第2章 常用的電路元件

1、掌握各電路元件的電壓、電流關系（掌握各電路元件的電壓、電流關系（VCRVCR）。）。l 重點重點：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. 線性定常電阻元件線性定常電阻元件l 電路符號電路符號R電阻元件電阻元件對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關系用對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關系用ui平面的一條曲線來描述：平面的一條曲線來描述：0 ),(iufiu任何時刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。任何時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 關系關系R 稱為電阻，單位：稱為電阻，單位： (歐歐) (Ohm，歐姆，歐姆)滿足

2、歐姆定律滿足歐姆定律 (Ohms Law)GuRui iuR uil 單位單位G 稱為電導，單位：稱為電導，單位： S(西門子西門子) (Siemens，西門子，西門子) u、i 取關聯(lián)取關聯(lián)參考方向參考方向Rui+-伏安特性為一條伏安特性為一條過原點的直線過原點的直線Riu (2) 如電阻上的電壓與電流參考方向非關聯(lián)如電阻上的電壓與電流參考方向非關聯(lián) 公式中應冠以負號公式中應冠以負號注注(3) 說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件歐姆定律歐姆定律(1) 只適用于線性電阻，只適用于線性電阻，( R 為常數(shù)）為常數(shù)）則歐姆定律寫為則歐姆定律寫為u R i i G

3、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！Rui+-3. 功率和能量功率和能量上述結(jié)果說明電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。上述結(jié)果說明電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。p u i (R i) i i2 R u(u/ R) u2/ Rp u i i2R u2 / R功率：功率：Rui+-Rui+-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： ttttRuipW00ddRiu+4. 電阻的開路與短路電阻的開路與短路能量：能量：l 短路短路00 ui G or R0l 開路開路00 ui 0 G or Rui電容器電容器_q+q 在外電源作用下，在

4、外電源作用下，兩極板上分別帶上等量異號電荷，撤去兩極板上分別帶上等量異號電荷，撤去電源，板上電荷仍可長久地集聚下去，電源，板上電荷仍可長久地集聚下去，是一種儲存電能的部件。是一種儲存電能的部件。1. 定義定義電容元件電容元件儲存電能的元件。其儲存電能的元件。其特性可用特性可用uq 平面平面上的一條曲線來描述上的一條曲線來描述0 ),(qufqu庫伏庫伏特性特性2.2 電容元件電容元件 (capacitor)任何時刻，電容元件極板上的電荷任何時刻，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 特性是過原點的直線特性是過原點的直線l 電路符號電路符號2. 線性定常電容元件線性定常

5、電容元件Cu+q-q tan uqCorCuq C 稱為電容器的電容稱為電容器的電容, 單位：單位：F (法法) (Farad，法拉，法拉), 常用常用 F，p F等表示。等表示。quO l 單位單位tuCtqidddd l 線性電容的電壓、電流關系線性電容的電壓、電流關系Cuiu、i 取關取關聯(lián)參考方向聯(lián)參考方向電容元件電容元件VCR的微分關系的微分關系表明：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 的大小無關，的大小無關，電容是動態(tài)元件；電容是動態(tài)元件；(2) 當當 u 為常數(shù)為常數(shù)(直流直流)時，時，i =0。電容相當于開路，電容。電容相當于開路，電容

6、 有隔斷直流作用；有隔斷直流作用；(3) 實際電路中通過電容的電流實際電路中通過電容的電流 i為有限值，則電容電壓為有限值，則電容電壓u 必定是時間的連續(xù)函數(shù)；必定是時間的連續(xù)函數(shù)； (4) 電容元件有記憶電流的作用，故稱電容為記憶元件。電容元件有記憶電流的作用，故稱電容為記憶元件。3. 電容的功率和儲能電容的功率和儲能tuCuuipdd (1)當電容充電，當電容充電， u0，d u/d t0，則，則i0，q ， p0, 電容吸收功率。電容吸收功率。(2)當電容放電，當電容放電，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

