第2章 常用的電路元件

1、掌握各電路元件的電壓、電流關(guān)系（掌握各電路元件的電壓、電流關(guān)系（VCRVCR）。）。 l 重點(diǎn)重點(diǎn)： 第二章第二章 常用的電路元件常用的電路元件 2.1 電阻元件電阻元件 (resistor) 2. 線(xiàn)性定常電阻元件線(xiàn)性定常電阻元件 l 電路符號(hào)電路符號(hào) R 電阻元件電阻元件 對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關(guān)系用對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關(guān)系用ui 平面的一條曲線(xiàn)來(lái)描述：平面的一條曲線(xiàn)來(lái)描述： 0 ),(iuf i u 任何時(shí)刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。任何時(shí)刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。 1. 定義定義 伏安伏安 特性特性 l ui 關(guān)系關(guān)系 R 稱(chēng)為電阻，單位：稱(chēng)為電阻，單位：

2、(歐歐) (Ohm，歐姆，歐姆) 滿(mǎn)足歐姆定律滿(mǎn)足歐姆定律 (Ohms Law) GuRui iuR u i l 單位單位 G 稱(chēng)為電導(dǎo)，單位：稱(chēng)為電導(dǎo)，單位： S(西門(mén)子西門(mén)子) (Siemens，西門(mén)子，西門(mén)子) u、i 取關(guān)聯(lián)取關(guān)聯(lián) 參考方向參考方向 R u i + - 伏安特性為一條伏安特性為一條 過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn) Riu (2) 如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián) 公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào) 注注 (3) 說(shuō)明線(xiàn)性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元件說(shuō)明線(xiàn)性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元件 歐姆定律歐姆定律 (1) 只適用于線(xiàn)性電阻，只適用于線(xiàn)性電阻，

3、( R 為常數(shù)）為常數(shù)） 則歐姆定律寫(xiě)為則歐姆定律寫(xiě)為 u R i i G u 公式和參考方向必須配套使用！公式和參考方向必須配套使用！ R u i +- 3. 功率和能量功率和能量 上述結(jié)果說(shuō)明電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。上述結(jié)果說(shuō)明電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。 p u i (R i) i i2 R u(u/ R) u2/ R p u i i2R u2 / R 功率：功率： R u i +- R u i + - 可用功率表示。從可用功率表示。從 t 到到t0電阻消耗的能量：電阻消耗的能量： t t t tR uipW 00 dd R i u + 4. 電阻的開(kāi)路與短路電阻的開(kāi)路與

4、短路 能量：能量： l 短路短路 00 ui G or R0 l 開(kāi)路開(kāi)路 00 ui 0 G or R u i 電容器電容器 _ q + q 在外電源作用下，在外電源作用下， 兩極板上分別帶上等量異號(hào)電荷，撤去兩極板上分別帶上等量異號(hào)電荷，撤去 電源，板上電荷仍可長(zhǎng)久地集聚下去，電源，板上電荷仍可長(zhǎng)久地集聚下去， 是一種儲(chǔ)存電能的部件。是一種儲(chǔ)存電能的部件。 1. 定義定義 電容元件電容元件 儲(chǔ)存電能的元件。其儲(chǔ)存電能的元件。其 特性可用特性可用uq 平面平面 上的一條曲線(xiàn)來(lái)描述上的一條曲線(xiàn)來(lái)描述 0 ),(quf q u 庫(kù)伏庫(kù)伏 特性特性 2.2 電容元件電容元件 (capacitor)

5、 任何時(shí)刻，電容元件極板上的電荷任何時(shí)刻，電容元件極板上的電荷q與電流與電流 u 成正比。成正比。q u 特性是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)特性是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn) l 電路符號(hào)電路符號(hào) 2. 線(xiàn)性定常電容元件線(xiàn)性定常電容元件 C u +q-q tan u q CorCuq C 稱(chēng)為電容器的電容稱(chēng)為電容器的電容, 單位：?jiǎn)挝唬篎 (法法) (Farad，法拉，法拉), 常用常用 F，p F等表示。等表示。 q uO l 單位單位 t u C t q i d d d d l 線(xiàn)性電容的電壓、電流關(guān)系線(xiàn)性電容的電壓、電流關(guān)系 C u i u、i 取關(guān)取關(guān) 聯(lián)參考方向聯(lián)參考方向 電容元件電容元件VCR 的微分關(guān)系的微分關(guān)

