電路

電流流過的迴路叫做電路，又稱導電迴路。 ^[7] 

電路(10張)

根據一定的任務,把所需的器件,用導線相連即組成電路。電路是電力系統、控制系統、通信系統、計算機硬件等電系統的主要組成部分,起着電能和電信號的產生、傳輸、轉換、控制、處理和儲存等作用。

最簡單的電路，是由電源，用電器（負載），中間環節（導線，開關等元器件）三部分組成。 ^[7]  電路導通時叫做通路，斷開時叫開路。只有通路，電路中才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。如果電路中電源正負極間沒有負載而是直接接通叫做短路，這種情況是決不允許的。另有一種短路是指某個元件的兩端直接接通，此時電流從直接接通處流經而不會經過該元件，這種情況叫做該元件短路。開路（或斷路）是允許的，而第一種短路決不允許，因為電源的短路會導致電源燒壞，用電器短路會導致用電器、電錶等無法正常工作現象的發生。 ^[1] 

電路是電流所流經的路徑,或稱電子迴路，是由電氣設備和元器件（用電器），按一定方式聯接起來。如電阻、電容、電感、二極管、三極管、電源和開關等，構成的網絡。

電路規模的大小，可以相差很大，小到硅片上的集成電路，大到高低壓輸電網。根據所處理信號的不同，電子電路可以分為模擬電路和數字電路。

將連續性物理自然變量轉換為連續的電信號，並通過運算連續性電信號的電路即稱為模擬電路。模擬電路對電信號的連續性電壓、電流進行處理。

最典型的模擬電路應用包括：放大電路、振盪電路、線性運算電路（加法、減法、乘法、除法、微分和積分電路）。運算連續性電信號。

數字電路亦稱為邏輯電路

將連續性的電訊號，轉換為不連續性定量的電信號，並運算不連續性定量電信號的電路，稱為數字電路。

數字電路中，信號大小為不連續並定量化的電壓狀態。

多數採用布爾代數邏輯電路對定量後信號進行處理。典型數字電路有，振盪器、寄存器、加法器、減法器等。運算不連續性定量電信號。

·集成電路亦稱為IC (Integrated Circuit)。

·運用集成電路設計程式（IC設計），將一般電路設計到半導體材料裏的半導體電路（一般為硅片），稱為積體電路。·利用半導體技術製造出集成電路（IC）。

·電源電路：產生各種電子電路的所需求電源。

·電子電路：亦稱電氣迴路。

·基頻電路，基頻，低頻率，使用基頻元件。

·高頻電路，高頻，高頻率，使用高頻元件。

·被動元件：如電阻、電容、電感、二極體…等，有分基頻被動元件、高頻被動元件。

·主動元件：如電晶體、微處理器…等有分基頻主動元件、高頻主動元件。

微處理器電路：亦稱微控制器電路，形成計算機、遊戲機、(播放器影、音)、各式各樣家電、滑鼠、鍵盤、觸控…等。

電腦電路：為微處理器電路進階電路，形成桌上型電腦、筆記型電腦、掌上型電腦、工業電腦…各樣電腦等。

通訊電路：形成電話、手機、有線網路、有線傳送、無線網路、無線傳送、光通訊、紅外線、光纖、微波通訊、衞星通訊等。

顯示器電路：形成螢幕、電視、儀表等各類顯示器。

光電電路：如太陽能電路。

電機電路：常運用於大電源設備、如電力設備、運輸設備、醫療設備、工業設備…等。 ^[2] 

傑克·基爾比（Jack S. Kilby） 集成電路之父

1958年9月12日，基爾比研製出世界上第一塊集成電路。

1947年，伊利諾斯大學畢業生傑克·基爾比懷着對電子技術的濃厚興趣，在威斯康星州的密爾瓦基找了份工作，為一個電子器件供應商製造收音機、電視機和助聽器的部件。工餘時間，他在威斯康星大學上電子工程學碩士班夜校。當然，工作和上課的雙重壓力對基爾比來説可算是一個挑戰，但他説：“這件事能夠做到，且它的確值得去努力。”

取得碩士學位後，基爾比與妻子遷往德克薩斯州的達拉斯市，供職於德州儀器公司，因為它是惟一允許他差不多把全部時間用於研究電子器件微型化的公司，給他提供了大量的時間和不錯的實驗條件。基爾比生性温和，寡言少語，加上6英尺6英寸的身高，被助手和朋友稱作“温和的巨人”。正是這個不善於表達的巨人醖釀出了一個巨人式的構思。當時的德州儀器公司有個傳統，炎熱的8月裏員工可以享受雙週長假。但是，初來乍到的基爾比卻無緣長假，只能待在冷清的車間裏獨自研究。在這期間，他漸漸形成一個天才的想法：電阻器和電容器(無源元件)可以用與晶體管(有源器件)相同的材料製造。另外，既然所有元器件都可以用同一塊材料製造，那麼這些部件可以先在同一塊材料上就地製造，再相互連接，最終形成完整的電路。他選用了半導體硅。

