计算机电路基础(第3版)

　　
前    言
　　
　　本书是根据高等院校计算机专业教学特点和非电类相关专业对“计算机电路基础”课程教学的基本要求，结合电路理论、现代模拟电子技术和数字技术的发展编写的。本次修定再版保持原版的体系和特点，对部分内容进行补充修改的同时，增加了电子电路设计自动化软件Multisim 10.0的使用方法。
　　“计算机电路基础”是一门既有基本理论，又有较强实践性的专业基础课。学习本课程的目的是使学生掌握电路的基本理论和分析方法，为后续的专业课打下必要的基础，学生还要在实践中体会、巩固和提高所学知识。
　　本书注重基础理论和基本方法，在阐明基本物理概念、电路工作原理和分析方法的同时，力求做到加强基本概念、突出重点、突出应用、循序渐进。书中采用“提示”和“注意”的方法，加深对概念的理解。每章都有小结并附有习题，巩固所学知识，也便于自学。
　　本书共分为11个教学项目，其中项目1～4是电路基础部分，主要内容包括电路的基本概念和基本定律、电路的分析方法、正弦交流电路和电路的暂态分析；项目5～8是电子模拟电路部分，主要内容包括半导体器件、基本放大电路、集成运算放大器和直流稳压电路；项目9、10是数字电路部分，主要内容包括门电路和组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路；项目11介绍电子电路仿真。该课程总学时为100学时。书中标记“*”的部分内容，可视专业的教学需求、学时的多少和学生的实际水平供教师选讲或学生参考之用。
　　本书由魏则燊主编，负责全书的组织、统编与审阅；参与编写的还有魏伟、毛文辉。
　　由于编者水平有限，书中难免存在不妥和错误之处，敬请使用本书的教师和读者给予批评指正。
　　
编  者

      《计算机电路基础（第3版）》是根据高等院校计算机专业教学要求编写的教科书。
　　《计算机电路基础（第3版）》涉及电路基础、模拟电子技术和数字电子技术三方面内容。
　　《计算机电路基础（第3版）》系统地介绍了电路的基本概念和基本定律基本分析方法、正弦交流电路、暂态分析、半导体器件、放大电路、运算放大器、稳压电路、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路和电子电路仿真。
　　《计算机电路基础（第3版）》中在对传统的基础理论和电路进行详细分析的同时，对集成电路的应用做了大量的介绍，是一本由浅入深、循序渐进、内容丰富、层次清晰、重点突出、实用性强、易于学□□教材。
　　《计算机电路基础（第3版）》既可作为高等学校、高职高专、成人教育计算机专业和其他非电类相关专业的电路课程教材，也可供工程技术人员学习与参考。

项目1 电路的基本概念和基本定律
1．1 电路
1．1．1 电路的作用
1．1．2 电路模型
1．1．3 集总假设
1．2 电流、电压和功率
1．2．1 电流
1．2．2 电压和电位
1．2．3 关联参考方向
1．2．4 功率
1．3 二端元件和受控源
1．3．1 电阻元件
1．3．2 电压源
1．3．3 电流源
1．3．4 受控源
1．4 电路的3种状态
1．4．1 开路状态
1．4．2 短路状态
1．4．3 有载状态
1．5 基尔霍夫定律
1．5．1 支路、节点和回路
1．5．2 基尔霍夫电流定律
1．5．3 基尔霍夫电压定律
小结
习题

项目2 电路的分析方法
2．1 电阻的串联与并联
2．1．1 电阻的串联
2．1．2 电阻的并联
2．2 电路分析方法
2．2．1 支路电流法
2．2．2 回路电流法
2．3 叠加定理
2．4 戴维南定理
2．5 2大功率输出
小结
习题