7、率。(2)當電流減小，當電流減小，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 電感能在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能電感能在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能量儲存起來，在另一段時間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電量儲存起來，在另一段時間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電感元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。感元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。u、 i 取關取關聯(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 關系式關系式電壓電壓 u 電

8、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稱為對偶元件稱為對偶元件, 、q等稱為對偶元素。等稱為對偶元素。* 顯然，顯然，R、G也是一對對偶元素也是一對對偶元素:I=U/R U=I/GU=RI I=GU222121 LLiWtiLuLiL dd結(jié)結(jié)論論222121ddqCCuWtuCiCuqC 2.4.1 獨立電壓源獨立電壓源 其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與

9、流過它的電流值與流過它的電流 i 無關的元件叫理想電壓源。無關的元件叫理想電壓源。l 電路符號電路符號1. 理想電壓源理想電壓源l 定義定義iSu+_ 2.4 獨立電源獨立電源(1) 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， 與外電路無關；與流經(jīng)它的電流方與外電路無關；與流經(jīng)它的電流方 向、大小無關。向、大小無關。(2) 通過電壓源的電流由電源及外通過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、電流關系理想電壓源的電壓、電流關系ui)(tuS伏安關系伏安關系例例Ri-+Su外外電電路路RuiS )( Ri0)( 0 Ri電壓源不能短路！電壓源不能短

10、路！l電壓源的功率電壓源的功率電場力做功電場力做功 ， 電源吸收功率。電源吸收功率。（1） 電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；物理意義：物理意義：+_iu+_Su+_iu+_SuiuPS 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，外力克服電場高電位移動，外力克服電場力作功電源發(fā)出功率。力作功電源發(fā)出功率。 iuPS 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用（2） 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；電壓、電流的參考方向關聯(lián)；物理意義：物理意義： iuPS 吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載 iuPS 或：或：發(fā)出負功發(fā)出負功例例 5R+_i+_Ru+_10V

11、5V計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。解解VuR5510 )(ARuiR155 WRiPR5152 WiuPSV1011010WiuPSV5155發(fā)出發(fā)出吸收吸收吸收吸收滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸） 實際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，若實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。usuiO 2.實際電壓源實際電壓源i+_u+_SuSR考慮內(nèi)阻考慮內(nèi)阻伏安特性伏安特性iRuuSS 一個好的電壓源要求一個好的電壓源要求0SR 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間函數(shù)，其值與它的兩端電壓的時

12、間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關的元件叫理想電流源。無關的元件叫理想電流源。l 電路符號電路符號1. 理想電流源理想電流源l 定義定義uSi+_(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，與外電路無關；與它兩端電壓方向、大小無關電路無關；與它兩端電壓方向、大小無關(2) 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、電流關系理想電流源的電壓、電流關系ui)(tiS伏安伏安關系關系 2.4.2 獨立電流源獨立電流源例例外外電電路路)( 00 Ru)( Ru電流源不能開路！電流源不能開路！Ru-+Si實際電流源的

13、產(chǎn)生實際電流源的產(chǎn)生可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負載無可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的關；光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。電流等。SRiu 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聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；SuiP 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用（2） 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；電壓、電流的參考方向關聯(lián)；吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載 uiPS 或：或：發(fā)出負功發(fā)出負功u+_SiSuiP SuiP u+_Si例例計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路

14、各元件的功率。解解Ai2Vu5 WuiPSA10252WiuPSSV10255發(fā)出發(fā)出吸收吸收滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸）+_u+_2A5V 實際電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，若實際電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，若開路，電壓很高，可能燒毀電源。開路，電壓很高，可能燒毀電源。isuiO 2.實際電實際電流流源源考慮內(nèi)阻考慮內(nèi)阻伏安特性伏安特性SSRuii 一個好的電流源要求一個好的電流源要求 SRu+_SiSRi2.5 受控源受控源 (非獨立源非獨立源)(controlled source or dependent source) 電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是電壓

