前言
本書是近三年來(lái)清華大學(xué)對(duì)電路原理課程進(jìn)行教學(xué)改革的成果之一。作者在三屆授課講稿的基礎(chǔ)上，經(jīng)整理補(bǔ)充，寫成這本教材。
電路原理（或電路、電路分析基礎(chǔ)）課程的形成源于電氣工程與信息科學(xué)技術(shù)的研究和應(yīng)用。
半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，為了使這門課程能夠適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，人們進(jìn)行了多方面的探索，努力拓展和深化電路理論。例如，引入圖論知識(shí)，加強(qiáng)狀態(tài)變量分析，更新并擴(kuò)充非線性電路理論的研究?jī)?nèi)容、增加計(jì)算機(jī)輔助分析的應(yīng)用等。也有人提出將此課程與其他課程重新整合。實(shí)踐表明，多種類型的嘗試都對(duì)本課程的教學(xué)改革產(chǎn)生了很好的促進(jìn)作用，使電路原理課程不斷更新，與時(shí)俱進(jìn)。
進(jìn)入20世紀(jì)中后期，超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)日趨成熟，并在科研、生產(chǎn)以至日常生活的各個(gè)層面起到越來(lái)越重要的作用。與此同時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)的應(yīng)用已明顯超過(guò)模擬系統(tǒng)，數(shù)字與模擬混合系統(tǒng)也得到了非常廣泛的應(yīng)用。然而，這些重大變革卻很少觸動(dòng)電路原理課程的教學(xué)內(nèi)容，該課程的主要選材和基本框架依然保持著固有的穩(wěn)定與成熟，主要表現(xiàn)在以下兩方面： 一是只研究基于電路模型的分析，不討論實(shí)際電路的元件建模背景； 另一是只討論模擬電路，不講授數(shù)字電路與系統(tǒng)的知識(shí)。這就使得本課程與后續(xù)課程之間好像有一條明顯的鴻溝，不可逾越。
這種形勢(shì)使電路原理課程的改革面臨困境。首先，它與科研生產(chǎn)的實(shí)際狀況明顯脫節(jié)，課程內(nèi)容失去活力，學(xué)生感覺(jué)所講授的內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)生活中的電氣電子設(shè)備不相適應(yīng)。學(xué)完這門課之后，往往還不知道受控源究竟為何物，未能認(rèn)識(shí)實(shí)際電路中廣泛應(yīng)用的開(kāi)關(guān)元件，更不理解電阻與電容充放電過(guò)程產(chǎn)生的真實(shí)背景等。其次，電路類課程的總體學(xué)時(shí)偏多，相當(dāng)一部分內(nèi)容還有待更新。
我們不會(huì)忘記，電阻（R）、電感（L）、電容（C）元件在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都是組成電路最主要的基本單元，但隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，這種簡(jiǎn)單的局面已不復(fù)存在。為了適應(yīng)芯片制作工藝特點(diǎn)，減少芯片面積和改善電路參數(shù)精度與穩(wěn)定性等一系列實(shí)際要求，電路設(shè)計(jì)的理念產(chǎn)生了根本性變化。一方面力求遠(yuǎn)離電感，同時(shí)要謹(jǐn)慎選用電阻和電容； 另一方面則大量啟用有源器件——晶體管，特別是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。由于MOSFET具有集成工藝便于實(shí)現(xiàn)和低功耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，扮演了當(dāng)代集成電路基本單元中最重要的角色。
當(dāng)然還應(yīng)當(dāng)看到，仍有一些電路很難全部進(jìn)入芯片以實(shí)現(xiàn)集成化。這主要表現(xiàn)在大功率和高頻率兩個(gè)方面。在電力電子技術(shù)中，較大功率運(yùn)行的電路仍然需要分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)； 在無(wú)線通信靠近射頻前端以及頻率較高的電子儀器設(shè)備中，也保留有一些分立電路。
面對(duì)實(shí)際情況，應(yīng)當(dāng)重新考慮電路原理課程的主要選材和體系結(jié)構(gòu)。
