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电路分析基础（01）

web 2025/7/14 7:23:53

1.电磁学发展简史

---> 1600年 英国物理学家吉尔伯特因发表《论磁》一书而被誉为“电学之父”。

---> 1746年 美国科学家富兰克林开始研究电现象，进一步揭示了电的性质，并提出了电流。

---> 1785年法国物理学家库仑得出了历史上最早的静电学定律——库仑定律。

---> 1800年 意大利物理学家伏特制成伏特电池。为动电研究打下基础，推动了电学的发展。

---> 1820年 丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应。在电与磁之间架起了一座桥梁，这为电磁学的发展打下了基础。

---> 1825年 法国物理学家安培提出安培定律，为电动机的发明作了理论上的准备。奠定了电动力学的基础。

---> 1826年 德国科学家欧姆在多年实验基础上，提出了著名的欧姆定律。

---> 1831年 英国物理学家法拉第发现电磁感应现象。这具有划时代的意义，开创了电气化时代的新纪元。

---> 1832年 美国科学家亨利发现了电的自感现象。亨利还发明了继电器、无感绕组等。

---> 1833年 俄国物理学家楞次发现了确定感生电流方向的定律──楞次定律。说明电磁现象也遵循能量守恒定律。

---> 1837年 美国人莫尔斯发明了有线电报，有线电报的发明具有划时代的革命意义。

---> 1845年 德国物理学家基尔霍夫提出了电路中的基本定律——基尔霍夫定律。基尔霍夫被称为“电路求解大师”。

---> 1853年 德国物理学家亥姆霍兹提出电路中的等效发电机原理。论证了能量转换的规律性。

---> 1864年 英国特理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，为电路理论奠定了坚定的基础。

---> 1866年 德国工程师西门子提出了发电机的原理，完成了第一台直流发电机，从此电气化时代开始了。

---> 1876年 美国科学家贝尔发明了电话，实现了通信技术的飞跃。

---> 1879年 美国发明家爱迪生发明了灯泡。开启了人类史上的“电力时代”。

---> 1887年 美籍发明家特斯拉发明了交流电电力系统，并制造出第一台交流发电机。

---> 1894年 意大利物理学家马可尼和俄国工程师波波夫分别发明了无线电。开创了人类通讯的新纪元。

---> 1895年 荷兰物理学家洛伦兹提出了著名的洛伦兹力公式，他是经典电子论的创立者。

---> 1904年 英国弗莱明发明了电子二极管。

---> 1906年 美国德福雷斯特发明了电子三极管。

---> 1925年 英国贝尔德发明了电视。1936年，黑白电视机问世。

---> 1946年 第一台电子管计算机在美国宾夕法尼亚大学制成。

---> 1947年美国肖克莱、巴丁、布拉顿三人发明了晶体管。

---> 1958年 美国基尔比发明了集成电路，开创了电子技术的新纪元。

---> 1981年 美国比尔·盖茨正式推出了IBM个人电脑。

2电路理论的发展历史和最新动态

电路理论起源于物理学中电磁学的一个分支，若从欧姆定律(1826年)和基尔霍夫定律(1845年)的发表算起，至今已走过了一百多年的发展历程。目前已发展成为一门体系完整、逻辑严密、具

有强大生命力的学科领域。电力和电信工程的发展要求对信号的传输进行系统的研究，并按照给定的特性来设计各种电路，促进了电路理论的早期发展。第二次世界大战中雷达和近代控制技术的出现，对电路理论的发展起了推进作用。

20世纪30年代开始，电路理论已形成为一门独立学科，建立了各种元器件的电路模型。50年代末，电路理论在学术体系上基本完善，这个阶段称为经典电路理论。

20世纪60年代以后的电路理论为近代电路理论。

2.1 经典电路理论和近代电路理论

1. 经典电路理论(二十世纪初至20世纪50年代末)

由时域分析发展到频域分析与电路设计。

2. 近代电路理论(20世纪60年代以后)

其主要特点:

(1)图论引入电路理论。

(2)出现大量新的电路元件、有源器件。

(3)电路分析和设计在计算机上的应用。

2.2电路理论研究问题

1. 电路分析

2. 电路综合与设计

3. 电路的“故障诊断”

2.3研究热点与前沿课题

电路的故障诊断与自动检测、有源与开关电容电路、微电子电路设计与应用、非线性电路的分析综合、器件建模和新器件的创制、电路的数学综合、人工神经网络等。

2.4 如何看待电路

3 拓展知识

3.1 有源器件与无源器件的区别是什么？如何进行区分

1. 有源器件（Active Devices）---放大、控制

定义：能够放大信号或主动控制能量的器件，通常需要外部电源供电。
关键特性：

能量放大：可将小信号放大（如晶体管放大电压/电流）。
控制功能：通过小信号控制大功率电路（如开关、调制）。
依赖外部电源：需直流电源（如IC、晶体管需VCC）。
非线性特性：工作状态可能随输入变化（如二极管单向导通）。

