电路和电路元件第.ppt

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1、1.1 1.1 电路和电路的基本物理量电路和电路的基本物理量1.2 1.2 电阻、电感和电容元件电阻、电感和电容元件1.3 1.3 独立电源元件独立电源元件 1.4 1.4 二极管二极管 1.5 1.5 双极晶体管双极晶体管 1.6 1.6 绝缘栅场效晶体管绝缘栅场效晶体管 第第1 1章章 电路和电路元件电路和电路元件1.1.1 1.1.1 电路电路1.1.2 1.1.2 电路元件和电路模型电路元件和电路模型1.1.3 1.1.3 电流、电压及其参考方向电流、电压及其参考方向1.1.4 1.1.4 电路功率电路功率1.1 1.1 电路和电路的基本物理量电路和电路的基本物理量电电 路路由电源、开

2、关、连接导线和负载等组成。由电源、开关、连接导线和负载等组成。强电电路强电电路电压较高、电流和功率较大；实现电电压较高、电流和功率较大；实现电 能的传输和转换。（如电力系统等）能的传输和转换。（如电力系统等）弱电电路弱电电路电压较低、电流和功率较小；实现信电压较低、电流和功率较小；实现信 号的传递和处理。（如扩音系统等）号的传递和处理。（如扩音系统等）发电机发电机升压变压器升压变压器降压变压器降压变压器负载负载（如电灯、（如电灯、电动机等电动机等）话筒话筒放大器放大器扬声器扬声器1.1.1 1.1.1 电路电路1.1.2 1.1.2 电路元件和电路模型电路元件和电路模型o实际电路元件实际电路元

3、件o理想理想电路元件电路元件o实际电路实际电路o电路模型电路模型1.1.3 1.1.3 电流、电压及其参考方向电流、电压及其参考方向1.1.电流及其参考方向电流及其参考方向电流电流电荷量对时间的变化率电荷量对时间的变化率直流电流直流电流电流的大小和方向不随时间变化电流的大小和方向不随时间变化电流的实际方向电流的实际方向正电荷移动的方向正电荷移动的方向电流的参考方向电流的参考方向假定方向，也称正方向假定方向，也称正方向交流电流交流电流电流的大小和方向随时间变化电流的大小和方向随时间变化为什么要设电流参考方向？为什么要设电流参考方向？简单电路简单电路 R2 USI2 U6IS R1 I1 R4 I

4、4 R3 I3 I5 电流的实际方向可知电流的实际方向可知各电流的实际方向未知各电流的实际方向未知复杂电路复杂电路2.2.电压及其参考方向电压及其参考方向电压电压 单位正电荷从一点移至另一点作的功单位正电荷从一点移至另一点作的功电压的实际方向电压的实际方向 高电位指向低电位，电位降低高电位指向低电位，电位降低 的方向的方向 直流电压直流电压 电压的大小和极性不随时间变化电压的大小和极性不随时间变化交流电压交流电压 电压的大小和极性随时间变化电压的大小和极性随时间变化电压的参考方向电压的参考方向 假定方向假定方向电位、电动势电位、电动势1.1.4 1.1.4 电路功率电路功率根据电压电流的参考方

5、向，电路功率根据电压电流的参考方向，电路功率iNu NN消耗功率（吸收功率）消耗功率（吸收功率）N N输出功率（释放功率）输出功率（释放功率）电流、电压、功率的符号和单位电流、电压、功率的符号和单位 电电 量量 名名 称称 符符 号号 基基 本本 单单 位位 常用工程单位常用工程单位 电电 流流I I（直流）（直流）i i（交流）（交流）A AkAkA、mA mA、uAuA、nAnA 电电 压压U U（直流）（直流）u u（交流）（交流）V VkVkV、mV mV、uVuV 功功 率率P P（平均功率）（平均功率）W WkWkW、mWmW1.2.1 1.2.1 电阻元件电阻元件 1.2 1.2

6、 电阻、电感和电容元件电阻、电感和电容元件1.2.2 1.2.2 电感元件电感元件 1.2.3 1.2.3 电容元件电容元件1.2.4 1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型实际元件的主要参数及电路模型电压电流关系电压电流关系 电阻功率电阻功率 电阻耗能电阻耗能 伏安特性伏安特性电压与电流的关系电压与电流的关系耗能元件耗能元件IUOIUO线线 性性电电 阻阻 非线性非线性电电 阻阻 （电阻（电阻R R单位：单位：）电阻元件电阻元件 部分电阻器的照片部分电阻器的照片膜电阻器膜电阻器线绕电阻器线绕电阻器电位器电位器热敏电阻器热敏电阻器水泥电阻器水泥电阻器1.2.2 1.2.2 电感元件电感元件线

