电路分析(一):速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 14 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

串并联电阻

电阻串联
Req = R1 + R2 + …
电阻并联
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
两个电阻并联
Req = R1R2 / (R1 + R2)
欧姆定律
V = I·R
功率
P = V·I = I²R = V²/R

方法

  1. 从离端子最远的网络末端开始。
  2. 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. 每一步之后重新画电路。
  4. 重复直到端子之间只剩一个电阻。

节点分析

基尔霍夫电流定律
ΣIin = ΣIout
支路电流
I = (Va − Vb)/R
参考节点
Vground = 0

方法

  1. 选定参考节点(地),并标出其他节点电压。
  2. 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律:流出各支路的电流等于流入的电流。
  3. 把每条支路电流表示为 (Va − Vb)/R。
  4. 解方程组,再求出所需的电流。

网孔分析

基尔霍夫电压定律
沿每个回路 ΣV = 0
公共电阻
电流 = I1 − I2
网孔中的电流源
直接确定该网孔电流

方法

  1. 在电路的每个网孔(窗口)中设一个顺时针电流。
  2. 对每个网孔应用基尔霍夫电压定律:电压降之和为零。
  3. 两个网孔共用的电阻中,电流为两个网孔电流之差。
  4. 解方程;结果为负表示电流实际方向相反。

叠加定理

叠加定理
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
置零的电压源
短路 (0 V)
置零的电流源
开路 (0 A)
分压公式
V2 = V·R2/(R1 + R2)
分流公式
I1 = I·R2/(R1 + R2)

方法

  1. 数一数独立电源的个数。每个电源对应求解一个更简单的电路。
  2. 保留一个电源,将其他电源置零:电压源用短路(导线)代替,电流源用开路(断开)代替。
  3. 在简化后的电路中求所需的电压或电流,并注意其方向。
  4. 对每个电源重复上述步骤,再将各分量按符号相加。

戴维南和诺顿

戴维南电压
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth:所有独立源置零,从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

方法

  1. 移去负载,并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压:这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零,求从 a–b 看进去的电阻:这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路:Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换:IN = Vth/Rth,RN = Rth 并联。

运放电路

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

RC 和 RL 暂态

时间常数
τ = RC | τ = L/R
响应
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
直流下的电容
开路;vC 不能突变
直流下的电感
短路;iL 不能突变
稳态
t ≈ 5τ

方法

  1. 求换路后瞬间的初始值:电容电压和电感电流不能突变。
  2. 求换路后很长时间的终值:电容相当于开路,电感相当于短路。
  3. 求时间常数:τ = RC 或 τ = L/R,使用从电容或电感两端看进去的电阻。
  4. 使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ。

2练习题

1.串并联电阻中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩIR2​AR4​10 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​10 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 ΩR6 = 10 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​8 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​12 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 10 VIs = 4 AV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 ΩR5 = 15 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 10 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 24 VV2 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 12 Ω+−VR1​R2​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R1 两端按图示极性的电压 VR1。

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 Ω
VR1 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBIs​1.5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VIs = 1.5 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R4​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩAIs​4 AB−+V2​36 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VIs = 4 AV2 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​2.5 ABRL​25 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 25 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 24 VIs = 2.5 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = 1.6 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 1.6 VR1 = 4.7 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
12.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = −0.7 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1.4 VR3​ = 1 kΩR4​ = 4.7 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 电阻比不匹配。求输出电压 Vout。

V1 = −0.7 VV2 = 1.4 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩR3 = 1 kΩR4 = 4.7 kΩ
Vout = V
13.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 4.7 kΩR2​ = 6.8 kΩC47 µF+−vC​

电源 Vₛ 通过 R₁ 给电容充电,R₂ 与 C 并联。 开关在 t = 0 闭合时电容未充电。 求 t = 150 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 20 VR1 = 4.7 kΩR2 = 6.8 kΩC = 47 µFt = 150 ms
vC = V
14.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 kΩC?+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 9 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 4.5 V 时它必须触发,恰好在开始后 25 ms。 已知 R = 10 kΩ,求所需的电容 C。

Vs = 9 VVth = 4.5 VT = 25 msR = 10 kΩ
C = µF

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 1.25 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​10 ΩB

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R3 + R4 = 2 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 15 + 3 = 18 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 30/18 = 1.667 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1.667·15 = 5 V
IR2 = VA/R2 = 5/4 = 1.25 A

答案

IR2 = 1.25 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.4364 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​10 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 4 + 10 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5.091 Ω
R3 + 5.091 = 9.091 Ω
R2 ∥ 9.091 = 4.255 Ω
Req = R1 + 4.255 = 25 + 4.255 = 29.26 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 24/29.26 = 0.8204 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 0.8204·25 = 3.491 V
IR2 = VA/R2 = 3.491/8 = 0.4364 A

答案

IR2 = 0.4364 A
3.节点分析

答案: VA = 6.471 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 30 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0.3·VA − 0.05·VB = 1.5

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/20 = 1
−0.05·VA + 0.15·VB = 1

