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 = 80 的 NPN 晶体管由电源 V_CC = 10 V 经基极电阻 R_B = 390 kΩ 偏置。集电极电阻为 R_C = 2.7 kΩ，发射极接地。取 V_BE = 0.7 V，并假设晶体管工作在放大区。求集电极电流 I_C，以 mA 计。

V_CC = 10 VR_B = 390 kΩR_C = 2.7 kΩβ = 80V_BE = 0.7 V

I_C = mA

2.二极管与晶体管困难

一个二极管被建模为 0.65 V 与 50 Ω 串联（高于 0.65 V 时导通）。它与一个 150 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 I_D。

V_s = 3 VR = 150 ΩV₀ = 0.65 Vr_d = 50 Ω

I_D = mA

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 = −3.5 VR_a = 22 kΩR_b = 2 kΩR₁ = 2 kΩR_f = 22 kΩ

V_out = V

4.运放电路困难

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 I_f。

V₁ = 1.6 VV₂ = 1.7 VR₁ = 22 kΩR₂ = 2 kΩR_f = 4.7 kΩ

I_f = mA

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 时的电流 i。

V_s = 9 VR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms

i = A

6.RC 和 RL 暂态困难

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 = 400 ms 时的电容电压 v_C。

V_s = 30 VR₁ = 3.3 kΩR₂ = 1 kΩC = 220 µFt = 400 ms

v_C = V

7.串并联电阻中等

求流过 R₂ 的电流 I_R2。

V₁ = 12 VR₁ = 4 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 8 Ω

I_R2 = A

8.串并联电阻困难

求电源输出并流过 R₁ 的电流 I_R1。

V₁ = 24 VR₁ = 8 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 3 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 30 Ω

I_R1 = A

9.DC-DC 变换器中等

某理想升压变换器把 12 V 变成 24 V，负载为 20 Ω。求电感平均电流 I_L。

Vin = 12 VVo = 24 VR = 20 Ω

I_L = A

10.DC-DC 变换器困难

某理想升压变换器在 50 kHz 下把 24 V 变成 80 V，负载为 10 Ω。输出电容为 100 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔV_o，单位为 mV。

Vin = 24 VVo = 80 Vf = 50 kHzC = 100 µFR = 10 Ω

ΔV_o = mV

11.惠斯通电桥与应变片中等

求图示电桥从输出端 a、b 看进去的戴维南电阻 R_th。

V_s = 15 VR₁ = 50 ΩR₂ = 120 ΩR₃ = 300 ΩR₄ = 50 Ω

R_th = Ω

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）接成 1/4 桥，激励电压为 3 V。输出读数为 1.5 mV。求轴向应力 σ，单位为 MPa。

V_s = 3 VGF = 2V_o = 1.5 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 = 0，I₂ = 0，I₃ = 1。在 A、B、C 的 8 种组合中，有多少种使输出 F = 1？求 N。

I₀ = CI₁ = 0I₂ = 0I₃ = 1

N =

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器困难

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始，在 7 个时钟上升沿接收到所示的输入。Q 改变状态的次数 N 是多少？

Q₀ = 0JK

N =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: I_C = 1.908 mA

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 = (10 − 0.7)/390 kΩ = 23.85 µA

集电极电流

I_C = β·I_B = 80·23.85 µA = 1.908 mA

答案

I_C = 1.908 mA

验算：V_CE = 4.849 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: I_D = 11.75 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 V_F（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 = (V_s − n·V_F)/I。用更精确的二极管模型 V = V₀ + I·r_d 时，工作点在二极管线与负载线 I = (V_s − V)/R 相交处，所以 I = (V_s − V₀)/(R + r_d)。

联立两个方程

3 = 0.65 + I·(150 + 50)

工作电流

I_D = 2.35/200 = 11.75 mA

V_D = 0.65 + 0.01175·50 = 1.238 V

答案

I_D = 11.75 mA

3.运放电路

答案: V_out = −3.5 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) = −3.5·2/(22 + 2) = −0.2917 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) = −0.2917·(1 + 22/2) = −3.5 V

答案

V_out = −3.5 V

4.运放电路

答案: I_f = 0.9227 mA

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 = 1.6/22 = 0.07273 mA

I₂ = V₂/R₂ = 1.7/2 = 0.85 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0.9227 mA

答案

I_f = 0.9227 mA

5.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.2687 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 = 22 mH / 20 Ω = 1.1 ms

i(∞) = V_s/R = 9/20 = 0.45 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e^−t/τ) = 0.45·(1 − e^−1/1.1) = 0.2687 A

答案

i = 0.2687 A

6.RC 和 RL 暂态

答案: v_C = 1.132 V

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。

v_C(0) = 30·1/(3.3 + 1) = 6.977 V

开关断开后的时间常数

τ = R₂·C = 1·220 = 220 ms

放电

v_C(t) = 6.977·e^−400/220 = 1.132 V

答案

v_C = 1.132 V

7.串并联电阻

答案: I_R2 = 0.3837 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 = 3 + 8 = 11 Ω

R₂ ∥ 11 = 20·11/(20+11) = 7.097 Ω

R_eq = R₁ + 7.097 = 4 + 7.097 = 11.1 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 = 12/11.1 = 1.081 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 = 12 − 1.081·4 = 7.674 V

I_R2 = V_A/R₂ = 7.674/20 = 0.3837 A

答案

I_R2 = 0.3837 A

8.串并联电阻

答案: I_R1 = 1.718 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 = 20 + 30 = 50 Ω

R₄ ∥ 50 = 2.83 Ω

R₃ + 2.83 = 14.83 Ω

R₂ ∥ 14.83 = 5.973 Ω

R_eq = R₁ + 5.973 = 8 + 5.973 = 13.97 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 = 24/13.97 = 1.718 A

答案

I_R1 = 1.718 A

9.DC-DC 变换器

答案: I_L = 2.4 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 − 12/24 = 0.5

负载电流

I_o = 24/20 = 1.2 A

电感电流

I_L = I_o/(1 − D) = 1.2/0.5 = 2.4 A

答案

I_L = 2.4 A

10.DC-DC 变换器

答案: ΔV_o = 1120 mV

占空比

D = 1 − 24/80 = 0.7

负载电流

I_o = 80/10 = 8 A

输出纹波

ΔV_o = 8·0.7/(50·10³·100·10⁻⁶) = 1120 mV

答案

ΔV_o = 1120 mV

11.惠斯通电桥与应变片

答案: R_th = 78.15 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。

电源短路

R₁∥R₂ = 50·120/170 = 35.29 Ω

R₃∥R₄ = 300·50/350 = 42.86 Ω

戴维南电阻

R_th = 78.15 Ω

答案

R_th = 78.15 Ω

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 = 4·0.0015/(3·2) = 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 = 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 + AB

F = 1 的行

ABC = 001, 110, 111

N = 3

答案

N = 3

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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。

每个边沿之后的 Q

JK 触发器：00 保持，01 复位 (Q = 0)，10 置位 (Q = 1)，11 翻转。

1: J = 0, K = 1 → Q = 0

2: J = 1, K = 1 → Q = 1

3: J = 1, K = 0 → Q = 1

4: J = 1, K = 1 → Q = 0

5: J = 0, K = 1 → Q = 0

6: J = 1, K = 1 → Q = 1

7: J = 1, K = 1 → Q = 0

数出变化的次数

0 → 0 → 1 → 1 → 0 → 0 → 1 → 0

N = 4

答案

N = 4

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