知识框架

1 实际电路和电路模型

1.1 实际电路

作用：为了完成某种应用目的，由若干电气器件和设备按一定方式连接而成的电路通路。

1.功能：

（1）实现电能的传输和转换。（如电力工程---弱点电路）

（2）进行信号的传递与处理。（如信息工程---弱电电路）

2.基本组成

1.2 电路模型

     由反映实际电路元器件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合构成的抽象电路。今后分析的都是指电路模型，简称电路。

1.集总化的假设:实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。本书主要分析线性、非时变的集总电路。

2. 集总(理想)电路元件:在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一个端子流出的电流，两个端钮之间的电压为单值量。每个电路元件只存在一种特性。

3.实际开关和连接导线是理想的：S为理想开关，表示实际开关；连接导线为理想导线（无阻导体）。

4.电流不存在“泄漏”或“存留”现象：

5.建模处理方法：

(1)具有相同的主要电磁性能的实际电路器件，在一定条件下可用同一模型表示。如电灯、电扇、电炉、电阻器等都是以消耗电能为主的设备，都用电阻R表示。

(2)同一个实际器件在不同的应用条件下以及对模型精确度有不同要求时，它的模型可以有不同的形式。

6.应用举例

例：手电筒实际电路是一种最简单的电力电路（强电电路）。

    电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。根据这种因果关系，激励与响应有时也称为输入与输出。

    电路分析是在已知电路结构和参数的条件下，讨论激励与响应的关系。

例：晶体管放大电路是一种最简单的电子电路（弱电电路）。

1.3 思考

1.实际电路由哪几部分组成？试述电路的功能。

实际电路通常由以下四类核心元件组成，协同实现特定功能：

2. 电路的核心功能

电路的功能可分为五大类，具体如下：

（1）能量转换

• 电源电路：将其他能量（如化学能、太阳能）转换为电能（如电池、光伏电路）。

• 功率电子：电能形式转换（如AC-DC整流、DC-AC逆变）。

（2）信号处理

• 放大：小信号→大信号（如音频放大器、射频放大器）。

• 滤波：去除噪声或特定频率（如RC低通滤波、LC带通滤波）。

• 调制/解调：信号编码与解码（如无线电通信）。

（3）逻辑与计算

• 数字电路：实现布尔运算（如与门、CPU、存储器）。

• 模拟计算：连续信号处理（如积分电路、比较器）。

（4）控制与反馈

• 自动控制：通过传感器和反馈调节系统（如PID控制器、电机驱动）。

• 开关控制：通断管理（如继电器、MOSFET开关）。

（5）信号传输

• 有线传输：通过导线或PCB传递信号（如USB、以太网）。

• 无线传输：电磁波辐射（如天线、蓝牙模块）。

2.理想电路元件与实际电路器件有何不同？

3.为什么要用电路模型的方法来表示电路?本书所说的“电路”指的是什么？

1. 简化复杂性
   实际电路器件（如电阻、电容）存在多种寄生参数（如电感、漏电流等），电路模型通过理想化元件和拓扑关系抽象出核心特性，忽略次要因素，使分析更高效。

2. 通用化分析
   模型化后，不同物理形态的电路（如PCB、集成电路）可用统一的理论工具（如基尔霍夫定律、频域分析）处理，便于跨领域应用。

3. 数学可操作性
   电路模型将物理问题转化为数学方程（如微分方程、矩阵运算），支持仿真（如SPICE）和理论推导（如传递函数计算）。

4. 设计优化
   通过模型可预演电路行为（如稳定性、频率响应），减少实物调试成本。

本书所述的“电路”指：由理想或实际电路元件（如电阻、电容、晶体管）通过导线或传输介质连接而成的网络，用于实现电能传输、信号处理或逻辑控制等功能。

2 电流、电压及其参考方向

2.1 电流及其参考方向

3.电流的参考方向

      电流的实际方向：是正电荷运动的方向，复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断，在分析电路时，电流采用参考方向。

