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​ = 2.7 kΩβ = 120VCC​ = 9 VRB​ = 390 kΩ

一只 β = 120 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 9 V 经基极电阻 RB = 390 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 2.7 kΩ,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–发射极电压 VCE。

VCC = 9 VRB = 390 kΩRC = 2.7 kΩβ = 120VBE = 0.7 V
VCE = V
2.二极管与晶体管困难
+−≤ 26 V100 Ω9.1 V

一个 9.1 V 的齐纳稳压器有一个 100 Ω 的串联电阻。输入可能升到 26 V,负载可能被断开。求齐纳管必须耗散的最大功率 PZ,max。

Vin,max = 26 VVZ = 9.1 VR = 100 Ω
PZ,max = mW
3.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩVin​R1​ = 4.7 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±12 V。 反相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 4.7 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
4.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1.6 VR1​ = 1 kΩV2​ = −0.1 VR2​ = 2 kΩIf​

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。

V1 = 1.6 VV2 = −0.1 VR1 = 1 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
5.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R = 47 ΩL47 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求电路稳定后电感中储存的能量 W(∞),以 mJ 表示。

Vs = 12 VR = 47 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

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。 vC 需要多长时间达到 12.6 V?求 t。

Vs = 9 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 V
t = ms
7.串并联电阻中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​12 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAR4​25 ΩBR6​2 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 25 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
9.DC-DC 变换器中等
+−24 VSL = ?CR+−12 V

某理想降压变换器把 24 V 变成 12 V,开关频率为 20 kHz。求把电感纹波电流峰峰值保持在 0.2 A 的电感量 L。

Vin​ = 24 VVo​ = 12 Vf = 20 kHzΔIL = 0.2 A
L = µH
10.DC-DC 变换器困难
+−36 VSL = 330 µHC = ?R+−14.4 V

某降压变换器在 100 kHz、L = 330 µH 下把 36 V 变成 14.4 V。求把输出纹波峰峰值限制在 100 mV 的输出电容 C。

Vin​ = 36 VVo​ = 14.4 Vf = 100 kHzL = 330 µHΔVo = 100 mV
C = µF
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−5 V250 Ω250 Ω250 Ω250 Ωab+−

一个 250 Ω 的应变片是电桥的一个臂(R₂),电桥四个臂均为 250 Ω,激励电压为 5 V。求应变片上消耗的功率 Pg,单位为 mW。自热限制了激励电压。

Vs = 5 VR = 250 Ω
Pg = mW
12.惠斯通电桥与应变片困难
+−V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−

一个 350 Ω、灵敏系数为 2 的应变片贴在钢棒上。受载时其电阻增大了 0.35 Ω。求应变 ε,单位为微应变(µε)。

R = 350 ΩGF = 2ΔR = 0.35 Ω
ε = µε
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110312040517060121131150141819011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 7, 8, 9, 13, 15) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 7, 8, 9, 13, 15)
L =
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011031214X5170601201301511418X9111010

对于 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 4, 7, 8, 11, 14) + d(5, 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(0, 1, 2, 4, 7, 8, 11, 14) + d(5, 9)
N =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: VCE = 2.105 V

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)/390 kΩ = 21.28 µA

集电极电流

IC = β·IB = 120·21.28 µA = 2.554 mA

集电极–发射极电压

VCE = 9 − 2.554 mA·2.7 kΩ = 2.105 V

答案

VCE = 2.105 V
2.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 1538 mW

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

最坏情况的齐纳电流

IZ = 16.9/100 = 169 mA

齐纳功率

PZ = 9.1·169 = 1538 mW

答案

PZ,max = 1538 mW
3.运放电路

答案: Vin,max = 1.2 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。

增益

|Av| = Rf/R1 = 47/4.7 = 10

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/10 = 1.2 V

答案

Vin,max = 1.2 V
4.运放电路

答案: If = 1.55 mA

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 = 1.6/1 = 1.6 mA
I2 = V2/R2 = −0.1/2 = −0.05 mA
If = I1 + I2 = 1.55 mA

答案

If = 1.55 mA
5.RC 和 RL 暂态

答案: W(∞) = 1.532 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 = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/47 = 0.2553 A

储存的能量

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0.2553² = 1.532 mJ

答案

W(∞) = 1.532 mJ
6.RC 和 RL 暂态

答案: t = 62.31 ms

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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 9 + (18 − 9)·e−t/τ

求解时间

12.6 = 9 + (9)·e−t/τ → e−t/τ = (12.6 − 9)/(18 − 9) = 0.4
t = τ·ln((18 − 9)/(12.6 − 9)) = 68·ln(2.5) = 62.31 ms

答案

t = 62.31 ms
7.串并联电阻

答案: Req = 12.74 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​12 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 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7.742 Ω
Req = R1 + 7.742 = 5 + 7.742 = 12.74 Ω

答案

Req = 12.74 Ω
8.串并联电阻

答案: Req = 21.77 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​ = 12 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAR4​25 ΩBR6​2 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 = 25 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 12.98 Ω
R3 + 12.98 = 27.98 Ω
R2 ∥ 27.98 = 9.765 Ω
Req = R1 + 9.765 = 12 + 9.765 = 21.77 Ω

答案

Req = 21.77 Ω
9.DC-DC 变换器

答案: L = 1500 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)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 = 12/24 = 0.5

电感

L = 12·0.5/(0.2·20·10³) = 1500 µH

答案

L = 1500 µH
10.DC-DC 变换器

答案: C = 3.273 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 = 14.4/36 = 0.4

电感纹波电流

ΔIL = (36 − 14.4)·0.4/(330·10⁻⁶·100·10³) = 0.2618 A

电容

C = 0.2618/(8·100·10³·100·10⁻³) = 3.273 µF

答案

C = 3.273 µF
11.惠斯通电桥与应变片

答案: Pg = 25 mW

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。

应变片两端的电压

V = 5/2 = 2.5 V

功率

Pg = 2.5²/250 = 25 mW

答案

Pg = 25 mW
12.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 500 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 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。

电阻相对变化

ΔR/R = 0.35/350 = 0.001

应变

ε = 0.001/2 = 0.0005 = 500 µε

答案

ε = 500 µε
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 16

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。

ABCD000111100001111000110312040517060121131150141819011010

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。

B′C′D
BCD
AC′D
AB′C′
A′B′CD′

最简 SOP 形式

F = B′C′D + BCD + AC′D + AB′C′ + A′B′CD′
L = 16

答案

L = 16

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

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。

B′C′, A′C′, A′B′D′, A′BD, AB′D, ABCD′
ABCD00011110000111101011031214X5170601201301511418X9111010

必要质蕴涵项

B′C′, A′C′, A′B′D′, A′BD, AB′D, ABCD′
N = 6

答案

N = 6

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