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)
VD = 0.7 V when conducting
放大区
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
固定偏置
IB = (VCC − 0.7)/RB
分压偏置
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
分压器的戴维南等效
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
集电极回路
VCE = VCC − ICRC − IERE
饱和
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

运放电路

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 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;vC 不能突变
直流下的电感
短路;iL 不能突变
稳态
t ≈ 5τ

方法

  1. 求换路后瞬间的初始值:电容电压和电感电流不能突变。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ。

串并联电阻

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

方法

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

DC-DC 变换器

降压
Vo = D·Vin
升压
Vo = Vin/(1 − D)
反相升降压
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
理想功率平衡
VinIin = VoIo
电感纹波
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
电感平均电流
降压 Io;升压和升降压 Io/(1 − D)
输出纹波
降压 ΔIL/(8fC);升压和升降压 Io·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

  1. 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。
  2. 对电感用伏秒平衡:电感电压在一个周期内的平均值为零。
  3. 求开关导通时的电感电压,再求 ΔIL = VL·D/(L·f)。
  4. 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 ΔIL/2。

惠斯通电桥与应变片

分压器电压
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
出量
Vab = Va − Vb
平衡
R1/R2 = R3/R4
滑线电桥
R/Rx = l/(100 − l)
戴维南电阻
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
灵敏系数
ΔR/R = GF·ε
电桥输出
1/4 桥 Vs·GF·ε/4,半桥 Vs·GF·ε/2,全桥 Vs·GF·ε
小变化,一个臂
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
应力
σ = E·ε

方法

  1. 把电桥看作接在同一电源上的两个分压器。
  2. 要使电桥平衡,令 R₁/R₂ = R₃/R₄,并解出未知电阻。
  3. 对不平衡电桥,由分压器求出 Va 和 Vb 再相减;当仪表对输出端有负载时,用戴维南等效电路。
  4. 对应变片,把应变换算成 ΔR/R = GF·ε,再用 Vs·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; fout = fclk/N
行波计数器
fmax = 1/(n·tpd)
环形计数器与约翰逊计数器
n 个和 2n 个状态

方法

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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
RC​ = 470 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 9 VRB​ = 270 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 9 V 经基极电阻 RB = 270 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 470 Ω,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 9 VRB = 270 kΩRC = 470 Ωβ = 80VBE = 0.7 V
IC = mA
2.二极管与晶体管困难
RC​ = 470 Ωβ = 100VCC​ = 12 V5 VRB​ = ?

一只 β = 100 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 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 RB 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 为保证可靠开关,按饱和所需最小基极电流的 10 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 12 VRC = 470 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 10
RB = kΩ
3.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 51。

R1 = 100 kΩAv = 51
Rf = kΩ
4.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 0.4 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0.9 VR2​ = 22 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = 0.4 VV2 = 0.9 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
5.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 ΩL10 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 1 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 5 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​5 Vt = 0R = 4.7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 15 V,极性如图所示。 求 t = 120 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 5 VR = 4.7 kΩC = 100 µFvC(0) = 15 Vt = 120 ms
vC = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​30 ΩBR6​4 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 30 ΩR5 = 10 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
9.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

某理想 降压 变换器在 25 kHz、L = 150 µH 下把 36 V 变成 18 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 36 VVo​ = 18 Vf = 25 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
10.DC-DC 变换器困难
+−36 VSL = 22 µHC = ?R+−25.2 V

某降压变换器在 200 kHz、L = 22 µH 下把 36 V 变成 25.2 V。求把输出纹波峰峰值限制在 20 mV 的输出电容 C。

Vin​ = 36 VVo​ = 25.2 Vf = 200 kHzL = 22 µHΔVo = 20 mV
C = µF
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−12 VR1​ = 100 ΩR2​ = 400 ΩR3​ = 800 ΩR4​ = 60 Ωab+−Rth​ = ?

求图示电桥从输出端 a、b 看进去的戴维南电阻 Rth。

Vs = 12 VR1 = 100 ΩR2 = 400 ΩR3 = 800 ΩR4 = 60 Ω
Rth = Ω
12.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

某 1/4 桥(一个工作应变片,GF = 2)的激励电压为 10 V。要测量的最大应变为 400 µε,它在模数转换器输入端必须给出 2.5 V。求放大器增益 G。

Vs = 10 VGF = 2εmax = 400 µεVFS = 2.5 V
G =
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUX0I0​C′I1​C′I2​1I3​ABS1​S0​F

一个 4 选 1 多路选择器的选择输入为 S₁ = A 和 S₀ = B,数据输入分别接 I₀ = 0,I₁ = C′,I₂ = C′,I₃ = 1。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = 0I₁ = C′I₂ = C′I₃ = 1
N =
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X011131214051706112113015114X8X9111010

对于 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 13, 14) + d(0, 8, 9)(其中 d 表示无关项),求必要质蕴涵项的个数 N。

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 13, 14) + d(0, 8, 9)
N =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: IC = 2.459 mA

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

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0.7)/270 kΩ = 30.74 µA

集电极电流

IC = β·IB = 80·30.74 µA = 2.459 mA

答案

IC = 2.459 mA

验算:VCE = 7.844 V 远高于 0.2 V,所以晶体管确实工作在放大区。

2.二极管与晶体管

答案: RB = 1.713 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 VCE = VCE(sat),集电极电流由负载决定:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。饱和至少需要 IB = IC(sat)/β。若基极电流更小,晶体管仍处于放大区,IC = β·IB。

饱和时的集电极电流

IC(sat) = (12 − 0.2)/470 = 25.11 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 25.11/100 = 251.1 µA

