电子技术基础 1：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 14 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

二极管与晶体管

二极管（恒压降模型）: V_D = 0.7 V when conducting
放大区: V_BE = 0.7 V, I_C = β·I_B, I_E = (β + 1)·I_B
固定偏置: I_B = (V_CC − 0.7)/R_B
分压偏置: I_B = (V_TH − 0.7)/(R_TH + (β + 1)R_E)
分压器的戴维南等效: V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂
集电极回路: V_CE = V_CC − I_CR_C − I_ER_E
饱和: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C, I_B ≥ I_C(sat)/β

运放电路

反相放大器: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
同相放大器: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
加法放大器: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
理想运放: V₊ = V₋, I_in = 0

RC 和 RL 暂态

时间常数: τ = RC | τ = L/R
响应: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
直流下的电容: 开路；v_C 不能突变
直流下的电感: 短路；i_L 不能突变
稳态: t ≈ 5τ

方法

求换路后瞬间的初始值：电容电压和电感电流不能突变。
求换路后很长时间的终值：电容相当于开路，电感相当于短路。
求时间常数：τ = RC 或 τ = L/R，使用从电容或电感两端看进去的电阻。
使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ。

串并联电阻

电阻串联: R_eq = R₁ + R₂ + …
电阻并联: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
两个电阻并联: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
欧姆定律: V = I·R
功率: P = V·I = I²R = V²/R

方法

从离端子最远的网络末端开始。
串联电阻直接相加，并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
每一步之后重新画电路。
重复直到端子之间只剩一个电阻。

DC-DC 变换器

降压: V_o = D·V_in
升压: V_o = V_in/(1 − D)
反相升降压: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
理想功率平衡: V_inI_in = V_oI_o
电感纹波: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
电感平均电流: 降压 I_o；升压和升降压 I_o/(1 − D)
输出纹波: 降压 ΔI_L/(8fC)；升压和升降压 I_o·D/(fC)
CCM 边界: 降压 (1 − D)R/(2f)；升压 D(1 − D)²R/(2f)；升降压 (1 − D)²R/(2f)

方法

判断变换器的类型（降压、升压或升降压），并由电压比求出占空比 D。
对电感用伏秒平衡：电感电压在一个周期内的平均值为零。
求开关导通时的电感电压，再求 ΔI_L = V_L·D/(L·f)。
求输出纹波时，找出流入和流出电容的电荷；求 CCM 边界时，令电感平均电流等于 ΔI_L/2。

惠斯通电桥与应变片

分压器电压: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
出量: V_ab = V_a − V_b
平衡: R₁/R₂ = R₃/R₄
滑线电桥: R/R_x = l/(100 − l)
戴维南电阻: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
灵敏系数: ΔR/R = GF·ε
电桥输出: 1/4 桥 V_s·GF·ε/4，半桥 V_s·GF·ε/2，全桥 V_s·GF·ε
小变化，一个臂: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
应力: σ = E·ε

方法

把电桥看作接在同一电源上的两个分压器。
要使电桥平衡，令 R₁/R₂ = R₃/R₄，并解出未知电阻。
对不平衡电桥，由分压器求出 V_a 和 V_b 再相减；当仪表对输出端有负载时，用戴维南等效电路。
对应变片，把应变换算成 ΔR/R = GF·ε，再用 V_s·GF·ε/4、/2 或 ×1 分别对应 1/4 桥、半桥或全桥。

数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

基本逻辑门: A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
布尔规则: X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
德摩根律: (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
卡诺图的顺序: 00, 01, 11, 10 (Gray code)
由 2ᵏ 个格子组成的圈: 消去 k 个变量
4 选 1 多路选择器: F = A′B′I₀ + A′BI₁ + AB′I₂ + ABI₃
触发器: D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
计数器: n 位：2ⁿ 个状态；模 N：满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n； f_out = f_clk/N
行波计数器: f_max = 1/(n·t_pd)
环形计数器与约翰逊计数器: n 个和 2n 个状态

方法

对于电路，从输入到输出一个门一个门地分析，并在每根线上写出值；或者写出它的表达式并填写真值表。
化简时，把 1（以及标为 X 的无关项）填入行列按格雷码 00, 01, 11, 10 排列的卡诺图。
用尽可能少而大的圈（由 1、2、4、8 或 16 个格子组成）覆盖所有 1，可以绕过边界；每个圈对应一个乘积项，由保持不变的变量构成。求 POS 形式时圈 0。
对于触发器和计数器，在每个有效时钟边沿读取输入，写出每个边沿之后的状态，并记住 n 位计数器在 2ⁿ 个状态之后回绕。

