前言
本書是近三年來清華大學對電路原理課程進行教學改革的成果之一。作者在三屆授課講稿的基礎上，經(jīng)整理補充，寫成這本教材。
電路原理（或電路、電路分析基礎）課程的形成源于電氣工程與信息科學技術的研究和應用。
半個多世紀以來，為了使這門課程能夠適應科學技術發(fā)展的需要，人們進行了多方面的探索，努力拓展和深化電路理論。例如，引入圖論知識，加強狀態(tài)變量分析，更新并擴充非線性電路理論的研究內(nèi)容、增加計算機輔助分析的應用等。也有人提出將此課程與其他課程重新整合。實踐表明，多種類型的嘗試都對本課程的教學改革產(chǎn)生了很好的促進作用，使電路原理課程不斷更新，與時俱進。
進入20世紀中后期，超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術日趨成熟，并在科研、生產(chǎn)以至日常生活的各個層面起到越來越重要的作用。與此同時，數(shù)字系統(tǒng)的應用已明顯超過模擬系統(tǒng)，數(shù)字與模擬混合系統(tǒng)也得到了非常廣泛的應用。然而，這些重大變革卻很少觸動電路原理課程的教學內(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。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)的實際狀況明顯脫節(jié)，課程內(nèi)容失去活力，學生感覺所講授的內(nèi)容與現(xiàn)實生活中的電氣電子設備不相適應。學完這門課之后，往往還不知道受控源究竟為何物，未能認識實際電路中廣泛應用的開關元件，更不理解電阻與電容充放電過程產(chǎn)生的真實背景等。其次，電路類課程的總體學時偏多，相當一部分內(nèi)容還有待更新。
我們不會忘記，電阻（R）、電感（L）、電容（C）元件在相當長一段時間內(nèi)都是組成電路最主要的基本單元，但隨著集成電路技術的飛速發(fā)展，這種簡單的局面已不復存在。為了適應芯片制作工藝特點，減少芯片面積和改善電路參數(shù)精度與穩(wěn)定性等一系列實際要求，電路設計的理念產(chǎn)生了根本性變化。一方面力求遠離電感，同時要謹慎選用電阻和電容； 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體場效應管（MOSFET）。由于MOSFET具有集成工藝便于實現(xiàn)和低功耗等眾多優(yōu)點，扮演了當代集成電路基本單元中最重要的角色。
當然還應當看到，仍有一些電路很難全部進入芯片以實現(xiàn)集成化。這主要表現(xiàn)在大功率和高頻率兩個方面。在電力電子技術中，較大功率運行的電路仍然需要分立器件來實現(xiàn)； 在無線通信靠近射頻前端以及頻率較高的電子儀器設備中，也保留有一些分立電路。
面對實際情況，應當重新考慮電路原理課程的主要選材和體系結構。
人們構成電路的目的是為了進行能量處理和信號處理，因此在電路原理課程中應體現(xiàn)這兩方面的應用。當代電氣工程與信息科學的發(fā)展和應用趨勢表明，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。在實踐中，我們還注意到，引入MOSFET不僅可以讓學生認識實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可作開關應用，這樣就為初步建立數(shù)字系統(tǒng)的概念開創(chuàng)了條件。將電阻、電容、電感、MOSFET、運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)電路進行能量處理和信號處理的雙重作用。
作為電類專業(yè)第一門技術基礎課程，電路原理需要培養(yǎng)學生扎實的電路分析能力，但切切不可忽視對實際元件建模背景的討論，即不能將課程只局限在針對理想模型的分析中。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、抽象過程、不同模型之間的區(qū)別與聯(lián)系、如何針對不同需求選擇不同模型……
隨著系統(tǒng)集成技術的廣泛應用，把電路設計過程進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雜電路的設計，這是構成復雜系統(tǒng)的前提。在電路原理這門課程中，有責任為學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點指導思想，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際背景。按照外界條件的不同，MOSFET也可工作于開關狀態(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法分析了MOSFET構成的模擬電路與系統(tǒng)的基本單元——小信號放大電路。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放大器的頻率響應特性，分析了寄生電容對實際放大電路的影響。第5章和第6章分別從時域和頻域兩個角度全面考察動態(tài)元件對實際電路性能產(chǎn)生的影響。
