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​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩIR2​AR4​6 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​4 ΩBR6​5 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 ΩR5 = 4 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2.5 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 10 VIs = 2.5 AR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩIR1​−+Vs​ = 5 V+−V1​5 VR2​2 ΩAR3​10 ΩBIs​2.5 A

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 B,所以它使 VB − VA = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 5 VIs = 2.5 AVs = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
IR1 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 10 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
IR1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩAR5​4 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 36 VV2 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 ΩR5 = 4 Ω
I3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩIR2​AR4​20 ΩBIs​1 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​2 Ω+−VR3​AIs​0.5 AB+−V2​36 V

用叠加定理求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 12 VIs = 0.5 AV2 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​20 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 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩRL = 15 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​5 ABRL​30 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 30 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 = 5 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1.1 VR1​ = 10 kΩV2​ = −0.3 VR3​ = 10 kΩR4​ = 47 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 = 1.1 VV2 = −0.3 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
Vout = V
12.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −1.4 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0.2 VR2​ = 100 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −1.4 VV2 = 0.2 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL47 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 10 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
14.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 Vt = 0R = 2.2 kΩC220 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 18.6 V?求 t。

Vs = 24 VR = 2.2 kΩC = 220 µFvC(0) = 15 V
t = ms

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.9811 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​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​6 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 = 20 + 6 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 6·26/(6+26) = 4.875 Ω
Req = R1 + 4.875 = 15 + 4.875 = 19.88 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 = 24/19.88 = 1.208 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 − 1.208·15 = 5.887 V
IR2 = VA/R2 = 5.887/6 = 0.9811 A

答案

IR2 = 0.9811 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 2.811 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​4 ΩBR6​5 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 + 5 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 2.769 Ω
R3 + 2.769 = 22.77 Ω
R2 ∥ 22.77 = 3.402 Ω
Req = R1 + 3.402 = 3 + 3.402 = 6.402 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 = 18/6.402 = 2.811 A

答案

IR1 = 2.811 A
3.节点分析

答案: IR1 = 0.5357 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。

R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2.5 A

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)。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/3 + (VA − 10)/12 + (VA − VB)/3 = 0
0.75·VA − 0.3333·VB = 0.8333

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/3 + (VB − VA)/3 = 2.5
−0.3333·VA + 0.6667·VB = 2.5

求解

Δ = (0.75)(0.6667) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.3889
VA = Δ1/Δ = 1.389/0.3889 = 3.571 V
VB = Δ2/Δ = 2.153/0.3889 = 5.536 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3.571)/12 = 0.5357 A
4.节点分析

答案: IR1 = 0.122 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。

构成超节点

A 与 B 之间的电压源中的电流未知,所以不能分别在 A 或 B 单独列 KCL。把 A、B 和电压源一起包成一个超节点:流入它的电流等于流出它的电流。

VB = VA + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 5)/12 + VA/2 + (VA + 5)/10 = 2.5
VA·(1/12 + 1/2 + 1/10) = 2.5 + 5/12 − 5/10 = 2.417
VA = 2.417/0.6833 = 3.537 V
VB = 8.537 V

流过 R₁ 的电流

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 3.537)/12 = 0.122 A

答案

IR1 = 0.122 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

5.网孔分析

答案: IR1 = 0.3846 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​ = 8 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩA+−V2​30 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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 10
11·I1 − 3·I2 = 10

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 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 15·I2 = −30

求解

Δ = (11)(15) − (−3)(−3) = 156
I1 = Δ1/Δ = 60/156 = 0.3846 A
I2 = Δ2/Δ = −300/156 = −1.923 A

答案

IR1 = I1 = 0.3846 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −0.99 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​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩAR5​4 ΩB+−V2​10 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 + 30(I1 − I2) = 36
60·I1 − 30·I2 = 36

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 + 30(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 42·I2 − 4·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
4·I3 + 4(I3 − I2) = (−10)
−4·I2 + 8·I3 = −10

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 12000
I1 = Δ1/Δ = 10320/12000 = 0.86 A
I2 = Δ2/Δ = 6240/12000 = 0.52 A
I3 = Δ3/Δ = −11880/12000 = −0.99 A

答案

I3 = −0.99 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR2 = −1.282 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 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​20 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+20 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·24/(5+24) = 4.138 Ω
VA = 15·4.138/(12+4.138) = 3.846 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.846·20/24 = 3.205 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 3.846)/5 = −0.7692 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​1 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 = 12·5/(12+5) = 3.529 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 7.529 = 5.47 Ω
VB = Is·Req = 1·5.47 = 5.47 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5.47·3.529/7.529 = 2.564 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 2.564)/5 = −0.5128 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0.7692) + (−0.5128) = −1.282 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: VR3 = 5.4 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​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​2 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) = 2 ∥ 21 = 1.826 Ω
VA = 12·1.826/(6+1.826) = 2.8 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.8·6/21 = 0.8 V
VR3′ = VA − 0 = 2.8 − 0 = 2.8 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω短路R3​2 ΩAIs​0.5 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 = 1.5 Ω,所以左侧路径为 R2+1.5 = 16.5 Ω
Req = R4 ∥ 16.5 = 4.4 Ω
VB = Is·Req = 0.5·4.4 = 2.2 V
VA = VB·1.5/16.5 = 0.2 V
VR3″ = VA − 0 = 0.2 − 0 = 0.2 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω短路R3​2 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 = 6·2/(6+2) = 1.5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·16.5/22.5 = 26.4 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 26.4·1.5/16.5 = 2.4 V
VR3‴ = VA − 0 = 2.4 − 0 = 2.4 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 2.8 + 0.2 + 2.4 = 5.4 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 = 0.2045 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​20 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 = 12·20/(12+20) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 5 = 12.5 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​20 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) = 9·20/(12+20) = 5.625 V
Rth​ = 12.5 Ω+−Vth​5.625 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) = 5.625/(12.5 + 15) = 0.2045 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 2.913 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​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω短路R2​12 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 = 30·12/(30+12) = 8.571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8.571 + 30 = 38.57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​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) = 6.857 + 5·8.571 = 49.71 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 49.71 + 5·30 = 199.7 V
Rth​ = 38.57 Ω+−Vth​199.7 VRL​30 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) = 199.7/(38.57 + 30) = 2.913 A
11.运放电路

答案: Vout = −6.58 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) = −0.3·47/(10 + 47) = −0.2474 V
V₋ = V₊

反相输入端的 KCL

(1.1 − −0.2474)/10 = (−0.2474 − Vout)/47
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (47/10)·(−0.3 − 1.1) = −6.58 V

答案

Vout = −6.58 V
12.运放电路

答案: Vout = 6.98 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。

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −1.4/2 = −0.7 mA
I2 = V2/R2 = 0.2/100 = 0.002 mA
If = I1 + I2 = −0.698 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −10·(−0.698) = 6.98 V

答案

Vout = 6.98 V
13.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 2.028 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。

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 / 15 Ω = 3.133 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0.6667 A

电感电压

t = 0 时全部电源电压加在电感上;之后衰减到零。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−5/3.133 = 2.028 V

答案

vL = 2.028 V
14.RC 和 RL 暂态

答案: t = 247.2 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 = 24 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 24 + (15 − 24)·e−t/τ

求解时间

18.6 = 24 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (18.6 − 24)/(15 − 24) = 0.6
t = τ·ln((15 − 24)/(18.6 − 24)) = 484·ln(1.667) = 247.2 ms

答案

t = 247.2 ms

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