清华电路原理于歆杰简单电阻电路分析.pptx
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1、一、电阻(resistor)2.1 2.1 电阻电阻R(1)电压电流采用关联参考方向Riu+u R iR 电阻(resistance)单位:(欧)二、欧姆定律(Ohms Law)第1页/共133页令G 1/RG 电导(conductance)欧姆定律(关联参考方向下):i G u单位:S(西)(Siemens,西门子)关联参考方向下线性电阻器的u-i关系:R=tan ui0u R i第2页/共133页(2)电压电流非关联参考方向Riu+欧姆定律:u Ri 或 i Gu公式的列写必须根据参考方向!第3页/共133页Riu+当 R=0(G=),视其为短路。u=0,i由外电路决定。当 R=(G=0)
2、,视其为开路。i=0,u由外电路决定。ui0开路ui0短路三、开路与短路第4页/共133页Riu+Rip发 ui (Ri)i i2 R p吸 ui i2R u2/R功率:u+无论参考方向如何选取,电阻始终消耗电功率。u(u/R)u2/R或p吸 u(i)i2 R u2/R (Ri)(i)四、电阻消耗的功率第5页/共133页阻值功率五、电阻的额定值第6页/共133页几种常见材料的0电阻率与温度系数材料材料银银铜铜铝铝铁铁碳碳镍铬合金镍铬合金 0/m1.510-81.610-82.510-88.710-8350010-811010-8 /(-1)4.010-34.310-34.710-35.010-
3、35.010-41.610-4六、决定阻值的因素第7页/共133页电阻器的尺寸主要取决于什么?贴片电阻体积小重量轻 可靠性高碳膜电阻阻值范围宽 价格低廉金属膜电阻稳定性高精度高线绕电阻功率大七、电阻器第8页/共133页非线性电阻满足齐次性和可加性,即Ae1(t)+Be2(t)Ar1(t)+Br2(t)成立e1(t)r1(t)线性网络e2(t)r2(t)线性网络激励响应网络线性电阻八、非线性电阻第9页/共133页线性时变电阻u t =R t i t R(t)+u(t)i(t)电阻R t 是时间 t 的函数e(t)r(t)非时变元件e(t-)r(t-)非时变元件即输出响应与输入信号外加时刻无关。线
4、性非时变电阻u t =Ri t 九、时变电阻返回目录返回目录第10页/共133页一、独立电源(independent source)2.2 2.2 电源电源(1)特点(a)电源两端电压由电源本身决定,与外电路无关;(b)通过它的电流由外电路决定。电路符号uS1.理想电压源(ideal voltage source)第11页/共133页(2)伏安特性 (a)若uS=US,即直流电源,则其伏安特性为平行于电流轴的直线,反映电压与电源中的电流无关。uS+_iu+_USui0 (b)若uS为变化的电源,则某一时刻的伏安关系特性为平行于电流轴的直线。(c)电压为零的电压源,伏安曲线与 i 轴重合,相当于
5、 短路状态。第12页/共133页(3)理想电压源的开路与短路uS+_iu+_R(a)开路:R,i=0,u=uS。(b)理想电压源不允许短路(此时电路模型(circuit model)不再存在)。US+_iu+_rUSui0u=US r i实际电压源(physical source)第13页/共133页2.理想电流源(ideal current source)(1)特点(a)电源电流由电源本身决定,与外电路无关;(b)电源两端电压由外电路决定。电路符号iSUIR1A例第14页/共133页(2)伏安特性 (a)若iS=IS,即直流电源,则其伏安特性为平行于电压轴的直线,反映电流与端电压无关。ISu
6、i0iSiu+_ (b)若iS为变化的电源,则某一时刻的伏安关系也是平行于电压轴的直线 (c)电流为零的电流源,伏安特性曲线与 u 轴重合,相当于开路状态。第15页/共133页(3)理想电流源的短路与开路R(2)理想电流源不允许开路(此时电路模型不再存在)。(1)短路:R=0,i=iS,u=0,电流源被短路。iSiu+_ (4)实际电流源的产生 可由稳流电子设备产生,有些电子器件输出具备电流源特性,如晶体管的集电极电流与负载无关;光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。第16页/共133页(5)功率iSiu+_iSiu+_p发=uiS p吸=uiSp吸=uiS p发=uiS第17
7、页/共133页二、受控电源(非独立源)(controlled source or dependent source)电路符号+受控电压源受控电流源1.定义 电压源电压或电流源电流不是给定的时间函数,而是受电路中某个支路(或元件)的电压(或电流)的控制。第18页/共133页一个受控电流源的例子(MOSFET)DSGMOSFETUGSUDSIDS受控源与独立源的比较:(1)独立源电压(或电流)由电源本身决定,而受控源电压(或电流)直接由控制量决定。(2)独立源作为电路中“激励”,在电路中产生电压、电流,而受控源在电路中不能作为“激励”。IDSUDS电阻电流源第19页/共133页一个MOSFET可以
