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​ = 6 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​12 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩIR2​AR4​5 ΩBR6​10 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 ΩR6 = 10 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​5 Ω+−V1​24 VR2​4 Ω+−V2​9 VR3​20 Ω+−V3​24 VI3​A

如图所示,节点 A 与地之间连接了三条支路。用节点分析法求支路 3 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I3。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩV2 = 9 VR2 = 4 ΩV3 = 24 VR3 = 20 Ω
I3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB0.25·VA​

菱形符号是一个电压控制电流源,它向上注入节点 B 的电流为 0.25·VA(单位 A,VA 单位为 V)。用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ωg = 0.25 A/V
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​2 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 30 VV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​4 Ω+−VR4​AR5​6 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R4 两端按图示极性的电压 VR4。

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩR5 = 6 Ω
VR4 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

用叠加定理求 R3 吸收的功率 PR3。

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
PR3 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 Ω+−VR2​R4​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩAIs​3 AB+−V2​6 V

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 6 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
VR2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩARL​15 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 15 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 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩRL = 15 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​5 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 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 2.4 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = 1.1 VR3​ = 4.7 kΩR4​ = 22 kΩ

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放,其中 R3 = R1,R4 = R2。 求输出电压 Vout。

V1 = 2.4 VV2 = 1.1 VR1 = R3 = 4.7 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
12.运放电路困难
−+Vout​C = 0.22 µFVin​ = 0.5 VR = 10 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±13 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 0.5 V 时,电容未充电。 t = 0 之后多长时间输出达到饱和?求 t。

Vin = 0.5 VR = 10 kΩC = 0.22 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 ΩL47 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 开关闭合后多长时间电流达到终值的 50%?求 t。

Vs = 15 VR = 47 ΩL = 47 mH
t = ms
14.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 Vt = 0R = 2.2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 15 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 13.5 V?求 t。

Vs = 12 VR = 2.2 kΩC = 47 µFvC(0) = 15 V
t = ms

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 1.582 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​12 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 4·27/(4+27) = 3.484 Ω
Req = R1 + 3.484 = 6 + 3.484 = 9.484 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 = 15/9.484 = 1.582 A

答案

IR1 = 1.582 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.6669 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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​5 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 = 25 + 10 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 4.375 Ω
R3 + 4.375 = 34.38 Ω
R2 ∥ 34.38 = 6.49 Ω
Req = R1 + 6.49 = 30 + 6.49 = 36.49 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 = 30/36.49 = 0.8222 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 − 0.8222·30 = 5.335 V
IR2 = VA/R2 = 5.335/8 = 0.6669 A

答案

IR2 = 0.6669 A
3.节点分析

答案: I3 = 0.375 A

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。

节点 A 的 KCL

取底部导线为地。每条支路从 A 流出的电流为 (VA − Vk)/Rk,其中 Vk 为该支路电源的电压(纯电阻支路为零)。从 A 流出的电流之和为零。

(VA − 24)/5 + (VA − 9)/4 + (VA − 24)/20 = 0

求 VA

VA = (24/5 + 9/4 + 24/20) / (1/5 + 1/4 + 1/20) = 8.25/0.5 = 16.5 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I3 = (24 − VA)/R3 = (24 − 16.5)/20 = 0.375 A

答案

I3 = 0.375 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

4.节点分析

答案: VA = 5.4 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。

节点 A 的 KCL

经电阻从 A 流出的电流等于电源注入 A 的电流。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.7667·VA − 0.5·VB = 0.9

节点 B 的 KCL

受控源向节点 B 注入 g·VA。把它当作独立源处理,然后把含 VA 的项移到左边。

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.25·VA
−0.75·VA + 0.625·VB = 0

求解

Δ = (0.7667)(0.625) − (−0.5)(−0.75) = 0.1042
VA = Δ1/Δ = 0.5625/0.1042 = 5.4 V
VB = Δ2/Δ = 0.675/0.1042 = 6.48 V

答案

VA = 5.4 V
5.网孔分析

答案: I1 = 2.25 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​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​2 ΩA+−V2​12 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 + 2(I1 − I2) = 30
12·I1 − 2·I2 = 30

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
3·I2 + 2(I2 − I1) = (−12)
−2·I1 + 5·I2 = −12