人們構(gòu)成電路的目的是為了進(jìn)行能量處理和信號(hào)處理，因此在電路原理課程中應(yīng)體現(xiàn)這兩方面的應(yīng)用。當(dāng)代電氣工程與信息科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)表明，在電路原理課程中，盡管R、L、C元件模型仍占據(jù)重要地位，但MOSFET元件模型的引入已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。在實(shí)踐中，我們還注意到，引入MOSFET不僅可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)際電路中的受控源特性，而且有助于理解MOSFET在具有放大特性的同時(shí)可作開(kāi)關(guān)應(yīng)用，這樣就為初步建立數(shù)字系統(tǒng)的概念開(kāi)創(chuàng)了條件。將電阻、電容、電感、MOSFET、運(yùn)算放大器作為電路基本元件，既可兼顧模擬與數(shù)字兩種類型電路的統(tǒng)一要求，更可體現(xiàn)電路進(jìn)行能量處理和信號(hào)處理的雙重作用。
作為電類專業(yè)第一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，電路原理需要培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的電路分析能力，但切切不可忽視對(duì)實(shí)際元件建模背景的討論，即不能將課程只局限在針對(duì)理想模型的分析中。電路原理課程需要適度體現(xiàn)工程性，即適度討論抽象模型的物理背景、抽象過(guò)程、不同模型之間的區(qū)別與聯(lián)系、如何針對(duì)不同需求選擇不同模型……
隨著系統(tǒng)集成技術(shù)的廣泛應(yīng)用，把電路設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分層次處理就顯得非常必要。人們力求借助抽象化和模塊化的思想依次完成復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)，這是構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)的前提。在電路原理這門課程中，有責(zé)任為學(xué)生建立端口特性以及子電路（子系統(tǒng)）抽象的初步概念。
為了體現(xiàn)上述3點(diǎn)指導(dǎo)思想，在本書中采取了以下具體措施。
(1) 含MOSFET電路分析貫穿全書。第2章以MOSFET壓控電流源特性為例講授了建立受控源模型的實(shí)際背景。按照外界條件的不同，MOSFET也可工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，依此討論了數(shù)字電路與系統(tǒng)的基本單元——邏輯門電路。在第4章中利用非線性電阻電路的小信號(hào)法分析了MOSFET構(gòu)成的模擬電路與系統(tǒng)的基本單元——小信號(hào)放大電路。第5章在引出電容元件之后介紹MOSFET的寄生電容特性，研究反相器輸出信號(hào)的充放電波形，建立了數(shù)字系統(tǒng)傳輸延遲的概念。最后，在第6章討論MOSFET放大器的頻率響應(yīng)特性，分析了寄生電容對(duì)實(shí)際放大電路的影響。第5章和第6章分別從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度全面考察動(dòng)態(tài)元件對(duì)實(shí)際電路性能產(chǎn)生的影響。
(2) 含運(yùn)算放大器電路的分析也滲透于全書許多章節(jié)。在第2章中討論運(yùn)算放大器的模型，運(yùn)用KCL、KVL研究一些簡(jiǎn)單運(yùn)放電路。此后逐步深入，不僅講授負(fù)反饋運(yùn)放構(gòu)成的多種實(shí)際電路，還討論了一些正反饋運(yùn)放的應(yīng)用實(shí)例。第6章結(jié)合頻率特性初步引出了有源濾波器。
(3) 緊接線性電阻電路分析之后，第4章介紹非線性電阻電路。討論了4種基本分析方法： 列方程求解法、圖解法、分段線性法和小信號(hào)分析法。著重運(yùn)用后三種方法分析二極管和MOSFET放大電路的工作原理，給出了靈活、生動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例。
(4) 注意到本課程具有從數(shù)學(xué)、物理向工程實(shí)踐過(guò)渡的特點(diǎn)，努力引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立和訓(xùn)練工程觀點(diǎn)。以Y�拨ぷ儞Q、電源等效變換以及互感去耦等問(wèn)題為載體，加強(qiáng)等效觀點(diǎn)的訓(xùn)練； 以二極管多種分段線性模型和各類變壓器模型為例，介紹近似簡(jiǎn)化的分析方法； 從MOSFET到運(yùn)算放大器以及二端口網(wǎng)絡(luò)的討論充分體現(xiàn)了模塊化的抽象觀點(diǎn)。