项目3 正弦交流电路
3．1 正弦交流电压和电流
3．1．1 频率与周期
3．1．2 幅值与有效值
3．1．3 初相位
3．2 正弦量的相量表示法
3．2．1 复数的两种表示法
3．2．2 相量
3．3 单一参数的交流电路
3．3．1 电阻交流电路
3．3．2 电感交流电路
3．3．3 电容交流电路
3．4 电阻、电容与电感串联的交流电路
3．5 阻抗的串联与并联
3．5．1 阻抗的串联
3．5．2 阻抗的并联
*3．6 功率因数
*3．7 电路的谐振
3．7．1 串联谐振
3，7．2 并联谐振
*3．8 非正弦周期信号
3．8．1 非正弦周期量
3．8．2 非正弦周期量的有效值
3．8．3 非正弦周期量的频谱
3．8．4 非正弦周期信号电路中的
功率
小结
习题

项目4 电路的暂态分析
4．1 换路定律
4．1．1 电路中过渡过程的产生
4．1．2 换路定律
4．2 一阶线性电路暂态分析
4．2．1 初始值
4．2．2 稳态值
4．2．3 时间常数
4．2．4 一阶线性电路的暂态分析
4．3 微分电路和积分电路
4．3．1 微分电路
4．3．2 积分电路
小结
习题
……

项目5 半导体器件
项目6 基本放大电路
项目7 集成运算放大器
项目8 直流稳压电路
项目9 门电路和组合逻辑电路
项目10 触发器和时序逻辑电路
项目11 电子电路仿真

附录
参考文献

      《计算机电路基础（第3版）》是根据高等院校计算机专业教学要求编写的教科书。
　　《计算机电路基础（第3版）》涉及电路基础、模拟电子技术和数字电子技术三方面内容。
　　《计算机电路基础（第3版）》系统地介绍了电路的基本概念和基本定律基本分析方法、正弦交流电路、暂态分析、半导体器件、放大电路、运算放大器、稳压电路、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路和电子电路仿真。
　　《计算机电路基础（第3版）》中在对传统的基础理论和电路进行详细分析的同时，对集成电路的应用做了大量的介绍，是一本由浅入深、循序渐进、内容丰富、层次清晰、重点突出、实用性强、易于学□□教材。
　　《计算机电路基础（第3版）》既可作为高等学校、高职高专、成人教育计算机专业和其他非电类相关专业的电路课程教材，也可供工程技术人员学习与参考。

项目1
电路的基本概念和基本定律
　　

　　教学提示：
　　电路是学习电子技术的基础，是电子类专业的入门知识。本项目主要介绍电路的一些基本概念和基本定律等电路理论的基础知识。
　　教学目标：
* 了解电路模型和集总假设的意义。
* 理解电压、电流的参考方向和关联参考方向。
* 理解电压源、电流源的特性及功率计算。
* 理解支路、节点、回路的定义和电路的3种工作状态。
* 理解基尔霍夫电流和电压定律，要求熟练掌握并能自如地应用于电路计算。
* 能分析和计算电路中各点电位。
1.1  电    路
　　电流流通的路径称为电路。电路实现电能的传输和转换，或实现信号的传递和处理。电路的形式是多种多样的。
1.1.1  电路的作用
　　在日常生活中，各种各样的电气设备随处可见，从简单的手电筒、台灯到比较复杂的电视机、计算机等，它们都是由各种各样不同功能的具体电路组成的。不管这些电路如何简单或复杂，都可以分成电源、中间环节和负载3个部分，如图1.1所示。

图1.1  电路的组成
　　电源是向电路提供电能的设备，如发电机、电池等，为整个电路工作提供能源。电源的作用是将其他形式的能量转化成电能。
　　负载是指各种用电设备和元器件的总称，它的作用是将电能转换成其他形式的能量，如台灯可将电能转换成光能，电饭锅可将电能转换成热能，音响设备中的扬声器可将电能转换成声能。负载是电路中的主要耗电器件。
　　从电源到负载之间是中间环节部分，它通过导线将电源和负载连接起来，形成一个完整的电路。中间环节部分可能是一个简单的开关，也可能是由许多电子元器件组成的可以完成复杂功能的电子系统。
　　电路是由电子器件或部件按一定方式连接形成电流的通路，电路的作用是实现电能的传输和转换，或者说是实现信号的传递和处理。