常见例子：

晶体管（BJT、FET、MOSFET）
集成电路（运放、CPU、存储器）
二极管（整流、发光二极管LED）
真空管（早期放大器）

应用场景：放大器、振荡器、数字逻辑电路、电源管理等。

2. 无源器件（Passive Devices）

定义：不能放大信号或提供能量增益的器件，通常无需外部电源。
关键特性：

能量消耗/存储：仅消耗、分配或存储能量（如电阻发热、电容储能）。
无增益功能：输出能量≤输入能量。
无需外部电源：工作依赖电路中的信号能量。
线性特性（多数情况下）：如电阻遵循欧姆定律。

常见例子：

电阻（限制电流、分压）
电容（滤波、储能、耦合）
电感（储能、滤波、抗干扰）
变压器（电压变换、隔离）
被动传感器（如热敏电阻）

应用场景：滤波电路、阻抗匹配、能量存储、信号调理等。

4. 特殊注意事项

二极管：虽为有源器件（因单向导电性控制电流），但部分场景视为无源（如整流时不放大信号）。
变容二极管：利用电压控制电容，属于有源器件。
集成电路：内部集成有源和无源元件，但整体归类为有源（因含晶体管）。

5. 为什么区分重要？

电路设计：有源器件决定系统增益和动态性能，无源器件影响稳定性、频率响应。
故障排查：有源器件（如IC）更易因电源问题损坏，无源器件（如电容）可能老化失效。

理解这两类器件的区别，是分析电路工作原理和设计可靠系统的关键基础。

3.2 线性电路跟非线性电路如何进行区分？

1. 定义与数学判据

线性电路：
- 输入-输出关系满足线性方程：y(t)=k⋅x(t)y(t)=k⋅x(t)（kk为常数）。
- 判据：
  - 叠加性：输入x1+x2x1+x2的输出等于y1+y2y1+y2。
  - 齐次性：输入a⋅xa⋅x的输出等于a⋅ya⋅y（aa为比例系数）。
- 器件特性：仅含线性元件（如理想电阻、电容、电感）。
非线性电路：
- 输入-输出关系为非线性方程（如指数、对数、分段函数）。
- 判据：叠加性或齐次性不成立。
- 器件特性：含非线性元件（如二极管、晶体管、铁芯电感）。

3. 实际判断方法

（1）通过元件特性

线性元件：
- 电阻：V=IRV=IR（欧姆定律）。
- 电容：I=CdVdtI=CdtdV（线性时不变）。
- 电感：V=LdIdtV=LdtdI（线性时不变）。
非线性元件：
- 二极管：I=Is(eV/nVT−1)I=Is(eV/nVT−1)（指数关系）。
- 晶体管：IC=βIBIC=βIB（β非线性变化）。
- 铁芯电感：磁饱和导致电感量随电流变化。

（2）通过输入-输出响应

线性电路：
- 输入正弦波 → 输出同频率正弦波（仅幅度/相位变化）。
- 示例：RC低通滤波器。
非线性电路：
- 输入正弦波 → 输出含谐波或频率分量（如整流电路输出脉动直流）。
- 示例：二极管整流器、放大器饱和区。

（3）通过频域分析

线性电路：频谱中仅有输入频率成分。
非线性电路：频谱中出现新频率（如谐波、交调失真）。

4. 典型电路示例

线性电路：
- 无源滤波器（RC、LC电路）。
- 小信号放大器（工作在线性区的运放）。
非线性电路：
- 整流电路（二极管）。
- 开关电源（晶体管开关动作）。
- 振荡器（依靠非线性限幅）。

5. 混合情况

某些电路可能同时包含线性和非线性部分：

示例：
- 放大器：小信号时线性，大信号时饱和（非线性）。
- 数字电路：逻辑门在高低电平间切换（非线性），但内部晶体管可分段线性化分析。

6. 工程意义

线性电路：易于分析，适合信号处理、通信系统。
非线性电路：用于实现特殊功能（如调制、解调、功率转换），但需处理失真问题。

总结：通过元件特性、输入输出响应和频谱分析，可明确区分线性和非线性电路。实际设计中，需根据需求选择合适的电路类型。

3.3 电路中的阻抗匹配是什么意思？

阻抗匹配是电子电路设计中的关键概念，目的是最大化功率传输或减少信号反射，确保信号高效、稳定地从源端传递到负载端。以下是详细解析：

1. 阻抗匹配的核心原理

(1) 最大功率传输定理

当源阻抗（ZSZS）与负载阻抗（ZLZL）满足共轭匹配（即 ZL=ZS∗ZL=ZS∗）时，负载可获得最大功率。
- 直流电路：RL=RSRL=RS（纯电阻匹配）。
- 交流电路：ZL=ZS∗ZL=ZS∗（实部相等，虚部相反，如 ZS=R+jXZS=R+jX，则 ZL=R−jXZL=R−jX）。