2练习题

1.二极管与晶体管中等

一只 β = 120 的 NPN 晶体管由 V_CC = 12 V 分压偏置：R₁ = 82 kΩ 接在 V_CC 与基极之间，R₂ = 15 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 R_C = 1 kΩ，发射极电阻为 R_E = 1 kΩ。取 V_BE = 0.7 V，并使用分压器的戴维南等效电路（不忽略基极电流）。求集电极电流 I_C，以 mA 计。

V_CC = 12 VR₁ = 82 kΩR₂ = 15 kΩR_C = 1 kΩR_E = 1 kΩβ = 120

I_C = mA

2.二极管与晶体管困难

一只 β = 200 的 NPN 晶体管控制一个接在 V_CC = 12 V 与其集电极之间的 470 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 V 逻辑输出经基极电阻 R_B 驱动。取 V_BE = 0.7 V，V_CE(sat) = 0.2 V。求仍能使晶体管刚好进入饱和的最大基极电阻 R_B，以 kΩ 计。

V_CC = 12 VR_C = 470 Ωβ = 200V_in = 5 VV_BE = 0.7 VV_CE(sat) = 0.2 V

R_B = kΩ

3.运放电路中等

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放，其中 R₃ = R₁，R₄ = R₂。求反相输入端的电压 V₋。

V₁ = 0.9 VV₂ = 1.5 VR₁ = R₃ = 1 kΩR₂ = R₄ = 10 kΩ

V₋ = V

4.运放电路困难

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源。电阻比不匹配。求输出电压 V_out。

V₁ = 1.8 VV₂ = −0.1 VR₁ = 4.7 kΩR₂ = 4.7 kΩR₃ = 10 kΩR₄ = 1 kΩ

V_out = V

5.RC 和 RL 暂态中等

开关在 t = 0 闭合前，电感中没有电流。求 t = 5 ms 时电感中储存的能量 W，以 mJ 表示。

V_s = 6 VR = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms

W = mJ

6.RC 和 RL 暂态困难

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间，电容电压为 18 V，极性如图所示。 v_C 需要多长时间达到 19.2 V？求 t。

V_s = 20 VR = 10 kΩC = 10 µFv_C(0) = 18 V

t = ms

7.串并联电阻中等

求电源 V₁ 看到的等效电阻 R_eq。

V₁ = 18 VR₁ = 10 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 2 Ω

R_eq = Ω

8.串并联电阻困难

求电源输出并流过 R₁ 的电流 I_R1。

V₁ = 18 VR₁ = 15 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 30 ΩR₆ = 10 Ω

I_R1 = A

9.DC-DC 变换器中等

某理想降压变换器把 9 V 变成 2.7 V，开关频率为 500 kHz。求把电感纹波电流峰峰值保持在 1.5 A 的电感量 L。

Vin = 9 VVo = 2.7 Vf = 500 kHzΔI_L = 1.5 A

L = µH

10.DC-DC 变换器困难

某降压变换器在 50 kHz 下把 24 V 变成 14.4 V，负载为 50 Ω，L = 330 µH，C = 220 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔV_o，单位为 mV。

Vin = 24 VVo = 14.4 Vf = 50 kHzL = 330 µHC = 220 µF

ΔV_o = mV

11.惠斯通电桥与应变片中等

一个 1000 Ω 的应变片是电桥的一个臂（R₂），电桥四个臂均为 1000 Ω，激励电压为 5 V。求应变片上消耗的功率 P_g，单位为 mW。自热限制了激励电压。

V_s = 5 VR = 1000 Ω

P_g = mW

12.惠斯通电桥与应变片困难

某 1/4 桥有一个工作应变片（GF = 2.1），激励电压为 2.5 V。受载时输出读数为 0.984 mV。求应变 ε，单位为 µε。

V_s = 2.5 VGF = 2.1V_o = 0.984 mV

ε = µε

13.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器中等

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 6, 7, 10, 13, 15) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N？

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 6, 7, 10, 13, 15)

N =

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器困难

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始，接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0JK

