1、,退出,1.1 电路和电路的基本物理量,1.1.1 电路,1.1.3 电流、电压及其参考方向,1.1.4 电路功率,第1章,上页,下页,返回,1.1.2 电路元件和电路模型,1.1.1 电路,电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工、电子器件或设备组合而成的 。,翻页,实际电路,电路模型,第1章,上页,下页,返回,翻页,上页,下页,返回,第1章,各种蓄电池和干电池由化学能转换成电能。,电源,翻页,上页,下页,返回,第1章,汽轮发电机和风力发电机将机械能转换成电能。,实际的负载包括电动机、电动工具和家用电器等等。,负载,翻页,上页,下页,返回,第1章,电力系统,扩音器,电路的作用,翻页,上页
2、,下页,返回,第1章,实际电路,电路模型,1.1.2 电路元件和电路模型,第1章,翻页,上页,下页,返回,1.1.3 电压、电流及其参考方向,1. 基本物理量,翻页,上页,下页,返回,第1章,2. 电压、电流参考方向,a,b,R5,R2,R1,R3,R4,R6,+,+,E1,E2,E,U,R,I,a,b,电压、电流实际方向：,翻页,上页,下页,返回,第1章,在解题前先任意选定一个方向，称为参考方向（或正方向）。依此参考方向，根据电路定理、定律列电路方程，从而进行电路分析计算。,解决方法:,翻页,上页,下页,返回,第1章,解：,假定I 的参考方向如图所示。,则：,（实际方向与参考方向相反！）,已
3、知：E =2V, R =1 问：当Uab为1V时，I = ?,翻页,上页,下页,返回,第1章,例1.1.1,假定U 、I 的参考方向如图所示，若 I = -3A ，E =2V , R =1 Uab=？,（实际方向与参考方向一致）,1.电压电流“实际方向”是客观存在的物理现象，“参考方向” 是人为假设的方向。,解：,翻页,上页,下页,返回,第1章,UR,E,I,R,a,b,d,=-(-3）1+2V = 5V,例1.1.2,4.为方便列电路方程，习惯假设I与U 的参考方向一致（关联参考方向）。,2.方程U/I=R 只适用于R 中U、I参考方向一 致的情况。即欧姆定律表达式含有正负号，当U、I参考方
4、向一致时为正，否则为负。,3.在解题前，一定先假定电压电流的“参考方向 ”，然后再列方程求解。即 U、I为代数量，也有正负之分。当参考方向与实际方向一致时为正，否则为负。,翻页,上页,下页,返回,第1章,设电路任意两点间的电压为U，电流为 I , 则这部分电路消耗的功率为,1.1.3 电路功率,如果假设方向不一致怎么办？ 功率有无正负？,问题：,翻页,上页,下页,返回,第1章,P = UI,1)按所设参考方向列式,U、I参考方向一致,P = U I,功率的计算,U、I参考方向相反,翻页,上页,下页,返回,第1章,P = U I,2）将U、I 的代数值代入式中,P = U I,翻页,上页,下页,
5、返回,第1章,已知：U = 10 V, I = 1 A 。按图中,P =10 W (负载性质）,假设的正方向列式：P = UI,1 ) P 为“”表示该元件吸收功率； P 为“”则表示输出功率。,2）在同一电路中，电源产生的总功率和负载消耗的总功率是平衡的。,小结：,若：U = 10 V, I = 1 A 则 P =10 W （电源性质）,上页,下页,第1章,返回,本节结束,例1.1.3,1.2 电阻、电感和电容元件,1.2.1 电阻元件,1.2.2 电感元件,1.2.3 电容元件,第1章,上页,下页,返回,1.2.4 实际元件的主要参数,翻页,上页,下页,第1章,返回,1.2.1 电阻元件,
6、电阻（R）：具有消耗电能特性的元件。,伏安特性：电阻元件上电压与电流间的关系称为伏安特性。,i,u,当电压与电流之间不是线性函数关系时，称为非线性电阻。,当 恒定不变时，称为线性电阻。,翻页,第1章,上页,下页,返回,翻页,第1章,上页,下页,返回,实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。,式中称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。l 是导体的长度， S 为导体的截面积。,电阻的单位是欧姆（），千欧（k）。,翻页,第1章,上页,下页,返回,几种常见的电阻元件,普通金属膜电阻,绕线电阻,电阻排,热敏电阻,1.2.2 电感元件,单位：H, mH, H,单位电流产生的磁链,电
7、感：能够存储磁场能量的元件。,翻页,上页,下页,第1章,返回,电感元件的基本关系式,翻页,其中：,第1章,上页,下页,返回,电感是一种储能元件，储存的磁场能量为,电感元件在直流电路中,相当于一根无阻导线 !,翻页,第1章,上页,下页,返回,翻页,第1章,上页,下页,返回,线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近介质的导磁性能等有关。,对于一个密绕的N 匝线圈，其电感可表示为,式中即为线圈附近介质的磁导率（H/m)，S 为线圈的横截面积（m2)，l 是线圈的长度（m）。,翻页,第1章,上页,下页,返回,几种常见的电感元件,带有磁心的电感,陶瓷电感,铁氧体电感,1.2.3 电容元件,C 相当于开路!,
