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1、PART 1第一课 电子元件电子电路主要由电子元件的互连组成。电子元件被分成两大类：有源和无源。无源元件提供的能量少于它们自身吸收的能量，包括电阻、电容、电感等等；有源元件提供的能量大于它们自身吸收，包括电池、发电机、晶体管等等。（1）电阻如果将电池连接在导电材料上，一定数量的电流将流过此材料，流过材料的电流取决于电池的电压、材料的截面积和材料自身的电阻率。在电子电路中，用已知阻值的电阻可以控制线路电流。电阻可以由碳混合物、金属薄膜或电阻丝制成，它有两个连线接头（图1.1a）。常常用滑臂可调的可变电阻（图1.1b）来控制收音机和电视机的音量。 （2）电容电容是由被绝缘材料分开的两个金属板组成，
2、常见电容如图1.2所示。如果电池被连接在两个金属板上，电荷将经过很短的流动而汇集在电极板上。如果断开电池，电容将保持电荷和与电荷相关的电压。快速变化的电压信号，比如被声音或无线通信调制的信号，产生比较大的电流流入和流出电极板，电容充当电流变化的引导者。例如，在连接在一个放大器的输出端和下一级放大器的输入端之间电流中，这种作用可以分离出语音信号或无线通信信号。（3）电感电感是由绕成线圈形状的导线组成（图1.3）。当电流通过线圈时，在线圈周围将产生磁场，它将阻止电流强度的快速变化。像电容一样，电感可以被用于分辨信号变化的快慢。当电感和电容连在一起使用时，电感上的电压在一个确定的频率上达到最大值。这
3、一原理用在无线接收机上，通过调节可变电容可以选择一个特定的频率。 （4）晶体管晶体管由半导体制成。半导体是硅和锗这样的材料，经过搀杂（即加入微量的外部元素），使内部的自由电子过剩或者不足。前一种类型的半导体叫n型半导体，后一种类型的半导体叫p型半导体。将n型半导体和p型半导体结合在一起就形成了二极管（图1.4a）。当这个二极管连接上电池，使p型材料为正，n型材料为负时，因为 p区缺少电子，电子就会被电池的负极排斥而毫无阻止地进入p区。当电池反接时，要到达p区的电子经过n区非常困难，因为n区已经填充了大量自由电子，电流几乎为零。1948年发明了双极的晶体管（图1.4b），它由三层搀杂材料组成，两
4、个p-n结可以配置成p-n-p或n-p-n型晶体管，其中一个p-n结连接上电池使其有电流通过（正向偏置），另一个p-n结以相反的方向连接上电池（反向偏置）。如果用一个外加信号使晶体管的正偏p-n结中的电流发生变化，反偏p-n结中的电流将相应地跟着变化。这个原理可以用来构建放大器，正向偏置p-n结的小信号可以引起反向偏置p-n结中电流大的变化。另一种类型的晶体管是场效应管。由于双重电场的作用，这种晶体管可以阻断或吸引电荷，可以实现电流的放大。由于非常小能量的信号可以控制大能量信号，因此场效应管具有比三极管更高的工作频率。（5）集成电路（IC）大多数集成电路（图1.5）是一小块硅片或硅芯，大约2到
5、4个平方毫米长（0.08到0.15平方英寸）, 在这上面，制备了许多晶体管。光刻技术能使设计者创造大量的n类和p类区域，在制造过程中，它们被非常小的导线互连起来，从而产生复杂的特殊用途的电路。因为它们被制造在一片单晶硅上，所以被称为单片集成电路。单芯片需要更少的空间和能量，而且比利用单个晶体管去构建同样功能的电路还便宜。第二课 电网络电路或电网络由以某种方式连接的电阻、电容和电感等元件组成。如果网络不包含能源，如电池或发电机，那么就被称作无源网络。换句话说，如果存在一个或多个能源，那么组合的结果为有源网络。在研究电网络的特性时，我们感兴趣的是确定电路中的电压和电流。因为网络由无源电路元件组成，
6、所以必须首先定义这些元件的电特性。 就电阻来说，电压-电流的关系由欧姆定律给出，欧姆定律指出：电阻两端的电压等于电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上它表达为：(1.2-1)式中 u = 电压，伏特；i = 电流，安培；R = 电阻，欧姆。电容两端建立的电压正比于电容两极板上积累的电荷q 。因为电荷的积累可表示为电荷增量dq的和或积分，因此得到的等式为 ： (1.2-2)式中电容量C是与电压和电荷相关的比例常数。由定义可知，电流等于电荷随时间的变化率，可表示为i=dq/dt 。因此电荷增量dq等于电流乘以相应的时间增量，或dq=idt，那么等式 (1.2-3) 可写为 (1.2-3)式中 C =
7、 电容量，法拉。纯电感电压由法拉第定律定义，法拉第定律指出：电感两端的电压正比于流过电感的电流随时间的变化率。因此可得到：式中 di/dt = 电流变化率，安培/秒；L = 感应系数，享利。归纳式(1.2-1)、(1.2-3) 和(1.2-4)描述的三种无源电路元件如图1.7所示。注意，图中电流的参考方向为惯用的参考方向，因此流过每一个元件的电流与电压降的方向一致。有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。有源电气元件存在两种基本形式：电压源和电流源。其理想状态为：电压源两端的电压恒定，与从电压源中流出的电流无关。因为负