15、或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓受電路中某個地方的電壓( (或電流或電流) )控制的電源，稱受控源控制的電源，稱受控源l 電路符號電路符號+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，受控源可分四種類型：四種類型：當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當被當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當被控制量是電流時，用受控電流源表示?？刂屏渴请娏鲿r，用受控

16、電流源表示。2. 分類分類四端元件四端元件 i1+_u2i2_u1i1+12ii 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)移電導轉(zhuǎn)移電導 (2) (2) 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( ( VCCS )u1gu u1 1+_u2i2_i1+12gui (3) (3) 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( ( VCVS ) ) u1+_u2i2_u1i1+-12uu : 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) ri1+_u2i2_u1i1+-(4) (4) 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( ( CCVS ) )12riu r : 轉(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)移電阻 例例bicibcii bi

17、bi ci電電路路模模型型3. 3. 受控源與獨立源的比較受控源與獨立源的比較(1) (1) 獨立源電壓獨立源電壓( (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、電流無關，而受控源電壓電流無關，而受控源電壓( (或電流或電流) )由控制量決定。由控制量決定。(2) (2) 獨立源在電路中起獨立源在電路中起“激勵激勵”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系，在電路流，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關系，在電路中不能作為中不能作為“激勵激勵”。例例求：電壓求：電壓u2。解解5i1+_u2_u

18、1=6Vi1+-3 Ai2361 Viu46106512 l 運算放大器運算放大器(operational amplifier)是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早開始應是一種有著十分廣泛用途的電子器件。最早開始應用于用于19401940年，年，19601960年后，隨著集成電路技術的發(fā)展，運年后，隨著集成電路技術的發(fā)展，運算放大器逐步集成化，大大降低了成本，獲得了越來越算放大器逐步集成化，大大降低了成本，獲得了越來越廣泛的應用。廣泛的應用。2.6 集成運算放大器電路集成運算放大器電路2.6.1 2.6.1 簡介簡介l 應用應用主要用于模擬計算機，可模擬加、減、積分等主要用于模擬計算機，可模

19、擬加、減、積分等運算，對電路進行模擬分析。在信號處理、測運算，對電路進行模擬分析。在信號處理、測量及波形產(chǎn)生方面也獲得廣泛應用。量及波形產(chǎn)生方面也獲得廣泛應用。l 符號符號8個管腳：個管腳：2：反相輸入端：反相輸入端3：同相輸入端：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7654321+15V15V單單向向放放大大+_+u+u-+_uoao+_ud_+A+bl 電路電路符號符號a： 反向輸入端，輸入電壓反向輸入端，輸入電壓 ub：同向同向輸入端，輸入電壓輸入端，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

20、圖中一般不畫出直流電在電路符號圖中一般不畫出直流電源端，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，每一點均為對地的電壓其中參考方向如圖所示，每一點均為對地的電壓 ，在接，在接地端未畫出時尤須注意。地端未畫出時尤須注意。A：開環(huán)電壓放大倍數(shù)，可達開環(huán)電壓放大倍數(shù)，可達十幾萬倍十幾萬倍: : 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當: u+= 0, 則則uo=Au當當: u= 0, 則則uo=Au 在線性放大區(qū)，將運放電路在線性放大區(qū)，將運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-，兩個輸，兩個輸入端之間相當于短路入端之間相當于短路( (虛短路虛短路) )； Ri 2.6.3 2.6.3 理想運算放大器理想運算放大器i+=0 , i=0。 即從輸入端看進去，即從輸入端看進去，元件相當于開路元件相當于開路( (虛斷路虛斷路) )。+_A(u+- -u- -)RoRiu+u- -uo例例1 1 反相比例器反相比例器解：根據(jù)理想運放的特性分析解：根據(jù)理想運放的特性分析(1