電路元件簡(jiǎn)介

一種主要對(duì)電路提供整流、開關(guān)和放大功能的(電路)元件。注:有源元件在電路中，也可以起到電阻和電容的作用，或者是將外部能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。例如:發(fā)光二極管、晶體管、半導(dǎo)體集成電路、光敏半導(dǎo)體器件和光發(fā)射半導(dǎo)體器件等。

電工中實(shí)際器件的數(shù)學(xué)模型。每一個(gè)電路元件的電壓u或電流i，或者電壓與電流之間的關(guān)系有著確定的規(guī)定。這種規(guī)定性充分地表達(dá)了這電路元件的特性。這種規(guī)定性也叫做元件約束。有時(shí)，在元件約束里也用到電荷q和磁鏈ψ，不過它們與電壓u和電流i總是滿足下面的關(guān)系

在電工理論中常取適當(dāng)?shù)脑?，加以?lián)接來構(gòu)造實(shí)際器件或電路的模型，以便于分析計(jì)算。表中列出了一些常見的電路元件和它們的元件約束。表中，除了獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源之外，如果元件參數(shù)是常數(shù)，對(duì)應(yīng)的元件叫做定常元件。定常電容器和定常電感器的元件約束分別是

式中C和L是常數(shù)

電路元件通常分為時(shí)變?cè)c時(shí)不變?cè)⒕€性元件與非線性元件、分布參數(shù)元件與集總參數(shù)元件。

u或電流i的函數(shù)(有時(shí)也可以是電荷q或磁鏈 ψ的函數(shù))，對(duì)應(yīng)的元件叫做非線性元件;否則叫做線性元件。 定常元件是一種線性元件。非線性元件的一個(gè)例子如下:半導(dǎo)體二極管的數(shù)學(xué)模型為

i=a(-1)(a>0,b>0)上式為元件約束。它在電流i與電壓u之間規(guī)定了一個(gè)代數(shù)關(guān)系，元件是非線性電阻器。電阻R 是 上式說明，電阻R 是元件電壓u的函數(shù)。

不同條件下可以有不同的電路模型。例如一根金屬導(dǎo)線，當(dāng)其中電流的頻率很低時(shí)，可以用定常電阻器作為它的模型。當(dāng)導(dǎo)線中電流的頻率很高時(shí)，導(dǎo)線中各處的電流并不相等，也就是說導(dǎo)線中的電流和空間位置有關(guān)。圖1表明，在不同的空間位置上,電流i1，i2，i3……一般地互不相等,特別是流入導(dǎo)線一端的電流i1不必等于從導(dǎo)線另一端流出的電流in。

對(duì)于某個(gè)電工器件，凡是要考慮其電流、電壓和空間位置或者說要考慮其電流、電壓在空間的分布情況時(shí)，即為分布參數(shù)元件，必須采用具有分布參數(shù)的模型。均勻傳輸 線就是一種典型的分布參數(shù)電路。不考慮電流、電壓在空間分布的模型，叫做集總參數(shù)模型。表中所列電路元件都是集總參數(shù)元件或稱集總元件。

由集總參數(shù)元件組成的電路稱為集總參數(shù)電路或集總電路。在這種電路里，電流、電壓除了在元件上應(yīng)滿足元件約束之外，還要滿足基爾霍夫定律。

對(duì)于圖2a所示的集總參數(shù)電路，可以寫出以下電路方程。

基爾霍夫第一定律方程: i1=i2+i3

基爾霍夫第二定律方程: u1+u2=us u2=u3

元件約束方程: u1=R1i1 u2=R2i2 u3=R3i3 us=f(t)

這個(gè)電路的電路方程是一組代數(shù)方程。如果電路中還含有受控電源、理想變換器、運(yùn)算放大器等元件，列出的電路方程仍然是一組代數(shù)方程。因?yàn)槁?lián)系這些元件的電壓和電流的元件約束是代數(shù)關(guān)系,不含對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)(如表<所示)。

對(duì)于圖2b電路，它的基爾霍夫定律方程和圖2a電路的相同。若圖的R、L、C是常數(shù)，即對(duì)應(yīng)的元件是定常元件，則元件約束是: u1=Ri1 us=f(t)

由于電路里含有電容元件和電感元件，電路方程里有對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)。

假設(shè)已知獨(dú)立電壓源的電壓的時(shí)間變化即已知f(t)，已知圖a 中三個(gè)定常電阻器的常值參數(shù)R1、R2、R3,或已知圖b中三個(gè)定常元件的常值參數(shù)R、L、C,根據(jù)非齊次線性代數(shù)方程的理論或非齊次線性常系數(shù)常微分方程的理論，從原則上講可以求解圖a、圖b各處的電流和電壓。獨(dú)立電壓源的電壓us以及獨(dú)立電流源的電流is常稱為激勵(lì)，而其他的電流、電壓叫做響應(yīng)。

當(dāng)電路元件是時(shí)變的或者是非線性的，甚至既是時(shí)變、又是非線性的，求解電路方程很困難。一般需用計(jì)算機(jī)來解復(fù)雜的電路方程。

一個(gè)實(shí)際的電阻器，在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻時(shí)不僅表現(xiàn)出電阻特性，而且還表現(xiàn)出了電抗特性。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。

一個(gè)電阻R的高頻等效電路;其中，CR為分布電容，LR為引線電感，R為電阻。

由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體構(gòu)成電容。一個(gè)理想電容器的容抗為1/(jωC)，電容器的容抗與頻率的關(guān)系如圖1-2(b)虛線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。

一個(gè)實(shí)際電容C的高頻等效電路如圖所示，其中Rc為損耗電阻 ，Lc為引線電感。容抗與頻率的關(guān)系如圖1-2(b)實(shí)線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。

(a)電容器的等效電路;(b)電容器的阻抗特性;

理想高頻電感器L的感抗為jωL，其中ω為工作角頻率。

實(shí)際高頻電感器存在分布電容和損耗電阻;自身諧振頻率SRF。在SRF上，高頻電感阻抗的幅值最大，而相角為零。

(一)二極管

半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中。

晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)

在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極型晶體管和各種場(chǎng)效應(yīng)管，在外形結(jié)構(gòu)方面有所不同。高頻晶體管有兩大類型:一類是作小信號(hào)放大的高頻小功率管，對(duì)它們的主要要求是高增益和低噪聲;另一類為高頻功率管，其在高頻工作時(shí)允許有較大管耗，且輸出功率較大。

(二)集成電路

用于高頻的集成電路的類型和品種主要分為通用型和專用型兩種。