电路

科技名词

金属导线和电气、电子部件组成的导电回路称为电路。在电路输入端加上电源使输入端产生电势差，电路连通时即可工作。

基本概念

电流流过的回路叫做电路，又称导电回路。

根据一定的任务,把所需的器件,用导线相连即组成电路。电路是电力系统、控制系统、通信系统、计算机硬件等电系统的主要组成部分,起着电能和电信号的产生、传输、转换、控制、处理和储存等作用。

最简单的电路，是由电源，用电器（负载），中间环节（导线，开关等元器件）三部分组成。电路导通时叫做通路，断开时叫开路。只有通路，电路中才有电流通过。电路某一处断开叫做断路或者开路。如果电路中电源正负极间没有负载而是直接接通叫做短路，这种情况是决不允许的。另有一种短路是指某个元件的两端直接接通，此时电流从直接接通处流经而不会经过该元件，这种情况叫做该元件短路。开路（或断路）是允许的，而第一种短路决不允许，因为电源的短路会导致电源烧坏，用电器短路会导致用电器、电表等无法正常工作现象的发生。

专业理解

电路是电流所流经的路径,或称电子回路，是由电气设备和元器件（用电器），按一定方式联接起来。如电阻、电容、电感、二极管、三极管、电源和开关等，构成的网络。

电路规模的大小，可以相差很大，小到硅片上的集成电路，大到高低压输电网。根据所处理信号的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。

模拟电路

将连续性物理自然变量转换为连续的电信号，并通过运算连续性电信号的电路即称为模拟电路。模拟电路对电信号的连续性电压、电流进行处理。

最典型的模拟电路应用包括：放大电路、振荡电路、线性运算电路（加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路）。运算连续性电信号。

数字电路

数字电路亦称为逻辑电路

将连续性的电讯号，转换为不连续性定量的电信号，并运算不连续性定量电信号的电路，称为数字电路。

数字电路中，信号大小为不连续并定量化的电压状态。

多数采用布尔代数逻辑电路对定量后信号进行处理。典型数字电路有，振荡器、寄存器、加法器、减法器等。运算不连续性定量电信号。

·集成电路亦称为IC (Integrated Circuit)。

·运用集成电路设计程式（IC设计），将一般电路设计到半导体材料里的半导体电路（一般为硅片），称为积体电路。·利用半导体技术制造出集成电路（IC）。

类型及概念

·电源电路：产生各种电子电路的所需求电源。

·电子电路：亦称电气回路。

·基频电路，基频，低频率，使用基频元件。

·高频电路，高频，高频率，使用高频元件。

·被动元件：如电阻、电容、电感、二极体…等，有分基频被动元件、高频被动元件。

·主动元件：如电晶体、微处理器…等有分基频主动元件、高频主动元件。

微处理器电路：亦称微控制器电路，形成计算机、游戏机、(播放器影、音)、各式各样家电、滑鼠、键盘、触控…等。

电脑电路：为微处理器电路进阶电路，形成桌上型电脑、笔记型电脑、掌上型电脑、工业电脑…各样电脑等。

通讯电路：形成电话、手机、有线网路、有线传送、无线网路、无线传送、光通讯、红外线、光纤、微波通讯、卫星通讯等。

显示器电路：形成萤幕、电视、仪表等各类显示器。

光电电路：如太阳能电路。

电机电路：常运用於大电源设备、如电力设备、运输设备、医疗设备、工业设备…等。

集成电路发明

杰克·基尔比（Jack S. Kilby）集成电路之父

1958年9月12日，基尔比研制出世界上第一块集成电路。

发明诞生

1947年，伊利诺斯大学毕业生杰克·基尔比怀着对电子技术的浓厚兴趣，在威斯康星州的密尔瓦基找了份工作，为一个电子器件供应商制造收音机、电视机和助听器的部件。工余时间，他在威斯康星大学上电子工程学硕士班夜校。当然，工作和上课的双重压力对基尔比来说可算是一个挑战，但他说：“这件事能够做到，且它的确值得去努力。”