7、性电感线性电感 电压电流关系电压电流关系 电感在直流电路中，电感在直流电路中，相当于短路相当于短路电感是一种储能元件，储存的磁场能量电感是一种储能元件，储存的磁场能量 电感电感L L的单位：亨利的单位：亨利()()、毫亨、毫亨()()、微亨、微亨()()部分电感器的照片部分电感器的照片不同类电感器不同类电感器陶瓷电感器陶瓷电感器标准电感器标准电感器1.2.3 1.2.3 电容元件电容元件线性电容线性电容 电压电流关系电压电流关系 电容在直流电路中，电容在直流电路中，相当于开路相当于开路 电容是一种储能元件，储存的电场能量电容是一种储能元件，储存的电场能量 电容电容C C的单位：法拉的单位：法拉

8、 、微法拉、微法拉 、微微法拉微微法拉 部分电容器的照片部分电容器的照片 电解电容器电解电容器 普通电容器普通电容器 电力电容器电力电容器单相电动机单相电动机 电容器电容器 1.2.4 1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型实际元件的主要参数及电路模型主要参数（额定参数）主要参数（额定参数）：电阻器：标称电阻值、额定功率电阻器：标称电阻值、额定功率电感器：标称电感值、额定电流电感器：标称电感值、额定电流电容器：标称电容值、额定电压电容器：标称电容值、额定电压电路模型电路模型:理想电路模型理想电路模型:电阻器电阻器R R、电感器、电感器L L、电容器、电容器C C实际电路模型实际电路模型:理想

9、元件理想元件模型模型的不同组合的不同组合1.3 1.3 独立电源元件独立电源元件1.3.2 1.3.2 实际电源的模型实际电源的模型1.3.1 1.3.1 电压源和电流源电压源和电流源1.3.1 1.3.1 电压源和电流源电压源和电流源电压源（理想电压源）：电压源（理想电压源）：I I 端电压（输出电压）端电压（输出电压）端电流（输出电流）端电流（输出电流）U O I US输出电压输出电压 等于源电压等于源电压 ，与，与 输出电流和外电路的情况无关。输出电流和外电路的情况无关。USUSU 源电压源电压 UI I电流源（理想电流源）：电流源（理想电流源）：I I 源电流源电流IS 端电压端电压

10、U 端电流端电流I IU O I IS输出电流输出电流 等于源电流等于源电流 ，与，与输出电压和外电路的情况无关。输出电压和外电路的情况无关。I IIS1.3.2 1.3.2 实际电源的模型实际电源的模型1.1.实际电压源实际电压源 端电压随端电流的增加而减小端电压随端电流的增加而减小 ，开路状态，开路状态，开路电压开路电压 ，短路状态，短路状态，短路电流短路电流 实际电压源在工作时要避免短路！实际电压源在工作时要避免短路！U O I US部分电压源照片部分电压源照片2.2.实际电流源实际电流源U O I IS端电流随端电压的增加而减小端电流随端电压的增加而减小。等效等效-对外电路等效对外电路

11、等效3.3.两种实际电源模型的等效互换两种实际电源模型的等效互换互换互换-实际电压源可变换为实际电流源，实际电压源可变换为实际电流源，实际电流源可变换为实际电压源实际电流源可变换为实际电压源 1.4 1.4 二极管二极管1.4.1 PN1.4.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1.4.2 1.4.2 二极管的特性和主要参数二极管的特性和主要参数1.4.3 1.4.3 二极管的工作点和理想特性二极管的工作点和理想特性1.4.4 1.4.4 稳压二极管稳压二极管1.4.5 1.4.5 发光二极管和光电二极管发光二极管和光电二极管 1.4.1 PN1.4.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电

12、性物质按导电能力分为：导体、半导体、绝缘体。物质按导电能力分为：导体、半导体、绝缘体。本征半导体本征半导体 纯净的半导体（如硅、锗、砷化镓等）纯净的半导体（如硅、锗、砷化镓等）P P型半导体型半导体 在纯净的半导体硅、锗中掺入少量在纯净的半导体硅、锗中掺入少量 三价元素。三价元素。多数载流子为空穴多数载流子为空穴。N N型半导体型半导体 在纯净的半导体硅、锗中掺入少量在纯净的半导体硅、锗中掺入少量 五价元素。五价元素。多数载流子为电子。多数载流子为电子。PNPN结的形成：结的形成：浓度差浓度差扩散和复合扩散和复合 空间电荷区（耗尽层）空间电荷区（耗尽层）内电场内电场 扩散和复合扩散和复合空间电