“我坐在桌子前，待的時間好像比平常晚一點。”他在1980年接受採訪時回憶説，“整個構想其實在當天就已大致成形，接着我將所有想法整理出來，並在筆記本上畫出了一些設計圖。等到主管回來後，我就將這些設計圖拿給他看。當時雖然有些人略有懷疑，但他們基本上都瞭解這項設計的重要性。”於是，我們回到文章開頭的那一幕，那一天，公司的主管來到實驗室，和這個巨人一起接通了測試線路。試驗成功了。德州儀器公司很快宣佈他們發明了集成電路，基爾比為此申請了專利。開創了硅時代。當時，他也許並沒有真正意識到這項發明的價值。在獲得諾貝爾獎後，他説：“我知道我發明的集成電路對於電子產業非常重要，但我從來沒有想到它的應用會像今天這樣廣泛。”

集成電路取代了晶體管，為開發電子產品的各種功能鋪平了道路，並且大幅度降低了成本，第三代電子器件從此登上舞台。它的誕生，使微處理器的出現成為了可能，也使計算機變成普通人可以親近的日常工具。集成技術的應用，催生了更多方便快捷的電子產品，比如常見的手持電子計算器，就是基爾比繼集成電路之後的一個新發明。直到今天，硅材料仍然是我們電子器件的主要材料。

2000年，集成電路問世42年以後，人們終於瞭解到他和他的發明的價值，他被授予了諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎評審委員會曾經這樣評價基爾比：“為現代信息技術奠定了基礎”。1959年，仙童半導體公司的羅伯特·羅伊斯申請了更為複雜的硅集成電路，並馬上投入了商業領域。但基爾比首先申請了專利，因此，羅伊斯被認為是集成電路的共同發明人。羅伊斯於1990年去世，與諾貝爾獎擦肩而過。傑克·基爾比相當謙遜，他一生擁有六十多項專利，但在獲獎發言中，他説：“我的工作可能引入了看待電路部件的一種新角度，並開創了一個新領域，自此以後的多數成果和我的工作並無直接聯繫。” ^[3] 

電路由電源、開關、連接導線和用電器四大部分組成。實際應用的電路都比較複雜，因此，為了便於分析電路的實質，通常用符號表示組成電路實際原件及其連接線，即畫成所謂電路圖。其中導線和輔助設備合稱為中間環節。

電源是提供電能的設備。電源的功能是把非電能轉變成電能。例如，電池是把化學能轉變成電能；發電機是把機械能轉變成電能。由於非電能的種類很多，轉變成電能的方式也很多。電源分為電壓源與電流源兩種，只允許同等大小的電壓源並聯，同樣也只允許同等大小的電流源串聯，電壓源不能短路，電流源不能斷路。

在電路中使用電能的各種設備統稱為負載。負載的功能是把電能轉變為其他形式能。例如，電爐把電能轉變為熱能；電動機把電能轉變為機械能，等等。通常使用的照明器具、家用電器、機牀等都可稱為負載。

連接導線用來把電源、負載和其他輔助設備連接成一個閉合迴路，起着傳輸電能的作用。

輔助設備　　輔助設備是用來實現對電路的控制、分配、保護及測量等作用的。輔助設備包括各種開關、熔斷器、電流表、電壓表及測量儀表等。

串聯是連接電路元件的基本方式之一。將電路元件(如電阻、電容、電感,用電器等)逐個順次首尾相連接，

將各用電器串聯起來組成的電路叫串聯電路。

·開關在任何位置控制整個電路，即其作用與所在的位置無關。電流只有一條通路，經過一盞燈的電流一定經過另一盞燈。如果熄滅一盞燈，另一盞燈一定熄滅。

·優點：在一個電路中， 若想通過一個開關控制所有電器， 即可使用串聯的電路；

·缺點：只要有某一處斷開，整個電路就成為斷路。 即所相串聯的電子元件不能正常工作。

串聯電路中總電阻等於各電子元件的電阻和，各處電流相等，總電壓等於各處電壓之和。

並聯電路是使在構成並聯的電路元件間電流有一條以上的相互獨立通路，為電路組成二種基本的方式之一。例如，一個包含兩個電燈泡和一個9 V電池的簡單電路。若兩個電燈泡分別由兩組導線分開地連接到電池，則兩燈泡為並聯。

