1 电路和电路元件¶
1.1 基本物理量¶
1.1.1 电路¶
- 强电电路：电能传输、分配、转换
- 弱电电路：信号传递、控制、处理
1.1.2 电路元件¶
一种物理模型
无源元件：电阻、电容、电感 理想电压源、理想电流源
实际电路元件是理想电路元件的组合
实际电感线圈
- 直流：电阻
- 交流低频：电感串联电阻
- 交流高频：再并上一个电容
- 超高频：分布式参数
1.1.3 电流、电压及其参考方向¶
实际方向¶
- 电流：正电荷运动方向
- 电压：高电位到低电位
- 电动势：低电位到高电位
对于复杂电路，实际方向未知，故先假设一个参考方向
参考方向¶
分析电路时，对电量任意假定的方向。
两者关系¶
+：一致 -：相反
欧姆定律的应用¶
- \(U\)、\(I\) 参考方向相同（关联参考方向）：\(U = IR\)
- \(U\)、\(I\) 参考方向相反（非关联参考方向）：\(U = -IR\)
通常取关联参考方向。
电位¶
- 电位：电路中某点到参考点的电压，记作 \(V\)
- 参考点：人为规定0电位的点
电压和电位的关系：\(U_{AB} = V_A - V_B\)
电动势¶
非电场力将正电荷从电源的负极板移动到正极板所做的功，称为电源的电动势，记作 \(E\)
1.1.4 电路功率¶
关联参考方向：
- 负载：\(P = UI > 0\)
- 电源：\(P = UI < 0\)
1.2 R,L,C¶
1.2.1 电阻 \(R\)（Resistor）¶
电导 \(G = \frac{1}{R}\)，单位：西门子（S）
伏安特性：
- 线性电阻
- 非线性电阻
线性
- 比例性（齐次性）
- 可加性
电阻器：
- 膜电阻器
- 线绕电阻器（适合大电阻）
- 电位器
- 水泥电阻器
- 热敏电阻器
1.2.2 电感 \(L\)（Inductor， Lenz's law）¶
磁通、磁链
自感电动势：\(e_L = -L\frac{di}{dt}\)，\(u = -e_L\)
电压电流关系：
功率：\(P = UI = Li\frac{di}{dt}\)
能量：\(W = \int Pdt = \frac{1}{2}LI^2\)
电感器：
- 陶瓷电感器
- 贴片电感器
- 标准电感器
1.2.3 电容 \(C\)（Capacitor）¶
线性：\(q = Cu\)
电压电荷关系：
能量：\(W = \frac{1}{2}CU^2\)
电容器：
- 普通电容器
- 电解电容器
- 电力电容器
- 单相电动电容器
两个元件串并联
| 连接方式 | 等效电阻 | 等效电感 | 等效电容 |
|---|---|---|---|
| 串联 | \(R_1 + R_2\) | \(L_1 + L_2\) | \(\frac{1}{\frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}}\) |
| 并联 | \(\frac{1}{\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}}\) | \(\frac{1}{\frac{1}{L_1} + \frac{1}{L_2}}\) | \(C_1 + C_2\) |
1.2.4 实际元件的主要参数及电路模型¶
- 电阻器：标称电阻值、额定功率
- 电感器：标称电感值、额定电流
- 电容器：标称电容值、额定电压
运行状态：
- 额定工作状态
- 过载状态
- 欠载（轻载）状态
1.3 独立电源元件¶
1.3.1 电压源和电流源¶
电压源¶
理想电压源：\(U = U_S\)
\(U_S = 0\) 时，退化为一根导线
特点：
- 内阻 \(R_0 = 0\)
- 输出电压恒定
- 电流由外电路决定
- 不允许短路
电流源¶
理想电流源：\(I = I_S\)
\(I_S = 0\) 时，即断路
特点：
- 内阻 \(R_0 = \infty\)
- 输出电流恒定
- 电压由外电路决定
- 不允许开路
电压源和电流源的等效变换¶
电压源：\(U = U_S - IR_0\)
电流源：\(I = I_S - \frac{U}{R_0}\)，即 \(U = I_S R_0 - IR_0\)
注意
- 仅对外电路等效
- 等效后参考方向要一致
说明
- 与理想电压源并联，只考虑电压时，忽略并联的元件
- 与理想电流源串联，只考虑电流时，忽略串联的元件
- 两个电流数值不同的理想电流源不能串联（电压源同理）
- 和电压源串联的电阻/和电流源并联的电阻，可等效为电源内阻
1.4 二极管¶
学习要求
- 关注应用，不追究机理
- 工程观点计算，满足技术指标的估算即可
1.4.1 PN结及其单向导电性¶
半导体的导电特性：
- 热敏性
- 光敏性
- 掺杂性
Ge, Si: 四价元素
天然的硅和锗是不能制成半导体器件的，它们必须先经过高度提纯，形成晶格结构完全对称的本征半导体。
本征半导体（Intrinsic Semiconductor）¶
完全纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体.
本征半导体的导电机理¶
本征激发：价电子获得能量后成为自由电子，同时价电子对形成空穴
载流子：自由电子和空穴
加上电压：
- 电子电流：自由电子作定向运动
- 空穴电流：价电子填补空穴
自由电子和空穴成对产生，又不断复合。达到动态平衡后，载流子数目不再变化。
注：本征半导体的导电性很差，且受温度变化影响很大。
杂质半导体（Extrinsic/Doped Semiconductor）¶
- N型半导体：掺入五价元素
- 多数载流子：电子
- P型半导体：掺入三价元素
- 多数载流子：空穴
少数载流子
少数载流子（少子）由本征激发产生！
半导体对外显中性
PN结的形成¶
空间电荷区
- 扩散运动：多子（N的电子，P的空穴）存在浓度差
- 使空间电荷区变宽
- 漂移运动：原子核（N的正离子\(\mathrm{P}^+\)，P的负离子\(\mathrm{B}^-\)）间存在电场
- 使空间电荷区变窄
PN结的单向导电性¶
-
正向电压（正向偏置）：P接正
-
内电场削弱，扩散加强，PN结变窄
-
反向电压（反向偏置）：P接负
-
内电场增强，漂移加强，PN结变宽
-
少子数量很少，形成很小的反向电流
单向导通：P \(\to\) N
1.4.4 稳压二极管（Zener Diode）¶
1.5.1 晶体管¶
基本结构¶
- 三极管：发射极、基极、集电极
简化小信号模型¶
动态输入电阻（\(I_{\mathrm{E}} < 5\mathrm{mA}\)）：
基极电阻 \(r_{\mathrm{b}} = 200\,\Omega\)