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 = 150 смещён делителем напряжения от V_CC = 20 V: R₁ = 47 kΩ от V_CC к базе и R₂ = 4,7 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора R_C = 3,3 kΩ, резистор эмиттера R_E = 1 kΩ. 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 = 20 VR₁ = 47 kΩR₂ = 4,7 kΩR_C = 3,3 kΩR_E = 1 kΩβ = 150

I_C = mA

2.Диоды и транзисторыСложная

NPN-транзистор с β = 80 коммутирует нагрузочный резистор 1 kΩ, включённый между V_CC = 9 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы R_B = 2,2 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 = 9 VR_C = 1 kΩβ = 80V_in = 5 VV_BE = 0,7 VV_CE(sat) = 0,2 VR_B = 2,2 kΩ

I_C = mA

3.Схемы на операционных усилителяхСредняя

Подберите резистор обратной связи R_f, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 25.

R₁ = 100 kΩA_v = 25

R_f = kΩ

4.Схемы на операционных усилителяхСложная

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение V_out.

V₁ = −0,7 VV₂ = −1 VR₁ = 10 kΩR₂ = 47 kΩR_f = 47 kΩ

V_out = V

5.Переходные процессы RC и RLСредняя

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

V_s = 9 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms

i = A

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 6 V с указанной полярностью. Через какое время v_C достигнет 5,7 V? Найдите t.

V_s = 5 VR = 10 kΩC = 220 µFv_C(0) = 6 V

t = ms

7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите ток I_R2 через R₂.

V₁ = 15 VR₁ = 5 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 12 Ω

I_R2 = A

8.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 24 VR₁ = 20 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 2 ΩR₆ = 2 Ω

R_eq = Ω

9.Преобразователи постоянного напряженияСредняя

Понижающий преобразователь преобразует 15 V в 6 V при нагрузке 4 Ω. Он переключается с частотой 100 kHz при L = 22 µH. Найдите пиковый ток катушки I_max.

Vin = 15 VVo = 6 Vf = 100 kHzL = 22 µHR = 4 Ω

I_max = A

10.Преобразователи постоянного напряженияСложная

Идеальный инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь преобразует 24 V в −72 V при нагрузке 10 Ω и частоте 500 kHz. Найдите наименьшую индуктивность L_crit для режима непрерывного тока.

Vin = 24 VVo = −72 Vf = 500 kHzR = 10 Ω

L_crit = µH

11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя

Мост имеет четыре плеча по 330 Ω и V_s = 5 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 2,64 Ω. Используя приближение малых изменений, найдите выход V_ab в mV.

V_s = 5 VR = 330 ΩΔR = 2,64 Ω

V_ab = mV

12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная

Мост с плечами 350 Ω питается напряжением 5 V; конфигурация: четыре активных тензорезистора, два на растяжение и два на сжатие (полный мост). Коэффициент тензочувствительности равен 2,12, деформация — 1000 µε. Найдите выход моста V_o в mV.

V_s = 5 VGF = 2,12ε = 1000 µε

V_o = mV

13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 14). Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 14)

N =

14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная

Для F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 5, 7, 9, 13) + d(6, 11, 14), где d обозначает безразличные состояния, найдите число N существенных простых импликант.

F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 5, 7, 9, 13) + d(6, 11, 14)

N =

3Растворы

1.Диоды и транзисторы

Ответ: I_C = 1,08 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 = 20·4,7/(47 + 4,7) = 1,818 V

R_TH = 47·4,7/(47 + 4,7) = 4,273 kΩ

Ток базы

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

I_B = (1,818 − 0,7)/(4,273 + 151·1) = 7,201 µA

Ток коллектора

I_C = 150·7,201 µA = 1,08 mA

I_E = 151·7,201 µA = 1,087 mA

Ответ

I_C = 1,08 mA

2.Диоды и транзисторы

Ответ: I_C = 8,8 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)/2,2 kΩ = 1955 µA

Насыщение или активный режим?

β·I_B больше I_C(sat), поэтому транзистор насыщается.

β·I_B = 156,4 mA

I_C(sat) = (9 − 0,2)/1000 = 8,8 mA

Ток коллектора

I_C = I_C(sat) = 8,8 mA

Ответ

I_C = 8,8 mA

Транзистор насыщен.