(2) 含運算放大器電路的分析也滲透于全書許多章節(jié)。在第2章中討論運算放大器的模型，運用KCL、KVL研究一些簡單運放電路。此后逐步深入，不僅講授負反饋運放構成的多種實際電路，還討論了一些正反饋運放的應用實例。第6章結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分析法。著重運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、生動的應用實例。
(4) 注意到本課程具有從數(shù)學、物理向工程實踐過渡的特點，努力引導學生樹立和訓練工程觀點。以Y�拨ぷ儞Q、電源等效變換以及互感去耦等問題為載體，加強等效觀點的訓練； 以二極管多種分段線性模型和各類變壓器模型為例，介紹近似簡化的分析方法； 從MOSFET到運算放大器以及二端口網(wǎng)絡的討論充分體現(xiàn)了模塊化的抽象觀點。
(5) 認識到構成電路的目的是解決信號處理與能量處理中的大量實際問題，努力加強應用實例分析。選擇以通信、信號處理、電力系統(tǒng)等領域為背景的應用例子展開討論，激發(fā)讀者的學習興趣和熱情。
概括地講，我們兼顧分立與集成、模擬與數(shù)字、無源與有源元件、二端與多端元件、受控源與開關、線性與非線性、能量處理與信號處理等多種矛盾，試圖從對比中認識事物的規(guī)律，以統(tǒng)一的理念來全面觀察問題，從而適應當代電氣工程與信息科學技術發(fā)展的最新需要。
2004年秋、2005年春和2006年春，作者按此教學模式授課，進行了3屆改革試點，涉及的專業(yè)包括電子信息工程、自動化、計算機、生物醫(yī)學工程等，學生人數(shù)累計約340人，講課學時（含習題課和討論課）均為64學時。學生和聽課教師的反饋說明教學改革初見成效。
全書共6章。第1章為緒論，介紹基本名詞術語、本課程的研究內(nèi)容和主要方法，為后續(xù)章節(jié)的學習做好準備。第2～4章以電阻電路為對象討論電路分析的一般方法和定理。具體內(nèi)容包括： 簡單電阻電路分析，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章為動態(tài)電路的時域分析，重點研究一階電路的工作原理、性能和應用，討論二階電路、階躍響應、沖激響應和卷積積分等概念。第6章為正弦激勵下動態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)分析，包括相量法、阻抗與導納、頻率響應、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個附錄。附錄A從電磁學理論出發(fā)，建立電路基本參數(shù)的概念，引出電路元件的定義，使本課程與大學物理、電磁場等課程相互溝通與配合。附錄B介紹電路圖論的基礎知識，引導對此感興趣的讀者初步認識這一研究領域。附錄C和D分別為學習動態(tài)電路的時域分析和正弦穩(wěn)態(tài)分析提供了必要的數(shù)學基礎——常系數(shù)線性常微分方程的求解以及復數(shù)和正弦量的三要素。附錄E討論傅里葉級數(shù)，為本課程與數(shù)學和信號與系統(tǒng)的銜接做好準備。
教育部高等學校電子信息科學與電氣信息類基礎課程教學指導委員會于2004年制定了電路分析基礎課程的教學基本要求，本書內(nèi)容完全覆蓋了這些基本要求，即可作為高校64～90學時電路原理課程的教材或參考書。
在使用本書作教材時，授課教師可根據(jù)學生能力、培養(yǎng)計劃和學時等因素靈活選取素材，切忌照本宣科。在選擇授課素材時首先要保證滿足上述基本要求，同時適當兼顧前文所述改革指導思想。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) 對于改革思想不一定要求立即全面實施到位。改革初期可結合實際情況有所側重，待條件成熟后逐步推進。例如，可以跳過2.8～2.9節(jié)，對于第4章只著重介紹4.5和4.6節(jié)，適當縮減該章學時等。
(3) 本書特點之一是背景鮮明、形象生動的應用實例相當豐富。對此，課上可以選擇重點內(nèi)容講授，把較多的實例留作課外閱讀。這樣做不僅可以節(jié)省課內(nèi)學時，也有利于培養(yǎng)學生的自學能力，并推動同學之間交流討論，取得事半功倍的成效。
按以上3點建議略去一些小節(jié)或段落不會影響后續(xù)部分的繼續(xù)學習，同時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。
這里提供我們在清華大學2006年教學實踐中安排的課內(nèi)學時供參考（下列學時數(shù)含大課、習題課和討論課，不包括實驗）： 第1章2學時，第2章13學時（其中電阻、電源、KCL和KVL 2學時、等效變換2學時、運放2學時、二端口2學時、數(shù)字系統(tǒng)討論課2學時、習題課3學時），第3章6學時（其中節(jié)點法回路法2學時，疊加定理、戴維南定理2學時，習題課2學時），第4章4學時，第5章13學時（其中動態(tài)元件1學時，一階電路2學時，二階電路和狀態(tài)方程列寫2學時，沖激響應與卷積2學時，動態(tài)電路討論課2學時，習題課4學時），第6章22學時（其中相量與阻抗4學時，頻響與濾波器2學時，諧振2學時，互感與變壓器2學時，功率2學時，三相2學時，非正弦周期激勵電路2學時，習題課6學時），機動4學時，共計64學時。
