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

一个 5.1 V 的齐纳稳压器通过 100 Ω 接到 20 V，并向 470 Ω 的负载供电。求齐纳电流 I_Z。

V_in = 20 VV_Z = 5.1 VR = 100 ΩR_L = 470 Ω

I_Z = mA

2.二极管与晶体管困难

一只 β = 150 的 NPN 晶体管控制一个接在 V_CC = 24 V 与其集电极之间的 150 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 3.3 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 = 24 VR_C = 150 Ωβ = 150V_in = 3.3 VV_BE = 0.7 VV_CE(sat) = 0.2 V

R_B = kΩ

3.运放电路中等

选择反馈电阻 R_f，使该同相放大器的电压增益为 4。

R₁ = 1 kΩA_v = 4

R_f = kΩ

4.运放电路困难

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放；其输出饱和电压为 ±12 V。在 t = 0 施加恒定输入 V_in = 1.9 V 时，电容未充电。 t = 0 之后多长时间输出达到饱和？求 t。

V_in = 1.9 VR = 22 kΩC = 4.7 µFV_sat = ±12 V

t = ms

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 = 1 ms 时电感中储存的能量 W，以 mJ 表示。

V_s = 9 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms

W = mJ

6.RC 和 RL 暂态困难

一个定时器在 t = 0 时开始用 15 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 9.48 V 时它必须触发，恰好在开始后 20 ms。已知 C = 2.2 µF，求所需的电阻 R。

V_s = 15 VV_th = 9.48 VT = 20 msC = 2.2 µF

R = kΩ

7.串并联电阻中等

求电源 V₁ 看到的等效电阻 R_eq。

V₁ = 6 VR₁ = 20 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 8 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 = 9 VR₁ = 5 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 30 ΩR₆ = 12 Ω

I_R1 = A

9.DC-DC 变换器中等

某理想降压变换器在 25 kHz、L = 47 µH 下把 9 V 变成 4.5 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔI_L。

Vin = 9 VVo = 4.5 Vf = 25 kHzL = 47 µH

ΔI_L = A

10.DC-DC 变换器困难

某降压变换器在 25 kHz、L = 220 µH 下把 36 V 变成 27 V。求使其保持连续导通的最小负载电流 I_o,min。

Vin = 36 VVo = 27 Vf = 25 kHzL = 220 µH

I_o,min = A

11.惠斯通电桥与应变片中等

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 V_ab = 22.39 mV。求 R₂ 的精确变化量 ΔR。

V_s = 9 VR = 220 ΩV_ab = 22.39 mV

ΔR = Ω

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 5 V。受载时输出读数为 1.575 mV。求应变 ε，单位为 µε。

V_s = 5 VGF = 2.1V_o = 1.575 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, 1, 4, 5, 6, 14, 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, 1, 4, 5, 6, 14, 15)

N =

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器困难

一个约翰逊（扭环）计数器由 8 个 D 触发器构成，最后一个输出取反后反馈到第一个输入，并从全 0 开始。它经历多少种不同的状态 N？

n = 8

N =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: I_Z = 138.1 mA

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 I_Z,min 时维持其电压 V_Z。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值：I_R = (V_in − V_Z)/R。该电流分给负载 I_L = V_Z/R_L 和齐纳管 I_Z = I_R − I_L。按最坏情况设计：最低输入与最大负载时仍须留有 I_Z,min，而最高输入与空载时齐纳管功率最大，P_Z = V_Z·I_Z。

电阻电流

I_R = 14.9/100 = 149 mA

负载电流

I_L = 5.1/470 = 10.85 mA

齐纳电流

I_Z = 149 − 10.85 = 138.1 mA

答案

I_Z = 138.1 mA

2.二极管与晶体管

答案: R_B = 2.458 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) = (24 − 0.2)/150 = 158.7 mA

最小基极电流

I_B(min) = I_C(sat)/β = 158.7/150 = 1058 µA

基极电阻

R_B = (3.3 − 0.7)/I_B = 2.6 V/1.058 mA = 2.458 kΩ

答案

R_B = 2.458 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: R_f = 3 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₊ = V_in，且流过 R₁ 的电流也流过 R_f，所以 V_out = V_in·(1 + R_f/R₁)。