8、载变化时电压基本恒定，所以上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面，电流源产生电流，电流的大小与电源连接的负载无关。电压源和电流源的符号表示如图1.8所示。求出一个电路的变量（无论是电压还是电流）的过程称为电路分析。对简单的单级放大电路，只要直接运用欧姆定律、KCL和KVL就可以求解。但是我们必须学会分析比较复杂的电路，在复杂电路中直接列出和求解线性代数方程组并不容易。我们可采用几种不同的分析方法去分析复杂电路，其中一种是：对某一瞬时，列出一组联立方程，方程组中的变量全是电压，这种方法称为结点电压法。另一种方法是：(对某一瞬时）列出一组变量全是电流的方程，这种方法称为网孔电流法。结点电压法可以
9、适用于任何电路，但网孔电流法不适用于“非平面网络”。但还有一种与网孔电流法相似的，也以电流为变量的分析方法回路电流法却适用于任何电路。第三课 基本定律1 .欧姆定律如果把某种材料连接到一个理想电压源u(t)的两端（如图1.10所示），假设u(t)=1V，则材料顶部的电势（电位）比材料底部的电势高出1V，因为电子是携带负电荷的，在材料中的电子将从材料的底部流向顶部，即有电流i(t)从材料的顶部通过材料流向底部。因此，当电源极性给定时，当u(t)为正时，电流正方向如图1.10所示，如果u(t)=2V，同理材料顶部的电势比材料底部的电势高出2V，所以电流i(t)仍为正的（当材料为“线性”材料时，电流
10、是原来的两倍）。对任意给定的电压函数u(t)，如果产生的电流总是正比于给定的电压函数u(t)，则该材料被称为线性电阻。 对一个线性电阻有：和 电阻的单位（伏特每安培）被称做欧姆，并用大写希腊字母“”表示，上面的两个方程都被称为欧姆定律。 2 基尔霍夫电流定律德国物理学家Kirchhoff得出了基尔霍夫定律，我们可以用它来分析任何电路元件（电压源、电流源和电阻）以及其他电子器件构成的相互连接。我们把这种相互连接称为一个电路或一个网络。 对一个给定的电路，两个或更多的元件的连接点称为结点。现在我们给出两个基尔霍夫定律中的第一个基尔霍夫电流定律，它是根据电荷守恒的定理给出的： 对电路的任何一个结点，
11、在每一瞬时流入结点的电流和总是等于流出结点的电流和。如果考虑电流的流向，取流入结点为正，流出结点为负，则基尔霍夫电流定律也可以等价表达成：对电路中的任一结点，电流的代数和为0。以图1.11中的结点为例，运用KCL，可以得出下面表达式：或者3. 基尔霍夫电压定律 现在给出基尔霍夫第二定律电压定律。我们先引入“闭合回路”的概念。从电路的任一结点开始，通过电路中每一个元件且每个结点只能通过一次，再回到电路的出发结点形成一个闭合回路。基尔霍夫电压定律是：沿着电路的任一闭合回路，每一瞬时的正电压和等于负电压和。假定元件两端的电压是从正到负为正电压，从负到正为负电压，基尔霍夫电压定律也可以表述成下列形式：
12、绕电路中的任一闭合回路，电压的代数和等于0。在图1.12中运用KVL，可以得出下面表达式：或者第四课三相Y-Y连接三相电源有3个被称为接线端的端口，他们可能有或者没有第四个被称为中性线的端口。我们首先讨论有一根中性线连接的三相电源，它可看做由三个连接成Y型的理想电压源组成，如图1.14所示，端子a、b、c和n是可用的。我们将只考虑平衡三相电源，它有如下定义：和 这些存在于每一条电源线与中性线之间的三个电压，被称为相电压。如果我们任意选择Van作为参考电压，或定义 图1.14 Y型连接的三相四线制电源第五课 运算放大器 理想运算放大器的符号如图1.20所示。图中只给出三个管脚：正输入、负输入和输
13、出。让运算放大器正常运行所必需的其它一些管脚，诸如电源管脚、接零管脚等并未画出。两个输入电压和输出电压用符号 、 和 表示。运算放大器是差分装置，差分的意思是：相对于接零管脚的输出电压可由下式表示 (1.5-1)式中A是运算放大器的增益， 和 是输入电压。换句话说，输出电压是A乘以两输入间的电位差。集成电路技术使得在非常小的一块半导体材料的复合“芯片”上可以安装许多放大器电路。运算放大器成功的一个关键就是许多晶体管放大器“串联”以产生非常大的整体增益。也就是说，等式(1.5-1)中的数A约为100,000或更多 (例如，五个晶体管放大器串联，每一个的增益为10，那么将会得到此数值的A )。第二
14、个重要因素是这些电路是按照流入每一个输入的电流都很小这样的原则来设计制作的。第三个重要的设计特点就是运算放大器的输出阻抗(Ro )非常小。也就是说运算放大器的输出是一个理想的电压源。我们现在利用这些特性就可以分析图1.21所示的特殊放大器电路了。首先，注意到在正极输入的电压 等于电源电压，即 。各个电流定义如图1.21b所示。对其外回路应用基尔霍夫电压定律，注意输出电压 指的是它与接零管脚之间的电位，我们就可得到(1.5-2)因为运算放大器是按照没有电流流入正输入端或负输入端的原则制作的，即 。那么对负输入端利用基尔霍夫定律可得利用等式(1.5-2) ，并设 ， (1.5-3) 根据电流参考方向和接零管脚电位为零伏特的事实，利用欧姆定律，可得负极输入电压 ：因此并由式(1.5-3)可得：因为现在已有了 和 的表达式，所以式(1.5-1)可用于计算输出电压，综合上述等式，可得： (1.5-4)最后可得： (1.5-5a)这是电路的增益系数。如果A是一个非常大的数，大到足够使 ，那么分式的分母主要由 项决定，存在于分子和分母的系数A就可对消，增益可用下式表示(1.5-5b
