Электроника 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (14) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Диоды и транзисторы

Диод (постоянное падение напряжения): V_D = 0,7 V when conducting
Активный режим: V_BE = 0,7 V, I_C = β·I_B, I_E = (β + 1)·I_B
Фиксированное смещение: I_B = (V_CC − 0,7)/R_B
Смещение делителем напряжения: I_B = (V_TH − 0,7)/(R_TH + (β + 1)R_E)
Эквивалент Тевенена для делителя: V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂
Контур коллектора: V_CE = V_CC − I_CR_C − I_ER_E
Насыщение: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C, I_B ≥ I_C(sat)/β

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Неинвертирующий усилитель: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Суммирующий усилитель: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Идеальный ОУ: V₊ = V₋, I_in = 0

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени: τ = RC | τ = L/R
Отклик: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Конденсатор на постоянном токе: разрыв; v_C не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе: короткое замыкание; i_L не может измениться скачком
Установившийся режим: t ≈ 5τ

Метод

Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов: R_eq = R₁ + R₂ + …
Параллельное соединение резисторов: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Два параллельно: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Закон Ома: V = I·R
Мощность: P = V·I = I²R = V²/R

Метод

Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
После каждого шага перерисовывайте схему.
Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Преобразователи постоянного напряжения

Понижающий: V_o = D·V_in
Повышающий: V_o = V_in/(1 − D)
Инвертирующий понижающе-повышающий: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
Идеальный баланс мощности: V_inI_in = V_oI_o
Пульсации тока катушки: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
Средний ток катушки: понижающий I_o; повышающий и понижающе-повышающий I_o/(1 − D)
Пульсации выходного напряжения: понижающий ΔI_L/(8fC); повышающий и понижающе-повышающий I_o·D/(fC)
Граница режима непрерывного тока: понижающий (1 − D)R/(2f); повышающий D(1 − D)²R/(2f); понижающе-повышающий (1 − D)²R/(2f)

Метод

Определите преобразователь (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий) и коэффициент заполнения D по отношению напряжений.
Используйте баланс вольт-секунд на катушке индуктивности: среднее напряжение на катушке за период равно нулю.
Найдите напряжение на катушке при включённом ключе, затем ΔI_L = V_L·D/(L·f).
Для пульсаций выхода найдите заряд, входящий в конденсатор и выходящий из него; для границы режима непрерывного тока приравняйте средний ток катушки к ΔI_L/2.

Мост Уитстона и тензорезисторы

Напряжения делителей: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Выделение: V_ab = V_a − V_b
Баланс: R₁/R₂ = R₃/R₄
Реохордный мост: R/R_x = l/(100 − l)
Сопротивление Тевенина: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Коэффициент тензочувствительности: ΔR/R = GF·ε
Выход моста: четвертьмост V_s·GF·ε/4, полумост V_s·GF·ε/2, полный мост V_s·GF·ε
Малое изменение, одно плечо: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
Напряжение: σ = E·ε

Метод

Рассматривайте мост как два делителя напряжения от одного источника.
Для равновесия приравняйте R₁/R₂ = R₃/R₄ и найдите неизвестный резистор.
Для неуравновешенного моста найдите V_a и V_b по делителям и вычтите; используйте эквивалент Тевенина, когда прибор нагружает выход.
Для тензорезисторов переведите деформацию в ΔR/R = GF·ε и используйте V_s·GF·ε/4, /2 или ×1 для четвертьмоста, полумоста или полного моста.

Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Основные вентили: A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры: X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана: (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно: 00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток: теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1: F = A′B′I₀ + A′BI₁ + AB′I₂ + ABI₃
Триггеры: D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики: n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; f_out = f_clk/N
Асинхронный счётчик: f_max = 1/(n·t_pd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона: n и 2n состояний

Метод

Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.

2Тренировочные задачи

1.Диоды и транзисторыСредняя

NPN-транзистор с β = 100 смещён делителем напряжения от V_CC = 18 V: R₁ = 68 kΩ от V_CC к базе и R₂ = 8,2 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора R_C = 5,6 kΩ, резистор эмиттера R_E = 680 Ω. Примите V_BE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите ток коллектора I_C в mA.

V_CC = 18 VR₁ = 68 kΩR₂ = 8,2 kΩR_C = 5,6 kΩR_E = 680 Ωβ = 100

I_C = mA

2.Диоды и транзисторыСложная

NPN-транзистор с β = 100 коммутирует нагрузочный резистор 100 Ω, включённый между V_CC = 12 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы R_B = 4,7 kΩ. Примите V_BE = 0,7 V и V_CE(sat) = 0,2 V. Найдите ток коллектора I_C в mA при высоком уровне на входе. Сначала определите, насыщен ли транзистор.

V_CC = 12 VR_C = 100 Ωβ = 100V_in = 5 VV_BE = 0,7 VV_CE(sat) = 0,2 VR_B = 4,7 kΩ

I_C = mA

3.Схемы на операционных усилителяхСредняя

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R₃ = R₁ и R₄ = R₂. Найдите выходное напряжение V_out.