13、荷区空间电荷区 （耗尽层）（耗尽层）内电场内电场阻止扩散、并引起少数载流子漂移阻止扩散、并引起少数载流子漂移最终，扩散与内电场作用达到平衡最终，扩散与内电场作用达到平衡PNPN结结PNPN结的单向导电性结的单向导电性 oPNPN结加正向电压结加正向电压 外电场与内电场方向相反外电场与内电场方向相反外电场外电场空间电荷区变窄空间电荷区变窄当外加电压足够大当外加电压足够大外电场足够强外电场足够强克服内电场克服内电场作用作用 PN PN结导通结导通电流电流I I从从P P流向流向N N外加正向电压外加正向电压外电场外电场oPNPN结加反向电压结加反向电压 PNPN结的单向导电性结的单向导电性 外电场

14、与内电场方向相同外电场与内电场方向相同外电场外电场空间电荷区变宽空间电荷区变宽不导通（截止）不导通（截止）结论：结论：PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。PNPN结加正向电压导结加正向电压导 通，加反向电压截止，导通方向：通，加反向电压截止，导通方向：P NP N1.4.2 1.4.2 二极管的特性和主要参数二极管的特性和主要参数二极管：一个二极管：一个PNPN结，两个电极结，两个电极-阳极、阴极阳极、阴极1.1.二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管两湍的电压与流二极管两湍的电压与流过的电流之间的关系曲线过的电流之间的关系曲线 正向特性正向特性死区死区电压小，基本不电压小，基本不导通

15、。死区电压：硅管导通。死区电压：硅管0.5V 0.5V 锗管约锗管约1.1.二极管的伏安特性二极管的伏安特性非线性区非线性区开始导通，电流小开始导通，电流小 正向特性正向特性导通区导通区近似线性，导通压降：近似线性，导通压降：硅管硅管0.60.7V 0.60.7V 锗管锗管 反向特性反向特性正常工作区正常工作区截止截止 反向电流很小反向电流很小反向击穿区反向击穿区反向电压过大，反向击穿反向电压过大，反向击穿2.2.二极管的主要参数二极管的主要参数o最大正向电流最大正向电流 o最高反向工作电压最高反向工作电压 o反向电流反向电流 o最高工作频率最高工作频率1.4.3 1.4.3 二极管的工作点和

16、理想特性二极管的工作点和理想特性o二极管的工作点二极管的工作点 静态电阻静态电阻 动态电阻动态电阻 通常，同一工作点，通常，同一工作点，不同工作点的不同工作点的 均不同。均不同。o二极管的理想特性二极管的理想特性考虑正考虑正向导通向导通压降压降 忽略正忽略正向导通向导通压降压降 o二极管二极管电路的分析方法电路的分析方法 分析关键：判断二极管是否导通分析关键：判断二极管是否导通方法：方法：单个二极管单个二极管：阳极电位高于阴极电位足够大小；：阳极电位高于阴极电位足够大小；阳极接于同一点（同电位），阳极接于同一点（同电位），阴极电位最低的优先导通；阴极电位最低的优先导通；阴极接于同一点（同电位）

17、，阴极接于同一点（同电位），阳极电位最高的优先导通。阳极电位最高的优先导通。o二极管二极管电路的分析方法电路的分析方法 例题例题 设右图中二极管导通时的正设右图中二极管导通时的正向压降为，试分析向压降为，试分析 的工作情况并求的工作情况并求I I值。值。解解 阳极同电位，阴极阳极同电位，阴极 导通，导通，截止，故截止，故 多个二极管：多个二极管：【例题】【例题】电路如图所示，电路如图所示，D1，D2 均为理想二均为理想二极管，极管，当输入电压当输入电压 ui 6V 时，时，则则uO=？【解】【解】ui 6V D1截止截止电路可以看成电路可以看成因此因此，D2 截止截止故故 uO=3V【例题】【

18、例题】图示电路，设二极管正向压降为伏，当图示电路，设二极管正向压降为伏，当开关开关S置置“1”时，时，Ua=伏；当开关伏；当开关S置置“2”时，时，Ua=伏；当开关伏；当开关S置置“3”时，时，Ua=伏；伏；D1D2D31k+-6V+-3V+-3VS123a【解】【解】S置置“1”时，时，D1截止截止UaVS置置“2”时，时，D1导通导通UaS置置“3”时，时，D1导通导通Ua1.4.4 1.4.4 稳压二极管稳压二极管稳压二极管是一种特殊的二极管。稳压二极管是一种特殊的二极管。1.1.稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性 伏安特性伏安特性图形图形符号符号反向击穿区特性曲线陡直反向击穿区特

