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​ = 1.5 kΩβ = 150IC​ = ?VCC​ = 10 VRB​ = 560 kΩ

一只 β = 150 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 10 V 经基极电阻 RB = 560 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 1.5 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 10 VRB = 560 kΩRC = 1.5 kΩβ = 150VBE = 0.7 V
IC = mA
2.二极管与晶体管困难
V (V)I (mA)0.6533Q = ?

一个二极管被建模为 0.65 V 与 20 Ω 串联(高于 0.65 V 时导通)。它与一个 1000 Ω 的电阻串联,接在 3 V 电源两端。求二极管线与负载线相交处的工作电流 ID。

Vs = 3 VR = 1000 ΩV0 = 0.65 Vrd = 20 Ω
ID = mA
3.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 4.7 kΩV1​ = −1.9 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1 VR3​ = 47 kΩR4​ = 4.7 kΩ

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放,其中 R3 = R1,R4 = R2。 求输出电压 Vout。

V1 = −1.9 VV2 = 1 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 4.7 kΩ
Vout = V
4.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −1.4 VR1​ = 47 kΩV2​ = −1.9 VR2​ = 10 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 = −1.4 VV2 = −1.9 VR1 = 47 kΩR2 = 10 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
5.RC 和 RL 暂态中等
R = 15 Ωt = 0L33 mHi(t)

电感中流过 1 A 的稳定电流。在 t = 0 开关使回路经 R 闭合并移除电源,于是电感电流经 R 衰减。 求 t = 5 ms 时的电流 i。

i(0) = 1 AR = 15 ΩL = 33 mHt = 5 ms
i = A
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 V在 t = 0 断开R1​ = 10 kΩR2​ = 1 kΩC33 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 75 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 33 µFt = 75 ms
vC = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩIR2​AR4​3 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
8.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
9.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

某降压变换器把 15 V 变成 10.5 V,负载为 20 Ω。开关频率为 40 kHz,L = 150 µH。求电感电流峰值 Imax。

Vin​ = 15 VVo​ = 10.5 Vf = 40 kHzL = 150 µHR = 20 Ω
Imax = A
10.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​IL​DTT2T

某理想 降压 变换器在 25 kHz 下把 12 V 变成 4.8 V,负载为 25 Ω。求连续导通所需的最小电感 Lcrit。

Vin​ = 12 VVo​ = 4.8 Vf = 25 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−2 VR1​ = 150 ΩR2​ = 150 ΩR3​ = 80 ΩR4​ = 250 Ωab+−Rth​ = ?

求图示电桥从输出端 a、b 看进去的戴维南电阻 Rth。

Vs = 2 VR1 = 150 ΩR2 = 150 ΩR3 = 80 ΩR4 = 250 Ω
Rth = Ω
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
ABCD000111100001111010111302140517061121130151141819011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 4, 7, 8, 9, 12, 13, 14) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 4, 7, 8, 9, 12, 13, 14)
N =
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X0111302141507X61121131151141809011X10

对于 F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 14, 15) + d(0, 6, 10)(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, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 14, 15) + d(0, 6, 10)
N =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: IC = 2.491 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 = (10 − 0.7)/560 kΩ = 16.61 µA

集电极电流

IC = β·IB = 150·16.61 µA = 2.491 mA

答案

IC = 2.491 mA

验算:VCE = 6.263 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: ID = 2.304 mA

LED 与二极管电路:正向偏置的 LED 无论电流多大,压降都约为其正向电压 VF(红光约 2 V,蓝光或白光约 3 V)。串联电阻决定电流:n 个 LED 串联时 R = (Vs − n·VF)/I。用更精确的二极管模型 V = V₀ + I·rd 时,工作点在二极管线与负载线 I = (Vs − V)/R 相交处,所以 I = (Vs − V₀)/(R + rd)。

联立两个方程

3 = 0.65 + I·(1000 + 20)

工作电流

ID = 2.35/1020 = 2.304 mA
VD = 0.65 + 0.002304·20 = 0.6961 V

答案

ID = 2.304 mA
3.运放电路

答案: Vout = 0.29 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) = 1·4.7/(47 + 4.7) = 0.09091 V
V₋ = V₊

反相输入端的 KCL

(−1.9 − 0.09091)/47 = (0.09091 − Vout)/4.7
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (4.7/47)·(1 − (−1.9)) = 0.29 V

答案

Vout = 0.29 V
4.运放电路

答案: If = −0.2198 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 = −1.4/47 = −0.02979 mA
I2 = V2/R2 = −1.9/10 = −0.19 mA
If = I1 + I2 = −0.2198 mA

答案

If = −0.2198 mA
5.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.103 A

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

τ = L/R = 33 mH / 15 Ω = 2.2 ms

电流的衰减

i(t) = 1·e−5/2.2 = 0.103 A

答案

i = 0.103 A
6.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 0.2248 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。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 24·1/(10 + 1) = 2.182 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 1·33 = 33 ms

放电

vC(t) = 2.182·e−75/33 = 0.2248 V

答案

vC = 0.2248 V
7.串并联电阻

答案: IR2 = 0.6207 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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​3 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 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 20·15/(20+15) = 8.571 Ω
Req = R1 + 8.571 = 8 + 8.571 = 16.57 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 = 24/16.57 = 1.448 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1.448·8 = 12.41 V
IR2 = VA/R2 = 12.41/20 = 0.6207 A

答案

IR2 = 0.6207 A
8.串并联电阻

答案: Req = 11.08 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAR4​12 ΩBR6​8 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 7.886 Ω
R3 + 7.886 = 9.886 Ω
R2 ∥ 9.886 = 7.084 Ω
Req = R1 + 7.084 = 4 + 7.084 = 11.08 Ω

答案

Req = 11.08 Ω
9.DC-DC 变换器

答案: Imax = 0.7875 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 = 10.5/15 = 0.7

平均电流和纹波电流

Io = 10.5/20 = 0.525 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 4.5·0.7/(150·10⁻⁶·40·10³) = 0.525 A

峰值电流

Imax = 0.525 + 0.525/2 = 0.7875 A

答案

Imax = 0.7875 A
10.DC-DC 变换器

答案: Lcrit = 300 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 = 4.8/12 = 0.4

边界条件

令电感平均电流等于纹波电流的一半,解出 L。

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

临界电感

Lcrit = (1 − 0.4)·25/(225·10³) = 300 µH

答案

Lcrit = 300 µH
11.惠斯通电桥与应变片

答案: Rth = 135.6 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 = 150·150/300 = 75 Ω
R₃∥R₄ = 80·250/330 = 60.61 Ω

戴维南电阻

Rth = 135.6 Ω

答案

Rth = 135.6 Ω
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: 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。

ABCD000111100001111010111302140517061121130151141819011010

圈 0

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)
(A + C′ + D)
(A′ + C′ + D′)
(A + B′ + C + D′)

最简 POS 形式

F = (B + C′ + D)(A + C′ + D)(A′ + C′ + D′)(A + B′ + C + D′)
N = 4

答案

N = 4

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 = 2

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′, BD′, BC′, AD′, A′C′, AB, A′B′D
ABCD0001111000011110X0111302141507X61121131151141809011X10

必要质蕴涵项

AB, A′B′D
N = 2

答案

N = 2

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