作者：张金
出版社：电子工业出版社
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电子设计工程师之路试读：
内容简介
本书系统阐述了电子设计工程师认证考试大纲要求的基础理论和分析方法。全书共13章，其中第1～4章详细介绍了电路的基本理论、基本电路元件、电路基本定律、正弦交流电路、三相电路和暂态电路的分析方法；第5～7章从半导体器件入手详细讨论了放大电路的概念、组成和工作原理，集成运算放大器及应用，稳压电源的组成和工作原理；第8～12章讲述了数字电子技术涉及的逻辑函数及其化简、逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路.555定时器等的相关概念、分析和设计方法；第13章集中讨论了信号与系统分析的有关理论和方法。
本书体系完整、内容全面、实例丰富，叙述浅显易懂，既可作为电子设计工程师的培训和参考用书，也可供从事电子系统设计、开发的工程人员参考或作为自学用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据电子设计工程师之路/张金等编著.—北京：电子工业出版社，2014.1（卓越工程师培养计划·电子信息）ISB 978-7-121-22087-6Ⅰ.①电… Ⅱ.①张… Ⅲ.①电子电路-电路设计-高等学校-教材 Ⅳ.①TN702中国版本图书馆CIP数据核字（2013）第292723号策划编辑：王敬栋(wangjd.phei.com.cn）责任编辑：谭丽莎印 刷：北京京师印务有限公司装 订：北京京师印务有限公司出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036开 本：787×1092 1/16 印张：26 字数：666千字印 次：2014年1月第1次印刷印 数：3000册 定价：59.80元
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本书既是教育部“卓越工程师培养计划”中电子信息类课程群中的重要一环，也是作者多年来从事电子技术系列课程教学内容与体系改革，以及传感探测学科领域科学研究的经验总结。
本书在内容选取上遵循电子设计工程师认证考试的指导思想，以培养认证学员的实际动手能力为落脚点，努力缩小院校教学与市场需求的差距。
全书由陆军军官学院张金教授统稿，共分13章：第1章介绍电路的基本概念、元件、定律和分析方法；第2章介绍正弦交流电路的分析方法；第3章介绍三相电路的分析方法和安全用电的有关知识；第4章介绍电路的暂态过程及三要素法；第5章介绍常用半导体器件及放大电路的基本知识；第6章介绍集成运算放大器及应用；第7章介绍直流稳压电源的组成、原理及三端稳压电源；第8章介绍数字电路的基本分析工具，逻辑函数的化简方法；第9章介绍TTL逻辑门电路及组合逻辑电路的分析、设计方法和常用组合逻辑器件；第10章介绍双稳态触发器及时序逻辑电路的分析、设计方法和常用时序逻辑器件；第11章介绍555集成器件及由此构成的多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器；第12章介绍CMOS数字集成电路及半导体存储器的相关内容；第13章介绍信号与系统的相关概念，连续线性时不变系统、离散线性时不变系统的分析。
参加本书编写的还有陆军军官学院的左修伟讲师、黄国锐讲师、周生讲师。
在本书的编写过程中，参考了许多专家同行们的著作，无法一一列出，在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，书中纰漏、不妥之处在所难免，恳切希望读者批评指正。编著者2013年4月于合肥第1章 电路的基本概念和基本分析方法1.1 电路和电路模型1.1.1 电路
电路是由各种元器件为实现某种应用目的、按一定方式连接而成的整体，其特征是提供了电流流动的通道。复杂的电路也可称为网络。
根据电路的作用，电路可分为两类：一类用于实现电能的传输和转换；另一类用于进行电信号的传递和处图1.1.1 手电筒电路理。
根据电源提供的电流不同，电路还可以分为直流电路和交流电路两种。
综上所述，电路主要由电源、负载和传输环节三部分组成，如图1.1.1所示的手电筒电路即一个简单的电路。电源是提供电能或信号的设备，负载是消耗电能或输出信号的设备，电源与负载之间通过传输环节相连接。为了保证电路按不同的需要完成工作，在电路中还需要加入适当的控制元件，如开关、主令控制器等。1.1.2 电路模型