本書各章末都附有習題，可配合授課選用。全書最后給出了部分習題答案，可供參考。如果需更多練習，可參考清華大學電路原理教學組編寫的《電路原理學習指導與習題集》（徐福媛、劉秀成、朱桂萍編著，清華大學出版社，2005年）。
在改革實踐過程中，曾經(jīng)遇到一些困難或疑惑，值得認真總結的議題有以下幾點。
(1) 課程學時未變，增加許多新內(nèi)容，是否會削弱對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明、更易接受的方式進行講授，從而為進一步拓展電路應用奠定了牢固的基礎。其次，恰當引入新內(nèi)容能夠加深學生對電路基本概念的理解。例如引入MOSFET以后，學生對受控源、開關和寄生電容等概念的理解大大深入，從而激發(fā)起濃厚的學習興趣，能夠主動應用課余時間進行鉆研。從無記名調(diào)查問卷反饋的意見來看，大多數(shù)學生最感興趣的教學內(nèi)容就是將電路基本概念、基本分析方法和基本元件進行實際應用的內(nèi)容，如運算放大器、門電路、信號發(fā)生器電路等。第三，一個概念、一個方法和一個理論能夠解釋和解決的問題越多，它的意義就越大，人們對它的理解就越深刻，對它的掌握才越牢固。如果增加的新內(nèi)容、新問題都能用基本概念和基本分析方法加以解釋和解決，這無疑對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動畫、數(shù)值仿真軟件和現(xiàn)場實驗裝置等教學手段的逐漸豐富也為電路原理課程在有限授課時間內(nèi)講授盡可能豐富的內(nèi)容提供了技術保障。我們在改革試點班曾用以前的電路試題對新模式授課的學生進行了測試。結果表明，這些學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生相當。
(2) 這種改革與電工學課程有什么區(qū)別？
當前電工學課程的授課對象為非電類專業(yè)本科生，目的是用較少的時間傳授給學生電路分析和電子學的知識。因此授課內(nèi)容基本上是電路和電子學的依次組合，可能還涉及部分電力電子及電力拖動的知識。而我們的電路原理課程改革特別強調(diào)有源與無源器件的融合與相互滲透、相互支撐，使電路和電子學的內(nèi)容密不可分�；蛟S這種新舉措對電工學課程改革有一定的參考價值。
(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，是學習多種專業(yè)課的公共基礎。正是為了適應當代電氣工程與信息科學技術發(fā)展的需要，我們對課程進行了改革。實踐表明，改革不僅使學生加深了對基本概念和基本分析方法的理解與應用，而且強烈激發(fā)起學生對后續(xù)課程的學習興趣。此外，學生對重要知識點的透徹認識和充分掌握是需要有一個過程的，從不同角度進行講授有利于學生全面深入地掌握基礎知識。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。清華大學電路原理教學組常年堅持的教學討論對本書框架的形成有很重要的作用，學生的積極反饋也是作者編寫工作中寶貴的信息來源。
本書承清華大學肖達川教授作序，在此對肖老師多年來對電路原理課程教師的諄諄教誨和對課程改革的大力支持深致謝意。
全書承清華大學鄭君里教授和北京理工大學龔紹文教授審閱，對本書初稿提出了許多重要的修改意見。從這次課程改革的準備階段至今，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年秋清華大學電路原理教學組于歆杰和王樹民曾對美國耶魯大學（Yale）、卡耐基梅隆大學（CMU）和麻省理工學院（MIT）等校進行教學考察。2003年秋于歆杰作為訪問學者再次到MIT考察并參加了部分教學工作。2004年朱桂萍到英國曼徹斯特大學訪問進修。這些交流對于本課程教學改革的成功產(chǎn)生了重要影響，在此謹向以上各校老師深表謝意，特別要感謝MIT電路課程負責人A.Agarwal教授和J.Lang教授。
清華大學教務處、信息科學技術學院以及清華大學出版社對作者的教學考察、教學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顏編輯。在新模式教學實施階段和本書的編寫過程中得到了教學組全體同仁的幫助，博士生唱亮、許軍、楊鈺和邵沖對書稿進行了認真的校讀，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，難免存在錯漏之處，懇切地希望讀者對教材體系、內(nèi)容和實施方案提出寶貴意見。聯(lián)系方式如下：
于歆杰，北京市清華大學電機系，100084，010��62780250，yuxj@tsinghua.edu.cn
朱桂萍，北京市清華大學電機系，100084，010��62794878，gpzhu@tsinghua.edu.cn
陸文娟，北京市清華大學電機系，100084，010��62795891，luwj@tsinghua.edu.cn

作者
2007年1月于清華大學