1.1.2  电路模型
　　实际电路都是由许多起不同作用的电子元件相互连接而成的。在手电筒的实物连接图中，所有的元件都是具体的实物，如图1.2所示。当用元件的符号代替实物时就得到它相应的电气图，如图1.3所示。从图中可以看出，电气图要比实物连接图简单和直观。实际的电子元件往往都不是单一参数的理想元件，如手电筒中的电池除电动势E外，还存在内电阻RS；开关在闭合时也存在一定的接触电阻RK；连接元器件的导线存在线间电阻RX等。为了突出元件的主要特性，忽略其次要因素，把它近似地看成单一参数的理想电路元件。在如图1.4所示的电路中，忽略引线间电阻；电池用电动势E表示，忽略RS；开关用K表示，忽略RK；小电珠用电阻RL表示。这样用理想电元件所组成的电路，称为实际电路的电路模型。电路模型是对实际电路的抽象和概括。

图1.2  实物连接图图1.3  电气图图1.4  电路图
1.1.3  集总假设
　　任何一个实际元件都不是一个理想的元件。实际元件的电气性能方程是很复杂的，为了简化对器件性能的描述和简化电路分析和计算，在一定的条件下，常忽略其次要物理过程，只考虑实际元件的主要特性，使其理想化。理想化的元件模型称为电路元件。如电阻器实际含有电阻、分布电容和分布电感3种参数，当只考虑电阻值消耗电能的主要特性时，就不考虑分布电容和分布电感的电磁能存储影响，因而构成它的模型仅是单个理想电阻元件，这种假设称为集总假设。这种元件称为集总参数元件，简称集总元件。
　　在建立元器件的模型时，采用上述集总假设的条件是：电场作用(充放电)只发生在电容元件上，磁场作用(磁能的储存和释放)只发生在电感元件上，而且都没有电磁能量的损失。只有在满足此条件时，才能采用集总假设的概念。
　　由集总元件构成的电路称为集总电路，简称为电路。
1.2  电流、电压和功率
　　电流、电压和功率是电路中3个重要的物理量，是电路分析和计算中的重要参数。

1.2.1  电流
　　电荷的定向运动产生电流。电流的单位为安培，简称为安，用字母A表示。常用的单位还有毫安(mA)和微安(?A)。单位之间的关系为
　　                            1A=1000mA
　　                            1mA=1000?A
　　正电荷运动方向为电流的方向。电流通常是时间的函数。如果电流的大小和方向不随时间变化，则称此电流为直流电流(或恒定电流)，用大写字母I表示，如图1.5所示。大小随时间变化而方向不随时间变化的电流称为变动电流i，如图1.5所示。如果电流的大小和方向都随时间而变化，这样的电流称为交流电流，用小写字母i表示，如图1.6所示。以后用i(t)或i表示随时间变化的电流。

图1.5  直流电流图1.6  交流电流
　　在复杂电路中，要正确判定一个元件上的电流方向并非易事。因此，在分析和计算电路前总是先假定流过元件上电流的方向，这个假设的电流方向称为电流参考方向。据此假定电流方向，经过分析计算，如果所求得电流为正值，说明流过元件的电流的实际方向与假定的电流参考方向一致，如图1.7(a)所示；如果所求得电流为负值，则实际电流方向与电流参考方向相反，如图1.7(b)所示。因此，电流的正负值必须在参考方向选定后才能确定。
　　
 注意： 参考方向是一种分析方法，只有在参考方向选定之后，电流和电压才有正、负之分。