在某一种实际元件中，在一定条件下，常忽略其他现象，只考虑起主要作用的电磁现象，也就是用理想元件来替代实际元件的模型，这种模型称为电路元件，又称为理想电路元件。用一个或几个理想电路元件构成的模型去模拟一个实际电路，模型中出现的电磁现象与实际电路中的电磁现象十分接近，这个由理想电路元件组成的电路称图1.1.2 手电筒电路的电路模型为电路模型。
如图1.1.2所示为手电筒电路的电路模型。
本书研究的电路都是“电路模型”，简称“电路”。1.2 电路的基本物理量
电路中的物理量主要包括电流、电压、电位、电动势及功率。1.2.1 电流及其参考方向
带电质点的定向移动形成电流。
电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流的实际方向习惯上是指正电荷移动的方向。
电流分为两类：一类的大小和方向均不随时间变化，称为恒定电流，简称直流，用I表示；另一类的大小和方向均随时间变化，称为交变电流，简称交流，用i表示。
对于直流，单位时间内通过导体横截面的电荷量是恒定不变的，其大小为
对于交流，若在一个无限小的时间间隔dt内，通过导体横截面的电荷量为dq，则该瞬间的电流为
在国际单位制（SI）中，电流的单位是安培（A）。
在复杂电路中，电流的实际方向有时难以确定。为了便于分析计算，引入了电流参考方向的概念。
所谓电流的参考方向，就是在分析计算电路时，先任意选定某一方向作为待求电流的方向，并根据此方向进行分析计算，若计算结果为正，说明电流的参考方向与实际方向相同；若计算结果为负，说明电流的参考方向与实际方向相反。图1.2.1表示出了电流的参考方向（图中实线所示）与实际方向（图中虚线所示）之间的关系。图1.2.1 电流的参考方向与实际方向之间的关系
例1.2.1 如图1.2.2所示，电流的参考方向已标出，并已知I=-1A，1I=1A，试指出电流的实际方向。2
解:I=-1A＜0，说明I的实际方向与参考方向相反，应由B流向11A。
I=1A＞0，说明I的实际方向与参考方向相同，即由B流向A。22图1.2.2 例1.2.1的图1.2.2 电压及其参考方向
在电路中，电场力把单位正电荷（q）从a点移到b点所做的功（W）称为a.b两点间的电压，也称电位差，记为对于直流，则为
电压的单位为伏特（V）。
电压的实际方向规定为从高电位指向低电位，既可用箭头表示，也可用"+""-"极性表示，如图1.2.3所示。若用双下标表示，如Uab表示a指向b，显然Uab..Uba。值得注意的是，电压总是针对两点而言的。图1.2.3 电压实际方向的设定
和电流的参考方向一样，也需要设定电压的参考方向。电压的参考方向也是任意选定的，当参考方向与实际方向相同时，电压值为正；反之，电压值为负。
例1.2.2 如图1.2.4所示，电压的参考方向已标出，并已知U=1V，1U，-1V，试指出电压的实际方向。2
解：U=1V＞0，说明U1的实际方向与参考方向相同，即由A指1向B。
U=-1V＜0，说明U2的实际方向与参考方向相反，应由A指2向B。图1.2.4 例1.2.2的图1.2.3 电位
在电路中任选一点作为参考点，则电路中某一点与参考点之间的电压称为该点的电位。电位用符号V或v表示。例如.A点的电位记为V或v。显然.V=V,vA=。电位的单位是伏特（V）。AAAAOAO
电路中的参考点可任意选定。当电路中有接地点时，则以地为参考点。若没有接地点时，则选择较多导线的汇集点为参考点。在电子线路中，通常以设备外壳为参考点。参考点用符号“⊥”表示。
有了电位的概念后，电压也可用电位来表示，即
因此，电压也称为电位差。
还需要指出，电路中任意两点间的电压与参考点的选择无关，即对于不同的参考点，虽然各点的电位不同，但任意两点间的电压始终不变。图1.2.5 例1.2.3的图
例1.2.3 在图1.2.5所示的电路中，已知各元件的电压为U=10V,U=5V,U=8V,U.-23V。若分别选B点与C点为参考点，试求1234电路中各点的电位。
解:选B点为参考点，则有1.2.4 电动势
电源力把单位正电荷由低电位点B经电源内部移到高电位点A克服电场力所做的功，称为电源的电动势。电动势用E或e表示，即
电动势的单位也是伏特（V）。
电动势与电压的实际方向不同，电动势的方向是从低电位指向高电位的，即由"-"极指向"+"极，而电压的方向则从高电位指向低电位，即由"+"极指向"-"极。此外，电动势只存在于电源的内部。1.2.5 功率
单位时间内电场力或电源力所做的功称为功率，用P或p表示，即
若已知元件的电压和电流，则功率的表达式为
功率的单位是瓦特（W）。
当电流、电压为关联参考方向时，式（1-2-8）表示元件消耗能量。若计算结果为正，说明电路确实消耗功率，为耗能元件；若计算结果为负，说明电路实际产生功率，为供能元件。