19、性曲线陡直稳压特性稳压特性稳压区稳压区反向击穿区反向击穿区2.2.稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数 稳定电压稳定电压、稳定电流稳定电流 最大稳定电流最大稳定电流 最大耗散功率最大耗散功率 动态电阻动态电阻 电压温系数电压温系数 3.3.稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路 稳压条件：稳压条件：有一定的有一定的 稳压二极管工作在稳压二极管工作在 反向击穿状态。反向击穿状态。1.4.5 1.4.5 发光二极管和光电二极管发光二极管和光电二极管1.1.发光二极管发光二极管发光二极管是一种能将电能发光二极管是一种能将电能转换成光能的器件，简称转换成光能的器件，简称LED，正向导通后发光，正向导

20、通后发光 导通压降大于普通二极管导通压降大于普通二极管通常在以上通常在以上发发光光二二极极管管具具有有寿寿命命长长、抗抗冲冲击击和和抗抗振振动动性性能能好好、可靠性高等优点，应用十分广泛，其外形众多可靠性高等优点，应用十分广泛，其外形众多2.2.光电二极管光电二极管光电二极管是一种将光能转换成电流光电二极管是一种将光能转换成电流的器件，其的器件，其PN结封装在具有透明聚结封装在具有透明聚光窗的管壳内。光照射后导通，导通光窗的管壳内。光照射后导通，导通电流与光照强度相关。电流与光照强度相关。I/AU/V无光照射电流很小（暗电流）无光照射电流很小（暗电流）受到光照，反受到光照，反向电流增大向电流增

21、大（光电流）（光电流）正向特性类同正向特性类同于普通二极管于普通二极管注注意意光光电电二二极极管管使使用用时时要要反反向向接接入入电电路路中中，即即阳阳极极接接电源负极，阴极接电源正极。电源负极，阴极接电源正极。部分二极管的照片部分二极管的照片整流二极管整流二极管稳稳 压压二极管二极管发光二极管发光二极管光光 电电二极管二极管1.5 1.5 双极晶体管双极晶体管1.5.1 1.5.1 基本结构和电流放大作用基本结构和电流放大作用1.5.2 1.5.2 特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数1.5.3 1.5.3 简化的小信号模型简化的小信号模型1.5.1 1.5.1 基本结构和电流放大作用基本结

22、构和电流放大作用双极晶体管简称晶体管、三极管。双极晶体管简称晶体管、三极管。1.1.基本结构和符号基本结构和符号 NPNNPN型型PNPPNP型型1.1.基本结构和符号基本结构和符号两个两个PNPN结：发射结、集电结结：发射结、集电结三个电极：发射极三个电极：发射极E E、基极、基极B B、集电极、集电极C C 三个区：发射区三个区：发射区杂质浓度高（多数载流子最多）杂质浓度高（多数载流子最多）集电区集电区杂质浓度高杂质浓度高,比发射区稍低比发射区稍低 基基 区区杂质浓度相对很低杂质浓度相对很低2.2.电流放大作用电流放大作用o条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。条件：发射结正向偏置，集电结

23、反向偏置。载流子的运动和电流的形成：发射结外电场发射结外电场发射区大量电子发射区大量电子载流子向基区运动载流子向基区运动,电源向发射区电源向发射区补充电子补充电子发射极电流发射极电流 进入基区的电子载流子少量与进入基区的电子载流子少量与基区空穴复合，电源基区空穴复合，电源 向基区向基区补充空穴补充空穴基极电流基极电流 集电结外电场集电结外电场基区的大部分电子载流子进入集基区的大部分电子载流子进入集电区，并由电源收集电区，并由电源收集集电极电流集电极电流 电流放大作用：小的基极电流变化量小的基极电流变化量大的集电极电流变化量，大的集电极电流变化量，具有电流放大作用，电流控制作用具有电流放大作用，

24、电流控制作用电流控制型器件。电流控制型器件。1.5.2 1.5.2 特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数1.1.共发射极输入、输出特性曲线共发射极输入、输出特性曲线 输入特性曲线：输入特性曲线：与二极管正向特性与二极管正向特性曲线类似。曲线类似。输出特性曲线：输出特性曲线：截止区：无放大作用；无放大作用；曲线以下区域曲线以下区域特点：集电结、发射结均反向偏置；特点：集电结、发射结均反向偏置；集电极与发射极相当于断开集电极与发射极相当于断开的开关的开关用于开关电路。用于开关电路。饱和区饱和区：特点：发射结、集电结均正向偏置；特点：发射结、集电结均正向偏置；无放大作用；无放大作用；集电极与发射极相