8、用四端模型来表示。受控源是一个四端元件控制支路支路电压支路电流受控源受控电压源受控电流源f(uGS)控制部分受控部分uGS第20页/共133页(1)电流控制的电流源(Current Controlled Current Source):电流放大倍数r:转移电阻 u1=0i2=i1 u1=0u2=r i12.分类(2)电流控制的电压源(Current Controlled Voltage Source)CCCS i1+_u2i2_u1i1+_u1i1+_u2CCVS+_ r i1+_u2i2CCVS+_+第21页/共133页g:转移电导 :电压放大倍数 i1=0i2=g u1 i1=0u2=u1
9、(3)电压控制的电流源(Voltage Controlled Current Source)(4)电压控制的电压源(Voltage Controlled Voltage Source)VCCSgu1+_u2i2+_u1i1_u1i1 u1+_u2i2VCVS+_+第22页/共133页3.受控源与独立源的比较 (1)独立源电压(或电流)由电源本身决定,与电路中其他电压、电流无关,而受控源电压(或电流)直接由控制量决定。(2)独立源作为电路中“激励(excitation)”,在电路中产生电压、电流,而受控源只是反映电压、电流之间的控制关系,在电路中不能作为“激励”。返回目录返回目录第23页/共13
10、3页2.3 MOSFET2.3 MOSFETPrescott内核P4108个晶体管(双极、MOS)吴刚耳机放大器日立N沟道2SK214型MOSFETCPU供电电路中的MOSFET最大功率达200W的电力MOSFET小:线宽0.15 m大:10cm第24页/共133页DSGDSG2n7000一、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的结构与符号N沟道增强型MOSFET第25页/共133页DSGUGSMOSFETUDSIDSUDS=5VIDSUGS截止区(A)UT时,MOSFET截止改变UDS的大小对曲线影响不大UGSUT后,MOSFET的D、S间导通。转移特性曲线二、MOSFET的电气性质
11、第26页/共133页DSGUGSMOSFETUDSIDSIDSUDSUGS=5VUGS=4VUGS=3V三极管区/可变电阻区饱和区/恒流区输出特性曲线第27页/共133页导通后UGSUT+UDS的时候,MOSFET的D、S间呈电阻特性。第28页/共133页1 截止区条件:性质:3 三极管区条件:性质:RON2 饱和区条件:性质:DSGUGSUDSIDSUSUGSUDSIDSUSUGSUDSIDSUSUGSUDSIDSUSRON三、MOSFET的等效电路第29页/共133页四、MOSFET的模型开关电阻(SR)模型:截止状态导通状态UGSUDSIDSUSRONUGSUDSIDSUSRON第30页
12、/共133页截止状态导通状态UGSUDSIDSUSUGSUDSIDSUS开关电流源(SCR)模型:返回目录返回目录第31页/共133页2.4 2.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律一、几个名词支路 (branch):电路中通过同一电流的每个分支。回路(loop):由支路组成的闭合路径。b=3网孔(mesh):对平面电路,每个网眼即为网孔。网孔是回路,但回路不一定是网孔。123ab+_R1uS1+_uS2R2R3l=3n=2123(Kirchhoff,基尔霍夫;18241887,Germany)第32页/共133页物理基础:电荷(electric charge)守恒,电流连续性。i1i4i2i3令电流
13、流出为“+”i1+i2i3+i4=0i1+i3=i2+i47A4Ai110A-12Ai2i1+i210(12)=0 i2=1A 例 47i1=0 i1=3A 二、基尔霍夫电流定律(KCL)在任何集总参数(lumped parameter)电路中,在任一时刻,流出(流入)任一节点的各支路电流的代数和为零。即第33页/共133页KCL的推广ABi=0ABiiABi3i2i1两条支路电流大小相等,一个流入,一个流出。只有一条支路相连,则 i=0。第34页/共133页选定一个绕行方向:顺时针或逆时针。R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US