当电流、电压为非关联参考方向时，则式（1-2-8）表示元件产生能量。若计算结果为正，说明电路确实产生功率，为供能元件；若计算结果为负，说明电路实际消耗功率，为耗能元件。
例1.2.4 （1）在图1.2.6中，若电流均为2A，U=1V，U=-1V，12求该两元件消耗或产生的功率;（2）在图1.2.6（b）中，若元件产生的功率为4W，求电流I。图1.2.6 例1.2.4的图
解:（1）对于图1.2.6（a），电流、电压为关联参考方向，元件消耗的功率为表明元件消耗功率，为负载。
对于图1.2.6（b），电流、电压为非关联参考方向，元件产生的功率为表明元件消耗功率，为负载。（2）因为在图1.2.6（b）中电流、电压为非关联参考方向，且产生功率，故有负号表示电流的实际方向与参考方向相反。1.3 电路的工作状态
电路在不同的工作条件下，会处于不同的状态，并具有不同的特点。电路的工作状态有三种：开路状态、短路状态和负载状态。1.3.1 开路状态（空载状态）
在图1.3.1所示电路中，当开关K断开时，电源处于开路状态。开路时，电路中的电流为零，电源不输出能量，电源两端的电压称为开路电压，用U表示，其值等于电源电动势E，即OC1.3.2 短路状态
在图1.3.2所示电路中，当电源两端由于某种原因短接在一起时，电源被短路。短路电流很大，此时电源所产生的电能全被内阻R所消耗。0图1.3.1 开路状态图1.3.2 短路状态
短路通常是严重的事故，应尽量避免发生。为了防止短路事故，通常在电路中接入熔断器或断路器，以便在发生短路时能迅速切断故障电路。1.3.3 负载状态
电源与一定大小的负载接通，称为负载状态，也称为通路状态。这时电路中流过的电流称为负载电流，如图1.3.3所示。负载的大小是用消耗功率的大小来衡量的。当电压一定时，负载的电流越大，消耗的功率越大，则负载也越大。为使电气设备正常运行，在电气设备上都标有额定值，额定值是生产厂为了图1.3.3 负载状态使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常允许值。一般常用的额定值有额定电压、额定电流、额定功率，用U、I、P表示。NNN
需要指出，电气设备实际消耗的功率不一定等于额定功率。当实际消耗的功率P等于额定功率P时，称为满载运行；若P＜P，称为NN轻载运行；当P＞P时，称为过载运行。电气设备应尽量在接近额定N的状态下运行。1.4 电阻元件、电感元件和电容元件1.4.1 电阻元件
1.电阻与电导的概念
流过线性电阻的电流与其两端的电压成正比，即
在国际单位制（SI）中.R称为电阻，其单位为欧姆（Ω）。
导体的电阻不仅和导体的材质有关，而且还和导体的尺寸有关。实验证明，同一材料导体的电阻和导体的截面积成反比，而和导体的长度成正比。
为了方便计算，我们常常将电阻的倒数用电导G来表示，即
在国际单位制（SI）中，电导G的单位为西门子（S）。
2.电阻的伏安特性
对于线性电阻元件，其电路模型如图1.4.1所示。其特性方程为
可以把电阻两端的电压与电流的关系标在坐标平面上，用一条曲线（直线）表示其关系，这条曲线（直线）就称为电阻的伏安特性曲线。
根据上述公式可知，线性电阻的伏安特性曲线是一条过原点的直线。一般的电阻元件均为线性电阻元件。
非线性电阻的伏安特性曲线如图1.4.2所示，可以看出它是一条曲线。二极管就是一个典型的非线性电阻元件。图1.4.1 线性电阻元件的电路模型图1.4.2 非线性电阻的伏安特性曲线
由线性元件组成的电路称为线性电路，由非线性元件组成的电路称为非线性电路。
3.电能
电阻元件在通电过程中要消耗电能，是一个耗能元件。电阻所吸收的功率为
在t到t的时间内，电阻元件吸收的能量为W，全部转化为热12能：
在直流电路中，有
在国际单位制（SI）中，电能的单位是焦[耳]（J）或千瓦·小时（kW·h），简称为度。
1千瓦时是指功率为1kW的电源（负载）在1h内所输出（消耗）的电能。
例1.4.1 在220V的电源上接一个电加热器，已知通过电加热器的电流是3.5A，问4小时内，该电加热器用了多少度电？
解:电加热器的功率是P=UI=220V×3.5A=770W=0.77kW
4小时中电加热器消耗的电能是W=PT=0.77kW×4h=3.08kW·h即该电加热器用了3.08度电。1.4.2 电感元件
电感元件作为储能元件能够储存磁场能量，其电路模型如图1.4.3所示。
从模型图中可以看出，电感是由一个线圈组成的。通常将导线绕在一个铁芯上制作成一个电感线圈，如图1.4.4所示。图1.4.3 电感的电路模型
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