图1.7  电流方向
1.2.2  电压和电位
1. 电压
　　单位正电荷在电场力的作用下，从电场中的a点移到b点所做的功，称为电场中a、b两点间的电压。电压通常是时间的函数。直流电压用U表示，交流电压用u(t)表示。电压单位为伏特，简称伏，用大写字母V表示。电压较小时用mV(毫伏)和?V(微伏)作为单位。这里
1V=1000mV
　　　　　　　　　　　　　　　　　1mV=1000?V
　　和电流一样，电压也具有方向。电压方向规定为由高电位(“ ”极性端)指向低电位(“-”极性端)，即电位降低的方向作为电压的实际方向。电压方向也可以用下标方式表示，如a、b两点之间的电压方向由a( )指向b(-)，可表示为Uab。与假定电流的参考方向的道理一样，计算电路前先假定元件上电压的方向，即电压参考方向。当实际求得电压值U >0时，说明元件上电压参考方向与实际电压方向一致，如图1.8(a)所示。如果所求得电压值U<0时，则电压参考方向与实际电压方向相反，如图1.8 (b)所示。

图1.8  电压方向
2. 电位
　　在对电路进行电压分析的时候，往往要选定电路中的某一点作为电压的参考点，称为零电位点。电路中的任一点到零电位点的电压称为该点的电位。在如图1.9所示的电位图中，选择d为零电位点，则a、b、c点的电位分别为Ua、Ub、Uc。对于零电位，习惯上用接地符号⊥表示。电路中电压的参考点是任意选定的，一经选定，其他点的电位也随之而定。
1.2.3  关联参考方向
　　在分析电路的时候，有时需要对某一元件同时设定电流参考方向和电压参考方向，如图1.10所示。在图1.10(a)中，电流和电压的参考方向一致，称为关联参考方向。在图1.10(b)中，电流和电压的参考方向不一致，称为非关联参考方向。

图1.10  参考方向
　　
【例1.1】求如图1.11所示电路中R的电阻值。
　　解  电阻上的电压是流过电阻上的电流I所产生的，电流和电压的参考方向是一致的，即关联参考方向。这时，U=IR。如果电流和电压的参考方向相反(非关联参考方向)，则U=-IR 。
　　由图1.11(a)，得
　　R === 4
　　由图1.11(b)，得

图1.11  例1.1的电路
1.2.4  功率
　　正电荷从电路元件电压的正极，经元件移到电压的负极，正电荷从高电位移向低电位，是电场力对电荷做功的结果，电场的能量消耗在元件上。元件消耗电场的能量为吸收能量或消耗功率。可以看出，这时元件上的电流方向和电压的方向是一致的。
　　正电荷从电路元件电压的负极，经元件移到电压的正极，正电荷从低电位移向高电位，必须由外力对电荷作用以克服电场力，这时元件应具有这种外力(如化学力、电磁力)，因此元件会发出能量，或者说是元件向电路提供能量，即元件向电路提供功率。可以看出，这时元件上的电流方向和电压的方向是相反的。
　　元件上的功率可用式(1-1)计算，即
　　P=UI         (1-1)
　　如果元件上电流和电压的参考方向一致，即符合关联参考方向，如图1.10所示，用公式(1-1)计算元件上的功率。如果功率P>0，说明元件从电路中吸收功率，即元件本身消耗功率，这种元件被称为电路的负载。如果功率P<0，说明元件向电路提供功率，这样的元件本身能产出功率，被称为电源。
　　如果元件上电流和电压的参考方向不一致，即符合非关联参考方向，如图1.11(b)所示，用公式(1-1)计算元件上的功率。如果功率P>0，说明元件向电路提供功率，元件本身能产出功率，此元件为电源；如果功率P<0，说明元件从电路中吸收功率，即元件本身消耗功率，这种元件称为电路的负载。
　　
 提示： 在关联参考方向下，P>0是负载吸收功率；P<0是电源提供功率。
在非关联参考方向下，P>0是电源提供功率；P<0是负载吸收功率。
　　
　　
【例1.2】充电器A对手机电池E充电，如图1.12所示。如果手机电池的电压已降到2.5V，现用20mA电流对其充电，问手机电池和充电器的功率各为多少？各是何种功率？
　　解  因为手机电池上的电压和电流为关联参考方向，
　　用式(1-1)计算得
P = UI =2.5V×0.02A = 0.05W
　　手机电池的动率P>0，吸收功率，所以手机电池是负载。
　　因为充电器上的电压和电流为非关联参考方向，具有
P =UI = 2.5V×0.02A= 0.05W
　　充电器的功率P?>0，向手机电池提供功率，所以充电器是电源。
1.3  二端元件和受控源
　　二端元件包括电阻、电感、电容以及电压源、电流源等。本节先讨论电阻、电压源、电流源，电感和电容将在项目3的交流电路中介绍。
1.3.1  电阻元件
　　物体对电流的阻碍作用称为该物体的电阻，电阻是电路中最基本的二端元件，用符号R表示，如图1.13所示。电阻的基本单位为欧姆(?)，电阻较大时可用千欧(k?)和兆欧(M?)为单位，单位之间有以下换算关系，即
                                 1kW=1000W
                                 1MW=1000kW
　　电阻的倒数1/R，称为电导，常用G表示，即
　　G =            (1-2)
　　电导的单位是西门子，用符号“S”表示。
　　在关联参考方向下，如图1.13所示，电阻上电流和电压的关系为
　　R =          (1-3)
　　这就是欧姆定律。如果电阻上电流和电压的参考方向不符合关联参考方向，则关系式为
　　R = -         (1-4)
　　式(1-3)可写成U=RI，它说明：通过电阻的电流与加在电阻上的电压成正比，其比例系数就是电路中该电阻的阻值R。如果R 值不随外加的电压或电流变化，此电阻R 称为线性电阻，如图1.14中直线a所示；否则为非线性电阻，如图1.14中曲线b所示。

