chap02_电路元件及电路基本类型.pdf

石春琦 副教授 cqshi@ 华东师范大学微电子电路与系统研究所 2013年 12月 电路分析及实验 2/24/2014 1 华东师范大学微电子电路与系统研究所 第一章 电路元件及电路基本类型 本章介绍电路基本元件和电路基本类型 基本要求： 1. 建立 电路基本元件 的概念 2. 了解基本的 二端电路元件 的种类和特性 3. 了解 基本的 二端口电路元件 的种类和特性 2/24/2014 2 华东师范大学微电子电路与系统研究所 2.1 二端电路元件 2.1.1 电阻 元件 • 每 一种电路元件都有明确的数学定义，这种定义用 电压 -电流 关系来 表述； 电阻：反映电阻阻碍电流通过的作用 描述电阻的基本参数： 电阻 R和 电导 G u=0，短路 i＝ 0，开路 2/24/2014 3 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电阻：一个二端元件，如果在任一时间 t， 其端电压 u和通过其中的电流 i之间的关系是由ui平面（或 iu平面）上的一条曲线所确定，则此二端元件称为电阻元件，简称电阻 这条曲线称为电阻在时间 t的 伏安特性 曲线 电阻按照它的电压 电流关系是线性还是非线性的，可以分为 线性电阻 和 非线性电阻 ； 根据它的电压 电流关系与时间的关系，还可以分为 时变电阻 和 非时变电阻 。

电阻分类 2/24/2014 4 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电阻 分类 • 线性非时变电阻 iuRu iO uR i• 线性时变电阻 iu()Rtu i1t2tO2/24/2014 5 华东师范大学微电子电路与系统研究所 线性非时变电阻吸收的瞬时功率 22p R i G u对任一时刻 t0，线性非时变电阻从时刻 t0到时刻 t所吸收的（电）能量为 00220( , ) ( ) ( )ttw t t R i d G u d   如果电路元件在所有的时刻 t，只吸收能量而不提供能量，则称该电路元件为 无源元件 一个电路元件为无源元件的充要条件是： ( ) 0wt  ，电阻元件的功率和能量 2/24/2014 6 华东师范大学微电子电路与系统研究所 独立电源是实际电源的理想化电路元件模型，包括（独立）电压源和（独立）电流源 电压源 是理想电路元件，其电压 电流关系为 Su u对任意的 i O iu SU iu 1()SutO,SSuUi 2S 3()Sut电压源符号及其伏安特性曲线 2.1.2 独立电源 2/24/2014 7 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电流源 是理想电路元件，其电压 电流关系为 Si i对任意的 u 电流源符号及其伏安特性曲线 Ou ,SSiIu iSI 1()Sit2()Situ i3()SitO独立电 流 源 2/24/2014 8 华东师范大学微电子电路与系统研究所 例 2.1.1 试计算图示电路中每个电阻消耗的功率，并通过计算电压源和电流源所提供的功率，确定电阻消耗功率的来源。

举 例 uRu 2VSu i i3 1ASi 解： 在图示电路中，电阻消耗的功率为 22 224WW33SRR R R uuP u i RR    2/24/2014 9 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电压源输出的功率为 42( ) ( 2 ) W W33SSu S S R S R R S R iP u i u i i u i u i P P          负号表示电压源不输出功率而是吸收功率，即电流源对电压源充电可见，电阻消耗的功率全是由电流源提供的 电流源输出的功率为 2 1 W 2 WSi S S SP u i u i    2/24/2014 10 华东师范大学微电子电路与系统研究所 2.1.3 电容元件 电容元件： • 一个二端元件 ， 如果在任一时间 t， 它所存储的电荷 q和其端钮间的电压 u之间的关系是由 uq平面 （ 或 qu平面 ） 上的一条曲线所确定 ， 则此二端元件称为电容元件 • 电容元件也有线性和非线性、时变与非时变之分这里主要讨论线性非时变电容元件（简称电容）。

2/24/2014 11 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电容元件 线性非时变电容元件的元件符号及库伏特性曲线 电容元件的库伏特性方程： C u uC或2/24/2014 12 华东师范大学微电子电路与系统研究所 • 电容属于动态元件 ——t时刻电容上的电流 i与其电压 u随时间的变化速率相关 • 电容的电压 u和电流 i之间的关系也可用积分形式表示 • 电容又是一种 记忆元件 ，仅当 C和初始电压 u(t0)确定时，才是一个完全确定的元件 001( ) ( )ttu u t i dC   000001 1 1( ) ( ) ( )1( ) ( )ttttttu i d i d i dC C Cu t i d t tC                  2/24/2014 13 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电容吸收的 功率 • 电容在 t时刻吸收的功率 • 根据功率和能量的关系，在时间间隔 [t0 , t]内，电容吸收的能量为 dup u i C udt0000()220()()( , ) ( ) ( )11( ) ( )22ttCttututduw t t p d Cu ddC u d u Cu t Cu t        2/24/2014 14 华东师范大学微电子电路与系统研究所 2.1.4 电感元件 电感元件： • 一个二端元件，如果在任一时间 t，它的磁链 ψ与流经的电流 i之间的关系是由 ψi平面（或 iψ平面）上的一条曲线所确定，则此二端元件称为电感元件。

