作者：徐淑华
出版社：电子工业出版社
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电路与模拟电子技术试读：
前言
“电路与模拟电子技术”课程是高等学院计算机类专业的一门重要的专业基础课程。通过该课程的学习，使学生获得电路基础、电子技术基础必要的基本理论、基本知识和基本技能，以便掌握计算机相关硬件知识，从事计算机接口电路的分析与设计。根据计算机类专业的特点，我国大部分高校都将数字电子技术单独设课，而将“电路与模拟电子技术”合并设立一门课程。本书针对计算机类专业与电气电子类专业对电路基础和电子技术的不同要求，既要比较熟练地掌握电工电子技术的方法和应用，又不要求作深入的研究，但也不同于一般非电类专业只要求了解电工电子技术的概念，而是对分析与设计都有一定的要求。本书整体结构采用模块式，共划分为三个模块：电路基础理论、模拟电子技术基础和EDA技术。各模块间既相互独立，又相互联系。教师可以根据课程学时的不同而选择不同的模块，也可重组模块。
在各模块内容的选择上，突出重点，分别对待。第一模块的编写注重基础性。作为本课程和其他后续课程的基础，对电路的基本理论、基本概念及基本分析方法讲清讲透，让学生深入理解，牢固掌握，灵活应用，一通百通。叙述和分析思路清楚，符合学生认知规律，科学系统性和逻辑性强，尽量减少过于复杂的分析与计算。第二模块的编写注重实践性和应用性。首先介绍常用半导体器件。然后将所有的分立元件放大电路放在一章中，重点讲清各单元电路的结构、原理、分析方法、设计要求及思路，为模拟电子技术的基本应用夯实基础。该模块的重点放在集成电路的应用中，包括集成放大电路、放大电路中的反馈、信号的运算与处理、信号产生电路和直流稳压电源5章，详细阐述了模拟电路的应用。第三模块的编写力求反映电工电子学科的新成就和新进展，反映学科前沿，具有时代特征，加强了EDA技术的内容。除介绍Multisim（EWB）电子工作平台的应用之外，还增加了可编程模拟器件的内容。全书的编写追求内容的系统性，加强实践性和应用性，注意各部分知识的综合，每一模块都安排一些综合应用的实例。例题和习题尽量贴近实际应用，拓展知识面，增加信息量。
与教材配套的电子教案凝聚了编者多年的授课经验和辛勤结晶，便于教师在课堂上使用和学生自学，请登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）免费下载。
本书以培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生素质为目标，力求简明、概念清晰、条理清楚、讲解到位、插图规范，使之易教易学。各章开始有学习目标，结束有本章要点与其呼应，每节均配有适量的思考题与习题，供学生课后复习巩固。
参加本教材编写的人员有徐淑华、马艳、刘丹、王东昱、陈大庆和刘华波，由徐淑华负责统稿。在编写过程中，编者在总结多年教学经验的基础上，学习参考了国内外同类和相关教材及著作，在此向所有作者们表示深深的感谢。
由于水平所限，错误和不当之处在所难免，恳请各位读者批评指正。编者2009.10第1章电路的基本概念与基本定律引言
电路理论主要研究电路中发生的电磁现象，用电流、电压和功率等物理量来描述其中的过程。本章首先介绍电路及其相关的基本概念，电压、电流参考方向的应用，电源的工作状态，以及在电路中经常使用的各种理想电路元件。
因为电路是由电路元件构成的，所以整个电路所体现的特性既要看元件的连接方式，又要看每个元件的特性，这就决定了电路中各支路电流、电压都要受到以下约束：① 电路元件性质的约束，也称为电路元件的伏安关系，如欧姆定律，它仅与元件性质有关，而与元件在电路中的连接方式无关。② 电路连接方式的约束，这种约束与电路元件的性质无关，基尔霍夫定律是概括这种约束关系的基本定律。学习目标
● 理解电压、电流及电动势参考方向的概念。
● 理解电位的概念，掌握电位的计算方法。
● 能够正确判断电路元件的电路性质，即电源和负载。
● 掌握理想电路元件的伏安特性及其工作状态。
● 掌握基尔霍夫定律。1.1 电路和电路模型1.1.1 电路的组成及作用
电路是指为了某种需要由若干电气器件按一定方式连接起来的电流的通路。无论简单电路还是复杂电路，都可分为三大部分：① 提供电能（或信号）的部分称为电源（或信号源），如蓄电池、发电机和信号源等；② 吸收或转换电能的部分称为负载，如电动机、照明灯和电炉等；③ 连接和控制前面两部分的环节称为中间环节。最简单的中间环节可以是两根连接导线，而复杂的中间环节可能是一个庞大的控制系统。
电路的作用之一是传输和转换电能。典型的例子是电力系统，其电路示意图如图1.1所示。图1.1 电力系统示意图
