大作用
II、 电结处于正偏

III、 晶体管C、E之间相当于短路

1.5.3 简化的小信号模型
1.6 绝缘栅场效晶体管
1.6.1 基本结构和工作原理
1.6.2主要参数
特性曲线和主要参数
l 夹断电压UGS(off)：是耗尽型场效应管当ID为一微小电流时的栅源电压。
l 开启电压UGS(th)：是增强型场效应管当漏源之间出现导电沟道时的栅源电压。
l 饱和漏电流IDSS：耗尽型场效应管在UGS=0的情况下，当漏源电压大于夹断电压时的漏极电流。
l 栅源直流输入电阻RGS：栅源电压和栅极电流的比值。
l 最大漏源击穿电压U(BR)DS:漏极和源极之间的击穿电压
l 最大漏极电流IDM，最大耗散功率PDM 。
l 低频跨导gm：在UDS为某一固定值时，漏极电流的微小变化和相应的栅源输入电压变化量之比。

1.6.3 简化的小信号模型
第二章 电路分析基础
2.1 基尔霍夫定律
2.1.1 基尔霍夫定律
基尔霍夫定律是电路作为一个整体所服从的基本规律，它阐述了电路各部分电压或各部分电流相互之间的内在联系。
基尔霍夫电流定律(KCL)
基尔霍夫电压定律(KVL)
结点：三个或三个以上电路元件的联结点
支路：连接两个结点之间电路。含有元件且电流相同
回路：电路中任一闭合路径称为回路
网孔：单孔回路
1. 基尔霍夫电流定律(KCL)
在任何电路中，任何结点上的所有支路电流的代数和在任何时刻都等于零。
S I = 0
流入某结点的电流之和 = 流出某结点的电流之和

2. 基尔霍夫电压定律(KVL)
在任何一回路中，沿同一循行方向电压的代数和等于零。
US1
_
+
R6
R5
US5
I2
I1
I3
d

b
c
_
+
R1
_
+
R4
R3
R2
US6
a

2.1.2 支路电流法
思路：应用KCL 、KVL分别对结点和回路列方程，联立求解。
解题步骤：

2.2叠加定理与等效电流原理
2.2.1 叠加原理
叠加原理的内容：
对于一个线性电路来说，由几个独立电源共同作用所产生的某一支路的电压或电流，等于各个电源单独作用时分别在该支路所产生的电压或电流的代数和。
注：当其中某一个电源单独作用时，其余的独立电源应除去（恒压源予以短路，恒流源予以开路）。
应用说明
叠加原理只适用于线性电路。
叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。
暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令US =0；
暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令Is=0 。
解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。最后结果是各部分电压或电流的代数和。
叠加原理只能用于求电压或电流，不能用于求功率。
2.22 等效电源定理
有源二端网络
无源二端网络
等效电源定理思路：当求解对象为某一支路的电压或电流时，可将所求支路以外的电路，用一个有源二端网络等效代替。
戴维宁定理
内容：对外电路来说，任意一个线性有源二端网络可以用一个电压源和电阻串联的电路来等效代替。
等效电压源的电压，等于有源二端网络的开路电压；
等效电压源模型的内阻，等于该有源二端网络内所有电源为零时，所得到的相应的无源二端网络的等效电阻。
等效电源定理小结：
等效电源定理适用于求解对象为某一支路的情况；被化简的电路应是线性电路，外电路任意。
求有源二端网络开路电压U0C或短路电流ISC ，
采用电路求解的方法支路电流法、叠加原理、节点电位法… 。
求解等效电阻的方法：

2.3正弦交流电路
2.3.1 正弦量的三要素
最大值 Im
角频率 W
初相位 （huai）
公式
交流仪表指示的读数、电器设备的额定电压、额定电流都是指有效值。
民用电220 V、380V指的也是供电电压的有效值。
有效值是以交流电在一个或多个周期的平均效果，作为衡量大小的一个指标。常利用电流的热效应来定义。
交流
直流
=

有效值

角频率：每秒变化的弧度 单位：弧度/秒( rad/s )
频率（ f ）：每秒变化的次数 单位：赫( HZ )千赫( kHZ ) ...
周期（T ）：变化一周所需的时间 单位：秒( s )，毫秒( ms )...
2.3.2 正弦量的相量表示法
相量表示法是基于复数表示正弦量的一种方法
相量图
相量式（复数式）
A = a +jb
A = r(cosj +jsinj)
A = rejj——指数式