特點：用電器之間互不影響。一條支路上的用電器損壞，其他支路不受影響。 ^[4] 

電路的作用是進行電能與其它形式的能量之間的相互轉換。因此，用一些物理量來表示電路的狀態及各部分之間能量轉換的相互關係。

電流在實用上有兩個含義：第一，電流表示一種物理現象，即電荷有規則的運動就形成電流。第二，本來，電流的大小用電流強度來表示，而電流強度是指在單位時間內通過導體截面積的電荷量，其單位是安培（庫/秒），簡稱安，用大寫字母A表示。但電流強度平時人們多簡稱電流。所以電流又代表一個物理量，這是電流的第二個含義。

電流的真實方向和正方向是兩個不同的概念，不能混淆。

習慣上總是把正電荷運動的方向，作為電流的方向，這就是電流的實際方向或真實方向，它是客觀存在，不能任意選擇，在簡單電路中，電流的實際方向能通過電源或電壓的極性很容易地確定下來。

但是，在複雜直流電路中，某一段電路里的電流真實方向很難預先確定，在交流電路中，電流的大小和方向都是隨時間變化的。這時，為了分析和計算電路的需要，引入了電流參考方向的概念，參考方向又叫假定正方向，簡稱正方向。

所謂正方向，就是在一段電路里，在電流兩種可能的真實方向中，任意選擇一個作為參考方向（即假定正方向）。當實際的電流方向與假定的正方向相同時，電流是正值；當實際的電流方向與假定正方向相反時，電流就是負值。

換一個角度看，對於同一電路，可以因選取的正方向不同而有不比較電壓和電位的概念可以看出，電場中某點的電位就是該點到參考點之間的電壓，電位是電壓的一個特殊形式同的表示，它可能是正值或者是負值。要特別指出的是，電路中電流的正方向一經確定，在整個分析與計算的過程中必須以此為準，不允許再更改。

從數值上看，AB兩點之間的電壓是電場力把單位正電荷從A點移動到B點時所做的功；而電場中某點的電位等於電場力將單位正電荷自該點移動到參考點所做的功。。對於電位來説，參考點是至關重要的。在同一電路中，當選定不同的參考點，同一點的電位數值是不同的。

原則上説，參考點可以任意選定。在電工領域，通常選電路里的接地點為參考點，在電子電路里，常取機殼為參考點。

在實際應用時，僅知道兩點間的電壓往往不夠，還要求知道這兩點中哪一點電位高，哪一點電位低。例如，對於半導體二極管來説，還有其陽極電位高於陰極電位時才導通；對於直流電動機來説，繞組兩端的電位高低不同，電動機的轉動方向可能是不同的。由於實際使用的需要，要求我們引入電壓的極性，即方向問題。

電路中因其他形式的能量轉換為電能所引起的電位差，叫做電動勢。用字母E表示，單位是伏特。在電路中，電動勢常用符號δ表示。

在物理學中，用電功率表示消耗電能的快慢．電功率用P表示，它的單位是瓦特，簡稱瓦，符號是W．電流在單位時間內做的功叫做電功率 以燈泡為例，電功率越大，燈泡越亮。燈泡的亮暗由實際電功率決定，不用所通過的電流、電壓、電能、電阻決定！ ^[5] 

歐姆定律：在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻阻值成反比，基本公式是I=U/R（電流=電壓/電阻）

諾頓定理：任何由電壓源與電阻構成的兩端網絡, 總可以等效為一個理想電流源與一個電阻的並聯網絡。

戴維寧定理：任何由電壓源與電阻構成的兩端網絡, 總可以等效為一個理想電壓源與一個電阻的串聯網絡。

分析包含非線性器件的電路，則需要一些更復雜的定律。實際電路設計中，電路分析更多的通過計算機分析模擬來完成。

它是線性元件的一個重要定理。在線性電阻中，某處電壓或電流都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該處分別產生的電壓或電流的疊加。

對於一個具有n個結點和b條支路的電路，假設各條支路電流和支路電壓取關聯參考方向，並令（i1,i2,···,ib）、（u1,u2,···,ub）分別為b條支路的電流和電壓，則對於任何時間t，有i1*u1+i2*u2+···+ib*ub=0。

在對偶電路中，某些元素之間的關係（或方程）可以通過對偶元素的互換而相互轉換。對偶的內容包括：電路的拓撲結構、電路變量、電路元件、一些電路的公式（或方程）甚至定理。