图1.13  电阻图1.14  电阻特性
1.3.2  电压源
　　独立电压源是一个二端元件，简称为电压源，如干电池、各种稳压电源、信号源和发电机等。任何电压源都含有电动势E和内阻RS，它的模型如图1.15中虚线左边部分所示。图中U为电压源的端电压，RL为外接的负载电阻。由图中可得
　　U = IRL = E – IRS        (1-5)
　　电源E输出功率为PE=I2RL I2RS ，这里I2RL为负载功率，I2RS为电源内阻消耗功率。
　　当内阻RS = 0时，电源无内阻，电源内部无电压降，电源的端电压U等于电动势E，电源输出一个恒定的电压E。这时的电压源称为恒压源，又称理想电压源。像干电池、蓄电池等理想电压源，常用如图1.16所示的符号表示。当RS>0时，电源的端电压随着输出电流I的增加(此时在内阻上的压降增加)而下降。恒压源和电压源的输出特性如图1.17所示。

图1.15  电压源电路图1.16  理想电压源图1.17  电压源输出特性
　　
 注意： 理想电压源输出电流I的大小完全由外电路的负载RL所确定。
　　
1.3.3  电流源
　　独立电流源简称电流源，其模型如图1.18(a)中虚线左边所示。IS是电流源的电流，RS是电流源的内阻。如果RS=∞或RS>>RL，流过负载电流I 恒等于电流源的电流IS，是一个定值。电流源两端的电压由负载电阻RL和电流源的电流IS确定。这样的电流源称为恒流源或理想电流源，如图1.18(b)所示。理想电流源的输出特性如图1.19所示，是一条与电压轴平行的、电流值为IS的直线。当电路中不能满足条件RS>>RL时，负载电阻RL流过的电流不等于电流源的电流IS，而是等于被其内阻RS分流后的剩余部分。RS 越小，分流越大，流过负载的电流I越小。电流源的输出特性如图1.19中的斜线所示。
　　
 注意： 理想电流源端电压的大小完全由外电路的负载所确定。
　　

图1.18  电流源电路
　　【例1.3】计算如图1.20所示的电路中独立电