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​ = 3.3 kΩβ = 100IC​ = ?RE​ = 1.5 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 56 kΩR2​ = 10 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 12 V 分压偏置:R₁ = 56 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 10 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 3.3 kΩ,发射极电阻为 RE = 1.5 kΩ。取 VBE = 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 IC,以 mA 计。

VCC = 12 VR1 = 56 kΩR2 = 10 kΩRC = 3.3 kΩRE = 1.5 kΩβ = 100
IC = mA
2.二极管与晶体管困难
+−≤ 18 V270 Ω5.6 V

一个 5.6 V 的齐纳稳压器有一个 270 Ω 的串联电阻。输入可能升到 18 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 = 18 VVZ = 5.6 VR = 270 Ω
PZ,max = mW
3.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 20。

R1 = 2 kΩAv = 20
Rf = kΩ
4.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 1.5 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1.1 VR2​ = 1 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 = 1.5 VV2 = 1.1 VR1 = 22 kΩR2 = 1 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
5.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R1​ = 6.8 kΩR2​ = 2.2 kΩC10 µF+−vC​

电源 Vₛ 通过 R₁ 给电容充电,R₂ 与 C 并联。 开关在 t = 0 闭合时电容未充电。 求 t = 15 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 12 VR1 = 6.8 kΩR2 = 2.2 kΩC = 10 µFt = 15 ms
vC = V
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 kΩC22 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。 求 t = 120 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 18 Vt = 120 ms
vC = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​15 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 5 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBR6​4 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 25 ΩR5 = 6 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
9.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

某理想 升压 变换器在 25 kHz、L = 100 µH 下把 12 V 变成 48 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 12 VVo​ = 48 Vf = 25 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.DC-DC 变换器困难
+−36 VSL = 150 µHC = ?R+−14.4 V

某降压变换器在 100 kHz、L = 150 µH 下把 36 V 变成 14.4 V。求把输出纹波峰峰值限制在 25 mV 的输出电容 C。

Vin​ = 36 VVo​ = 14.4 Vf = 100 kHzL = 150 µHΔVo = 25 mV
C = µF
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−9 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−44.55 mV

某电桥的四个臂均为 220 Ω,由 9 V 供电。当传感器 R₂ 变化时,输出读数为 Vab = 44.55 mV。求 R₂ 的精确变化量 ΔR。

Vs = 9 VR = 220 ΩVab = 44.55 mV
ΔR = Ω
12.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

某电桥的各臂为 120 Ω,激励电压为 10 V,采用 一个工作应变片(1/4 桥)。灵敏系数为 2.12,应变为 400 µε。求电桥输出 Vo,单位为 mV。

Vs = 10 VGF = 2.12ε = 400 µε
Vo = mV
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUXC′I0​CI1​CI2​0I3​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 = C′,I₁ = C,I₂ = C,I₃ = 0。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = C′I₁ = CI₂ = CI₃ = 0
N =
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X0X10312140507X6112X13115114X809111110

求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 10, 11, 12, 14, 15) + d(0, 1, 6, 8, 13) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 10, 11, 12, 14, 15) + d(0, 1, 6, 8, 13)
L =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: IC = 0.6989 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。

分压器的戴维南等效

VTH = 12·10/(56 + 10) = 1.818 V
RTH = 56·10/(56 + 10) = 8.485 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (1.818 − 0.7)/(8.485 + 101·1.5) = 6.989 µA

集电极电流

IC = 100·6.989 µA = 0.6989 mA
IE = 101·6.989 µA = 0.7059 mA

答案

IC = 0.6989 mA
2.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 257.2 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 = 12.4/270 = 45.93 mA

齐纳功率

PZ = 5.6·45.93 = 257.2 mW

答案

PZ,max = 257.2 mW
3.运放电路

答案: Rf = 38 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 = (20 − 1)·2 = 38 kΩ

答案

Rf = 38 kΩ
4.运放电路

答案: If = 1.168 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 = 1.5/22 = 0.06818 mA
I2 = V2/R2 = 1.1/1 = 1.1 mA
If = I1 + I2 = 1.168 mA

答案

If = 1.168 mA
5.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 1.744 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。

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 6.8·2.2/(6.8 + 2.2) = 1.662 kΩ
vC(∞) = 12·2.2/(6.8 + 2.2) = 2.933 V

时间常数

τ = Rth·C = 1.662·10 = 16.62 ms

充电曲线

vC(t) = 2.933·(1 − e−15/16.62) = 1.744 V

答案

vC = 1.744 V
6.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 14.22 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 9 + (18 − 9)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(120) = 9 + (9)·e−120/220 = 14.22 V

答案

vC = 14.22 V
7.串并联电阻

答案: Req = 13 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​15 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 = 15 + 15 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 8 + 5 = 13 Ω

答案

Req = 13 Ω
8.串并联电阻

答案: IR1 = 0.2585 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​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​25 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7.143 Ω
R3 + 7.143 = 12.14 Ω
R2 ∥ 12.14 = 4.823 Ω
Req = R1 + 4.823 = 30 + 4.823 = 34.82 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 = 9/34.82 = 0.2585 A

答案

IR1 = 0.2585 A
9.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 3.6 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 = 1 − 12/48 = 0.75

导通期间的电感电压

S 导通时,电感直接跨接在 Vin 两端。

VL = 12 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0.75/(100·10⁻⁶·25·10³) = 3.6 A

答案

ΔIL = 3.6 A
10.DC-DC 变换器

答案: C = 28.8 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/(150·10⁻⁶·100·10³) = 0.576 A

电容

C = 0.576/(8·100·10³·25·10⁻³) = 28.8 µF

答案

C = 28.8 µF
11.惠斯通电桥与应变片

答案: ΔR = 4.4 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。

节点电压

Va = 4.5 + 0.04455 = 4.545 V

解分压公式

R₂ = 220·4.545/(9 − 4.545) = 224.4 Ω
ΔR = 224.4 − 220 = 4.4 Ω

答案

ΔR = 4.4 Ω
12.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 2.12 mV

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 = 2.12·400·10⁻⁶ = 0.000848

电桥输出

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0.000848/4 = 2.12 mV

答案

Vo = 2.12 mV
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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′B′C′ + A′BC + AB′C

F = 1 的行

ABC = 000, 011, 101
N = 3

答案

N = 3
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 3

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。

D′, AC, AB
ABCD0001111000011110X0X10312140507X6112X13115114X809111110

最小覆盖

F = D′ + AC
L = 3

答案

L = 3

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