(5) 認(rèn)識(shí)到構(gòu)成電路的目的是解決信號(hào)處理與能量處理中的大量實(shí)際問(wèn)題，努力加強(qiáng)應(yīng)用實(shí)例分析。選擇以通信、信號(hào)處理、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域?yàn)楸尘暗膽?yīng)用例子展開(kāi)討論，激發(fā)讀者的學(xué)習(xí)興趣和熱情。
概括地講，我們兼顧分立與集成、模擬與數(shù)字、無(wú)源與有源元件、二端與多端元件、受控源與開(kāi)關(guān)、線性與非線性、能量處理與信號(hào)處理等多種矛盾，試圖從對(duì)比中認(rèn)識(shí)事物的規(guī)律，以統(tǒng)一的理念來(lái)全面觀察問(wèn)題，從而適應(yīng)當(dāng)代電氣工程與信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新需要。
2004年秋、2005年春和2006年春，作者按此教學(xué)模式授課，進(jìn)行了3屆改革試點(diǎn)，涉及的專業(yè)包括電子信息工程、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)工程等，學(xué)生人數(shù)累計(jì)約340人，講課學(xué)時(shí)（含習(xí)題課和討論課）均為64學(xué)時(shí)。學(xué)生和聽(tīng)課教師的反饋說(shuō)明教學(xué)改革初見(jiàn)成效。
全書共6章。第1章為緒論，介紹基本名詞術(shù)語(yǔ)、本課程的研究?jī)?nèi)容和主要方法，為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。第2～4章以電阻電路為對(duì)象討論電路分析的一般方法和定理。具體內(nèi)容包括： 簡(jiǎn)單電阻電路分析，線性電阻電路的分析方法和電路定理，非線性電阻電路分析。第5章為動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析，重點(diǎn)研究一階電路的工作原理、性能和應(yīng)用，討論二階電路、階躍響應(yīng)、沖激響應(yīng)和卷積積分等概念。第6章為正弦激勵(lì)下動(dòng)態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析，包括相量法、阻抗與導(dǎo)納、頻率響應(yīng)、濾波器、諧振、互感電路、變壓器和三相電路等內(nèi)容。
在正文的6章之后，安排了5個(gè)附錄。附錄A從電磁學(xué)理論出發(fā)，建立電路基本參數(shù)的概念，引出電路元件的定義，使本課程與大學(xué)物理、電磁場(chǎng)等課程相互溝通與配合。附錄B介紹電路圖論的基礎(chǔ)知識(shí)，引導(dǎo)對(duì)此感興趣的讀者初步認(rèn)識(shí)這一研究領(lǐng)域。附錄C和D分別為學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析和正弦穩(wěn)態(tài)分析提供了必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——常系數(shù)線性常微分方程的求解以及復(fù)數(shù)和正弦量的三要素。附錄E討論傅里葉級(jí)數(shù)，為本課程與數(shù)學(xué)和信號(hào)與系統(tǒng)的銜接做好準(zhǔn)備。
教育部高等學(xué)校電子信息科學(xué)與電氣信息類基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)于2004年制定了電路分析基礎(chǔ)課程的教學(xué)基本要求，本書內(nèi)容完全覆蓋了這些基本要求，即可作為高校64～90學(xué)時(shí)電路原理課程的教材或參考書。
在使用本書作教材時(shí)，授課教師可根據(jù)學(xué)生能力、培養(yǎng)計(jì)劃和學(xué)時(shí)等因素靈活選取素材，切忌照本宣科。在選擇授課素材時(shí)首先要保證滿足上述基本要求，同時(shí)適當(dāng)兼顧前文所述改革指導(dǎo)思想。為此，建議按以下原則組織講授內(nèi)容。
(1) 本書中不作為基本要求，同時(shí)也未涉及改革特色的一些深入內(nèi)容可以不講，如3.7～3.9節(jié)，5.7.2小節(jié)，5.8～5.9節(jié)等。
(2) 對(duì)于改革思想不一定要求立即全面實(shí)施到位。改革初期可結(jié)合實(shí)際情況有所側(cè)重，待條件成熟后逐步推進(jìn)。例如，可以跳過(guò)2.8～2.9節(jié)，對(duì)于第4章只著重介紹4.5和4.6節(jié)，適當(dāng)縮減該章學(xué)時(shí)等。
