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​ = 5.6 kΩβ = 80RE​ = 2.2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 47 kΩR2​ = 22 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管由 VCC = 12 V 分压偏置:R₁ = 47 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 22 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 5.6 kΩ,发射极电阻为 RE = 2.2 kΩ。取 VBE = 0.7 V,并使用分压器的戴维南等效电路(不忽略基极电流)。 求集电极–发射极电压 VCE。

VCC = 12 VR1 = 47 kΩR2 = 22 kΩRC = 5.6 kΩRE = 2.2 kΩβ = 80
VCE = V
2.二极管与晶体管困难
+−≥ 20 VR = ?3.3 V≤ 10 mA

一个 3.3 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 10 mA。输入可能降到 20 V,齐纳管至少需要 5 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 20 VVZ = 3.3 VIL,max = 10 mAIZ,min = 5 mA
Rmax = Ω
3.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −1.1 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −1.1 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
4.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −1 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = 1 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 VV2 = 1 VR1 = 4.7 kΩR2 = 47 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
5.RC 和 RL 暂态中等
R = 100 Ωt = 0L220 mHi(t)

电感中流过 3 A 的稳定电流。在 t = 0 开关使回路经 R 闭合并移除电源,于是电感电流经 R 衰减。 求 t = 5 ms 时 R 两端的电压 vR。

i(0) = 3 AR = 100 ΩL = 220 mHt = 5 ms
vR = V
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 VR1​ = 5 ΩR2​ = 47 Ω在 t = 0 断开L47 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已闭合很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关断开。 t = 0 之后多长时间电感电流达到 2.192 A?求 t。

Vs = 20 VR1 = 5 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mH
t = ms
7.串并联电阻中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​12 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​12 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
9.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

某理想反相升降压变换器在 250 kHz、L = 22 µH 下把 36 V 变成 −36 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 36 VVo​ = −36 Vf = 250 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
10.DC-DC 变换器困难
+−24 VSL = 47 µHC = ?R+−9.6 V

某降压变换器在 250 kHz、L = 47 µH 下把 24 V 变成 9.6 V。求把输出纹波峰峰值限制在 50 mV 的输出电容 C。

Vin​ = 24 VVo​ = 9.6 Vf = 250 kHzL = 47 µHΔVo = 50 mV
C = µF
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−9 VR1​ = 200 ΩR2​ = 50 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 120 ΩabGRg​ = 500 Ω

一个电阻为 500 Ω 的检流计接在图示电桥的 a 和 b 之间(Vs = 9 V)。求从 a 流向 b 的检流计电流 Ig,单位为 µA。

Vs = 9 VR1 = 200 ΩR2 = 50 ΩR3 = 300 ΩR4 = 120 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
12.惠斯通电桥与应变片困难
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1.89 mV

某 1/4 桥有一个工作应变片(GF = 2.1),激励电压为 3 V。受载时输出读数为 1.89 mV。求应变 ε,单位为 µε。

Vs = 3 VGF = 2.1Vo = 1.89 mV
ε = µε
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = AB + A′C′ + A′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 = AB + A′C′ + A′B′C′
L =
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X00103X204050716012013115114X819111110

求 F(A, B, C, D) = Σm(6, 9, 10, 11, 14, 15) + d(0, 2, 8) 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(6, 9, 10, 11, 14, 15) + d(0, 2, 8)
L =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: VCE = 1.867 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。

分压器的戴维南等效

VTH = 12·22/(47 + 22) = 3.826 V
RTH = 47·22/(47 + 22) = 14.99 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (3.826 − 0.7)/(14.99 + 81·2.2) = 16.18 µA

集电极电流

IC = 80·16.18 µA = 1.295 mA
IE = 81·16.18 µA = 1.311 mA

集电极–发射极电压

VCE = 12 − 1.295·5.6 − 1.311·2.2 = 1.867 V

答案

VCE = 1.867 V
2.二极管与晶体管

答案: Rmax = 1113 Ω

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。

最坏情况的电流

IR = 10 + 5 = 15 mA

最大电阻

Rmax = 16.7/0.015 = 1113 Ω

答案

Rmax = 1113 Ω
3.运放电路

答案: Vout = −3.45 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₊ = −1.1 V
I = V₋/R1 = −1.1/22 = −0.05 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −1.1 + (−0.05)·47 = −3.45 V

答案

Vout = −3.45 V
4.运放电路

答案: Vout = 9 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 = −1/4.7 = −0.2128 mA
I2 = V2/R2 = 1/47 = 0.02128 mA
If = I1 + I2 = −0.1915 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −47·(−0.1915) = 9 V

答案

Vout = 9 V
5.RC 和 RL 暂态

答案: vR = 30.91 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。

时间常数

τ = L/R = 220 mH / 100 Ω = 2.2 ms

电流的衰减

i(t) = 3·e−5/2.2 = 0.3091 A
vR = R·i = 100·0.3091 = 30.91 V

答案

vR = 30.91 V
6.RC 和 RL 暂态

答案: t = 0.6267 ms

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

在 t = 0 之前,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。

i(0) = 20/5 = 4 A
i(∞) = 20/(5 + 47) = 0.3846 A
τ = L/R = 47/52 = 0.9038 ms
i(t) = 0.3846 + (4 − 0.3846)·e−t/τ

求解时间

e−t/τ = (2.192 − 0.3846)/(4 − 0.3846) = 0.4999
t = 0.9038·ln(2) = 0.6267 ms

答案

t = 0.6267 ms
7.串并联电阻

答案: Req = 13.89 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​20 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 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8.889 Ω
Req = R1 + 8.889 = 5 + 8.889 = 13.89 Ω

答案

Req = 13.89 Ω
8.串并联电阻

答案: Req = 25.13 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​ = 20 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​15 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 = 10.21 Ω
R3 + 10.21 = 35.21 Ω
R2 ∥ 35.21 = 5.126 Ω
Req = R1 + 5.126 = 20 + 5.126 = 25.13 Ω

答案

Req = 25.13 Ω
9.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 3.273 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 = 36/(36 + 36) = 0.5

导通期间的电感电压

S 导通时,电感直接跨接在 Vin 两端。

VL = 36 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0.5/(22·10⁻⁶·250·10³) = 3.273 A

答案

ΔIL = 3.273 A
10.DC-DC 变换器

答案: C = 4.902 µF

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 = 9.6/24 = 0.4

电感纹波电流

ΔIL = (24 − 9.6)·0.4/(47·10⁻⁶·250·10³) = 0.4902 A

电容

C = 0.4902/(8·250·10³·50·10⁻³) = 4.902 µF

答案

C = 4.902 µF
11.惠斯通电桥与应变片

答案: Ig = −1233 µA

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。

戴维南电压

Vth = 9·(50/250 − 120/420) = −0.7714 V

戴维南电阻

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 125.7 Ω

检流计电流

Ig = −0.7714/(125.7 + 500) = −1233 µA

答案

Ig = −1233 µA
12.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 1200 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 = 4·0.00189/(3·2.1) = 0.0012

以微应变表示

ε = 1200 µε

答案

ε = 1200 µε
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 4

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

AB → m(6, 7)
A′C′ → m(0, 2)
A′B′C′ → m(0)
ABC00011110011001031204051716

圈组并读出结果

F = A′C′ + AB

数出文字个数

L = 4

答案

L = 4
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 6

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′, B′D′, AC, AB′
ABCD0001111000011110X00103X204050716012013115114X819111110

最小覆盖

F = CD′ + AC + AB′
L = 6

答案

L = 6

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