V₁ = 0,9 VV₂ = 2,2 VR₁ = R₃ = 2 kΩR₂ = R₄ = 1 kΩ

V_out = V

4.Схемы на операционных усилителяхСложная

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток I_f через резистор обратной связи, текущий к выходу.

V₁ = −1,7 VV₂ = 0,7 VR₁ = 2 kΩR₂ = 4,7 kΩR_f = 2 kΩ

I_f = mA

5.Переходные процессы RC и RLСредняя

Через катушку течёт установившийся ток 3 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение v_R на R при t = 5 ms.

i(0) = 3 AR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms

v_R = V

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Ключ, шунтирующий R₂, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R₂. Найдите ток катушки i при t = 15 ms.

V_s = 10 VR₁ = 33 ΩR₂ = 47 ΩL = 220 mHt = 15 ms

i = A

7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 15 VR₁ = 3 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 20 Ω

R_eq = Ω

8.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R2 через R₂.

V₁ = 10 VR₁ = 2 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 2 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 25 Ω

I_R2 = A

9.Преобразователи постоянного напряженияСредняя

Идеальный понижающий преобразователь преобразует 9 V в 4,5 V при частоте переключения 250 kHz. Найдите индуктивность L, при которой размах пульсаций тока катушки составляет 0,2 A.

Vin = 9 VVo = 4,5 Vf = 250 kHzΔI_L = 0,2 A

L = µH

10.Преобразователи постоянного напряженияСложная

Идеальный повышающий преобразователь преобразует 12 V в 40 V при нагрузке 12 Ω и частоте 20 kHz. Выходной конденсатор имеет ёмкость 100 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔV_o в mV.

Vin = 12 VVo = 40 Vf = 20 kHzC = 100 µFR = 12 Ω

ΔV_o = mV

11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя

Гальванометр с сопротивлением 20 Ω включён между a и b показанного моста (V_s = 5 V). Найдите ток гальванометра I_g от a к b в µA.

V_s = 5 VR₁ = 500 ΩR₂ = 60 ΩR₃ = 400 ΩR₄ = 250 ΩR_g = 20 Ω

I_g = µA

12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная

Четвертьмост (один активный тензорезистор, GF = 2) питается напряжением 5 V. Наибольшая измеряемая деформация составляет 500 µε, и она должна давать 5 V на входе аналого-цифрового преобразователя. Найдите коэффициент усиления усилителя G.

V_s = 5 VGF = 2ε_max = 500 µεV_FS = 5 V

G =

13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя

Упростите F = A′C′ + AB′C + BC′ + ABC′ до минимальной формы «сумма произведений». Сколько литералов, L, содержит упрощённое выражение?

F = A′C′ + AB′C + BC′ + ABC′

L =

14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная

Найдите минимальную форму SOP для F(A, B, C, D) = Σm(0, 8, 9, 10, 12, 14, 15) + d(2, 5, 6), где d обозначает безразличные состояния. Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 8, 9, 10, 12, 14, 15) + d(2, 5, 6)

N =

3Растворы

1.Диоды и транзисторы

Ответ: I_C = 1,628 mA

Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме V_BE = 0,7 V, I_C = β·I_B и I_E = (β + 1)·I_B. Найдите I_B из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем I_C, затем V_CE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.

Эквивалент Тевенена для делителя

V_TH = 18·8,2/(68 + 8,2) = 1,937 V

R_TH = 68·8,2/(68 + 8,2) = 7,318 kΩ

Ток базы

Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·I_B.

I_B = (1,937 − 0,7)/(7,318 + 101·0,68) = 16,28 µA

Ток коллектора

I_C = 100·16,28 µA = 1,628 mA

I_E = 101·16,28 µA = 1,644 mA

Ответ

I_C = 1,628 mA

2.Диоды и транзисторы

Ответ: I_C = 91,49 mA

Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где V_CE = V_CE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C. Для насыщения нужен ток базы не менее I_B = I_C(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и I_C = β·I_B.

Ток базы

I_B = (5 − 0,7)/4,7 kΩ = 914,9 µA

Насыщение или активный режим?

β·I_B меньше I_C(sat), поэтому транзистор остаётся в активном режиме.

β·I_B = 91,49 mA

I_C(sat) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA

Ток коллектора

I_C = β·I_B = 91,49 mA

Ответ

I_C = 91,49 mA

Транзистор в активном режиме, поэтому нагрузка включена не полностью.