(3) 本書特點(diǎn)之一是背景鮮明、形象生動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例相當(dāng)豐富。對(duì)此，課上可以選擇重點(diǎn)內(nèi)容講授，把較多的實(shí)例留作課外閱讀。這樣做不僅可以節(jié)省課內(nèi)學(xué)時(shí)，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，并推動(dòng)同學(xué)之間交流討論，取得事半功倍的成效。
按以上3點(diǎn)建議略去一些小節(jié)或段落不會(huì)影響后續(xù)部分的繼續(xù)學(xué)習(xí)，同時(shí)也可滿足基本要求的規(guī)定，并按不同程度體現(xiàn)改革思想，展示新意。
這里提供我們?cè)谇迦A大學(xué)2006年教學(xué)實(shí)踐中安排的課內(nèi)學(xué)時(shí)供參考（下列學(xué)時(shí)數(shù)含大課、習(xí)題課和討論課，不包括實(shí)驗(yàn)）： 第1章2學(xué)時(shí)，第2章13學(xué)時(shí)（其中電阻、電源、KCL和KVL 2學(xué)時(shí)、等效變換2學(xué)時(shí)、運(yùn)放2學(xué)時(shí)、二端口2學(xué)時(shí)、數(shù)字系統(tǒng)討論課2學(xué)時(shí)、習(xí)題課3學(xué)時(shí)），第3章6學(xué)時(shí)（其中節(jié)點(diǎn)法回路法2學(xué)時(shí)，疊加定理、戴維南定理2學(xué)時(shí)，習(xí)題課2學(xué)時(shí)），第4章4學(xué)時(shí)，第5章13學(xué)時(shí)（其中動(dòng)態(tài)元件1學(xué)時(shí)，一階電路2學(xué)時(shí)，二階電路和狀態(tài)方程列寫2學(xué)時(shí)，沖激響應(yīng)與卷積2學(xué)時(shí)，動(dòng)態(tài)電路討論課2學(xué)時(shí)，習(xí)題課4學(xué)時(shí)），第6章22學(xué)時(shí)（其中相量與阻抗4學(xué)時(shí)，頻響與濾波器2學(xué)時(shí)，諧振2學(xué)時(shí)，互感與變壓器2學(xué)時(shí)，功率2學(xué)時(shí)，三相2學(xué)時(shí)，非正弦周期激勵(lì)電路2學(xué)時(shí)，習(xí)題課6學(xué)時(shí)），機(jī)動(dòng)4學(xué)時(shí)，共計(jì)64學(xué)時(shí)。
本書各章末都附有習(xí)題，可配合授課選用。全書最后給出了部分習(xí)題答案，可供參考。如果需更多練習(xí)，可參考清華大學(xué)電路原理教學(xué)組編寫的《電路原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題集》（徐福媛、劉秀成、朱桂萍編著，清華大學(xué)出版社，2005年）。
在改革實(shí)踐過(guò)程中，曾經(jīng)遇到一些困難或疑惑，值得認(rèn)真總結(jié)的議題有以下幾點(diǎn)。
(1) 課程學(xué)時(shí)未變，增加許多新內(nèi)容，是否會(huì)削弱對(duì)電路基本概念和基本分析方法的掌握？
首先，幾代教育工作者的辛勤努力使得電路基本概念和基本分析方法能夠以更簡(jiǎn)明、更易接受的方式進(jìn)行講授，從而為進(jìn)一步拓展電路應(yīng)用奠定了牢固的基礎(chǔ)。其次，恰當(dāng)引入新內(nèi)容能夠加深學(xué)生對(duì)電路基本概念的理解。例如引入MOSFET以后，學(xué)生對(duì)受控源、開(kāi)關(guān)和寄生電容等概念的理解大大深入，從而激發(fā)起濃厚的學(xué)習(xí)興趣，能夠主動(dòng)應(yīng)用課余時(shí)間進(jìn)行鉆研。從無(wú)記名調(diào)查問(wèn)卷反饋的意見(jiàn)來(lái)看，大多數(shù)學(xué)生最感興趣的教學(xué)內(nèi)容就是將電路基本概念、基本分析方法和基本元件進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容，如運(yùn)算放大器、門電路、信號(hào)發(fā)生器電路等。第三，一個(gè)概念、一個(gè)方法和一個(gè)理論能夠解釋和解決的問(wèn)題越多，它的意義就越大，人們對(duì)它的理解就越深刻，對(duì)它的掌握才越牢固。如果增加的新內(nèi)容、新問(wèn)題都能用基本概念和基本分析方法加以解釋和解決，這無(wú)疑對(duì)基本概念的理解和基本分析方法的掌握都大有好處。此外，多媒體課件、Flash動(dòng)畫、數(shù)值仿真軟件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置等教學(xué)手段的逐漸豐富也為電路原理課程在有限授課時(shí)間內(nèi)講授盡可能豐富的內(nèi)容提供了技術(shù)保障。我們?cè)诟母镌圏c(diǎn)班曾用以前的電路試題對(duì)新模式授課的學(xué)生進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，這些學(xué)生在理解電路基本概念和掌握基本分析方法方面與以前的學(xué)生相當(dāng)。
