电路原理基础：从概念到应用的完整指南

电路原理基础：从概念到应用的完整指南

电路原理是电子工程和物理科学的基础知识，涵盖了电路的基本概念、电路模型、描述电路的物理量（如电流、电压、功率等）、电路元件（如电阻、电容、电感）以及一些基本的电路定律和概念。本文将系统地介绍这些基础知识，适合初学者学习电路原理。

一、电路基本概念

1. 电路的组成

电路主要由三部分组成：电源、负载和中间环节。

• 电源：能将其他形式的能转换成电能并向电路（电子设备）提供电能的装置。比如：干电池（直流电）和家用的110V-220V交流电源。
• 负载：电路中接收电能的设备。比如：电阻、灯泡、电动机。对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。
• 中间环节：包括（1）连接导线、（2）控制电路（如开关、继电器、接触器等）、（3）保护电器（如熔断器）、（4）测量仪表（如电流表、电压表等）

2. 电路模型

电路模型是实际电路的理想化模型，由理想电路元件组成。理想电路元件包括电阻元件、电感元件、电容元件等。

3. 描述电路的物理量

（1）电流I

• 单位：A(安培)
• 定义：带电粒子有规则的定向运动
• 强度：单位时间内通过导体横截面的电荷量
• 方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方向
• 参考方向：任意假定一个正电荷运动的方向为电流的参考方向

（2）电势

• 单位：V(伏特)
• 定义：处于电场中某个位置的单位电荷所具有的电势能与它所带的电荷量之比。电势只有大小，没有方向——是标量，其数值不具有绝对意义，只具有相对意义。

（3）电压U

• 单位：V(伏特)
• 定义：电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量
• 大小：单位正电荷q从电路中一点移动到另一点时电场力做功（W）的大小

• 方向：高电位指向低电位的方向
• 结论：电路中电位参考点可以任意选择；参考点一经选定，电路中各点的电位值就唯一确定；当选择不同电位参考点时，电路中各点的电位值将改变，但任意两点间电压保持不变

电压和电流 关联参考方向
元件或支路的U，I采用相同的参考方向称为关联参考方向，反之，称为非关联参考方向

（4）功率P

• 单位：W(瓦特)
• 定义：电流在单位时间内做的功，用来表示消耗电能的快慢的物理量，P=dW/dt。
• U\I取关联参考方向，P=UI表示元件吸收的功率：P>0，吸收正功率（实际吸收），P<0，吸收负功率（实际发出）=发出正功率；
• U\I取非关联参考方向，P=UI表示元件发出的功率：P>0，发出正功率（实际发出），P<0，发出负功率（实际吸收）=吸收正功率。
• 能量W：功率对时间的积分 单位：J(焦耳)

4. 电路元件

（1）电阻元件R

• 单位：欧姆
• 定义：指的是线性二端电阻，也就是端口电压和电源成比例的二端元件，满足欧姆定律（R=U/I）
• 电磁特性：也就是端口U-I特性
• U-I关联，端口特性方程：U=RI
• U-I非关联，端口特性方程：U=-RI
• R=0时，U=0，短路，I很大
• 电导：G，G=1/R

（2）电容元件C

• 单位：F（法拉）
• 定义：此处研究线性的电容元件，即电荷q和电压u成正比
• 结构：电容器是由两块用介质绝缘的电导体构成的，能存储电荷和电场能

• 电容：，S为两块极板的正对面积，d为极板之间的距离
• 电磁特性：关联关系前提下，q=CU
• U-I关系：关联关系前提下，i的表达式是一个微分方程，说明电容器是一个动态元件，i关于t的一个积分方程，说明电容是一个记忆元件
• 因为在直流电路中（电压U为常数），i=0，电容相当于开路/断路
• 储能：

W>=0，电容是无源元件，任一时刻，电容储能

（3）电感元件L

• 单位：H（亨利）
• 定义：能存储磁场能的线圈。当电流通过线圈后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。它是描述由于线圈电流变化，在本线圈中或另一线圈中引起感应电动势效应的电路参数。电感是自感和互感的总成。提供电感的器件称为电感器。
• 磁通量：单位Wb(韦伯)：设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个面积为S且与磁场方向垂直的平面，磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个平面的磁通量。
• 磁链：单位Wb(韦伯)：

电路元件分类

• 欧姆定律
• 基尔霍夫定律

电路应用实例

1. 小信号操作，其主要目标线性放大
2. 在输入量不变的情况下，若引入反馈后，净输入量减小，则说明引入的是负反馈
3. 在CMOS技术中，一个N沟道增强型MOSFET在截止状态下，其沟道区域是绝缘的
4. 半导体三极管的放大条件是发射结正偏，集电结反偏
5. 多谐振荡器没有稳态
6. 触发器
7. 单稳态触发器
8. 施密特触发器
9. 二极管
10. 采用差分放大器的目的是为抑制零点漂移
11. 稳压二极管的正常工作状态是反向击穿状态
12. 若使三极管具有电流放大能力，必须满足的外部条件是发射结正偏，集电结反偏
13. 一只电磁干扰的技术措施主要有：滤波、屏蔽、接地
14. 在高速系统设计中，提高系统工作频率的优化方案有：流水线、树型结构、迟滞信号后移
15. 纯电感的交流电路，电路的有功功率等于零，电路的无功功率等于电路电压与电流的有效值的乘积
16. LVDS是差分电路，什么是差分电路？为什么？