2.用复平面上的有向线段表示正弦量---相量图

2.3.3 电阻、电感、电容元件交流电路
电流间的关系
据欧姆定律
设
则
，

电压电流间的关系

2.3.4 简单正弦交流电路的计算
1. 基尔霍夫定律的相量形式
在电路任一结点上的电流相量代数和为零
S I = 0
沿任一回路，各支路电压相量的代数和为零
S U = 0
欧姆定律相量形式：

2.3.5 交流电路的功率
1.瞬时功率
P=u i
2.有功功率、无功功率与视在功率
电路在电流变化一个周期内瞬时功率的平均值功率或有功功率。
Q = QL –QC
S = U I

2.3.6 RLC电路的谐振
含有电感和电容的电路其电压与电流存在相位差。若调节电源的频率或电路参数，使u、i同相，则电路处于无功功率完全补偿，电路的功率因数 ,称此电路处于谐振状态。
电压、电流关系
u超前 i 90°

瞬时值
有效值
相量图
相量式
设
则

2.4三相交流电流
2.4.1 三相交流电源
1. 三相交流电源的产生
三相交流发电机的构造：定子、转子。
转子:转子绕组通直流，并由机械力带动匀速转动。

2.4.2 三相电路的计算
1.负载星形联结(Υ)
负载各相电压对称；各相电流对称；
中线电流等于零
负载中性点与电源中点等电位.
小结
1.负载作星形联结,不对称且无中线时，各相负载相电压不对称，随负载变化而变化,有可能超过用电器的额定电压，这是不允许的。
2.负载作星形联结,即使负载对称,但无中线时，一旦出现故障,各相负载仍不能正常工作。
3.中线的作用，在于使星形联结不对称负载的相电压保持对称；为了保证负载相电压对称，中线在运行中不允许断开（中线不允许接保险丝）。
3.三相电路的功率
有功功率一般关系式：

2.5非正弦交流电流
2.5.1 非正弦信号的分解
2.5.2 正弦周期信号作用下线性电路的计算
2.6一阶电路的瞬态分析
2.6.1 换路定律
电路从一种稳定状态变化到另外一种新的稳定状态，这种变化是不能瞬间完成的，需要经历一个过渡过程。电路在过渡过程中的工作状态常称为暂态。
设t=0时进行换路
t=0+ 表示换路后的初始时刻。
t=0- 表示换路前的终了时刻；
用数学公式来表示：C(0+) = u C(0-) iL(0+) = iL(0-)
2.6.2 RC、 RL电路的暂态分析
经典法：
过列出和求解电路的微分方程，从而获得暂态响应函数式。
三要素法：
在经典法的基础上总结
出来的一种快捷的方法，只适用于一阶电路。
第三章 分立元件基本电路
3.1共发射极放大电路
3.1.1 电路组成
单管工发射极放大电路。它由晶体管、电阻、电容以及直流电源组成。
共发射极放大电路：电路以晶体管的发射极作为输入、输出回路的公共端。
1.合理的直流偏置电路：发射结正偏,集电结反偏。
3.1.2 静态分析
静态估算法：由直流通路确定静态值
1、估算法
2、图解法
3.1.3 动态分析
静态分析得出的结论:
1.放大电路在静态时已工作在放大区
2.不同的基极电流IBQ,工作点Q不同
3. 研究静态的目的是获得合适的静态工作点
3.1.4 静态工作点的稳定
3.1.5 频率特性
3.2共集电极放大电路
1. 静态工作点的漂移
2. 分压式偏置电路
3.3共源极放大电路
3.3.1 静态分析
3.3.2 动态分析

3.4分立元件组成的基本门电路
基本门分类： “与”门；“或”门；“非”门；
组合门分类： “与非”门；“或非”门； “异或”门；
3.4.1 二极管与门电路
3.4.2 二极管或门电路
“非” 门符号

3.4.3 晶体管非门电路
二极管D保证晶体管截止时箝位输出电平，使输出、输入1电平一致。

第四章 数字集成电路
集成电路
l 数字集成电路
l 模拟集成电路
数字电路
l 组合逻辑电路：门组成
l 时序逻辑电路：触发器组成
4.1逻辑代数运算法则
A+0=A , A+1=1 , A • 0=0
A • 1=A , A+A=1 , A+A=A
A • A=0 , A • A=A , A=A