6、系 表明：表明： (1) i 的大小取決于的大小取決于 u 的變化率的變化率, 與與 u 的大小無(wú)關(guān)，的大小無(wú)關(guān)， 電容是動(dòng)態(tài)元件；電容是動(dòng)態(tài)元件； (2) 當(dāng)當(dāng) u 為常數(shù)為常數(shù)(直流直流)時(shí)，時(shí)，i =0。電容相當(dāng)于開(kāi)路，電容。電容相當(dāng)于開(kāi)路，電容 有隔斷直流作用；有隔斷直流作用； 實(shí)際電路中通過(guò)電容的電流實(shí)際電路中通過(guò)電容的電流 i為有限值，則電容電壓為有限值，則電容電壓u 必定是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)；必定是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)； (4) 電容元件有記憶電流的作用，故稱(chēng)電容為記憶元件。電容元件有記憶電流的作用，故稱(chēng)電容為記憶元件。 3. 電容的功率和儲(chǔ)能電容的功率和儲(chǔ)能 t u Cuuip d d

7、當(dāng)電容充電，當(dāng)電容充電， u0，d u/d t0，則，則i0，q ， p0, 電容吸收功率。電容吸收功率。 當(dāng)電容放電，當(dāng)電容放電，u0，d u/d t0，則，則i0，q ， p0，d i/d t0，則，則u0， ， p0, 電感吸收功率。電感吸收功率。 當(dāng)電流減小，當(dāng)電流減小，i0，d i/d t0，則，則u0， ， p0, 電感發(fā)出功率。電感發(fā)出功率。 l 功率功率 表明表明 電感能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能電感能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能 量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在另一段時(shí)間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在另一段時(shí)間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電 感元件是無(wú)源

8、元件、是儲(chǔ)能元件，它本身不消耗能量。感元件是無(wú)源元件、是儲(chǔ)能元件，它本身不消耗能量。 u、 i 取關(guān)取關(guān) 聯(lián)參考方向聯(lián)參考方向 電容元件與電感元件的比較：電容元件與電感元件的比較： 電容電容 C電感電感 L 變量變量 電流電流 i 磁鏈磁鏈 關(guān)系式關(guān)系式 電壓電壓 u 電荷電荷 q (1) 元件方程的形式是相似的；元件方程的形式是相似的； (2) 若把若把 u-i，q- ，C-L， i-u互換互換,可由電容元件可由電容元件 的方程得到電感元件的方程；的方程得到電感元件的方程； (3) C 和和 L稱(chēng)為對(duì)偶元件稱(chēng)為對(duì)偶元件, 、q等稱(chēng)為對(duì)偶元素。等稱(chēng)為對(duì)偶元素。 * 顯然，顯然，R、G也是一對(duì)對(duì)

9、偶元素也是一對(duì)對(duì)偶元素: I=U/R U=I/G U=RI I=GU 22 2 1 2 1 L LiW t i Lu Li L d d 結(jié)結(jié) 論論 22 2 1 2 1 d d q C CuW t u Ci Cuq C 2.4.1 獨(dú)立電壓源獨(dú)立電壓源 其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其 值與流過(guò)它的電流值與流過(guò)它的電流 i 無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。 l 電路符號(hào)電路符號(hào) 1. 理想電壓源理想電壓源 l 定義定義 i S u + _ 2.4 獨(dú)立電源獨(dú)立電源 電源兩端電壓由電源本身決定，電源兩端電壓由電源本身決定， 與外

10、電路無(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流與外電路無(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流 方方 向、大小無(wú)關(guān)。向、大小無(wú)關(guān)。 通過(guò)電壓源的電流由電源及外通過(guò)電壓源的電流由電源及外 電路共同決定。電路共同決定。 l 理想電壓源的電壓、電流關(guān)系理想電壓源的電壓、電流關(guān)系 u i )(tuS 伏安關(guān)系伏安關(guān)系 例例 R i - + S u 外外 電電 路路 R u i S )( Ri0 )( 0 Ri 電壓源不能短路！電壓源不能短路！ l電壓源的功率電壓源的功率 電場(chǎng)力做功電場(chǎng)力做功 ， 電源吸收功率。電源吸收功率。 （1） 電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)； 物理意義：物理意義： + _ i u + _ S u

11、 + _ i u + _ S u iuP S 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電位向）由低電位向 高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng)高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng) 力作功電源發(fā)出功率。力作功電源發(fā)出功率。 iuP S 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用 （2） 電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)； 物理意義：物理意義： iuP S 吸收功率，充當(dāng)負(fù)載吸收功率，充當(dāng)負(fù)載 iuP S 或：或： 發(fā)出負(fù)功發(fā)出負(fù)功 例例 5R + _ i +_ R u + _ 10V5V 計(jì)算圖示電路各元件的功率。計(jì)算圖示電路各元件的功率。 解解 VuR5510 )( A R u i R 1 5 5 WRiP