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (4 − 1)·1 = 3 kΩ

答案

R_f = 3 kΩ

4.运放电路

答案: t = 653.1 ms

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 22 kΩ · 4.7 µF = 103.4 ms

斜坡速率 = −V_in/(RC) = −1.9/103.4 = −0.01838 V/ms

达到饱和的时间

|V_in|·t/(RC) = V_sat → t = V_sat·RC/|V_in| = 12·103.4/1.9 = 653.1 ms

答案

t = 653.1 ms

5.RC 和 RL 暂态

答案: W = 0.345 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 = 10 mH / 33 Ω = 0.303 ms

i(∞) = V_s/R = 9/33 = 0.2727 A

给定时刻的电流

i(t) = 0.2727·(1 − e^−1/0.303) = 0.2627 A

储存的能量

W = ½·L·i² = ½·10·0.2627² = 0.345 mJ

答案

W = 0.345 mJ

6.RC 和 RL 暂态

答案: R = 9.094 kΩ

所需的时间常数

9.48 = 15·(1 − e^−20/τ) → τ = 20/ln(15/(15 − 9.48))

τ = 20/0.9997 = 20.01 ms

电阻

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

R = τ/C = 20.01/2.2 = 9.094 kΩ

答案

R = 9.094 kΩ

7.串并联电阻

答案: R_eq = 30.7 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 = 15 + 8 = 23 Ω

R₂ ∥ 23 = 20·23/(20+23) = 10.7 Ω

R_eq = R₁ + 10.7 = 20 + 10.7 = 30.7 Ω

答案

R_eq = 30.7 Ω

8.串并联电阻

答案: I_R1 = 1.183 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 + 12 = 42 Ω

R₄ ∥ 42 = 8.077 Ω

R₃ + 8.077 = 20.08 Ω

R₂ ∥ 20.08 = 2.61 Ω

R_eq = R₁ + 2.61 = 5 + 2.61 = 7.61 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 = 9/7.61 = 1.183 A

答案

I_R1 = 1.183 A

9.DC-DC 变换器

答案: ΔI_L = 1.915 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）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 = 4.5/9 = 0.5

导通期间的电感电压

S 导通时，电感连接在 V_in 和 V_o 之间。

V_L = 9 − 4.5 = 4.5 V

纹波电流

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 4.5·0.5/(47·10⁻⁶·25·10³) = 1.915 A

答案

ΔI_L = 1.915 A

10.DC-DC 变换器

答案: I_o,min = 0.6136 A

占空比

D = 27/36 = 0.75

纹波电流

ΔI_L = 27·0.25/(220·10⁻⁶·25·10³) = 1.227 A

边界负载电流

I_o,min = ΔI_L/2 = 0.6136 A

答案

I_o,min = 0.6136 A

低于这个电流时，变换器进入断续导通模式，V_o 会升高到 D·V_in 以上。

11.惠斯通电桥与应变片

答案: ΔR = 2.2 Ω

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。

节点电压

V_a = 4.5 + 0.02239 = 4.522 V

解分压公式

R₂ = 220·4.522/(9 − 4.522) = 222.2 Ω

ΔR = 222.2 − 220 = 2.2 Ω

答案

ΔR = 2.2 Ω

12.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 600 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 = 4·0.001575/(5·2.1) = 0.0006

以微应变表示

ε = 600 µε

答案

ε = 600 µε

13.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 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。

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。

BCD′

A′C′

ABC

最简 SOP 形式

F = BCD′ + A′C′ + ABC

N = 3

答案

N = 3

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 = 16

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。

8 个触发器的序列

00000000 → 10000000 → 11000000 → 11100000 → 11110000 → 11111000 → 11111100 → 11111110 → 11111111 → 01111111 → 00111111 → 00011111 → 00001111 → 00000111 → 00000011 → 00000001

状态数

N = 16

答案

N = 16

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