设计基极电流

IB = 10·251.1 µA = 2511 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/2.511 mA = 1.713 kΩ

答案

RB = 1.713 kΩ
3.运放电路

答案: Rf = 5000 kΩ

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。

同相放大器的增益

V₋ = V₊ = Vin,且流过 R₁ 的电流也流过 Rf,所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (51 − 1)·100 = 5000 kΩ

答案

Rf = 5000 kΩ
4.运放电路

答案: Vout = −0.4491 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。

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = 0.4/100 = 0.004 mA
I2 = V2/R2 = 0.9/22 = 0.04091 mA
If = I1 + I2 = 0.04491 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −10·0.04491 = −0.4491 V

答案

Vout = −0.4491 V
5.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 0.1844 V

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 = 10 mH / 33 Ω = 0.303 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0.1515 A

电感电压

t = 0 时全部电源电压加在电感上;之后衰减到零。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−1/0.303 = 0.1844 V

答案

vL = 0.1844 V
6.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 12.75 V

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。

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。

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 5 + (15 − 5)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(120) = 5 + (10)·e−120/470 = 12.75 V

答案

vC = 12.75 V
7.串并联电阻

答案: Req = 16 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。

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB

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 = 10 + 5 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 10 + 6 = 16 Ω

答案

Req = 16 Ω
8.串并联电阻

答案: IR1 = 4.012 A

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。

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​30 ΩBR6​4 Ω

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 = 10 + 4 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 9.545 Ω
R3 + 9.545 = 19.55 Ω
R2 ∥ 19.55 = 3.981 Ω
Req = R1 + 3.981 = 2 + 3.981 = 5.981 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 24/5.981 = 4.012 A

答案

IR1 = 4.012 A
9.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 2.4 A

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)Vo = D·Vin,升压(boost)Vo = Vin/(1 − D),反相升降压(buck-boost)|Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想变换器功率守恒:Vin·Iin = Vo·Io。开关导通期间,电感电流上升 ΔIL = VL·D·T/L,其中降压变换器的 VL = Vin − Vo,升压和升降压变换器为 Vin。输出纹波对降压变换器为 ΔVo = ΔIL/(8fC),对升压和升降压变换器为 Io·D/(fC)。当平均电感电流等于 ΔIL/2 时,电感电流刚好触及零(连续导通模式的边界)。

占空比

D = 18/36 = 0.5

导通期间的电感电压

S 导通时,电感连接在 Vin 和 Vo 之间。

VL = 36 − 18 = 18 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 18·0.5/(150·10⁻⁶·25·10³) = 2.4 A

答案

ΔIL = 2.4 A
10.DC-DC 变换器

答案: C = 53.69 µF

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)Vo = D·Vin,升压(boost)Vo = Vin/(1 − D),反相升降压(buck-boost)|Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想变换器功率守恒:Vin·Iin = Vo·Io。开关导通期间,电感电流上升 ΔIL = VL·D·T/L,其中降压变换器的 VL = Vin − Vo,升压和升降压变换器为 Vin。输出纹波对降压变换器为 ΔVo = ΔIL/(8fC),对升压和升降压变换器为 Io·D/(fC)。当平均电感电流等于 ΔIL/2 时,电感电流刚好触及零(连续导通模式的边界)。

占空比

D = 25.2/36 = 0.7

电感纹波电流

ΔIL = (36 − 25.2)·0.7/(22·10⁻⁶·200·10³) = 1.718 A

电容

C = 1.718/(8·200·10³·20·10⁻³) = 53.69 µF

答案

C = 53.69 µF
11.惠斯通电桥与应变片

答案: Rth = 135.8 Ω

惠斯通电桥:两个分压器共用一个电源 Vs。左侧分压器 R1–R2 给出 Va = Vs·R2/(R1 + R2),右侧分压器 R3–R4 给出 Vb = Vs·R4/(R3 + R4);输出为 Vab = Va − Vb。当 R1/R2 = R3/R4,即 R1·R4 = R2·R3 时,电桥平衡(Vab = 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 Rth = R1∥R2 + R3∥R4。

电源短路

R₁∥R₂ = 100·400/500 = 80 Ω
R₃∥R₄ = 800·60/860 = 55.81 Ω

戴维南电阻

Rth = 135.8 Ω

答案

Rth = 135.8 Ω
12.惠斯通电桥与应变片

答案: G = 1250

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 Vo ≈ Vs·GF·ε/4。相邻臂上两个应变相反的工作应变片(半桥)给出 Vs·GF·ε/2,四个(全桥)给出 Vs·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。

满量程时的电桥输出

Vo = 2 mV

增益

G = 2.5/0.002 = 1250

答案

G = 1250
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

多路选择器:2ⁿ 选 1 多路选择器把其数据输入之一传到输出;选择线按二进制数读取,决定选哪一个。对于选择端 S₁S₀ = AB 的 4 选 1 MUX,F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃。把数据输入接到 0、1、C 或 C′,可使 MUX 产生 A、B、C 的任意函数,这是用一块芯片实现逻辑的常用方法。

输出表达式

F = A′BC′ + AB′C′ + AB

F = 1 的行

ABC = 010, 100, 110, 111
N = 4

答案

N = 4
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 6

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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

C′D′, B′D, B′C′, AC′, A′CD, A′B′, ABD′
ABCD0001111000011110X011131214051706112113015114X8X9111010

必要质蕴涵项

C′D′, B′D, AC′, A′CD, A′B′, ABD′
N = 6

答案

N = 6

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