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
+−9 V330 Ω3.3 V1500 ΩIZ​ = ?

一个 3.3 V 的齐纳稳压器通过 330 Ω 接到 9 V,并向 1500 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 9 VVZ = 3.3 VR = 330 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
2.二极管与晶体管困难
RC​ = 220 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 24 V5 VRB​ = 47 kΩ

一只 β = 200 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 220 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 V 逻辑输出经基极电阻 RB = 47 kΩ 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求输入为高电平时的集电极电流 IC,以 mA 计。先判断晶体管是否饱和。

VCC = 24 VRC = 220 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 47 kΩ
IC = mA
3.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −0.4 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −0.4 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
4.运放电路困难
−+Vout​C = 2.2 µFVin​ = 1.8 VR = 100 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±13 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 1.8 V 时,电容未充电。 t = 0 之后多长时间输出达到饱和?求 t。

Vin = 1.8 VR = 100 kΩC = 2.2 µFVsat = ±13 V
t = ms
5.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3.3 kΩC47 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 = 150 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 3.3 kΩC = 47 µFt = 150 ms
vC = V
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 Vt = 0R = 6.8 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 10 V,极性如图所示。 求 t = 120 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 12 VR = 6.8 kΩC = 47 µFvC(0) = 10 Vt = 120 ms
vC = V
7.串并联电阻中等
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​12 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
8.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBR6​5 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩR5 = 25 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
9.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

某理想 降压 变换器在 25 kHz、L = 330 µH 下把 36 V 变成 10.8 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 36 VVo​ = 10.8 Vf = 25 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
10.DC-DC 变换器困难
+−15 VSLC = 10 µFR = 2 Ω−+−5 V

某理想 升降压 变换器在 50 kHz 下把 15 V 变成 −5 V,负载为 2 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​ = 15 VVo​ = −5 Vf = 50 kHzC = 10 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−5 V150 Ω150 Ω + ΔR150 Ω150 Ωab+−96.15 mV

某电桥的四个臂均为 150 Ω,由 5 V 供电。当传感器 R₂ 变化时,输出读数为 Vab = 96.15 mV。求 R₂ 的精确变化量 ΔR。

Vs = 5 VR = 150 ΩVab = 96.15 mV
ΔR = Ω
12.惠斯通电桥与应变片困难
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−2.25 mV

某 1/4 桥有一个工作应变片(GF = 2),激励电压为 3 V。受载时输出读数为 2.25 mV。求应变 ε,单位为 µε。

Vs = 3 VGF = 2Vo = 2.25 mV
ε = µε
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111011111111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(0, 1, 2, 4, 5, 6, 10, 15)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD000111100001111000010312141517X6X121130151141819111110

求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14) + d(6, 12) 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, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14) + d(6, 12)
L =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: IZ = 15.07 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 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。

电阻电流

IR = 5.7/330 = 17.27 mA

负载电流

IL = 3.3/1500 = 2.2 mA

齐纳电流

IZ = 17.27 − 2.2 = 15.07 mA

答案

IZ = 15.07 mA
2.二极管与晶体管

答案: IC = 18.3 mA

BJT 用作开关:要使负载完全导通,晶体管须驱动到饱和,此时 VCE = VCE(sat),集电极电流由负载决定:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。饱和至少需要 IB = IC(sat)/β。若基极电流更小,晶体管仍处于放大区,IC = β·IB。

基极电流

IB = (5 − 0.7)/47 kΩ = 91.49 µA

饱和还是放大?

β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 18.3 mA
IC(sat) = (24 − 0.2)/220 = 108.2 mA

集电极电流

IC = β·IB = 18.3 mA

答案

IC = 18.3 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

3.运放电路

答案: Vout = −1.2 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = −0.4 V
I = V₋/R1 = −0.4/1 = −0.4 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −0.4 + (−0.4)·2 = −1.2 V

答案

Vout = −1.2 V
4.运放电路

答案: t = 1589 ms

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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 100 kΩ · 2.2 µF = 220 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −1.8/220 = −0.008182 V/ms

达到饱和的时间

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·220/1.8 = 1589 ms

答案

t = 1589 ms
5.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 1.616 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(∞) = 9·3.3/(10 + 3.3) = 2.233 V

时间常数

τ = Rth·C = 2.481·47 = 116.6 ms

充电曲线

vC(t) = 2.233·(1 − e−150/116.6) = 1.616 V

答案

vC = 1.616 V
6.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 10.63 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 47 µF = 319.6 ms
vC(t) = 12 + (10 − 12)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(120) = 12 + (−2)·e−120/319.6 = 10.63 V

答案

vC = 10.63 V
7.串并联电阻

答案: IR1 = 0.5956 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​12 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 2·17/(2+17) = 1.789 Ω
Req = R1 + 1.789 = 15 + 1.789 = 16.79 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 = 10/16.79 = 0.5956 A

答案

IR1 = 0.5956 A
8.串并联电阻

答案: Req = 16.33 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​ = 12 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBR6​5 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 = 25 + 5 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 3.529 Ω
R3 + 3.529 = 5.529 Ω
R2 ∥ 5.529 = 4.332 Ω
Req = R1 + 4.332 = 12 + 4.332 = 16.33 Ω

答案

Req = 16.33 Ω
9.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 0.9164 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 = 10.8/36 = 0.3

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 − 10.8 = 25.2 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 25.2·0.3/(330·10⁻⁶·25·10³) = 0.9164 A

答案

ΔIL = 0.9164 A
10.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 1250 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 = 5/(15 + 5) = 0.25

负载电流

Io = 5/2 = 2.5 A

输出纹波

ΔVo = 2.5·0.25/(50·10³·10·10⁻⁶) = 1250 mV

答案

ΔVo = 1250 mV
11.惠斯通电桥与应变片

答案: ΔR = 12 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 = 2.5 + 0.09615 = 2.596 V

解分压公式

R₂ = 150·2.596/(5 − 2.596) = 162 Ω
ΔR = 162 − 150 = 12 Ω

答案

ΔR = 12 Ω
12.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 1500 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 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。

解 1/4 桥方程

ε = 4·0.00225/(3·2) = 0.0015

以微应变表示

ε = 1500 µε

答案

ε = 1500 µε
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 11, CD = 11

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。

每个 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m15: m14, m13, m11, m7 → 0
ABCD000111100001111011111111

孤立的 1

m15 = ABCD → AB = 11, CD = 11

答案

AB = 11, CD = 11
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 8

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。

CD′, BD′, BC′, AD′, AC′, A′B, AB′
ABCD000111100001111000010312141517X6X121130151141819111110

最小覆盖

F = CD′ + BC′ + A′B + AB′
L = 8

答案

L = 8

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

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