25、当于接通的集电极与发射极相当于接通的开关开关用于开关电路。用于开关电路。饱和区特点：饱和区特点：放大区：放大区：特点：发射结正向偏置，集电结反向偏置，特点：发射结正向偏置，集电结反向偏置，有放大作用有放大作用用于放大电路。用于放大电路。2.2.主要参数主要参数电流放大系数电流放大系数 穿透电流穿透电流集电极最大允许电流集电极最大允许电流集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率集电极集电极发射极反向击穿电压发射极反向击穿电压1.5.3 1.5.3 简化的小信号模型简化的小信号模型1.1.受控源概念受控源概念受控源受控源非独立电源非独立电源输出电压或电流受电路中另一电压或电流的控制。输出电压或

26、电流受电路中另一电压或电流的控制。电压控制电压源（电压控制电压源（VCVSVCVS）电压控制电流源（电压控制电流源（VCCSVCCS）电流控制电压源（电流控制电压源（CCVSCCVS）电流控制电流源（电流控制电流源（CCCSCCCS）四种类型：四种类型：四种受控源符号：四种受控源符号：VCVSVCVSVCCSVCCSCCVSCCVSCCCSCCCS2 2晶体管的简化小信号模型晶体管的简化小信号模型 晶体管工作在放大区，即晶体管工作在放大区，即:B-EB-E之间，工作在输入特性之间，工作在输入特性的近似线性区，的近似线性区，C-EC-E之间之间,用电流控制电流源模型用电流控制电流源模型。部分晶体

27、管的照片部分晶体管的照片1.6 1.6 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管1.6.1 1.6.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理1.6.2 1.6.2 特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数1.6.3 1.6.3 简化的小信号模型简化的小信号模型1.6.1 1.6.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理类型：类型：N N沟道绝缘栅场效应管（沟道绝缘栅场效应管（NMOSNMOS）P P沟道绝缘栅场效应管（沟道绝缘栅场效应管（PMOSPMOS）增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管 耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管1.1.基本结构基本结构耗尽型耗尽型NMOSNMOS管结构管结构G

28、 G 栅极栅极S S 源极源极D D 漏极漏极耗尽型耗尽型 NMOS NMOS 耗尽型耗尽型NMOSNMOS管结构管结构 在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子，不加在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子，不加 在在 区之间存在区之间存在N N型导电沟道。型导电沟道。增强型增强型NMOSNMOS管结构管结构 在二氧化硅绝缘层中掺入少量正离子，在二氧化硅绝缘层中掺入少量正离子，尚未形成导电沟道，只有加入足够大的尚未形成导电沟道，只有加入足够大的 时才形成导电沟道。时才形成导电沟道。增强型增强型 NMOS NMOSP P沟道沟道MOSMOS管的符号管的符号 增强型增强型PMOSPMOS耗尽型耗尽型PMOSPM

29、OS2.2.工作原理工作原理 电压控制型器件。电压控制型器件。对耗尽型对耗尽型NMOSNMOS，对增强型对增强型NMOSNMOS，在在D-SD-S间外加电源，加于间外加电源，加于G-SG-S间的电压间的电压 变变 化时，漏极电流化时，漏极电流 变化。变化。1.6.2 1.6.2 特性曲线和主要参数特性曲线和主要参数1.1.特性曲线特性曲线输出特性：输出特性：转移特性：转移特性：耗尽型耗尽型NMOSNMOS管的特性曲线管的特性曲线 增强型增强型MOSMOS管的转移特性管的转移特性NMOSNMOS管管PMOSPMOS管管2.2.主要参数主要参数夹断电压夹断电压 开启电压开启电压 饱和漏极电流饱和漏极电流 低频跨导低频跨导 最大漏极电流最大漏极电流 最大耗散功率最大耗散功率 最大漏最大漏-源极击穿电压源极击穿电压 栅源直流电阻栅源直流电阻 耗尽型耗尽型MOSMOS管参数管参数 增强型MOS管参数 耗尽型MOS管参数 1.6.3 1.6.3 简化的小信号模型简化的小信号模型栅源电阻很大，栅极电流栅源电阻很大，栅极电流 栅源电压控制漏极电流栅源电压控制漏极电流 电压控制电流源模型电压控制电流源模型 本章结束本章结束返回目录返回目录第第2 2章章 电路分析基础电路分析基础