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 = 75VCC​ = 12 VRB​ = 330 kΩ

一只 β = 75 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 12 V 经基极电阻 RB = 330 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 3.3 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–发射极电压 VCE。

VCC = 12 VRB = 330 kΩRC = 3.3 kΩβ = 75VBE = 0.7 V
VCE = V
2.二极管与晶体管困难
V (V)I (mA)0.7510.64Q = ?

一个二极管被建模为 0.7 V 与 50 Ω 串联(高于 0.7 V 时导通)。它与一个 470 Ω 的电阻串联,接在 5 V 电源两端。求二极管线与负载线相交处的工作电流 ID。

Vs = 5 VR = 470 ΩV0 = 0.7 Vrd = 50 Ω
ID = mA
3.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = 3 VRa​ = 100 kΩRb​ = 1 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 3 VRa = 100 kΩRb = 1 kΩR1 = 4.7 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
4.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −1.5 VR1​ = 22 kΩV2​ = −1.4 VR2​ = 47 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −1.5 VV2 = −1.4 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
5.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3.3 kΩC68 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 = 300 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 3.3 kΩC = 68 µFt = 300 ms
vC = V
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 V在 t = 0 断开R1​ = 10 kΩR2​ = 2.2 kΩC22 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 = 40 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 2.2 kΩC = 22 µFt = 40 ms
vC = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​4 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​2 ΩBR6​12 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 ΩR5 = 20 ΩR6 = 12 Ω
IR1 = A
9.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

某理想 降压 变换器在 500 kHz、L = 100 µH 下把 36 V 变成 21.6 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 36 VVo​ = 21.6 Vf = 500 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.DC-DC 变换器困难
+−36 VSLC = 10 µFR = 4 Ω−+−36 V

某理想 升降压 变换器在 25 kHz 下把 36 V 变成 −36 V,负载为 4 Ω。输出电容为 10 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔVo,单位为 mV。

Vin​ = 36 VVo​ = −36 Vf = 25 kHzC = 10 µFR = 4 Ω
ΔVo = mV
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−9 VR1​ = 120 ΩR2​ = 80 ΩR3​ = 250 ΩR4​ = 100 Ωab+−Rth​ = ?

求图示电桥从输出端 a、b 看进去的戴维南电阻 Rth。

Vs = 9 VR1 = 120 ΩR2 = 80 ΩR3 = 250 ΩR4 = 100 Ω
Rth = Ω
12.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

某 1/4 桥(一个工作应变片,GF = 2.12)的激励电压为 10 V。要测量的最大应变为 1200 µε,它在模数转换器输入端必须给出 3.3 V。求放大器增益 G。

Vs = 10 VGF = 2.12εmax = 1200 µεVFS = 3.3 V
G =
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = A′C + AB′C + AC + B′C′ 化简为最简积之和形式。化简后的表达式包含多少个文字 L?

F = A′C + AB′C + AC + B′C′
L =
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110100113X21415X71601211301501408X9111110

对于 F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 4, 5, 6, 10, 11, 13) + d(2, 7, 9)(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(0, 3, 4, 5, 6, 10, 11, 13) + d(2, 7, 9)
N =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: VCE = 3.525 V

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 = (12 − 0.7)/330 kΩ = 34.24 µA

集电极电流

IC = β·IB = 75·34.24 µA = 2.568 mA

集电极–发射极电压

VCE = 12 − 2.568 mA·3.3 kΩ = 3.525 V

答案

VCE = 3.525 V
2.二极管与晶体管

答案: ID = 8.269 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

5 = 0.7 + I·(470 + 50)

工作电流

ID = 4.3/520 = 8.269 mA
VD = 0.7 + 0.008269·50 = 1.113 V

答案

ID = 8.269 mA
3.运放电路

答案: Vout = 0.3267 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 3·1/(100 + 1) = 0.0297 V

同相增益

V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0.0297·(1 + 47/4.7) = 0.3267 V

答案

Vout = 0.3267 V
4.运放电路

答案: Vout = 4.605 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 = −1.4/47 = −0.02979 mA
If = I1 + I2 = −0.09797 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −47·(−0.09797) = 4.605 V

答案

Vout = 4.605 V
5.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 4.949 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 = 10·3.3/(10 + 3.3) = 2.481 kΩ
vC(∞) = 24·3.3/(10 + 3.3) = 5.955 V

时间常数

τ = Rth·C = 2.481·68 = 168.7 ms

充电曲线

vC(t) = 5.955·(1 − e−300/168.7) = 4.949 V

答案

vC = 4.949 V
6.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 1.894 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) = 24·2.2/(10 + 2.2) = 4.328 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 2.2·22 = 48.4 ms

放电

vC(t) = 4.328·e−40/48.4 = 1.894 V

答案

vC = 1.894 V
7.串并联电阻

答案: Req = 3.75 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​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​4 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 = 10 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1.75 Ω
Req = R1 + 1.75 = 2 + 1.75 = 3.75 Ω

答案

Req = 3.75 Ω
8.串并联电阻

答案: IR1 = 0.6883 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​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​2 ΩBR6​12 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 1.882 Ω
R3 + 1.882 = 9.882 Ω
R2 ∥ 9.882 = 7.434 Ω
Req = R1 + 7.434 = 10 + 7.434 = 17.43 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 = 12/17.43 = 0.6883 A

答案

IR1 = 0.6883 A
9.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 0.1728 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 = 21.6/36 = 0.6

导通期间的电感电压

S 导通时,电感连接在 Vin 和 Vo 之间。

VL = 36 − 21.6 = 14.4 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 14.4·0.6/(100·10⁻⁶·500·10³) = 0.1728 A

答案

ΔIL = 0.1728 A
10.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 18000 mV

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 = 36/(36 + 36) = 0.5

负载电流

Io = 36/4 = 9 A

输出纹波

ΔVo = 9·0.5/(25·10³·10·10⁻⁶) = 18000 mV

答案

ΔVo = 18000 mV
11.惠斯通电桥与应变片

答案: Rth = 119.4 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。

电源短路

R₁∥R₂ = 120·80/200 = 48 Ω
R₃∥R₄ = 250·100/350 = 71.43 Ω

戴维南电阻

Rth = 119.4 Ω

答案

Rth = 119.4 Ω
12.惠斯通电桥与应变片

答案: G = 518.9

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。

满量程时的电桥输出

Vo = 6.36 mV

增益

G = 3.3/0.00636 = 518.9

答案

G = 518.9
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 2

布尔代数:化简表达式的规则有 X + X′ = 1 和 X·X′ = 0、X + X = X、吸收律 X + X·Y = X、合并律 X·Y + X·Y′ = X、X + X′Y = X + Y,以及一致性定理 XY + X′Z + YZ = XY + X′Z。德摩根律把 (X·Y)′ 变成 X′ + Y′,把 (X + Y)′ 变成 X′·Y′。卡诺图以图形方式应用这些规则:每个由两个相邻格子组成的圈,就是一次使用 XY + XY′ = X。

表达式的最小项

A′C → m(1, 3)
AB′C → m(5)
AC → m(5, 7)
B′C′ → m(0, 4)
ABC00011110011011130214151706

圈组并读出结果

F = C + B′

数出文字个数

L = 2

答案

L = 2
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。

B′C, BC′D, A′D′, A′C, AC′D, A′B, AB′D
ABCD0001111000011110100113X21415X71601211301501408X9111110

必要质蕴涵项

B′C, A′D′
N = 2

答案

N = 2

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