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1、第2章 简单电阻电路分析,2. 1 电阻,2. 2 电源,2. 3 MOSFET,2. 4 基尔霍夫定律,2. 6 运算放大器,2. 5 电路的等效变换,2. 7 二端口网络,2. 8 数字系统的基本概念,2. 9 用MOSFET构成数字系统的基本单元门电路,清华大学电路原理教学组,一、电阻 (resistor),2.1 电阻,R,(1) 电压电流采用关联参考方向,R,u,+,u R i,R 电阻 (resistance),单位： (欧),二、欧姆定律 (Ohms Law),清华大学电路原理教学组,令G 1/R,G 电导 (conductance),欧姆定律(关联参考方向下): i G u,单
2、位： S (西) (Siemens，西门子),关联参考方向下线性电阻器的u-i关系 :,R = tan ,u R i,清华大学电路原理教学组,(2) 电压电流非关联参考方向,R,u,+,欧姆定律:,u Ri 或 i Gu,公式的列写必须根据参考方向！,清华大学电路原理教学组,当 R = 0 (G = )，视其为短路。 u = 0 , i由外电路决定。,当 R = (G = 0)，视其为开路。 i = 0 , u由外电路决定。,开路,短路,三、开路与短路,清华大学电路原理教学组,R,u,+,R,p发 ui (Ri)i i2 R,p吸 ui i2R u2 / R,功率：,u,+,无论参考方向如何选
3、取，电阻始终消耗电功率。, u(u/ R) u2/ R,或,p吸 u(i),i2 R u2/ R, (Ri) (i),四、电阻消耗的功率,阻值功率,五、电阻的额定值,清华大学电路原理教学组,几种常见材料的0电阻率与温度系数,六、决定阻值的因素,清华大学电路原理教学组,电阻器的尺寸 主要取决于什么？,贴片电阻,体积小 重量轻 可靠性高,碳膜电阻,阻值范围宽 价格低廉,金属膜 电阻,稳定性高 精度高,线绕电阻,功率大,七、电阻器,清华大学电路原理教学组,非线性电阻,满足齐次性和可加性，即,激励,响应,网络,线性电阻,八、非线性电阻,清华大学电路原理教学组,线性时变电阻,ut = Rt it,R(t
4、),电阻Rt是时间 t 的函数,e (t - ),r (t- ),非时变元件,即输出响应与输入信号 外加时刻无关。,线性非时变电阻,ut = Rit,九、时变电阻,返回目录,清华大学电路原理教学组,一、独立电源 (independent source),2.2 电源,（1） 特点,（a） 电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,（b） 通过它的电流由外电路决定。,电路符号,1. 理想电压源（ideal voltage source）,清华大学电路原理教学组,（2） 伏安特性,（a）若uS = US ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与电源中的电流无关。,（b）若uS为
5、变化的电源，则某一时刻的伏安关系特性为平行于电流轴的直线。,（c） 电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合，相当于 短路状态。,清华大学电路原理教学组,（3） 理想电压源的开路与短路,（a） 开路：R，i=0，u=uS。,（b）理想电压源不允许短路（此时电路模型（circuit model）不再存在）。,u=US r i,实际电压源 （physical source）,清华大学电路原理教学组,2. 理想电流源（ideal current source）,（1） 特点,（a） 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,（b） 电源两端电压由外电路决定。,电路符号,例,清华大学电路原理教学组,（2
6、） 伏安特性,（a）若iS= IS ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。,（b）若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平行于电压轴的直线,（c）电流为零的电流源，伏安特性曲线与 u 轴重合，相当于开路状态。,清华大学电路原理教学组,（3） 理想电流源的短路与开路,（2）理想电流源不允许开路（此时电路模型不再存在） 。,（1） 短路：R=0， i= iS ，u=0 ，电流源被短路。,（4） 实际电流源的产生 可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。,清华大学
7、电路原理教学组,（5） 功率,p发= uiS p吸= uiS,p吸= uiS p发= uiS,清华大学电路原理教学组,二、受控电源 （非独立源） （controlled source or dependent source）,电路符号,受控电压源,受控电流源,1. 定义 电压源电压或电流源电流不是给定的时间函数，而是受电路中某个支路（或元件）的电压（或电流）的控制。,清华大学电路原理教学组,一个受控电流源的例子（MOSFET）,MOSFET,受控源与独立源的比较:,(1) 独立源电压(或电流)由电源本身决定，而受控源电压(或电流)直接由控制量决定。,(2) 独立源作为电路中“激励”，在电路中产
8、生电压、电流，而受控源在电路中不能作为“激励”。,电阻,电流源,清华大学电路原理教学组,一个MOSFET可以用四端模型来表示。,受控源是一个四端元件,f(uGS),控制部分,受控部分,uGS,清华大学电路原理教学组,（1） 电流控制的电流源（Current Controlled Current Source）, : 电流放大倍数,r : 转移电阻,2. 分类,（2）电流控制的电压源 （Current Controlled Voltage Source）,清华大学电路原理教学组,g: 转移电导, :电压放大倍数,(3) 电压控制的电流源 （Voltage Controlled Current S