3.Схемы на операционных усилителях

Ответ: R_f = 2400 kΩ

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.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = V_in, а ток через R₁ течёт и через R_f, поэтому V_out = V_in·(1 + R_f/R₁).

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (25 − 1)·100 = 2400 kΩ

Ответ

R_f = 2400 kΩ

4.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V_out = 4,29 V

Входные токи

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

I₁ = V₁/R₁ = −0,7/10 = −0,07 mA

I₂ = V₂/R₂ = −1/47 = −0,02128 mA

I_f = I₁ + I₂ = −0,09128 mA

Выходное напряжение

V_out = −R_f·I_f = −47·(−0,09128) = 4,29 V

Ответ

V_out = 4,29 V

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2119 A

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 и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms

i(∞) = V_s/R = 9/33 = 0,2727 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e^−t/τ) = 0,2727·(1 − e^−1/0,6667) = 0,2119 A

Ответ

i = 0,2119 A

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 784,7 ms

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

v_C(0) = 6 V, v_C(∞) = V_s = 5 V

τ = R·C = 10 kΩ · 220 µF = 2200 ms

v_C(t) = 5 + (6 − 5)·e^−t/τ

Выразите время

5,7 = 5 + (1)·e^−t/τ → e^−t/τ = (5,7 − 5)/(6 − 5) = 0,7

t = τ·ln((6 − 5)/(5,7 − 5)) = 2200·ln(1,429) = 784,7 ms

Ответ

t = 784,7 ms

7.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R2 = 0,7604 A

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 = 10 + 12 = 22 Ω

R₂ ∥ 22 = 12·22/(12+22) = 7,765 Ω

R_eq = R₁ + 7,765 = 5 + 7,765 = 12,76 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 = 15/12,76 = 1,175 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 = 15 − 1,175·5 = 9,124 V

I_R2 = V_A/R₂ = 9,124/12 = 0,7604 A

Ответ

I_R2 = 0,7604 A

8.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 23,64 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 2 + 2 = 4 Ω

R₄ ∥ 4 = 3,448 Ω

R₃ + 3,448 = 13,45 Ω

R₂ ∥ 13,45 = 3,645 Ω

R_eq = R₁ + 3,645 = 20 + 3,645 = 23,64 Ω

Ответ

R_eq = 23,64 Ω

9.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: I_max = 2,318 A

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 = 6/15 = 0,4

Средний ток и пульсации тока

I_o = 6/4 = 1,5 A

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 9·0,4/(22·10⁻⁶·100·10³) = 1,636 A

Пиковый ток

I_max = 1,5 + 1,636/2 = 2,318 A

Ответ

I_max = 2,318 A

10.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: L_crit = 0,625 µH

Коэффициент заполнения

D = 72/(24 + 72) = 0,75

Граничное условие

Приравняйте средний ток катушки к половине пульсаций тока и решите относительно L.

L_crit = (1 − D)²·R/(2f)

Критическая индуктивность

L_crit = (1 − 0,75)²·10/(2500·10³) = 0,625 µH

Ответ

L_crit = 0,625 µH

11.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: V_ab = 10 mV

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.

Относительное изменение

ΔR/R = 2,64/330 = 0,008

Линеаризованный выход

V_ab ≈ 5·0,008/4 = 10 mV

Ответ

V_ab = 10 mV

Точное значение равно 9,96 mV; приближение хорошо, пока ΔR/R мало.

12.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: V_o = 10,6 mV

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.

Относительное изменение сопротивления

ΔR/R = 2,12·1000·10⁻⁶ = 0,00212

Выход моста

V_o = V_s·GF·ε = 5·0,00212 = 10,6 mV

Ответ

V_o = 10,6 mV

13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 3

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.

Сгруппируйте единицы

Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.

B′C

AD′

A′C

Минимальная форма SOP

F = B′C + AD′ + A′C

N = 3

Ответ

N = 3

14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 1

Простые импликанты

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

B′CD, BC′D, A′C, AC′D, A′B′D′, A′BD, AB′D

Существенные простые импликанты

A′B′D′

N = 1

Ответ

N = 1

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1