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1、第一章 电路的基本概念 山东大学信息科学与工程学院内容提要n理想元件电路模型n参考方向n基尔霍夫定律n运算放大器n独立源和受控源n支路分析法 1-1电路与电路模型n电的应用：能量和信息两大领域 q电力系统：能量是主要的着眼点。涉及大规模电能 的产生、传输和转换(为其他形式的能量)，构成现 代工业生产、家庭生活电气化等方面的基础。q信息与控制系统：信息是主要的着眼点。电能具有 携带信息的能力，如日常的电话通信，计算机间信 息的交流，工业生产的自动化控制等。电用作信息 处理和交换的媒介已成为当代社会的显著特征。电路与电路模型n电路(circuit)q若干个电气设备或器件按照一定方式组合起来，构 成
2、电流的通路。亦称电网络或网络（Network）。n电路的部件(component)q作为电路组成部分的设备或器件，例如供电设备(电 源,source)、用电设备(负载, load)、电阻器、电感 器、电容器、晶体管、电子管等。q电路部件的复杂性 电路与电路模型n理想电路元件（元件模型） q当实际电路的尺寸远小于最高工作频率所对应的波长时，可以定义 出几种“集总参数元件”(Lumped Parameter elements)，用来构成 实际部、器件的模型，即：理想电路元件或元件模型。每一种集总 参数元件(以后简称为元件)只反映一种基本电磁现象，电场、磁场 被认为只集中在相应元件的内部，且可由数学
3、方法精确定义。 q主要元件模型 n电阻元件：只涉及消耗电能的现象，为耗能元件；n电容元件：只涉及与电场有关的现象，为电场储能元件；n电感元件：只涉及与磁场有关的现象，为磁场储能元件；n电压源、电流源等元件。电路与电路模型n实际电路部件与理想元件关系 q实际电路部件可以由一种或几种理想元件进行建模，以便于 精确描述其电磁特性。例如，我们可以用电阻元件来描述灯 泡，用电阻元件和理想电压源来描述干电池等。n电路模型：由若干理想元件构成的电路即实际电路的 电路模型。1-2 电压与电流的参考方向 n电路分析的目的q分析计算电路中的某些电路变量及其变化规律。n电路变量q电流(单位：安培，A)q电压(单位：
4、伏特，V)q功率(单位：瓦特，W) n电流、电压的方向 q电流方向：正电荷的移动方向。q电压方向：电位下降的方向。电压与电流的参考方向n参考方向：任意假定的电压、电流方向。q为什么规定参考方向？在实际电路中，我们很难准确知道电流和电压在某个瞬时的实 际方向。便于建立电路方程。q 如何表示参考方向？电压参考方向：+、-电流参考方向：q 如何选择参考方向？电压、电流参考方向可以任意规定，不影响分析结果采用关联参考方向 / 一致参考方向更为方便，也更为常用+-ui关联 / 一致参考方向： 指规定的电压参考方向与电流参考 方向相互关联，相互一致。关联 / 一致参考方向n关联参考方向时功率的意义q关联参
5、考方向时，电压电流瞬时 值的乘积表示二端元件/网络吸收 的瞬时功率。q瞬时功率大于零，表示二端元件/ 网络吸收能量q瞬时功率小于零，表示二端元件/ 网络释放能量n关于电源与负载q当元件吸收的功率为正或释放的 功率为负，称元件为负载。反之 ，则称元件为电源。+-ui1-3 基尔霍夫定律KCL / KVL n基尔霍夫定律是分析、计算电路的基本依据 n电路分析中的基本术语q支路：每一个二端元件构成一个支路。q节点：每个支路的端点叫做节点。两个或两个以上的 支路接于一点时，此连接点只算作1个节点。q简单节点：仅仅关联两个支路的节点。q回路：由若干支路构成的，其中每一个节点只与两条 支路相连接的闭合路径
6、。q网孔：内部不含其余支路的回路称作网孔。 支路、节点、回路、网孔支路：1、2、3、4、5、6、7节点：、简单节点： 回路： -等等。 网孔： -基尔霍夫电流定律（KCL）nKCL是电荷守恒法则运用于集总电路的结果，反映电路中各支 路电流间的约束关系。nKCL的一般描述q对于任一集总参数电路中的任一节点，在任意时刻，流入(或流出) 该节点的所有支路电流的代数和为零。nKCL的数学描述q基尔霍夫电流方程，或节点电流方程 KCL同样适用于 “广义网络节点”KCL的另一种描述：任意瞬时，流入某节点的电流之和等于流出电流之和。KCL示例广义节点：节点 ：节点 ：基尔霍夫电压定律（KVL） nKVL是能