1时钟边沿 1
2时钟边沿 2
3时钟边沿 3
4时钟边沿 4
5时钟边沿 5
6时钟边沿 6
7时钟边沿 7
8时钟边沿 8

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: I_C = 1.037 mA

BJT 静态工作点：在放大区，V_BE = 0.7 V，I_C = β·I_B，I_E = (β + 1)·I_B。用 KVL 由基极回路求 I_B，再求 I_C，然后由集电极–发射极回路求 V_CE。基极的分压器用其戴维南等效电路代替：V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂)，R_TH = R₁∥R₂；发射极电阻在基极回路中相当于放大了 (β + 1) 倍。

分压器的戴维南等效

V_TH = 12·15/(82 + 15) = 1.856 V

R_TH = 82·15/(82 + 15) = 12.68 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL；发射极电流为 (β + 1)·I_B。

I_B = (1.856 − 0.7)/(12.68 + 121·1) = 8.645 µA

集电极电流

I_C = 120·8.645 µA = 1.037 mA

I_E = 121·8.645 µA = 1.046 mA

答案

I_C = 1.037 mA

2.二极管与晶体管

答案: R_B = 34.25 kΩ

BJT 用作开关：要使负载完全导通，晶体管须驱动到饱和，此时 V_CE = V_CE(sat)，集电极电流由负载决定：I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C。饱和至少需要 I_B = I_C(sat)/β。若基极电流更小，晶体管仍处于放大区，I_C = β·I_B。

饱和时的集电极电流

I_C(sat) = (12 − 0.2)/470 = 25.11 mA

最小基极电流

I_B(min) = I_C(sat)/β = 25.11/200 = 125.5 µA

基极电阻

R_B = (5 − 0.7)/I_B = 4.3 V/0.1255 mA = 34.25 kΩ

答案

R_B = 34.25 kΩ

任何更小的基极电阻也能使晶体管饱和；实际中通常选小几倍的电阻。

3.运放电路

答案: V₋ = 1.364 V

理想运放规则：在负反馈下，运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊)，且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入端的电压

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流，所以构成分压器；反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 1.5·10/(1 + 10) = 1.364 V

V₋ = V₊

答案

V₋ = 1.364 V

4.运放电路

答案: V_out = −1.818 V

+ 输入端的电压

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = −0.1·1/(10 + 1) = −0.009091 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时，V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时，V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

V_out = −(4.7/4.7)·1.8 + (1 + 4.7/4.7)·(−0.009091) = −1.8 + (−0.01818) = −1.818 V

答案

V_out = −1.818 V

5.RC 和 RL 暂态

答案: W = 0.9341 mJ

一阶暂态：在只含一个电容或一个电感的电路中，每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值：x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ，其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

时间常数和终值电流

开关闭合很久后，电感相当于短路，因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 68 mH / 33 Ω = 2.061 ms

i(∞) = V_s/R = 6/33 = 0.1818 A

给定时刻的电流

i(t) = 0.1818·(1 − e^−5/2.061) = 0.1658 A

储存的能量

W = ½·L·i² = ½·68·0.1658² = 0.9341 mJ

答案

W = 0.9341 mJ

6.RC 和 RL 暂态

答案: t = 91.63 ms

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变，所以它从储存值开始，趋向电源电压。

v_C(0) = 18 V, v_C(∞) = V_s = 20 V

τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms

v_C(t) = 20 + (18 − 20)·e^−t/τ

求解时间

19.2 = 20 + (−2)·e^−t/τ → e^−t/τ = (19.2 − 20)/(18 − 20) = 0.4

t = τ·ln((18 − 20)/(19.2 − 20)) = 100·ln(2.5) = 91.63 ms

答案

t = 91.63 ms

7.串并联电阻

答案: R_eq = 14 Ω

串联和并联电阻：串联时每个电阻流过相同电流，R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同，1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对，直到只剩一个等效电阻。

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始，逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联；接在同一对节点之间的电阻为并联。

R₃ + R₄ = 3 + 2 = 5 Ω

R₂ ∥ 5 = 20·5/(20+5) = 4 Ω

R_eq = R₁ + 4 = 10 + 4 = 14 Ω

答案

R_eq = 14 Ω

8.串并联电阻

答案: I_R1 = 1.034 A

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始，逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联；接在同一对节点之间的电阻为并联。