所有的電路在工作時，每一個元件或線路都會有能量的工作運用，即電能運用，而所有電路里的電能工作運用即稱為電路功率。

電路或電路元件的功率定義為：【功率=電壓*電流（P=I*V）】。

自然界裏能量不會消滅，固有一定律【能量守恆定律】。

電路總功率=電路功率+各電路元件功率。例如：【電源（I*V）=電路（I*V）+ 各元件（I*V）】

在電路中的能量有時會變為熱能或輻射能…等其他能量到空氣中，這就是電路或電路元件會發熱的原因，不會全部形成電能於電路中，有【總能量=電能+熱能+輻射能+其他能量】。

1. 電流處處相等： I總=I1 =I2 =I3 =……=In

2. 總電壓等於各處電壓之和：U總=U1+U2+U3+……+Un

3. 等效電阻等於各電阻之和：R總=R1+R2+R3+……+Rn

(增加用電器相當於增加長度,增大電阻)

4. 總功率等於各功率之和：P總=P1+P2+P3+……+Pn

5. 總電功等於各電功之和：W總=W1+W2+……+Wn

6. 總電熱等於各電熱之和：Q總=Q1+Q2+……+Qn

7. 等效電容量的倒數等於各個電容器的電容量的倒數之和：1/C總=1/C1+1/C2+1/C3+……+1/Cn

8. 電壓分配、電功、電功率和電熱率跟電阻成正比：(t相同)

U1/U2=R1/R2，W1/W2=R1/R2，P1/P2=R1/R2，Q1/Q2=R1/R2。或寫成　U1/U2=W1/W2=P1/P2=Q1/Q2=R1/R2

9.在一個電路中，若想控制所有電器， 即可使用串聯電路。

1.各支路兩端的電壓都相等，並且等於電源兩端電壓：

U總=U1=U2 =U3=……=Un；

2.幹路電流（或説總電流）等於各支路電流之和：

I總=I1 +I2 +I3 +……+In；

3.總電阻的倒數等於各支路電阻的倒數和：

1/R總=1/R1+1/R2+1/R3+……+1/Rn或寫為：R=1/(1/(R1+R2+R3+……+Rn))；

(增加用電器相當於增加橫截面積,減少電阻)

4.總功率等於各功率之和：P總=P1+P2+P3+……+Pn；

5. 總電功等於各電功之和：W總=W1+W2+……+Wn

6. 總電熱等於各電熱之和：Q總=Q1+Q2+……+Qn

7.等效電容量等於各個電容器的電容量之和:C總=C1+C2+C3+……+Cn

8. 在一個電路中， 若想單獨控制一個電器， 即可使用並聯電路。

電源在向系統提供能源的同時，也將其噪聲加到所供電的電源上。電路中微控制器的復位線，中斷線，以及其它一些控制線最容易受外界噪聲的干擾。

電網上的強幹擾通過電源進入電路。即使電池供電的系統，電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號更經受不住來自電源的干擾。因此設計電源時要採取一定的抗干擾措施：(如輸入電源與強電設備動力線分開;採用隔離變壓器;採用低通濾波器;採用獨立功能塊單獨供電等)。

微控制器主要採用高速CMOS技術製造。信號輸入端靜態輸入電流在1mA左右，輸入電容10pF左右，輸入阻抗相當高。高速CMOS電路的輸出端都有相當的帶載能力，即相當大的輸出值，將一個門的輸出端通過一段很長線引到輸入阻抗相當高的輸入端，反射問題就很嚴重。它會引起信號畸變，增加系統噪聲。當Tpd>Tr時，就成了一個傳輸線問題，必須考慮信號反射、阻抗匹配等問題。

信號在印製板上的延遲時間與引線的特性阻抗有關，即與印製線路板材料的介電常數有關。可以粗略地認為，信號在印製板引線的傳輸速度，約為光速的1/3到1/2之間。微控制器構成的系統中常用邏輯電子元件的Tr(標準延遲時間)為3到18ns之間。

在印製線路板上，信號通過一個7W的電阻和一段25cm長的引線，線上延遲時間大致在4～20ns之間。也就是説，信號在印刷線路上的引線越短越好，最長不宜超過25cm。而且過孔數目也應儘量少，最好不多於2個。

當信號的上升時間快於信號延遲時間，就要按照快電子學處理。此時要考慮傳輸線的阻抗匹配，對於一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號傳輸，要避免出現Td>Trd的情況，印刷線路板越大系統的速度就越不能太快。

用以下結論歸納印刷線路板設計的一個規則：信號在印刷板上傳輸，其延遲時間不應大於所用器件的標稱延遲時間。 ^[6] 

2022年6月27日，在第二十四屆中國科協年會閉幕式上，中國科協隆重發布10個對工程技術創新具有關鍵作用的工程技術難題，其中包括“ 如何實現高精密複雜硬曲面隨形電路？”。 ^[9]