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

一只 β = 50 的 NPN 晶体管由电源 V_CC = 9 V 经基极电阻 R_B = 390 kΩ 偏置。集电极电阻为 R_C = 1.2 kΩ，发射极接地。取 V_BE = 0.7 V，并假设晶体管工作在放大区。求集电极–发射极电压 V_CE。

V_CC = 9 VR_B = 390 kΩR_C = 1.2 kΩβ = 50V_BE = 0.7 V

V_CE = V

2.二极管与晶体管困难

一只 β = 100 的 NPN 晶体管控制一个接在 V_CC = 9 V 与其集电极之间的 680 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 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 = 9 VR_C = 680 Ωβ = 100V_in = 5 VV_BE = 0.7 VV_CE(sat) = 0.2 V

R_B = kΩ

3.运放电路中等

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源。求输出电压 V_out。

V_in = 4 VR_a = 4.7 kΩR_b = 47 kΩR₁ = 4.7 kΩR_f = 4.7 kΩ

V_out = V

4.运放电路困难

运放为理想运放，采用 ±15 V 电源。电阻比不匹配。求输出电压 V_out。

V₁ = 0.7 VV₂ = 1.2 VR₁ = 47 kΩR₂ = 10 kΩR₃ = 1 kΩR₄ = 4.7 kΩ

V_out = V

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 = 15 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms

W = mJ

6.RC 和 RL 暂态困难

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。 v_C 需要多长时间达到 19 V？求 t。

V_s = 20 VR = 2.2 kΩC = 47 µFv_C(0) = 15 V

t = ms

7.串并联电阻中等

求流过 R₂ 的电流 I_R2。

V₁ = 10 VR₁ = 5 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 15 Ω

I_R2 = A

8.串并联电阻困难

求流过 R₂ 的电流 I_R2。

V₁ = 15 VR₁ = 6 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 6 ΩR₆ = 12 Ω

I_R2 = A

9.DC-DC 变换器中等

某理想升压变换器在 40 kHz、L = 330 µH 下把 36 V 变成 48 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔI_L。

Vin = 36 VVo = 48 Vf = 40 kHzL = 330 µH

ΔI_L = A

10.DC-DC 变换器困难

某理想降压变换器在 50 kHz 下把 9 V 变成 4.5 V，负载为 8 Ω。求连续导通所需的最小电感 L_crit。

Vin = 9 VVo = 4.5 Vf = 50 kHzR = 8 Ω

L_crit = µH

11.惠斯通电桥与应变片中等

某电桥的四个臂均为 220 Ω，V_s = 10 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 55 Ω。求精确输出 V_ab，单位为 mV。

V_s = 10 VR = 220 ΩΔR = 55 Ω

V_ab = mV

12.惠斯通电桥与应变片困难

某构件（E = 70 GPa）上的应变片（GF = 2.12）接成 1/4 桥，激励电压为 3 V。输出读数为 1.59 mV。求轴向应力 σ，单位为 MPa。

V_s = 3 VGF = 2.12V_o = 1.59 mVE = 70 GPa

σ = MPa

13.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器中等

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 = 1，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 = 1I₃ = 0

N =

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器困难

同步模 12 计数器依次计 0, 1, …, 11，然后回到 0。它从 4 开始。经过 31 个时钟脉冲后，它显示的计数 Q（十进制）是多少？

Q₀ = 431N = 12

Q =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: V_CE = 7.723 V

BJT 静态工作点：在放大区，V_BE = 0.7 V，I_C = β·I_B，I_E = (β + 1)·I_B。用 KVL 由基极回路求 I_B，再求 I_C，然后由集电极–发射极回路求 V_CE。基极的分压器用其戴维南等效电路代替：V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂)，R_TH = 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

I_B = (V_CC − V_BE)/R_B = (9 − 0.7)/390 kΩ = 21.28 µA

集电极电流

I_C = β·I_B = 50·21.28 µA = 1.064 mA

集电极–发射极电压

V_CE = 9 − 1.064 mA·1.2 kΩ = 7.723 V

答案

V_CE = 7.723 V

2.二极管与晶体管

答案: R_B = 33.23 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) = (9 − 0.2)/680 = 12.94 mA

最小基极电流

I_B(min) = I_C(sat)/β = 12.94/100 = 129.4 µA

基极电阻

R_B = (5 − 0.7)/I_B = 4.3 V/0.1294 mA = 33.23 kΩ

答案

R_B = 33.23 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: V_out = 7.273 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