• 电感元件也有线性和非线性、时变与非时变之分这里主要讨论线性非时变电感元件（简称电感） 2/24/2014 15 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电感元件 线性非时变电感元件的元件符号及韦安特性曲线 电感元件的韦安特性方程： L i i L 或2/24/2014 16 华东师范大学微电子电路与系统研究所 • 电感属于动态元件 ——t时刻电感电压 u取决于电感电流 i 随时间的变化率 • 电感的电压 u和电流 i之间的关系也可用积分形式表示 • 电感也是一种 记忆元件 ，仅当 L和初始电压 i(t0)确定时，才是一个完全确定的元件 001( ) ( )tti i t u dL   000001 1 1( ) ( ) ( )1( ) ( )tttttti u d u d u dL L Li t u d t tL                  2/24/2014 17 华东师范大学微电子电路与系统研究所 电感吸收的 功率 • 电 感 在 t时刻吸收的功率 • 根据功率和能量的关系，在时间间隔 [t0 , t]内，电感吸收的能量为 0000()220()()( , ) ( ) ( )11( ) ( )22ttLttititdiw t t p d Li ddL i d i Li t Li t        dip u i Lidt2/24/2014 18 华东师范大学微电子电路与系统研究所 2.2.1 受 控电源 可分为四类：电压控制型电流源（ VCCS）、电流控制型电流源（ CCCS）、电压控制型电压源（ VCVS)和电流控制型电压源（ CCVS） 1gu2u1i 2i1u 2u1i 2i1u 1i2u1i 2i1u 1u 2u1i 2i 1ri1210ii gu  1210uii  1210iuu1210uu ri2.2 二端口电路元件 2/24/2014 19 华东师范大学微电子电路与系统研究所 受控电源吸收的功率为 1 1 2 2p u i u i 22ui例： 计算受控电源吸收的功率 2u1 2i1u 1 LRSu2222Lup u iR  受控电源吸收的功率为负值，即受控电源是向负载 RL提供功率 。

因此受控电源是一种 有源元件 受控源 2/24/2014 20 华东师范大学微电子电路与系统研究所 受控电源是一种常用的电路元件，在电路中常被用来模拟电子器件中所发生的物理现象如晶体三极管用受控电源表示的模型 bR1u 1ie 发 射 极（ ）b 基 极（ ）(c 集 电 极 ）cb e1i 2i 2i 2u1u 2u 1i受控源 2/24/2014 21 华东师范大学微电子电路与系统研究所 运算放大器的符号及其输入 –输出特性曲线 iu+uu  ouU U A iu+u ou A iuSESEou SEA斜 率O正 饱 和 区负 饱 和 区 线 性 区u 在电路分析中常用理想运算放大器 Ri→∞ Ro0 A→∞ 理想运算放大器两个重要特性 1) 虚短： u+  u– 2) 虚断：输入电流等于零 2.2.2 运算放大器 2/24/2014 22 华东师范大学微电子电路与系统研究所 例 2.2.1 图示为反相放大器，试求其输出电压 uo与输入电压 uS之间的关系 iu1i 2iSR fR ouSu解： 根据图示电路，由“虚断” 可知， i1i2；由“虚地” 可知，反相输入端电压为零。

因此，有 0SoSfuuRR 即 foSSRuuR2/24/2014 23 华东师范大学微电子电路与系统研究所 理想变压器是实际变压器的理想化模型它是一种二端口元件 1i 2i1u 2u:1n12121u nuiin 理想变压器也可用受控电源组成的模型来表示 1 /un2u1i 2i2 /in 1nu 2u1i 2i1u 2nu1u2.2.4 理想变压器 2/24/2014 24 华东师范大学微电子电路与系统研究所 理想变压器的电压与电流采用一致参考方向，因此其吸收的功率 1 1 2 2 2 2 2 21( ) ( ) 0p u i u i n u i u in     接有负载 RL的理想变压器 1 2i1u 2u:1n LR21 2 L 2 L 1 L 1( ) ( )u n u n R i n R n i n R i      理想变压器具有变换电阻大小的性质，且与同名端的位置无关 2/24/2014 25 华东师范大学微电子电路与系统研究所 2.3 电路基本类型 • 电路划分时不包括电路中的独立电源。

2/24/2014 26 华东师范大学微电子电路与系统研究所 其他分类方法 • 按工作频率分： – 高频、中频和低频电路等 • 按功能分： – 放大、整流、检波电路等 • 电路分析的主要目的之一是求出电路中的各支路电压和支路电流，而这些支路电压、电流是在独立电源激励下电路的响应 • 求解依据： KVL、 KCL和支路方程其中， – KVL、 KCL是线性的代数方程； – 支路方程则与元件的性质有。