(2) 這種改革與電工學(xué)課程有什么區(qū)別？
當(dāng)前電工學(xué)課程的授課對(duì)象為非電類專業(yè)本科生，目的是用較少的時(shí)間傳授給學(xué)生電路分析和電子學(xué)的知識(shí)。因此授課內(nèi)容基本上是電路和電子學(xué)的依次組合，可能還涉及部分電力電子及電力拖動(dòng)的知識(shí)。而我們的電路原理課程改革特別強(qiáng)調(diào)有源與無(wú)源器件的融合與相互滲透、相互支撐，使電路和電子學(xué)的內(nèi)容密不可分。或許這種新舉措對(duì)電工學(xué)課程改革有一定的參考價(jià)值。
(3) 如何處理好與后續(xù)課程的聯(lián)系和分工？
本課程與大量的后續(xù)課程有著密不可分的聯(lián)系，是學(xué)習(xí)多種專業(yè)課的公共基礎(chǔ)。正是為了適應(yīng)當(dāng)代電氣工程與信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，我們對(duì)課程進(jìn)行了改革。實(shí)踐表明，改革不僅使學(xué)生加深了對(duì)基本概念和基本分析方法的理解與應(yīng)用，而且強(qiáng)烈激發(fā)起學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)興趣。此外，學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的透徹認(rèn)識(shí)和充分掌握是需要有一個(gè)過(guò)程的，從不同角度進(jìn)行講授有利于學(xué)生全面深入地掌握基礎(chǔ)知識(shí)。本書第1章圖1.1.1給出了本課程與后續(xù)多種課程的聯(lián)系，從中可以初步了解它們之間的相互關(guān)系。
本書的編寫工作由于歆杰、朱桂萍和陸文娟完成。于歆杰編寫了第1、2、4章，朱桂萍編寫了第5、6章，陸文娟編寫了第3章，全書由于歆杰統(tǒng)稿。清華大學(xué)電路原理教學(xué)組常年堅(jiān)持的教學(xué)討論對(duì)本書框架的形成有很重要的作用，學(xué)生的積極反饋也是作者編寫工作中寶貴的信息來(lái)源。
本書承清華大學(xué)肖達(dá)川教授作序，在此對(duì)肖老師多年來(lái)對(duì)電路原理課程教師的諄諄教誨和對(duì)課程改革的大力支持深致謝意。
全書承清華大學(xué)鄭君里教授和北京理工大學(xué)龔紹文教授審閱，對(duì)本書初稿提出了許多重要的修改意見(jiàn)。從這次課程改革的準(zhǔn)備階段至今，他們與作者密切溝通，給予熱情幫助和支持，共同克服困難。在此向他們深致謝忱與敬意。
2002年秋清華大學(xué)電路原理教學(xué)組于歆杰和王樹(shù)民曾對(duì)美國(guó)耶魯大學(xué)（Yale）、卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）和麻省理工學(xué)院（MIT）等校進(jìn)行教學(xué)考察。2003年秋于歆杰作為訪問(wèn)學(xué)者再次到MIT考察并參加了部分教學(xué)工作。2004年朱桂萍到英國(guó)曼徹斯特大學(xué)訪問(wèn)進(jìn)修。這些交流對(duì)于本課程教學(xué)改革的成功產(chǎn)生了重要影響，在此謹(jǐn)向以上各校老師深表謝意，特別要感謝MIT電路課程負(fù)責(zé)人A.Agarwal教授和J.Lang教授。
清華大學(xué)教務(wù)處、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院以及清華大學(xué)出版社對(duì)作者的教學(xué)考察、教學(xué)改革和撰寫教材提供了幫助，在此一并致謝。其中特別要感謝汪蕙教授、鄧麗曼副教授和鄒開(kāi)顏編輯。在新模式教學(xué)實(shí)施階段和本書的編寫過(guò)程中得到了教學(xué)組全體同仁的幫助，博士生唱亮、許軍、楊鈺和邵沖對(duì)書稿進(jìn)行了認(rèn)真的校讀，在此深表致謝。感謝作者家人的支持和幫助。
由于作者水平有限，難免存在錯(cuò)漏之處，懇切地希望讀者對(duì)教材體系、內(nèi)容和實(shí)施方案提出寶貴意見(jiàn)。聯(lián)系方式如下：
于歆杰，北京市清華大學(xué)電機(jī)系，100084，010��62780250，yuxj@tsinghua.edu.cn
朱桂萍，北京市清華大學(xué)電機(jī)系，100084，010��62794878，gpzhu@tsinghua.edu.cn
陸文娟，北京市清華大學(xué)電機(jī)系，100084，010��62795891，luwj@tsinghua.edu.cn

作者
2007年1月于清華大學(xué)