求解

Δ = (12)(5) − (−2)(−2) = 56
I1 = Δ1/Δ = 126/56 = 2.25 A
I2 = Δ2/Δ = −84/56 = −1.5 A

答案

I1 = 2.25 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR4 = 4.591 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​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​4 ΩAR5​6 ΩB+−V2​15 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
30·I1 + 4(I1 − I2) = 18
34·I1 − 4·I2 = 18

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
8·I2 + 4(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 18·I2 − 6·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
2·I3 + 6(I3 − I2) = (−15)
−6·I2 + 8·I3 = −15

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 3544
I1 = Δ1/Δ = 1584/3544 = 0.447 A
I2 = Δ2/Δ = −2484/3544 = −0.7009 A
I3 = Δ3/Δ = −8508/3544 = −2.401 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 1.148 A
VR4 = IR4·R4 = 1.148·4 = 4.591 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR3 = 23.08 W

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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​10 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 = 4+10 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·14/(6+14) = 4.2 Ω
VA = 18·4.2/(5+4.2) = 8.217 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8.217·10/14 = 5.87 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (8.217 − 5.87)/4 = 0.587 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​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 = 5·6/(5+6) = 2.727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 6.727 = 4.022 Ω
VB = Is·Req = 5·4.022 = 20.11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 20.11·2.727/6.727 = 8.152 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (8.152 − 20.11)/4 = −2.989 A

把电流的各个贡献相加

IR3 = IR3′ + IR3″ = 0.587 + (−2.989) = −2.402 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR3 = IR3²·R3 = (−2.402)²·4 = 23.08 W

答案

PR3 = 23.08 W

把各单独情况下的功率相加会得到 37.12 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: VR2 = −10.4 V

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​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​10 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) = 10 ∥ 24 = 7.059 Ω
VA = 6·7.059/(15+7.059) = 1.92 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.92·4/24 = 0.32 V
VR2′ = VA − VB = 1.92 − 0.32 = 1.6 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​10 ΩAIs​3 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 = 6 Ω,所以左侧路径为 R2+6 = 26 Ω
Req = R4 ∥ 26 = 3.467 Ω
VB = Is·Req = 3·3.467 = 10.4 V
VA = VB·6/26 = 2.4 V
VR2″ = VA − VB = 2.4 − 10.4 = −8 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​10 ΩA开路B+−V2​6 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·26/30 = 5.2 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5.2·6/26 = 1.2 V
VR2‴ = VA − VB = 1.2 − 5.2 = −4 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 1.6 + (−8) + (−4) = −10.4 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.2353 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​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​4 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 = 2·4/(2+4) = 1.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.333 + 12 = 13.33 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 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) = 10·4/(2+4) = 6.667 V
Rth​ = 13.33 Ω+−Vth​6.667 VRL​15 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) = 6.667/(13.33 + 15) = 0.2353 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.03409 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​5 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 = 2·5/(2+5) = 1.429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.429 + 5 = 6.429 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​5 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) = 17.14 + (−2.5)·1.429 = 13.57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13.57 + (−2.5)·5 = 1.071 V
Rth​ = 6.429 Ω+−Vth​1.071 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) = 1.071/(6.429 + 25) = 0.03409 A
11.运放电路

答案: Vout = −6.085 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

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流,所以构成分压器;反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1.1·22/(4.7 + 22) = 0.9064 V
V₋ = V₊

反相输入端的 KCL

(2.4 − 0.9064)/4.7 = (0.9064 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/4.7)·(1.1 − 2.4) = −6.085 V

答案

Vout = −6.085 V
12.运放电路

答案: t = 57.2 ms

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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 10 kΩ · 0.22 µF = 2.2 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −0.5/2.2 = −0.2273 V/ms

达到饱和的时间

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·2.2/0.5 = 57.2 ms

答案

t = 57.2 ms
13.RC 和 RL 暂态

答案: t = 0.6931 ms

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。

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0.3191 A

求解时间

0.5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.5)
t = −1·ln(0.5) = 0.6931 ms

答案

t = 0.6931 ms
14.RC 和 RL 暂态

答案: t = 71.67 ms

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。

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 47 µF = 103.4 ms
vC(t) = 12 + (15 − 12)·e−t/τ

求解时间

13.5 = 12 + (3)·e−t/τ → e−t/τ = (13.5 − 12)/(15 − 12) = 0.5
t = τ·ln((15 − 12)/(13.5 − 12)) = 103.4·ln(2) = 71.67 ms

答案

t = 71.67 ms

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