8、电容元件在 直流电路中：,电容：具有存储电场能量特性的元件。,翻页,i = 0,第1章,上页,下页,返回,电容是一种储能元件，储存的电场能量为：,第1章,上页,下页,返回,翻页,电容器的电容与其极板的尺寸及其间介质的介电常数有关。,式中即为其间介质的介电常数（F/m)，S 为极板的面积（m2)，d 是极板的距离（m）。,翻页,第1章,上页,下页,返回,几种常见的电容器,普通电容器,电力电容器,电解电容器,理想元件的伏安关系,第1章,上页,下页,返回,翻页,（u与i参考方向一致）,第1章,上页,下页,返回,1.2.4 实际元件的主要参数,任何电气设备的电压、电流和功率都有一定的限额,额定转速 n
9、N,本节结束,1.3 独立电源元件,1.3.1 电压源和电流源,1.3.2 实际电源的模型,下页,上页,返回,第1章,1.3.1 电压源和电流源1.电压源,外特性：输出电压与输出电流的关系。,U,翻页,第1章,上页,下页,返回,特点：,1.输出电流恒定不变2.端电压是任意的,即随负载不同而不同,I,U,IS,2.电流源,翻页,下页,上页,第1章,返回,特点,分析：IS 固定不变, US 固定不变。,翻页,上页,下页,第1章,返回,解：1. Uab = US ,2. 若R 减小为1，,电流源的功率不变！,电压源的功率,IUs = I Is=3A,翻页,上页,下页,第1章,返回,2.若使R 减小为
10、1，I 如何变？两个电源的功率如何变？,1.I 等于多少？,1.3.2 实际电源的模型,1.实际电源的模型,下页,上页,翻页,第1章,返回,I,U,+,-,b,a,2.电压源模型,翻页,第1章,下页,上页,返回,R,外特性曲线,3.电流源模型,翻页,上页,下页,第1章,返回,外特性曲线,b,a,R,1.3.3 两种电源的等效互换,翻页,上页,下页,返回,第1章,等效互换条件,U = UsIR0,U = IR0R0,= IsR0 I R0,= ( Is I ) R0,翻页,上页,下页,第1章,返回,电压源模型 电流源模型,下页,上页,第1章,翻页,返回,2）所谓“等效”是指“对外电路”等效（即对
11、外电路的伏安特性一致），对于电源内部并不一定等效。例如，在电源开路时：,1）电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变。,R0 不消耗能量,上页,下页,第1章,翻页,返回,3） 电压源（恒压源）与电流源（恒流源）之间不能互换。,上页,下页,第1章,返回,本节结束,1.4.2 二极管的特性和主要参数,1.4.3 二极管的工作点,1.4.4 稳压二极管,1.4.1 PN结及其单向导电性,1.4 二极管,第1章,上页,下页,返回,1.本征半导体,完全纯净 的具有晶体 结构的半导 体称为本征 半导体 。它 具有共价键 结构。,锗和硅的原子结构,单晶硅中的共价键结构,价电子,硅原子,第1章,上页,
12、下页,翻页,返回,1.4.1 PN结及其单向导电特性,在半导 体中，同 时存在着 电子导电 和空穴导 电。空穴 和自由电 子都称为 载流子。 它们成对 出现，成 对消失。,在常温下自由电子和空穴的形成,复合,自由电子,本征 激发,第1章,上页,下页,翻页,返回,2. N型半导体和P型半导体,原理图,P,自由电子,结构图,磷原子,正离子,P+,在硅或锗中掺 入少量的五价元 素，如磷或砷、 锑，则形成N型 半导体。,多余价电子,在N型半导体中，电子是多子，空穴是少子,第1章,上页,下页,翻页,返回,P型半导体,在硅或锗中 掺入三价元素， 如硼或铝、镓， 则形成P型半导 体。,原理图,B,B-,硼原
13、子,负离子,空穴,填补空位,结构图,在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。,第1章,上页,下页,翻页,返回,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结 。,P 区,N 区,P区的空穴向N区扩散并与电子复合,N区的电子向P区扩散并与空穴复合,空间电荷区,内电场方向,3. PN结的形成,第1章,上页,下页,翻页,返回,空间电荷区,内电场方向,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡。,P区,N区,多子扩散,少子漂移,第1章,上页,下页,翻页,返回,在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。,内
14、电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。,结 论 ：,在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。,第1章,上页,下页,翻页,返回,4. PN结的单向导电性,P区,N区,内电场,外电场,E,I,空间电荷区变窄,P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和,N区电子进入空间电荷区和一部分正 离子中和,扩散运动增强，形成较大的正向电流。,第1章,上页,下页,翻页,返回,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,空间电荷区变宽,内电场,外电场,少子越过PN结形成很小的反向电流,IR,E,第1章,上页,下页,翻页,N区,P区,返回,由上述分析可知：,PN结具有单向导电性,即在PN结上加正向