V₊ = V_in·R_b/(R_a + R_b) = 4·47/(4.7 + 47) = 3.636 V

同相增益

V₋ = V₊，流过 R₁ 的电流也流过 R_f。

V_out = V₊·(1 + R_f/R₁) = 3.636·(1 + 4.7/4.7) = 7.273 V

答案

V_out = 7.273 V

4.运放电路

答案: V_out = 1.051 V

+ 输入端的电压

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 1.2·4.7/(1 + 4.7) = 0.9895 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时，V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时，V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

V_out = −(10/47)·0.7 + (1 + 10/47)·0.9895 = −0.1489 + 1.2 = 1.051 V

答案

V_out = 1.051 V

5.RC 和 RL 暂态

答案: W = 1.362 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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms

i(∞) = V_s/R = 15/33 = 0.4545 A

给定时刻的电流

i(t) = 0.4545·(1 − e^−1/1) = 0.2873 A

储存的能量

W = ½·L·i² = ½·33·0.2873² = 1.362 mJ

答案

W = 1.362 mJ

6.RC 和 RL 暂态

答案: t = 166.4 ms

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。

v_C(0) = 15 V, v_C(∞) = V_s = 20 V

τ = R·C = 2.2 kΩ · 47 µF = 103.4 ms

v_C(t) = 20 + (15 − 20)·e^−t/τ

求解时间

19 = 20 + (−5)·e^−t/τ → e^−t/τ = (19 − 20)/(15 − 20) = 0.2

t = τ·ln((15 − 20)/(19 − 20)) = 103.4·ln(5) = 166.4 ms

答案

t = 166.4 ms

7.串并联电阻

答案: I_R2 = 0.6785 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。

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 = 8 + 15 = 23 Ω

R₂ ∥ 23 = 8·23/(8+23) = 5.935 Ω

R_eq = R₁ + 5.935 = 5 + 5.935 = 10.94 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 = 10/10.94 = 0.9145 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。

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 10 − 0.9145·5 = 5.428 V

I_R2 = V_A/R₂ = 5.428/8 = 0.6785 A

答案

I_R2 = 0.6785 A

8.串并联电阻

答案: I_R2 = 0.7969 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 = 6 + 12 = 18 Ω

R₄ ∥ 18 = 11.25 Ω

R₃ + 11.25 = 21.25 Ω

R₂ ∥ 21.25 = 6.8 Ω

R_eq = R₁ + 6.8 = 6 + 6.8 = 12.8 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 = 15/12.8 = 1.172 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。

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 15 − 1.172·6 = 7.969 V

I_R2 = V_A/R₂ = 7.969/10 = 0.7969 A

答案

I_R2 = 0.7969 A

9.DC-DC 变换器

答案: ΔI_L = 0.6818 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 = 1 − 36/48 = 0.25

导通期间的电感电压

S 导通时，电感直接跨接在 V_in 两端。

V_L = 36 V

纹波电流

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 36·0.25/(330·10⁻⁶·40·10³) = 0.6818 A

答案

ΔI_L = 0.6818 A

10.DC-DC 变换器

答案: L_crit = 40 µH

占空比

D = 4.5/9 = 0.5

边界条件

令电感平均电流等于纹波电流的一半，解出 L。

L_crit = (1 − D)·R/(2f)

临界电感

L_crit = (1 − 0.5)·8/(250·10³) = 40 µH

答案

L_crit = 40 µH

11.惠斯通电桥与应变片

答案: V_ab = 555.6 mV

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 = 10·275/495 = 5.556 V

V_b = 5 V

出量

V_ab = 555.6 mV

答案

V_ab = 555.6 mV

线性估计 V_s·ΔR/(4R) = 625 mV 偏高 12.5 %：1/4 桥并不完全是线性的。

12.惠斯通电桥与应变片

答案: σ = 70 MPa

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。

应变

ε = 4·0.00159/(3·2.12) = 0.001

应力

σ = 70·10³ MPa·0.001 = 70 MPa

答案

σ = 70 MPa

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′B′C′ + A′BC + AB′

F = 1 的行

ABC = 000, 011, 100, 101

N = 4

答案

N = 4

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 11

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。

完整循环

每 12 个脉冲使计数器回到相同的状态。

31 = 2·12 + 7

剩余脉冲之后的计数

Q = (4 + 7) mod 12 = 11

Q = 1011₂

答案

Q = 11

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