求解

Δ = (0.3)(0.15) − (−0.05)(−0.05) = 0.0425
VA = Δ1/Δ = 0.275/0.0425 = 6.471 V
VB = Δ2/Δ = 0.375/0.0425 = 8.824 V

答案

VA = 6.471 V
4.节点分析

答案: VA = 14.5 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​8 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​12 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 10 V, V2 = 12 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/8 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/2 = 0
0.725·VA − 0.5·VB = 1

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/15 + (VB − VA)/2 + (VB − 12)/15 = 4
−0.5·VA + 0.6333·VB = 4.8

求解

Δ = (0.725)(0.6333) − (−0.5)(−0.5) = 0.2092
VA = Δ1/Δ = 3.033/0.2092 = 14.5 V
VB = Δ2/Δ = 3.98/0.2092 = 19.03 V

答案

VA = 14.5 V
5.网孔分析

答案: I2 = 0.3 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 10 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 15(I1 − I2) = 24
25·I1 − 15·I2 = 24

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 15(I2 − I1) = (−9)
−15·I1 + 27·I2 = −9

求解

Δ = (25)(27) − (−15)(−15) = 450
I1 = Δ1/Δ = 513/450 = 1.14 A
I2 = Δ2/Δ = 135/450 = 0.3 A

答案

I2 = 0.3 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR1 = 5.25 V

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2, I3。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
12·I1 + 4(I1 − I2) = 9
16·I1 − 4·I2 = 9

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 4(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 29·I2 − 15·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
3·I3 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 18·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 4464
I1 = Δ1/Δ = 1953/4464 = 0.4375 A
I2 = Δ2/Δ = −2232/4464 = −0.5 A
I3 = Δ3/Δ = −4836/4464 = −1.083 A

答案

IR1 = I1 = 0.4375 A
VR1 = IR1·R1 = 0.4375·12 = 5.25 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR1 = 1.095 A

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·17/(8+17) = 5.44 Ω
VA = 15·5.44/(3+5.44) = 9.668 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9.668·12/17 = 6.825 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 9.668)/3 = 1.777 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​8 ΩAR4​12 ΩBIs​1.5 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,因此 R₁ 与 R₂ 并联。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和经过 R₃ 的路径。

R1 ∥ R2 = 3·8/(3+8) = 2.182 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 7.182 = 4.493 Ω
VB = Is·Req = 1.5·4.493 = 6.739 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6.739·2.182/7.182 = 2.047 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2.047)/3 = −0.6825 A

叠加各分量

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1.777 + (−0.6825) = 1.095 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

8.叠加定理

答案: IR2 = 1.63 A

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 13 = 3.611 Ω
VA = 10·3.611/(12+3.611) = 2.313 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.313·3/13 = 0.5338 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (2.313 − 0.5338)/10 = 0.1779 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω短路R3​5 ΩAIs​4 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 3.529 Ω,所以左侧路径为 R2+3.529 = 13.53 Ω
Req = R4 ∥ 13.53 = 2.456 Ω
VB = Is·Req = 4·2.456 = 9.822 V
VA = VB·3.529/13.53 = 2.562 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (2.562 − 9.822)/10 = −0.726 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω短路R3​5 ΩA开路B−+V2​36 V

情况 3 · V2 单独作用

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 12·5/(12+5) = 3.529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·13.53/16.53 = −29.47 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −29.47·3.529/13.53 = −7.687 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−7.687 − −29.47)/10 = 2.178 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0.1779 + (−0.726) + 2.178 = 1.63 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 15 V

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​10 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 2·10/(2+10) = 1.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.667 + 12 = 13.67 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时 R₃ 中没有电流,因此其上无压降,V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·10/(2+10) = 15 V
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.347 A

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​10 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.333 + 12 = 15.33 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAIs​2.5 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 16 + 2.5·3.333 = 24.33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24.33 + 2.5·12 = 54.33 V
Rth​ = 15.33 Ω+−Vth​54.33 VRL​25 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 54.33/(15.33 + 25) = 1.347 A
11.运放电路

答案: Vout = 3.2 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = 1.6 V
I = V₋/R1 = 1.6/4.7 = 0.3404 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 1.6 + 0.3404·4.7 = 3.2 V

答案

Vout = 3.2 V
12.运放电路

答案: Vout = 5.116 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

+ 输入端的电压

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1.4·4.7/(1 + 4.7) = 1.154 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时,V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时,V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

Vout = −(47/22)·(−0.7) + (1 + 47/22)·1.154 = 1.495 + 3.621 = 5.116 V

答案

Vout = 5.116 V
13.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 8.075 V

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 4.7·6.8/(4.7 + 6.8) = 2.779 kΩ
vC(∞) = 20·6.8/(4.7 + 6.8) = 11.83 V

时间常数

τ = Rth·C = 2.779·47 = 130.6 ms

充电曲线

vC(t) = 11.83·(1 − e−150/130.6) = 8.075 V

答案

vC = 8.075 V
14.RC 和 RL 暂态

答案: C = 3.607 µF

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

所需的时间常数

4.5 = 9·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(9/(9 − 4.5))
τ = 25/0.6931 = 36.07 ms

电容

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

C = τ/R = 36.07/10 = 3.607 µF

答案

C = 3.607 µF

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