发电机是电源，是供应电能的设备，它将热能或原子能等转换成电能。变压器和输电线是中间环节，连接电源和负载，起传输和分配电能的作用。用户负载包括各种取用电能的设备，它们分别把电能转换成光能、机械能、热能等。显然，该电路的作用是实现能量的传输和转换。图1.2 扩音机示意图
电路的另一作用是进行信号的传递和处理。扩音机示意图，如图1.2所示。话筒将声音信号转换为电信号，经过放大电路放大，送到扬声器再转换为声音信号输出。其中，话筒是产生信号的设备，称为信号源；扬声器是接收和转换信号的设备，是负载。由于话筒输出的电信号很微弱，不足以推动扬声器发音，因此，需要采用放大电路对信号进行放大和处理。
无论电能的传输和转换，还是信号的传递和处理，电源或信号源的电压或电流都称为激励，激励在电路的各部分产生的电压和电流都称为响应。所谓电路分析，就是在已知电路的结构和元件的参数的条件下，讨论电路中激励和响应的关系。
当电路中电流的大小和方向不随时间发生变化时，称电路为直流电路；当电路中电流的大小和方向随时间按正弦规律变化时，称电路为正弦交流电路。依照国家标准，直流量用大写字母表示，例如，电压、电流、电动势分别表示为：U，I，E；交流量用小写字母表示，例如，电压、电流、电动势分别表示为：u，i，e。1.1.2 电路模型
实际电路都是由许多电路元件或器件构成的，它们的电磁性质较为复杂。例如，白炽灯除了具有消耗电能的性质（电阻性）外，当电流流过时也会产生磁场，即它也具有电感性。但由于它的电感微小，可以忽略不计，因此可将白炽灯看做一个纯电阻元件。这个为了便于对实际电路进行分析研究，在一定条件下突出实际器件的主要电磁性质，忽略其次要因素的过程，称为元件建模。
元件建模就是用理想元件或它们的组合来模拟实际器件，建模时必须考虑工作条件，并按照不同精确度的要求把给定工作情况下的主要物理现象及功能反映出来。例如，对一个线圈建模，在直流电路中，可以是一个电阻元件；在低频电路中，可以用电阻元件和电感元件的串联电路模拟；在高频电路中，还应考虑导体表面的电荷作用，即电容效应。可见，在不同的条件下，同一实际器件可能采用不同的模型。
在实际电路中，对实际元件建模，用理想元件或其组合来近似代替，将得到实际电路的电路模型。例如，一个日光灯电路，其灯管可以用一个电阻R来表示，而镇流器接入电路时将发生电能转换为磁场能量和电能转换为热能两种情况，所以，可用一个电阻元件和电感元件的串联来表示，得出如图1.3所示的电路模型。图1.3 日光灯的电路模型1.2 电路的基本物理量1.2.1 电流、电压及其参考方向
电流、电压和电动势是电路中的基本物理量，在电路分析中，只有在电路图中标出它们的方向，才能正确地列写方程。电路中关于方向的规定有实际方向和参考方向之分。
物理学中规定，电流的实际方向是正电荷运动的方向；两点间电压的实际方向是从高电位端指向低电位端的方向；电动势的方向是低电位端指向高电位端的方向，如图1.4所示。图1.4 电路中电流、电压和电动势的方向
但在复杂电路的分析中，某一段电路的电压、电流、电动势的实际方向往往很难事先判断出来，有时它们的方向还在不断地改变。为了分析电路，需要引入参考方向（假定正方向）。
参考方向是任意假定的。电压、电流、电动势的正方向，可用箭头、+/-号或给电流、电压、电动势加双下标的方法来表示。参考方向的表示方法如图1.5所示。图1.5 参考方向的表示方法
当参考方向设定以后，可以根据参考方向的假设列写电路的方程，求解电路中未知的电流、电压或电动势。若所得结果为正，则说明该物理量的实际方向与参考方向相同；若所得结果为负，则说明该物理量的实际方向与参考方向相反。注意：如果事先没有标出参考方向，那么，所得结果的正、负将无任何意义。因此，只有在参考方向选定之后，电压、电流、电动势的正、负才有意义。所以，在分析电路之前，一定要先确定参考方向。
若取一个元件或一段电路上的电压、电流的参考方向一致，则称为关联参考方向，参见图1.5中电阻元件上的U和I。当选取关联参考R方向时，只需标出一个物理量的参考方向即可。若两者不一致，则称为非关联参考方向。
在分析计算电路时，一般都采用关联参考方向。除特别说明外，本书中电路图上所标的电流、电压和电动势的方向都是关联参考方向。1.2.2 电位
电位是电路分析中的重要概念。在电子技术中，常应用电位的概念来分析问题。例如，电路中的二极管器件，只有当它的阳极电位高于阴极电位时才能导通。应用电位的概念，还可以简化电路图的画法。
电路中各点的电位是相对于零电位参考点而言的，电路中某点电位的大小是该点到零电位参考点之间的电压。在物理学中，常规定大地为零电位参考点，而在电路分析中，则常常根据需要确定参考点。例如，在电子电路中，通常以与机壳连接的公共导线为参考点，参考点通常用符号“⊥”来表示。
