这一篇在干嘛?

分析运放电路不需要高深数学,但需要几把”顺手的钥匙”:欧姆定律、基尔霍夫定律、电压/电流分配规则、戴维南定理、叠加原理。本章把它们一次讲清——后面所有章节推导运放公式时都会反复用它们,用到即练习。

电路由什么组成:无源与有源

电路(Circuit)是无源元件(电阻、电容等,不需要供电就能工作)和有源元件(晶体管、运放等,需要供电才能工作)按特定方式连接起来的组合。模拟设计的”艺术”部分是发明电路结构,好在绝大多数需求都已有公开的成熟电路——结构靠抄,参数靠算,这正是本章的目的。

钥匙一:欧姆定律与基尔霍夫定律

欧姆定律

  • :电压(伏特 V),是驱使电流的”压力”;
  • :电流(安培 A),单位时间流过的电荷量;
  • :电阻(欧姆 Ω),对电流的阻碍程度。

白话解释:电压 = 电流 × 电阻。它对单个元件、一段电路、整个电路都成立——只要知道其中两个量就能算出第三个。这是电子学中最基本的公式,没有之一。

图:欧姆定律应用于整个电路,电流 I 流过总电阻 R,电压 V 降在 R 上;对单个元件(原书图 2–2)同样适用——电流 I_R 流过 R,压降 V_R 出现在 R 两端

基尔霍夫电压定律(KVL)

白话解释:沿一条回路走一圈,所有电源提供的电压 = 所有元件上降掉的电压(电压降的代数和)。能量不会凭空产生也不会消失,电源”泵”上来的电压必须被路上的元件一个个”消耗”掉。

对图 2–3 的串联电路具体写出来就是:

即电源电压 按比例分掉了。

图:基尔霍夫电压定律——串联电路中,电源电压等于各电阻压降之和

基尔霍夫电流定律(KCL)

白话解释:流入任意一个节点的电流之和 = 流出该节点的电流之和。电荷同样不会在节点上堆积或消失。注意不管电流来自电流源、元件还是导线,都一视同仁。

对图 2–4 的节点:两路电流汇入(),分两路流出(),进出相等(式 2-5:)。

图:基尔霍夫电流定律——流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和

钥匙二:电压分配规则(分压)

图:电压分配规则——同一电流流过 R1 和 R2,输出电压从 R2 上取出

加在 串联电路上,输出从 两端取。由于输出端不接负载,流过两个电阻的是同一个电流。由欧姆定律:

把 2-6 代入 2-7 消去 ,得到最常用的分压公式:

白话解释:输出电压 = 输入电压 ×(“输出电阻 ÷ 总电阻”)。 占总电阻的比例越大,分到的电压越多。量纲上比值无量纲,结果仍是电压。

什么时候用:想从一个电压”抽”出一部分时。第 3 章推导同相放大器增益公式时用的就是它。

使用前提(重要):输出端不能带负载。如果 上并联了一个负载电阻,公式就不再成立;不过可以把 与负载电阻先并联成一个等效电阻,再代入分压公式,结果依然精确。很多人在负载电阻是输出电阻 10 倍以上时就直接忽略负载,但这个偷懒最多会带来约 10% 的误差

钥匙三:电流分配规则(分流)

图:电流分配规则——总电流 I 在 R1 与 R2 两条支路间分配

总电流 流入 的并联电路,求 支路的电流 。由 KCL(式 2-9)与”两支路电压相等”(式 2-10:):

联立消去 ,整理得:

白话解释:注意分母上取的是对面那条支路的电阻!电阻越小分到的电流越多——电流走”好走的路”。记忆技巧:分压规则用”自己的电阻 ÷ 总电阻”,分流规则用”对面的电阻 ÷ 总电阻”。

钥匙四:戴维南定理(Thevenin’s Theorem)

它解决什么问题

复杂电路里,往往只有一小部分是你关心的。戴维南定理允许你把”不关心的那一大片”整个电路替换成一个电压源 串一个电阻 的简单等效电路,避免联立求解一堆方程。

  • 电压源输入用戴维南定理;
  • 电流源输入用**诺顿(Norton)**定理(把电路等效为电流源并电阻)。诺顿用得少,需要时再查教材即可。

三步操作法

图:戴维南定理的原始电路与等效电路——从 X-Y 端口向左看,待替换电路被等效为 V_TH 串 R_TH(上:原书图 2–7 原电路;下:原书图 2–8 等效电路)

  1. 算开路电压:站在 X–Y 端口上(想象双脚踩在端口两端),背对负载往里看,用分压规则算出空载电压
  2. 算等效阻抗:仍然站在端口上,把独立电压源短路,算端口看进去的阻抗;
  3. 替换:把被替换的电路整体换成 串联 (原书图 2–8 的等效电路),然后正常分析。

代价:被替换电路内部的细节信息丢了——但你本来就不关心,所以无所谓。

例题:戴维南定理简化串并联电路

例题 1(原书图 2–9A):求下图电路的输出电压

图:戴维南定理例题——原电路

第一步,站在 X–Y 端口,用分压规则求开路电压:

第二步,把电压源 短路,从端口看进去, 变成并联:

记号说明:两条竖线 表示”并联”,

第三步,换上等效电路后再用一次分压规则( 现在是一条串联回路):