取得硕士学位后，基尔比与妻子迁往德克萨斯州的达拉斯市，供职于德州仪器公司，因为它是惟一允许他差不多把全部时间用于研究电子器件微型化的公司，给他提供了大量的时间和不错的实验条件。基尔比生性温和，寡言少语，加上6英尺6英寸的身高，被助手和朋友称作“温和的巨人”。正是这个不善于表达的巨人酝酿出了一个巨人式的构思。当时的德州仪器公司有个传统，炎热的8月里员工可以享受双周长假。但是，初来乍到的基尔比却无缘长假，只能待在冷清的车间里独自研究。在这期间，他渐渐形成一个天才的想法：电阻器和电容器(无源元件)可以用与晶体管(有源器件)相同的材料制造。另外，既然所有元器件都可以用同一块材料制造，那么这些部件可以先在同一块材料上就地制造，再相互连接，最终形成完整的电路。他选用了半导体硅。

“我坐在桌子前，待的时间好像比平常晚一点。”他在1980年接受采访时回忆说，“整个构想其实在当天就已大致成形，接着我将所有想法整理出来，并在笔记本上画出了一些设计图。等到主管回来后，我就将这些设计图拿给他看。当时虽然有些人略有怀疑，但他们基本上都了解这项设计的重要性。”于是，我们回到文章开头的那一幕，那一天，公司的主管来到实验室，和这个巨人一起接通了测试线路。试验成功了。德州仪器公司很快宣布他们发明了集成电路，基尔比为此申请了专利。开创了硅时代。当时，他也许并没有真正意识到这项发明的价值。在获得诺贝尔奖后，他说：“我知道我发明的集成电路对于电子产业非常重要，但我从来没有想到它的应用会像今天这样广泛。”

影响

集成电路取代了晶体管，为开发电子产品的各种功能铺平了道路，并且大幅度降低了成本，第三代电子器件从此登上舞台。它的诞生，使微处理器的出现成为了可能，也使计算机变成普通人可以亲近的日常工具。集成技术的应用，催生了更多方便快捷的电子产品，比如常见的手持电子计算器，就是基尔比继集成电路之后的一个新发明。直到今天，硅材料仍然是我们电子器件的主要材料。

诺贝尔奖

2000年，集成电路问世42年以后，人们终于了解到他和他的发明的价值，他被授予了诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评审委员会曾经这样评价基尔比：“为现代信息技术奠定了基础”。1959年，仙童半导体公司的罗伯特·罗伊斯申请了更为复杂的硅集成电路，并马上投入了商业领域。但基尔比首先申请了专利，因此，罗伊斯被认为是集成电路的共同发明人。罗伊斯于1990年去世，与诺贝尔奖擦肩而过。杰克·基尔比相当谦逊，他一生拥有六十多项专利，但在获奖发言中，他说：“我的工作可能引入了看待电路部件的一种新角度，并开创了一个新领域，自此以后的多数成果和我的工作并无直接联系。”

电路的组成

电路由电源、开关、连接导线和用电器四大部分组成。实际应用的电路都比较复杂，因此，为了便于分析电路的实质，通常用符号表示组成电路实际原件及其连接线，即画成所谓电路图。其中导线和辅助设备合称为中间环节。

电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如，电池是把化学能转变成电能；发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多，转变成电能的方式也很多。电源分为电压源与电流源两种，只允许同等大小的电压源并联，同样也只允许同等大小的电流源串联，电压源不能短路，电流源不能断路。

在电路中使用电能的各种设备统称为负载。负载的功能是把电能转变为其他形式能。例如，电炉把电能转变为热能；电动机把电能转变为机械能，等等。通常使用的照明器具、家用电器、机床等都可称为负载。

连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路，起着传输电能的作用。

辅助设备　　辅助设备是用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用的。辅助设备包括各种开关、熔断器、电流表、电压表及测量仪表等。

串联电路

串联是连接电路元件的基本方式之一。将电路元件(如电阻、电容、电感,用电器等)逐个顺次首尾相连接，

将各用电器串联起来组成的电路叫串联电路。

·开关在任何位置控制整个电路，即其作用与所在的位置无关。电流只有一条通路，经过一盏灯的电流一定经过另一盏灯。如果熄灭一盏灯，另一盏灯一定熄灭。

·优点：在一个电路中，若想通过一个开关控制所有电器，即可使用串联的电路；

·缺点：只要有某一处断开，整个电路就成为断路。即所相串联的电子元件不能正常工作。

串联电路中总电阻等于各电子元件的电阻和，各处电流相等，总电压等于各处电压之和。

并联电路

并联电路是使在构成并联的电路元件间电流有一条以上的相互独立通路，为电路组成二种基本的方式之一。例如，一个包含两个电灯泡和一个9 V电池的简单电路。若两个电灯泡分别由两组导线分开地连接到电池，则两灯泡为并联。