12、R 515 2 WiuP SV 10110 10 WiuP SV 515 5 發(fā)出發(fā)出 吸收吸收 吸收吸收 滿(mǎn)足滿(mǎn)足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸） 實(shí)際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，若實(shí)際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，若 短路，電流很大，可能燒毀電源。短路，電流很大，可能燒毀電源。 us u i O 2.實(shí)際電壓源實(shí)際電壓源 i + _ u + _ S u S R 考慮內(nèi)阻考慮內(nèi)阻 伏安特性伏安特性 iRuu SS 一個(gè)好的電壓源要求一個(gè)好的電壓源要求0 S R 其輸出電流總能保持定值或一定其輸出電流總能保持定值或一定 的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無(wú)關(guān)的

13、元件叫理想電流源。無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。 l 電路符號(hào)電路符號(hào) 1. 理想電流源理想電流源 l 定義定義 u S i + _ (1) 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電流源的輸出電流由電源本身決定，與外 電路無(wú)關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān)電路無(wú)關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān) 電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定 l 理想電流源的電壓、電流關(guān)系理想電流源的電壓、電流關(guān)系 u i )(tiS 伏安伏安 關(guān)系關(guān)系 2.4.2 獨(dú)立電流源獨(dú)立電流源 例例 外外 電電 路路 )( 00 Ru )( Ru 電流源不能開(kāi)路！電流源不能開(kāi)路！ R u - + S

14、 i 實(shí)際電流源的產(chǎn)生實(shí)際電流源的產(chǎn)生 可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載無(wú)可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載無(wú) 關(guān)；光電池在一定光線(xiàn)照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的關(guān)；光電池在一定光線(xiàn)照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的 電流等。電流等。 S Riu l電流源的功率電流源的功率 （1） 電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)； S uiP 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用 （2） 電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)； 吸收功率，充當(dāng)負(fù)載吸收功率，充當(dāng)負(fù)載 uiP S 或：或： 發(fā)出負(fù)功發(fā)出負(fù)功 u + _ S i S uiP S u

15、iP u + _ S i 例例 計(jì)算圖示電路各元件的功率。計(jì)算圖示電路各元件的功率。 解解 Ai2 Vu5 WuiP SA 1025 2 WiuP SSV 1025 5 發(fā)出發(fā)出 吸收吸收 滿(mǎn)足滿(mǎn)足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸） + _ u + _ 2A5V 實(shí)際電流源也不允許開(kāi)路。因其內(nèi)阻大，若實(shí)際電流源也不允許開(kāi)路。因其內(nèi)阻大，若 開(kāi)路，電壓很高，可能燒毀電源。開(kāi)路，電壓很高，可能燒毀電源。 is u i O 2.實(shí)際電流源實(shí)際電流源 考慮內(nèi)阻考慮內(nèi)阻 伏安特性伏安特性 S S R u ii 一個(gè)好的電流源要求一個(gè)好的電流源要求 S R u + _ S i S R i 2.5 受控源受控源

16、 (非獨(dú)立源非獨(dú)立源) (controlled source or dependent source) 電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是 受電路中某個(gè)地方的電壓受電路中某個(gè)地方的電壓( (或電流或電流) )控制的電源，稱(chēng)受控源控制的電源，稱(chēng)受控源 l 電路符號(hào)電路符號(hào) + 受控電壓源受控電壓源 1. 定義定義 受控電流源受控電流源 (1) (1) 電流控制的電流源電流控制的電流源 ( ( CCCS ) ) : : 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓根據(jù)控制量和被控制量是電壓u u 或電流或電流i i ，受控源可分，受

17、控源可分 四種類(lèi)型：四種類(lèi)型：當(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓源表示；當(dāng)被當(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓源表示；當(dāng)被 控制量是電流時(shí)，用受控電流源表示?？刂屏渴请娏鲿r(shí)，用受控電流源表示。 2. 分類(lèi)分類(lèi) 四端元件四端元件 i1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + 12 ii 輸出：受控部分輸出：受控部分 輸入：控制部分輸入：控制部分 g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo)轉(zhuǎn)移電導(dǎo) (2) (2) 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( ( VCCS ) u1gu u1 1 + _ u2 i2 _ i1 + 12 gui (3) (3) 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( ( VCVS ) ) u1 + _ u2 i

18、2 _ u1 i1 + - 12 uu : 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) ri1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + - (4) (4) 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( ( CCVS ) ) 12 riu r : 轉(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)移電阻 例例 b i c i bc ii b i b i c i 電電 路路 模模 型型 3. 3. 受控源與獨(dú)立源的比較受控源與獨(dú)立源的比較 (1) (1) 獨(dú)立源電壓獨(dú)立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身決定，與電路中其它電壓、由電源本身決定，與電路中其它電壓、 電流無(wú)關(guān)，而受控源電壓電流無(wú)關(guān)，而受控源電壓( (或電流或電流) )由控制量決定。由控制量決定。