15、电压时，PN结 电阻很低，正向电流较大。（PN结处 于导通状态）,加反向电压时，PN结电阻很高，反 向电流很小。（PN结处于截止状态）,切记,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.4.2 二极管的特性和主要参数1.结构,表示符号,面接触型,点接触型,引线,触丝,外壳,N型锗片,N型硅,阳极引线,PN结,阴极引线,金锑合金,底座,铝合金小球,第1章,上页,下页,翻页,返回,第1章,上页,下页,翻页,返回,2.二极管的伏安特性,-40,-20,O,U/V,I/mA,60,40,20,-50,-25,0.4,0.8,正向,反向,击穿电压,死区电压,U(BR),硅管的伏安特性,I/A,第1章,上页,下页
16、,翻页,返回,-20,-40,-25,0.4,0.2,-50,10,O,15,5,I/mA,U/V,锗管的伏安特性,I/A,死区电压,3. 二极管的主要参数,第1章,上页,下页,翻页,返回,第1章,上页,返回,下页,1.4.3 二极管的工作点和理想特性,1.二极管的工作点,E,UQ,IQ,E,R,-,Q,U = E RI,翻页,第1章,上页,返回,下页,二极管的静态电阻和动态电阻,翻页,第1章,上页,返回,下页,I,U,2.二极管特性的折线近似及模型,Q,翻页,U0N,O,P,U = UON rD I,二极管的电路模型,稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。,符号:,DZ,阴 极,阳 极,特
17、点:,(1)反向特性曲线比较陡,(2)工作在反向击穿区,1.4.4 稳压二极管,第1章,上页,下页,翻页,返回,I/mA,U/V,0,UZ,IZ,稳压管的主要参数:,第1章,上页,下页,返回,I/mA,U/V,0,UZ,IZ,翻页,第1章,上页,下页,本节结束,返回,稳压管构成的稳压电路,图中R为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。,由于稳压管工作在其反向特性端，因而在反向击穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围内基本保持不变。,1.5 双极晶体管,1.5.1 基本结构和电流放大作用,1.5.2 特性曲线和主要参数,1.5.3 简化的小信号模型,第1章,上页,下页,返回,
18、1.5.1 基本结构和电流放大作用,NPN型,PNP型,C,P,N,N,N,P,P,E,E,B,B,发射区,集电区,基区,基区,基极,发射极,集电结,发射结,发射结,集电结,集电区,发射区,集电极,集电极,C,发射极,基极,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管的电流放大原理,IE,IB,RB,UBB,IC,UCC,输入电路,输出电路,公共端,晶体管具有电流放大作用的外 部条件：,发射结正向偏置,集电结反向偏置,NPN 管：UBE0 UBCVBVE,RC,B,C,E,共发射极放大电路,第1章,上页,下页,翻页,返回,三极管的电流控制原理,UBB,RB,IB,IC,UCC,RC,N,P,IE,N
19、,发射区向基区扩散电子,电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE,电子在基区的扩散与复合,集电区收集电子,电子流向电源正极形成IC,EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB,第1章,上页,下页,翻页,返回,由上所述可知:,由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：,ICIB 或 ICIB,第1章,上页,下页,翻页,返回,当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。,1.5.2 特性曲线和主要参数,1.输入特性曲线,IB = f (UBE ),UC E = 常数,UCE1V,第1章
20、,上页,下页,翻页,返回,UBE,/V,IB/,A,O,O,2.晶体管输出特性曲线,IC = f (UCE ) | IB = 常数,IB 减小,IB增加,UCE,IC,IB = 20A,IB =60A,IB =40A,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管输出特性曲线分三个工作区,UCE /V,IC / mA,80,60,40,0,IB= 20 A,O,2,4,6,8,1,2,3,4,截止区,饱和区,放大区,第1章,上页,下页,翻页,返回,UCE /V,IC / mA,80,60,40,0,IB= 20 A,O,2,4,6,8,1,2,3,4,放大区,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管三个