只有参考点选定后，才能确定各点的电位。参考点不同，各点的电位也不同。
在如图1.6所示电路中，若选a点为参考点，则各点电位如下：
若选b点为参考点，则各点电位如下：图1.6 电位的计算
由此可见，各点电位的高低是相对的，而两点间的电压值却是绝对的。无论取哪一点作参考点，其任意两点间的电压是不变的，即
在电子电路中，电源的一端通常都是接“地”的，为了作图简便和图面清晰，习惯上常不画电源而在电源的非接地端标注其电位的数值，这就是用电位表示的电路。如图1.7（a）所示的电路，用电位表示的电路与如图1.7（b）所示电路是一样的。图1.7 用电位表示的电路1.2.3 能量与功率
电路在工作状态下总伴随着电能与其他形式能量的相互转换，根据能量守恒定律，电源提供的电能等于负载消耗或吸收的电能的总和。
从t到t的时间内，元件吸收的电能可以用电场力移动电荷所做的0功来表示
因为，所以在关联参考方向下，有
功率是能量对时间的导数，由式（1.1）可知，元件吸收的电功率可写成
取电压、电流为关联参考方向，当p>0时（此时电压、电流的实际方向相同），元件要吸收功率，具有负载的电路性质；而当p<0时（此时电压、电流的实际方向相反），元件释放电能，即发出功率，具有电源的电路性质。
在SI制中，能量W的单位为J（焦耳），功率P的单位为W（瓦特）。如果时间用h（［小］时），功率用kW（千瓦）为单位，则电能的单位为kW·h（千瓦·时），也叫做“度”，这是供电部门度量用电量的常用单位。【例1.1】如图1.8（a）所示电路中，方框代表电源或负载，电流和电压的参考方向如图所示。通过测量得知：U=20 V，U=20 V，12U=-100 V，U=120 V，I=-10 A，I=20 A，I=-10 A。要求：34123
① 标出各电流、电压的实际方向和极性。图1.8 例1.1的图
② 判断哪几个方框是电源，哪几个方框是负载。解：① 电流、电压的参考方向与实际方向一致时，其值为正；相反时，其值为负。因此得各电流、电压的实际方向如图1.8（b）所示。
② 元件上的电压、电流实际方向一致时，该元件为负载；电压、电流实际方向相反时，为电源。因此可得：方框1，4为电源；方框2，3为负载。1.3 电阻元件
电路元件是电路的基本组成单元，每一种元件都反映了某种确定的电磁性质。电路元件通过其端子与外电路相连接，元件的性质通常用端口处的伏安关系描述。
电路元件按照端子数目不同，可分为二端、三端、四端元件等，还可以分为有源元件和无源元件，线性元件和非线性元件。
某些实际器件，如白炽灯、电炉等，在工作时要消耗电能，并将电能不可逆地转换为光能和热能等。消耗电能的物理过程可以用电阻元件来表示。
电阻元件可以分为线性电阻和非线性电阻。线性电阻的阻值R是一个常数，其电路符号如图1.9所示。在线性电阻中，任一瞬间，其两端的电压与通过它的电流关系总是满足欧姆定律，即
根据欧姆定律，可以得出线性电阻元件的伏安特性是一条直线，如图1.10所示。图1.9 线性电阻的电路符号图1.10 线性电阻元件的伏安特性
非线性电阻的电阻值不是常数，而与通过它的电流或作用在其两端的电压大小有关。其电路符号如图1.11所示。非线性电阻不满足欧姆定律，例如，半导体二极管就是一种具有非线性电阻特性的器件，其u、i关系满足方程：，其伏安特性如图1.12所示，不是一条过原点的直线。图1.11 非线性电阻的电路符号图1.12 非线性电阻的特性曲线
电阻元件是一种耗能元件，其能量转换过程是不可逆的。电阻吸收的功率为：p=ui，对线性电阻而言，有
电阻元件上的功率总为正值，从t到t的时间内，电阻消耗的能量0为
电阻的单位是Ω（欧姆）。对于大电阻，常用kΩ（千欧）或MΩ（兆欧）作单位。1.4 独立电源1.4.1 理想电压源
理想电压源两端的电压总是保持为某个给定的时间函数，与通过它的电流无关。通过理想电压源电流的大小取决于外接电路。若理想电压源的电压大小恒等于常数，则可称为恒压源。理想电压源的电路符号如图1.13（a）所示。恒压源也可以用如图1.13（b）所示的符号来表示。
理想电压源的伏安特性如图1.14所示，即图1.13 理想电压源的电路符号图1.14 理想电压源的伏安特性
因为理想电压源的电压与外电路无关，所以，与理想电压源并联的电路（或元件），其两端电压等于理想电压源的电压。1.4.2 理想电流源
理想电流源的电流保持为某个给定的时间函数，与其两端的电压无关。理想电流源两端电压的大小取决于外接电路。若理想电流源的电流大小恒等于常数，则可称为恒流源。理想电流源的电路符号如图1.15所示。
理想电流源的伏安特性如图1.16所示，即图1.15 理想电流源的电路模型
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]