特点：用电器之间互不影响。一条支路上的用电器损坏，其他支路不受影响。

电路中物理学

电路的作用是进行电能与其它形式的能量之间的相互转换。因此，用一些物理量来表示电路的状态及各部分之间能量转换的相互关系。

电流的含义

电流在实用上有两个含义：第一，电流表示一种物理现象，即电荷有规则的运动就形成电流。第二，本来，电流的大小用电流强度来表示，而电流强度是指在单位时间内通过导体截面积的电荷量，其单位是安培（库/秒），简称安，用大写字母A表示。但电流强度平时人们多简称电流。所以电流又代表一个物理量，这是电流的第二个含义。

电流的方向

电流的真实方向和正方向是两个不同的概念，不能混淆。

习惯上总是把正电荷运动的方向，作为电流的方向，这就是电流的实际方向或真实方向，它是客观存在，不能任意选择，在简单电路中，电流的实际方向能通过电源或电压的极性很容易地确定下来。

但是，在复杂直流电路中，某一段电路里的电流真实方向很难预先确定，在交流电路中，电流的大小和方向都是随时间变化的。这时，为了分析和计算电路的需要，引入了电流参考方向的概念，参考方向又叫假定正方向，简称正方向。

所谓正方向，就是在一段电路里，在电流两种可能的真实方向中，任意选择一个作为参考方向（即假定正方向）。当实际的电流方向与假定的正方向相同时，电流是正值；当实际的电流方向与假定正方向相反时，电流就是负值。

换一个角度看，对于同一电路，可以因选取的正方向不同而有不比较电压和电位的概念可以看出，电场中某点的电位就是该点到参考点之间的电压，电位是电压的一个特殊形式同的表示，它可能是正值或者是负值。要特别指出的是，电路中电流的正方向一经确定，在整个分析与计算的过程中必须以此为准，不允许再更改。

从数值上看，AB两点之间的电压是电场力把单位正电荷从A点移动到B点时所做的功；而电场中某点的电位等于电场力将单位正电荷自该点移动到参考点所做的功。。对于电位来说，参考点是至关重要的。在同一电路中，当选定不同的参考点，同一点的电位数值是不同的。

原则上说，参考点可以任意选定。在电工领域，通常选电路里的接地点为参考点，在电子电路里，常取机壳为参考点。

在实际应用时，仅知道两点间的电压往往不够，还要求知道这两点中哪一点电位高，哪一点电位低。例如，对于半导体二极管来说，还有其阳极电位高于阴极电位时才导通；对于直流电动机来说，绕组两端的电位高低不同，电动机的转动方向可能是不同的。由于实际使用的需要，要求我们引入电压的极性，即方向问题。

电路中因其他形式的能量转换为电能所引起的电位差，叫做电动势。用字母E表示，单位是伏特。在电路中，电动势常用符号δ表示。

在物理学中，用电功率表示消耗电能的快慢．电功率用P表示，它的单位是瓦特，简称瓦，符号是W．电流在单位时间内做的功叫做电功率以灯泡为例，电功率越大，灯泡越亮。灯泡的亮暗由实际电功率决定，不用所通过的电流、电压、电能、电阻决定！

重要定律

欧姆定律：在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，基本公式是I=U/R（电流=电压/电阻）

诺顿定理：任何由电压源与电阻构成的两端网络, 总可以等效为一个理想电流源与一个电阻的并联网络。

戴维宁定理：任何由电压源与电阻构成的两端网络, 总可以等效为一个理想电压源与一个电阻的串联网络。

分析包含非线性器件的电路，则需要一些更复杂的定律。实际电路设计中，电路分析更多的通过计算机分析模拟来完成。

它是线性元件的一个重要定理。在线性电阻中，某处电压或电流都是电路中各个独立电源单独作用时，在该处分别产生的电压或电流的叠加。

对于一个具有n个结点和b条支路的电路，假设各条支路电流和支路电压取关联参考方向，并令（i1,i2,···,ib）、（u1,u2,···,ub）分别为b条支路的电流和电压，则对于任何时间t，有i1*u1+i2*u2+···+ib*ub=0。