7、量守恒法则和电荷守恒法则运用于集总电路的结果， 反映电路中各支路电压间的约束关系。nKVL的一般描述q对于任一集总参数电路中的任一回路，在任意时刻，沿着该回路所 有支路电压的代数和为零。nKVL的数学描述q基尔霍夫电压方程，或回路电压方程 KVL同样适用 于“假想回路”KVL的另一种描述：任意瞬时，某回路中取顺时针方向各支路电压之和等于 取逆时针方向各支路电压之和。KVL示例回路1 ：回路2 ：回路3 ：1-4 电阻元件n电阻元件(电阻) q电阻元件是从实际电阻器抽象出来的模型，反映电 阻器对电流呈现阻力的性能。q电阻元件的基本属性：“耗能”q电阻的表示n以符号R表示，电阻值单位：欧姆(Ohm
8、)n以符号G表示，电导值单位：西门子(Seimens)n电阻与电导关系：电阻元件n电阻元件的U-I特性qU-I特性：亦称伏安特性，反映元件电压与电流的关系。q电阻元件在任一时刻的电压值(电流值)仅取决于电阻值和电阻 元件的瞬时电流值（电压值），与其余时刻的电流值(电压值) 无关。q因此，电阻元件是一种“无记忆元件”。n电阻元件分类q线性电阻元件与非线性电阻元件 （根据U-I曲线）q非时变电阻元件与时变电阻元件 （根据阻值的特性）q分析重点：线性非时变电阻元件n线性电阻元件的U-I特性(欧姆定律)：前提条件为一致参考方向电阻元件分类+-Ru(t)i(t)线性电阻元件的符号表示 注意参考方向为一致
9、的电阻元件的功率n电压电流参考方向不一致时的欧姆定律n电阻消耗的瞬时功率n电阻消耗的能量-+Ru(t)i(t)一致方向非一致方向1-5 独立源n术语q激励 (Excitation)：电路的输入信号，包括待处理的 信号和为电路提供能源的电源。q激励的分类：电压激励、电流激励。q响应 (Response)：经过电路传输或处理后输出的 信号，可以是任何激励源在电路任一部分引起的电 压、电流。 q激励源，又称独立源：是指不受电路其他部分控制 的信号源。q激励源(独立源)分类：电压源、电流源 一个实际电源模型电压源 n电压源(voltage source)q是一个二端元件，其端电压在任意瞬时与其端电流无
10、关，或 者恒定不变(直流情况)，或者按照某一固有的函数规律随时 间变化。q电压源端电压特性 q电压源的端电流取决于负载电路q电压源输出的瞬时功率 与端电流无关负 载 网 络+-us(t)i(t)可见：电压源输出瞬时功率与瞬时电流成正比，电压源的负载能力为无穷大。电压源可与其他元件组合来模拟实际电压源。 当电压源的电压为0时，可视作一个短路元件 非一致参考方向电压源的符号与U-I特性（VCR）电压源符号电压源 U-I 特性电流源 n电流源q是一个二端元件，其端电流在任意瞬时与其瑞电压无关，或 者恒定不变(直流情况)，或者按照某一固有的函数规律随时间 变化。q电流源的端电流特性q电流源的端电压取决
11、于外接负载q电流源输出的瞬时功率 与端电压无关负 载 网 络+-is(t)u(t)可见：电流源输出瞬时功率与瞬时电压成正比，电流源的负载能力为无穷大。 电流源可与其他元件组合来模拟实际电流源。 当电流源的电流为0时，可视作一个开路元件 非一致参考方向电流源的符号与U-I特性（VCR）电流源符号电流源 U-I 特性例 题n分析电压源和电流源，哪个是负载？哪个是电 源 ？例 题n负载电路中的电流及其两端的电压各为多少 ？分析功率平衡关系。 1-6 受控源n受控源q又称非独立源，与独立源不同，其电压(或电流)依赖于电路中另一支 路的电压或电流。q用于晶体管、场效应管等器件的建模和电路分析。q受控源的
12、组成受控源是一个二端口元件，其输入端口为控制支路的端口，输出端为受 控支路的端口。受控源的控制支路或为开路(输入电流为零)或为短路(输入电压为零)； 受控源的受控支路的电压或电流受输入端口电压或电流的控制。q线性受控源与非线性受控源线性受控源：受控源的电压(或电流)是控制支路电压或电流的线性 函数。是我们学习的重点。非线性受控源：受控源的电压(或电流)是控制支路电压或电流的非 线性函数。4种受控源类型n电压控电压源（VCVS）q控制变量、受控变量均为电压，常用作三极管电路 模型的基本元件。q输入端口和输出端口特性qu-转移电压比或电压放大系数 4种受控源类型n电压控电流源（VCCS）q控制变量为电压，受控变量为电流，常用作五极电 子管和场效应管电路模型中的基本元件。q输入端口和输出端口的特性qg-转移电导 4种受控源类型n电流控电流源（CCCS）q控制变量为电流，受控变量为电流，常用作晶体管 电路模型中的基本元件。q输入端口和输出端口的特性 q转移电流比或电流放大系数4种受控源类型n电流控电压源（CCVS）q控制变量为电流，受控变量为电压，常用作晶体管 电路模型中的基本元件。q输入端口和输出端口的特性q转移电阻 例 题n三极管（晶体管）工作在放大状态时，由于三 极管的集电极电流受基极电流的控制，所以可 采用电流控制的电流源来表示。