4.2逻辑函数的表示和化简
4.2.1 逻辑函数的表示方法
4.2.2 逻辑函数的化简法
逻辑函数的化简通常有以下两种方法：
1. 应用运算法则化简
2. 应用卡诺图化简

4.3集成门电路
4.3.1 TTL 门电路
门电路是实现一定逻辑关系的电路，是组成数字电路的基本单元，本节重点介绍集成门电路的逻辑功能及外部特性。
三态输出“与非”门符号
△
A
B
EN
F

4.3.2 CMOS 门电路
TTL门电路由晶体管组成，属双极型门电路，MOS 门电路由场效应管组成，属单极型门电路，MOS 门电路是目前大规模和超大规模数字集成电路中应用最广泛的一种。
注意：上述分析表明，MOS “与非”门的输入端越多串联的驱动管越多，导通时的总电阻就愈大，输出低电平值将会因输入端的增多而提高，对于MOS “或非”门因驱动管并联，不存在这个问题，因此，MOS门电路中 “或非”门用的较多。
4.4组合逻辑电路
组合逻辑电路的特点：输出状态只与当前的输入状态有关，与原输出状态无关。或者说，当输入变量取任意一组确定的值以后，输出变量的状态就唯一地被确定。
4.4.1 组合逻辑电路的分析和设计
组合逻辑电路的设计
步骤：
1. 根据逻辑要求列出逻辑状态表
2. 根据状态表写出逻辑式
3. 对逻辑式进行化简
4. 根据最简逻辑式画出逻辑电路图
4.4.2 加法器
一. 半加器：只求本位相加不计低位进位
半加器逻辑状态表 ( A.B:两个相加位； S：半加和 C：进位数； ）
逻辑关系式：
S = A B + A B = A B
C = A B = A B
二. 全加器：本位相加，并计低位进位
全加器的逻辑状态表：
（An，Bn：两个相加位；Cn －1 ：低位来的进位数； Sn：全加和 Cn：进位数； ）
4.4.3 编码器、译码器及数字显示
编码器：
编码就是用二进制代码来表示一个给定的十进制数或字符。完成这一功能的逻辑电路称为编码器 。
译码器：
译码器也称解码器。它是编码的逆过程。
在数字仪表、计算机和其他数字系统中，常常要把测量数据和运算结果用十进制数显示出来。

4.5集成触发器
4.5.1 基本RS触发器
两个与非门组成，输出输入交叉连接。
两个输出分别记 两个输入分别记为 。
4.5.2 同步RS触发器和D锁存器
4.5.3 正边沿触发的D触发器
所谓边沿触发是指触发器的次态仅由时钟脉冲
的上升沿或下降沿来到时的输入信号决定，在此以
前或以后输入信号的变化不会影响触发器的状态。
4.5.4 负边沿触发的JK触发器

4.6时序逻辑电路
4.6.1 时序逻辑电路的分析方法
分析时序逻辑电路的步骤：
分析电路的组成；
n 写出组合逻辑电路对外输出的逻辑表达式；
n 写出各个触发器输入端的逻辑函数表达式；
n 把各个触发器输入端的逻辑函数表达式代入触发器的特性方程，得出各触发器的状态方程。
n 根据状态方程和输出方程，列出逻辑状态表，
n 画出波形图，确定该时序电路的状态变化规和逻辑功能。
4.6.2 寄存器
4.6.3 计数器
计数器是计算机及各种数字逻辑系统的基本部件之一，它能累计输入脉冲数目或根据控制脉冲节奏进行加减法计数。
4.7储存器
4.7.1 只读存储器
4.7.2 随机存取存储器
总结:
在学习电工电子学的这个学期里，我收获了很多，认识到了电学这门课程对我们化工研究的重要性，将是化工研究道路上不可缺少的知识。通过这门课程，我认识了一些基本的电路元件。学会了分析一些基础电路，同时，也初步了解到数字集成电路的神奇与奥妙之处。在今后的人生之中，我相信这门学科对人生都有一定的指导作用。
参考文献:
《电工电子学》第三版 主编 叶挺秀 高等教育出版社
《电工电子学》 主编 王佩珠 中国科学技术大学出版社
《电工电子学学习指导》 主编 付家才 化学工业出版社教材出版
《电工电子学》 主编 朱定华，方奕乐 清华大学出版社
《电工电子学(第三版)学习辅导与习题解答》 主编 张伯尧, 叶挺秀 高等教育出版社