    电流的参考方向：人为假设，可任意设定，但一经设定，便不再改变。在电路图中用箭头或双下标示出。

用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。

用双下标表示：如 iab, 电流的参考方向由a指向b。

2.2 电压及其参考方向

1.定义

电位：单位正电荷q 从电路中一点移至参考点时电场力做功的大小。

电压：电场力将单位正电荷从某一点移到另一点所作的功定义为该两点之间的电压，也称电位差或电压降。

同样分直流电压U和交流电压u。

2.结论

       电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就唯一确定；当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。

3.电动势

     电动势：非电场力克服电场力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。

根据能量守恒： uab = eba。电压表示电位降，电动势表示电位升，即从a到b的电压，数值上等于从b到a的电动势。

电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。

电动势的单位与电压相同，也是 V (伏) 。

2.单位及换算:单位是V (伏特，简称伏)。

常用的单位有MV、kV、mV、mV。

2.3 电压参考方向的三种表示方式：

(1)用箭头表示：箭头指向为电压(降)的参考方向。

(2)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压(降)的参考方向。

(3)用双下标表示：如 Uab , 由a指向b的方向为电压(降)的参考方向。

引入电压的参考方向之后，电压亦成为代数量。不再赘述。

2.4 关联参考方向

元件电流的参考方向与电压 的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向;否则为非关联参考方向。

(1) 电压和电流的参考方向是任意假定的。分析电路前必须标明。

(2) 参考方向一经假定，必须在图中相应位置标注 (包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。

3 电功率和电能

3.1 电功率【单位:W瓦(特)】

3.2 电能【单位:J焦(耳)】

4 电阻元件

4.1 电阻元件：是从实际电阻器抽象出来的模型，只反映电阻器对电流呈现阻力、损耗能量的性能。

1. 非线性电阻元件:其伏安关系用u～i平面的一条曲线来描述。

2. 线性电阻元件:其伏安关系用u～i平面的一条直线来描述。

任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。符合欧姆定律。

5 独立电源

   独立电源是实际电源的理想化模型，是将非电能转换为电能的元件或装置，它的作用是给外电路提供电能或电信号。

按照其特性的不同可以分为电压源和电流源。其中电压源是对外电路提供电压的实际电源的抽象，例如电池、稳压电压源等。电流源是对外电路提供电流的实际电源的抽象，例如光电池、稳压电流源等。

6 受控电源（非独立源）

        受控源是从电子器件中抽象出来的一种模型。有些电子器件具有输出端电压或电流受输入端电压或电流控制的特性。例如，晶体管的集电极电流受基极电流的控制，场效应管的漏极电流受栅极电压的控制。

        它们虽不能独立地为电路提供能量，但在其它信号控制下仍然可以提供一定的电压或电流。这类元件可以用受控源模型来模拟。如下图所示。

6.1 受控源

1.定义

      受控电源(又称非独立电源)：受控电压源的电压或受控电流源的电流受电路中某部分电流或电压的控制，即某一电压或电流控制的电源。

2.电路符号

       根据被控制量是电压或电流 ,受控源可分两种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。

     (1) 独立源与受控源的相同点：都可以对外电路作功。

独立源与受控源的不同点：独立源的输出量是独立的，独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流；受控源的输出量是不独立的，受控源电压(或电流)由控制量决定，在电路中不能作为“激励”。

(2) 在求解具有受控源电路时，可以把受控源作为独立源来处理，但必须注意其电压或者电流是取决于控制量的。特别要注意：不能随意把控制量的支路消除掉，因为受控源依附于控制量而存在。当控制量为零时，受控源输出也为零。

(3) 受控源为四端元件。一般在含受控源的电路中，并不明确标出两个端口，但其输出量与控制量必须明确标出。

  (4) 线性受控源：控制量与受控量(输出量)的关系为一次函数

                                关系。本书只讨论线性情况。      

7 基尔霍夫定律

    电路变量(支路电压和支路电流)受两类约束：   

    一类是元件特性造成的约束，如线性电阻元件的电压与电流必须满足 u = iR 的关系，即VCR。

    另一类是由于元件的相互连接给支路电流之间或支路电压之间带来的约束关系，常称结构(或拓扑)约束，它由基尔霍夫定律来体现。

    基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)，反映电路中所有支路电流和电压所遵循的规律，它仅与元件的相互连接有关，而与元件的性质(线性或非线性、时变或非时变等)无关。

总结