21、工作区的特点:,放大区:,发射结正偏,集电结反偏,有电流放大作用, IC=IB,输出曲线具有恒流特性,UCE /V,IC / mA,80,60,40,0,IB= 20 A,O,2,4,6,1,2,3,4,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管三个工作区的特点:,放大区:,发射结正偏,集电结反偏,有电流放大作用, IC=IB,输出曲线具有恒流特性,截止区:,发射结、集电结处于反偏,失去电流放大作用, IC0,晶体管C、E之间相当于开路,截止区:,UCE /V,IC / mA,80,60,40,0,IB= 20 A,O,2,4,6,1,2,3,4,第1章,上页,下页,翻页,返回,晶体管三个工作区的
22、特点:,发射结、集电结处于反偏,失去电流放大作用, IC0,晶体管C、E之间相当于开路,截止区:,饱和区,发射结、集电结处于正偏,失去放大作用,晶体管C、E之间相当于短路,饱和区:,晶体管三个工作区的特点:,放大区:,截止区:,饱和区:,发射结正偏,集电结反偏,有电流放大作用, IC=IB,输出曲线具有恒流特性,发射结、集电结处于反偏,失去电流放大作用, IC0,晶体管C、E之间相当于开路,发射结、集电结处于正偏,失去放大作用,晶体管C、E之间相当于短路,第1章,上页,下页,翻页,返回,3.主要参数,集电极基极间反向饱和电流 ICBO,集电极发射极间穿透电流 ICEO,ICEO=(1+)ICB
23、O,交流电流放大系数=IC / IB,第1章,上页,下页,翻页,返回,集电极最大允许电流 ICM,集-射反向击穿电压 U(BR)CEO,集电极最大允许耗散功率 PCM,过压区,过流区,安全工作区,过损区,PCM=ICUCE,UCE/V,U(BR)CEO,IC/mA,ICM,O,使用时不允许超 过这些极限参数.,第1章,上页,下页,翻页,返回,1.5.3 简化的小信号模型,三极管工作在放大状态时可用电路模型来表征它的特性。,建立简化小信号模型的条件： 1）三极管工作在放大状态; 2) 输入信号非常小（一般A数量级）,上页,下页,第1章,翻页,返回,三极管微变等效模型的建立步骤：,Uce1V,IB
24、,IB,UBE,第1章,上页,下页,Q,翻页,返回,输出回路微变等效电路,UCE,UCE,第1章,上页,下页,翻页,返回,IC,IB,e,第1章,上页,下页,返回,本节结束,1.6 绝缘栅场效晶体管,1.6.1 基本结构和工作原理,第1章,上页,下页,返回,1.6.2 特性曲线和主要参数,1.6.3 简化的小信号模型,概述,第1章,上页,下页,返回,翻页,场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，绝缘栅型场效应管的应用最为广泛，这种场效应管又称为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS）。,1.6.1 基本结构和工作原理,1.结构,B,G栅极,D漏极,SiO2,B,D,G,S,P型硅衬
25、底,S源极,N沟道增强型结构示意图,图形符号,第1章,上页,下页,返回,N+,N+,翻页,2.工作原理,D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。,(1) UGS =0,结构示意图,衬底引线B,UDS,ID = 0,G,D,S,P型硅衬底,SiO2,栅源电压对导电沟道的控制作用,第1章,上页,下页,N+,N+,翻页,返回,(2) 0 UGS UGS(th),由栅极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动。,UDS,SiO2,G,D,S,B,结构示意图,P型硅衬底,N+,N+,ID = 0,UGS,在P型衬底表面形 成耗尽层。,第1章,上页,下页,
26、翻页,返回,(3) UGS UGS(th),栅极下P型半导体表 面形成N型导电沟道。,当D、S加上正向电压 后可产生漏极电流ID 。,N+,N+,SiO2,G,D,S,耗尽层,B,P型硅衬底,UGS,N型导电沟道,ID,第1章,上页,下页,翻页,返回,由上述讨论可知:,UGS愈大，导电沟道愈厚,在UDS电压作用下,电流ID愈大。即通过改变电压UGS的大小可以改变漏极电流ID的大小。,随着栅极电压UGS的增加，导电沟道不断增加的场效管称为增强型场效应管。,场效应管只有一种载流子参与导电,故称为单极型晶体管。普通晶体管中空穴和电子两种载流子参与导电称之为双极型晶体管。,上页,第1章,翻页,返回,下页,上页,第1章,翻页,返回,下页,0,UDS/v,10,20,1,2,3,4,ID / mA,N沟道耗尽型MOS管的特性曲线,输出特性,转移特性,1.6.2 特性曲线和主要参数,上页,第1章,翻页,返回,下页,增强型MOS管的转移特性,主要参数,上页,第1章,翻页,返回,下页,第1章,上页,返回,简化模型,1.6.3 简化的小信号模型,由于MOS管的栅源输入电阻很大，故可认为 G、S间是开路的。,说明,本章结束,