R₅ + R₆ = 30 + 10 = 40 Ω

R₄ ∥ 40 = 9.231 Ω

R₃ + 9.231 = 12.23 Ω

R₂ ∥ 12.23 = 2.409 Ω

R_eq = R₁ + 2.409 = 15 + 2.409 = 17.41 Ω

电源电流

电源只看到 R_eq，由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

I_R1 = V₁/R_eq = 18/17.41 = 1.034 A

答案

I_R1 = 1.034 A

9.DC-DC 变换器

答案: L = 2.52 µH

DC-DC 变换器：开关 S 在每个周期 T = 1/f 中有 D 的比例处于导通。稳态时电感的平均电压为零（伏秒平衡），由此得到连续导通模式下的理想变换比：降压（buck）V_o = D·V_in，升压（boost）V_o = V_in/(1 − D)，反相升降压（buck-boost）|V_o| = V_in·D/(1 − D)。理想变换器功率守恒：V_in·I_in = V_o·I_o。开关导通期间，电感电流上升 ΔI_L = V_L·D·T/L，其中降压变换器的 V_L = V_in − V_o，升压和升降压变换器为 V_in。输出纹波对降压变换器为 ΔV_o = ΔI_L/(8fC)，对升压和升降压变换器为 I_o·D/(fC)。当平均电感电流等于 ΔI_L/2 时，电感电流刚好触及零（连续导通模式的边界）。

占空比

D = 2.7/9 = 0.3

电感

L = 6.3·0.3/(1.5·500·10³) = 2.52 µH

答案

L = 2.52 µH

10.DC-DC 变换器

答案: ΔV_o = 3.967 mV

占空比

D = 14.4/24 = 0.6

电感纹波电流

ΔI_L = (24 − 14.4)·0.6/(330·10⁻⁶·50·10³) = 0.3491 A

输出纹波

ΔV_o = 0.3491/(8·50·10³·220·10⁻⁶) = 3.967 mV

答案

ΔV_o = 3.967 mV

11.惠斯通电桥与应变片

答案: P_g = 6.25 mW

惠斯通电桥：两个分压器共用一个电源 V_s。左侧分压器 R₁–R₂ 给出 V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂)，右侧分压器 R₃–R₄ 给出 V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄)；输出为 V_ab = V_a − V_b。当 R₁/R₂ = R₃/R₄，即 R₁·R₄ = R₂·R₃ 时，电桥平衡（V_ab = 0，检流计中没有电流）。从输出端看，电桥是一个戴维南电源，其 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄。

应变片两端的电压

V = 5/2 = 2.5 V

功率

P_g = 2.5²/1000 = 6.25 mW

答案

P_g = 6.25 mW

12.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 749.7 µε

应变片：应变片的电阻随应变变化：ΔR/R = GF·ε，其中金属箔的灵敏系数 GF 约为 2。在各臂都等于 R 的电桥中，一个工作应变片（1/4 桥）给出 V_o ≈ V_s·GF·ε/4。相邻臂上两个应变相反的工作应变片（半桥）给出 V_s·GF·ε/2，四个（全桥）给出 V_s·GF·ε。应力由胡克定律得出，σ = E·ε。称重传感器的灵敏度以 mV/V 表示：每伏激励电压在满载时的输出。

解 1/4 桥方程

ε = 4·0.000984/(2.5·2.1) = 0.0007497

以微应变表示

ε = 749.7 µε

答案

ε = 749.7 µε

13.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

卡诺图：各格按格雷码（00, 01, 11, 10）排列，所以相邻的格子（包括跨越边界的格子）恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形，圈尽可能大、尽可能少，直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项：圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大，但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形；边上的格子与对边上的格子相邻。

A′BC

A′B′C′D′

AB′CD′

最简 SOP 形式

F = BD + A′BC + A′B′C′D′ + AB′CD′

N = 4

答案

N = 4

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 6

触发器与计数器：触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D)；T 在 T = 1 时翻转；JK 在 00 时保持，01 时复位，10 时置位，11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态，按模 2ⁿ 计数；模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0，需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半，所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 f_clk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态，环形计数器有 n 个。

每个边沿之后的 Q

JK 触发器：00 保持，01 复位 (Q = 0)，10 置位 (Q = 1)，11 翻转。

1: J = 1, K = 0 → Q = 1

2: J = 1, K = 0 → Q = 1

3: J = 0, K = 0 → Q = 1

4: J = 0, K = 0 → Q = 1

5: J = 0, K = 0 → Q = 1

6: J = 0, K = 1 → Q = 0

7: J = 1, K = 1 → Q = 1

8: J = 1, K = 1 → Q = 0

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 6

答案

时钟边沿 6

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