9、ource）,(4) 电压控制的电压源 （Voltage Controlled Voltage Source）,清华大学电路原理教学组,3. 受控源与独立源的比较,(1) 独立源电压（或电流）由电源本身决定，与电路中其他电压、电流无关，而受控源电压（或电流）直接由控制量决定。,(2) 独立源作为电路中“激励（excitation）”，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映电压、电流之间的控制关系，在电路中不能作为“激励”。,返回目录,清华大学电路原理教学组,2.3 MOSFET,Prescott内核P4 108个晶体管 （双极、MOS）,吴刚耳机放大器 日立N沟道 2SK214型 MOSFE
10、T,CPU供电电路 中的MOSFET,最大功率达200W 的电力MOSFET,小：线宽0.15m,大：10cm,清华大学电路原理教学组,2n7000,一、MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)的结构与符号,N沟道增强型MOSFET,清华大学电路原理教学组,截止区(A),UT,时，MOSFET截止,改变UDS的大小对曲线影响不大,UGSUT后，MOSFET的D、S间导通。,转移特性曲线,二、MOSFET的电气性质,清华大学电路原理教学组,UGS=5V,输出特性曲线,清华大学电路原理教学组,导通后UGSUT+UDS的时候，MOSFET的D、S间呈电流源特性。 UGS与IDS呈二次方关系：,
11、导通后UGSUT+UDS的时候，MOSFET的D、S间呈电阻特性。,1 截止区,条件：,性质：,3 三极管区,条件：,性质：,RON,2 饱和区,条件：,性质：,三、MOSFET的等效电路,清华大学电路原理教学组,四、MOSFET的模型,开关电阻（SR）模型:,截止状态,导通状态,清华大学电路原理教学组,截止状态,导通状态,开关电流源（SCR）模型:,返回目录,清华大学电路原理教学组,2.4 基尔霍夫定律,一 、几个名词,支路 (branch)：电路中通过同一电流的每个分支。,回路（loop）：由支路组成的闭合路径。,b=3,网孔（mesh）：对平面电路，每个网眼即为网孔。 网孔是回路，但回路
12、不一定是网孔。,1,2,3,a,b,l=3,n=2,（Kirchhoff，基尔霍夫；18241887，Germany）,清华大学电路原理教学组,物理基础：电荷（electric charge）守恒，电流连续性。,令电流流出为“+”,i1+i2i3+i4=0 i1+i3=i2+i4,i1+i210(12)=0 i2=1A,例,47i1= 0 i1= 3A,二、基尔霍夫电流定律（KCL） 在任何集总参数（lumped parameter）电路中，在任一时刻，流出（流入）任一节点的各支路电流的代数和为零。 即,清华大学电路原理教学组,KCL的推广,两条支路电流大小相等， 一个流入，一个流出。,只有一
13、条支路相连，则 i=0。,选定一个绕行方向：顺时针或逆时针。,R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0 R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,例,取顺时针方向绕行：,-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0 -U1+U2+U3+U4= US1 -US4,三、基尔霍夫电压定律（KVL） 在任何集总参数（lumped parameter）电路中，在任一时刻，沿任一闭合路径（按固定绕向)，各支路电压的代数和为零。 即,UAB (沿l1)=UAB (沿l2） 电位的单值性,推论：电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。元件电压方向与路径绕行方
14、向一致时取正号，相反取负号。,A,B,清华大学电路原理教学组,KCL，KVL小结：,（1） KCL是对连到节点的支路电流的线性约束，KVL是对回路中支路电压的线性约束。,（2） KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,（3） KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是电位单值性的具体体现（电压与路径无关）。,（4） KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,电路如图示，求U和I。,解,3+1-2+I=0，I= -2（A）,U1=3I= -6（V）,U+U1+3-2=0，U=5（V）,例2,求下图电路开关S打开和闭合时的 i1 和 i2 。,S打开：i1=0,i2=1.5(A),S闭合：
15、i2=0,i1=6(A),返回目录,清华大学电路原理教学组,一、电阻等效变换,2.5 电路的等效变换,(1) 电路特点,1.电阻串联 (series connection),(a) 各电阻顺序连接，流过同一电流 （KCL）；,(b) 总电压等于各串联电阻上的电压之和 （KVL）：,(2) 等效电阻（equivalent resistance）Req,等效：对外部电路端钮（terminal）以外效果相同,Req=( R1+ R2 +Rn) = Rk,(3) 串联电阻上电压的分配,等效电阻等于串联的各电阻之和,清华大学电路原理教学组,例 两个电阻分压（voltage division）， 如下图所示。,（注意方向 !）,（4） 功率关系,p1 = R1i 2 ， p2 = R2i 2 ， ， pn = Rni 2,p1 : p2 : : pn= R1 : R2 : : Rn,总功率 p = Reqi 2 = (R1+ R2+ +Rn ) i 2 = R1i 2 + R2i 2 + + Rni 2 = p1 + p2 + + pn,清华大学电路原理教学组,2. 电阻并联 （parallel connection）,（1） 电路特点,(a) 各电阻两端分别