3.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V_out = 0,65 V

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Напряжение на входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 2,2·1/(2 + 1) = 0,7333 V

V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(0,9 − 0,7333)/2 = (0,7333 − V_out)/1

V_out = (R₂/R₁)·(V₂ − V₁) = (1/2)·(2,2 − 0,9) = 0,65 V

Ответ

V_out = 0,65 V

4.Схемы на операционных усилителях

Ответ: I_f = −0,7011 mA

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I₁ = V₁/R₁ = −1,7/2 = −0,85 mA

I₂ = V₂/R₂ = 0,7/4,7 = 0,1489 mA

I_f = I₁ + I₂ = −0,7011 mA

Ответ

I_f = −0,7011 mA

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_R = 21,15 V

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Постоянная времени

τ = L/R = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms

Убывание тока

i(t) = 3·e^−5/2,206 = 0,311 A

v_R = R·i = 68·0,311 = 21,15 V

Ответ

v_R = 21,15 V

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2843 A

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 10/(33 + 47) = 0,125 A

i(∞) = 10/33 = 0,303 A

τ = L/R = 220/33 = 6,667 ms

i(t) = 0,303 + (0,125 − 0,303)·e^−t/τ

Ток в заданный момент

i(15) = 0,303 + (−0,178)·e^−15/6,667 = 0,2843 A

Ответ

i = 0,2843 A

7.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 10,78 Ω

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R₃ + R₄ = 15 + 20 = 35 Ω

R₂ ∥ 35 = 10·35/(10+35) = 7,778 Ω

R_eq = R₁ + 7,778 = 3 + 7,778 = 10,78 Ω

Ответ

R_eq = 10,78 Ω

8.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R2 = 0,4528 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 12 + 25 = 37 Ω

R₄ ∥ 37 = 1,897 Ω

R₃ + 1,897 = 5,897 Ω

R₂ ∥ 5,897 = 4,233 Ω

R_eq = R₁ + 4,233 = 2 + 4,233 = 6,233 Ω

Ток источника

Источник видит только R_eq, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 10/6,233 = 1,604 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 10 − 1,604·2 = 6,791 V

I_R2 = V_A/R₂ = 6,791/15 = 0,4528 A

Ответ

I_R2 = 0,4528 A

9.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: L = 45 µH

Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий V_o = D·V_in, повышающий V_o = V_in/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |V_o| = V_in·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: V_in·I_in = V_o·I_o. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔI_L = V_L·D·T/L, где V_L = V_in − V_o для понижающего и V_in для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔV_o = ΔI_L/(8fC) для понижающего и I_o·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔI_L/2.

Коэффициент заполнения

D = 4,5/9 = 0,5

Индуктивность

L = 4,5·0,5/(0,2·250·10³) = 45 µH

Ответ

L = 45 µH

10.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: ΔV_o = 1167 mV

Коэффициент заполнения

D = 1 − 12/40 = 0,7

Ток нагрузки

I_o = 40/12 = 3,333 A

Пульсации выходного напряжения

ΔV_o = 3,333·0,7/(20·10³·100·10⁻⁶) = 1167 mV

Ответ

ΔV_o = 1167 mV

11.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: I_g = −6101 µA

Мост Уитстона: два делителя напряжения питаются от одного источника V_s. Левый делитель R₁–R₂ даёт V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂), а правый делитель R₃–R₄ даёт V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); выход равен V_ab = V_a − V_b. Мост уравновешен (V_ab = 0, ток через прибор отсутствует), когда R₁/R₂ = R₃/R₄, то есть R₁·R₄ = R₂·R₃. Со стороны выхода мост — это источник Тевенина с R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Напряжение Тевенина

V_th = 5·(60/560 − 250/650) = −1,387 V

Сопротивление Тевенина

R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 207,4 Ω

Ток гальванометра

I_g = −1,387/(207,4 + 20) = −6101 µA

Ответ

I_g = −6101 µA

12.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: G = 4000

Тензорезисторы: тензорезистор изменяет своё сопротивление при деформации: ΔR/R = GF·ε, где коэффициент тензочувствительности GF для металлической фольги около 2. В мосту, все плечи которого равны R, один активный тензорезистор (четвертьмост) даёт V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Два активных тензорезистора с противоположными деформациями в соседних плечах (полумост) дают V_s·GF·ε/2, а четыре (полный мост) — V_s·GF·ε. Напряжение находится по закону Гука, σ = E·ε. Тензометрические датчики силы указывают чувствительность в mV/V: выход при полной нагрузке на каждый вольт питания.

Выход моста при полной шкале

V_o = 1,25 mV

Коэффициент усиления

G = 5/0,00125 = 4000

Ответ

G = 4000

13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 7

Булева алгебра: правила, упрощающие выражения: X + X′ = 1 и X·X′ = 0, X + X = X, поглощение X + X·Y = X, правило склеивания X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y и теорема о консенсусе XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Законы де Моргана превращают (X·Y)′ в X′ + Y′ и (X + Y)′ в X′·Y′. Карта Карно применяет эти правила графически: каждая группа из двух соседних клеток — это одно применение XY + XY′ = X.

Минтермы выражения

A′C′ → m(0, 2)

AB′C → m(5)

BC′ → m(2, 6)

ABC′ → m(6)

Сгруппируйте и прочитайте

F = BC′ + A′C′ + AB′C

Посчитайте литералы

L = 7

Ответ

L = 7

14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 4

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

Простые импликанты

Самые большие группы, которые можно образовать из единиц и X.

CD′, B′D′, AD′, AB′C′, ABC

Минимальное покрытие

F = B′D′ + AD′ + AB′C′ + ABC

N = 4

Ответ

N = 4

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1