19、 (2) (2) 獨(dú)立源在電路中起獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)激勵(lì)”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電 流，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關(guān)系，在電路流，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關(guān)系，在電路 中不能作為中不能作為“激勵(lì)激勵(lì)”。 例例 求：電壓求：電壓u2。 。 解解 5i1 + _ u2 _ u1=6V i1 + +- 3 Ai2 3 6 1 V iu 4610 65 12 l 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器(operational amplifier) 是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早開(kāi)始應(yīng)是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早開(kāi)始應(yīng) 用于用于19401940年，年

20、，19601960年后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)年后，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，運(yùn) 算放大器逐步集成化，大大降低了成本，獲得了越來(lái)越算放大器逐步集成化，大大降低了成本，獲得了越來(lái)越 廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。 2.6 集成運(yùn)算放大器電路集成運(yùn)算放大器電路 2.6.1 2.6.1 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 l 應(yīng)用應(yīng)用主要用于模擬計(jì)算機(jī)，可模擬加、減、積分等主要用于模擬計(jì)算機(jī)，可模擬加、減、積分等 運(yùn)算，對(duì)電路進(jìn)行模擬分析。在信號(hào)處理、測(cè)運(yùn)算，對(duì)電路進(jìn)行模擬分析。在信號(hào)處理、測(cè) 量及波形產(chǎn)生方面也獲得廣泛應(yīng)用。量及波形產(chǎn)生方面也獲得廣泛應(yīng)用。 l 符號(hào)符號(hào) 8個(gè)管腳：個(gè)管腳： 2：反相輸入端：反相輸入端 3：同相

21、輸入端：同相輸入端 4、7：電源端：電源端 6：輸出端：輸出端 1、5：外接調(diào)零電位器：外接調(diào)零電位器 8：空腳：空腳 7 6 54 3 2 1 +15V 15V 單單 向向 放放 大大 + _ _ + u+ u-+ _ uo a o + _ ud _ + A + b l 電路電路符號(hào)符號(hào) a： 反向輸入端，輸入電壓反向輸入端，輸入電壓 u b：同向輸入端，輸入電壓同向輸入端，輸入電壓 u+ o： 輸出端輸出端, , 輸出電壓輸出電壓 uo 在電路符號(hào)圖中一般不畫(huà)出直流電在電路符號(hào)圖中一般不畫(huà)出直流電 源端，而只有源端，而只有a,b,o三端和接地端。三端和接地端。 其中參考方向如圖所示，每一點(diǎn)

22、均為對(duì)地的電壓其中參考方向如圖所示，每一點(diǎn)均為對(duì)地的電壓 ，在接，在接 地端未畫(huà)出時(shí)尤須注意。地端未畫(huà)出時(shí)尤須注意。 A：開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)，可達(dá)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)，可達(dá) 十幾萬(wàn)倍十幾萬(wàn)倍 : : 公共端公共端( (接地端接地端) ) 2.6.2 2.6.2 電路模型電路模型 輸入電阻輸入電阻 輸出電阻輸出電阻 當(dāng)當(dāng): u+= 0, 則則uo=Au 當(dāng)當(dāng): u = 0, 則 則uo=Au 在線(xiàn)性放大區(qū)，將運(yùn)放電路在線(xiàn)性放大區(qū)，將運(yùn)放電路 作如下的理想化處理：作如下的理想化處理： A uo為有限值，則為有限值，則ud=0, ,即即u+=u-，兩個(gè)輸，兩個(gè)輸 入端之間相當(dāng)于短路入端之間相當(dāng)于短路( (虛短路虛短路) )； Ri 2.6.3 2.6.3 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器 i+=0 , i =0。 。 即從輸入端看進(jìn)去，即從輸入端看進(jìn)去， 元件相當(dāng)于開(kāi)路元件相當(dāng)于開(kāi)路( (虛斷路虛斷路) )。 + _ A(u+- -u- -) Ro Ri u+ u- - uo 例例1 1 反相比例器反相比例器解：根據(jù)理想運(yùn)放的特性分析解：根據(jù)理想運(yùn)放的特性分析 (1) 根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”： （2）根據(jù)）根據(jù)“虛斷虛斷”： i 1 f o u R R u (1) (1) 當(dāng)當(dāng) R1 和和 Rf 確定后，為使確定后，為使 uo 不超過(guò)