在对偶电路中，某些元素之间的关系（或方程）可以通过对偶元素的互换而相互转换。对偶的内容包括：电路的拓扑结构、电路变量、电路元件、一些电路的公式（或方程）甚至定理。

所有的电路在工作时，每一个元件或线路都会有能量的工作运用，即电能运用，而所有电路里的电能工作运用即称为电路功率。

电路或电路元件的功率定义为：【功率=电压*电流（P=I*V）】。

自然界里能量不会消灭，固有一定律【能量守恒定律】。

电路总功率=电路功率+各电路元件功率。例如：【电源（I*V）=电路（I*V）+ 各元件（I*V）】

在电路中的能量有时会变为热能或辐射能…等其他能量到空气中，这就是电路或电路元件会发热的原因，不会全部形成电能于电路中，有【总能量=电能+热能+辐射能+其他能量】。

串联电路

1. 电流处处相等： I总=I1 =I2 =I3 =……=In

2. 总电压等于各处电压之和：U总=U1+U2+U3+……+Un

3. 等效电阻等于各电阻之和：R总=R1+R2+R3+……+Rn

(增加用电器相当于增加长度,增大电阻)

4. 总功率等于各功率之和：P总=P1+P2+P3+……+Pn

5. 总电功等于各电功之和：W总=W1+W2+……+Wn

6. 总电热等于各电热之和：Q总=Q1+Q2+……+Qn

7. 等效电容量的倒数等于各个电容器的电容量的倒数之和：1/C总=1/C1+1/C2+1/C3+……+1/Cn

8. 电压分配、电功、电功率和电热率跟电阻成正比：(t相同)

U1/U2=R1/R2，W1/W2=R1/R2，P1/P2=R1/R2，Q1/Q2=R1/R2。或写成　U1/U2=W1/W2=P1/P2=Q1/Q2=R1/R2

9.在一个电路中，若想控制所有电器，即可使用串联电路。

并联电路

1.各支路两端的电压都相等，并且等于电源两端电压：

U总=U1=U2 =U3=……=Un；

2.干路电流（或说总电流）等于各支路电流之和：

I总=I1 +I2 +I3 +……+In；

3.总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数和：

1/R总=1/R1+1/R2+1/R3+……+1/Rn或写为：R=1/(1/(R1+R2+R3+……+Rn))；

(增加用电器相当于增加横截面积,减少电阻)

4.总功率等于各功率之和：P总=P1+P2+P3+……+Pn；

5. 总电功等于各电功之和：W总=W1+W2+……+Wn

6. 总电热等于各电热之和：Q总=Q1+Q2+……+Qn

7.等效电容量等于各个电容器的电容量之和:C总=C1+C2+C3+……+Cn

8. 在一个电路中，若想单独控制一个电器，即可使用并联电路。

提高抗干扰

一、减小来自电源的噪声

电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线，中断线，以及其它一些控制线最容易受外界噪声的干扰。

电网上的强干扰通过电源进入电路。即使电池供电的系统，电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电源的干扰。因此设计电源时要采取一定的抗干扰措施：(如输入电源与强电设备动力线分开;采用隔离变压器;采用低通滤波器;采用独立功能块单独供电等)。

二、减小信号传输中的畸变

微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在1mA左右，输入电容10pF左右，输入阻抗相当高。高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力，即相当大的输出值，将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端，反射问题就很严重。它会引起信号畸变，增加系统噪声。当Tpd>Tr时，就成了一个传输线问题，必须考虑信号反射、阻抗匹配等问题。

信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关，即与印制线路板材料的介电常数有关。可以粗略地认为，信号在印制板引线的传输速度，约为光速的1/3到1/2之间。微控制器构成的系统中常用逻辑电子元件的Tr(标准延迟时间)为3到18ns之间。

在印制线路板上，信号通过一个7W的电阻和一段25cm长的引线，线上延迟时间大致在4～20ns之间。也就是说，信号在印刷线路上的引线越短越好，最长不宜超过25cm。而且过孔数目也应尽量少，最好不多于2个。

当信号的上升时间快于信号延迟时间，就要按照快电子学处理。此时要考虑传输线的阻抗匹配，对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输，要避免出现Td>Trd的情况，印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。

用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则：信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。

工程技术难题

2022年6月27日，在第二十四届中国科协年会闭幕式上，中国科协隆重发布10个对工程技术创新具有关键作用的工程技术难题，其中包括“ 如何实现高精密复杂硬曲面随形电路？”。

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