14、4例取顺时针方向绕行:-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0-U1+U2+U3+U4=US1-US4 I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4+-+-+-+-三、基尔霍夫电压定律(KVL)在任何集总参数(lumped parameter)电路中,在任一时刻,沿任一闭合路径(按固定绕向),各支路电压的代数和为零。即电阻压降电源压升第35页/共133页AB l1l2UAB(沿l1)=UAB (沿l2)电位的单值性推论:电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。元件电压方向与路径绕行方向一致时取正号,相反取负号。例I1+US1R1I4_+U
15、S4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4+-+-+-+-AB第36页/共133页KCL,KVL小结:(1)KCL是对连到节点的支路电流的线性约束,KVL是对回路中支路电压的线性约束。(2)KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。(3)KCL表明在每一节点上电荷是守恒的;KVL是电位单值性的具体体现(电压与路径无关)。(4)KCL、KVL只适用于集总参数的电路。第37页/共133页电路如图示,求U和I。解3+1-2+I=0,I=-2(A)U1=3I=-6(V)U+U1+3-2=0,U=5(V)例2求下图电路开关S打开和闭合时的 i1 和 i2 。S打开:i1=0i2=1.5(A)i2=i
16、+2i5i+5i2=10S闭合:i2=0i1=i+2ii=10/5=2i1=6(A)10V5 5 i1i2ii2S-+解例1U11A3A2A3V2V3 UI+-返回目录返回目录第38页/共133页一、电阻等效变换2.5 2.5 电路的等效变换电路的等效变换(1)(1)电路特点1.1.电阻串联 (series connection)+_R1Rn+_uki+_u1+_unuRk(a)各电阻顺序连接,流过同一电流 (KCL);(b)总电压等于各串联电阻上的电压之和 (KVL):第39页/共133页等效(2)等效电阻(equivalent resistance)Req+_R1RniuRku+_Reqi
17、等效:对外部电路 端钮(terminal)以外 效果相同Req=(R1+R2+Rn)=Rk(3)串联电阻上电压的分配+_un+_R1RniuRk+_uk+_u1等效电阻等于串联的各电阻之和第40页/共133页例 两个电阻分压(voltage division),如下图所示。(注意方向!)(4)功率关系 p1=R1i 2 ,p2=R2i 2 ,pn=Rni 2 p1:p2:pn=R1:R2 :Rn总功率 p=Reqi 2=(R1+R2+Rn)i 2 =R1i 2+R2i 2+Rni 2 =p1+p2+pni+_uR1R2+-u1-+u2第41页/共133页2.电阻并联(parallel conn
18、ection)inR1R2RkRni+ui1i2ik_(1)电路特点(a)各电阻两端分别接在一起,端电压为同一电压(KVL);(b)总电流等于流过各并联电阻的电流之和(KCL):i=i1+i2+ik+in第42页/共133页等效由KCLi=i1+i2+ik+in=u Geq故有uGeq=i=uG1+uG2+uGn=u(G1+G2+Gn)即设 Gk=1/Rk (k=1,2,n)Geq=G1+G2+Gk+Gn=Gk=1/Rk(2)等效电导(equivalent conductance)GeqGeq+u_i等效电导等于并联的各电导之和。inG1G2GkGni+ui1i2ik_第43页/共133页(3
19、)并联电阻的分流(current division)由电流分配与电导成正比得 对于两电阻并联,有R1R2i1i2i第44页/共133页(4)功率关系p1=G1u2,p2=G2u2,pn=Gnu2p1:p2:pn=G1:G2 :Gn总功率 p=Gequ2=(G1+G2+Gn)u2 =G1u2+G2u2+Gnu2 =p1+p2+pn第45页/共133页解 R=4(2+(36)=2 3 例12 4 6 R 3 第46页/共133页 解 R=(4040)+(303030)=30 例240 30 30 40 30 R40 40 30 30 30 R第47页/共133页R1R2R3R4+_uSABuAuB
20、?UAB=0IAB=0(2)已知电流为零的支路可以断开。(1)已知电压为零的节点可以短接。等电位点等电位点之间开路或短路不影响电路的电压电流分布。3.平衡电桥第48页/共133页(1 1)电阻的三角形()联接和星形(Y)联接 形联接(connection)R12R31R23i3 i2 i1 123+u12 u23 u31 Y形联接(Yconnection)R1R2R3i1Yi2Yi3Y123+u12Yu23Yu31Y4.电阻的 Y 变换第49页/共133页等效条件 i1 =i1Y,i2 =i2Y,i3 =i3Y,且 u12 =u12Y,u23 =u23Y,u31 =u31Y(2 2)Y 电阻等
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