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​ = 470 Ωβ = 75IC​ = ?VCC​ = 12 VRB​ = 220 kΩ

一只 β = 75 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 12 V 经基极电阻 RB = 220 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 470 Ω,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 12 VRB = 220 kΩRC = 470 Ωβ = 75VBE = 0.7 V
IC = mA
2.二极管与晶体管困难
RC​ = 680 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = 100 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 680 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 3.3 V 逻辑输出经基极电阻 RB = 100 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 = 680 Ωβ = 200Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 100 kΩ
IC = mA
3.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 100 kΩVin​R1​ = 2 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±13 V。 反相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 2 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
4.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = −1.3 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1.3 VR2​ = 47 kΩIf​

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 If。

V1 = −1.3 VV2 = 1.3 VR1 = 2 kΩR2 = 47 kΩRf = 4.7 kΩ
If = mA
5.RC 和 RL 暂态中等
R = 100 Ωt = 0L220 mHi(t)

电感中流过 1.5 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) = 1.5 AR = 100 ΩL = 220 mHt = 5 ms
vR = V
6.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 Vt = 0R = 100 kΩC?+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 12 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 9.6 V 时它必须触发,恰好在开始后 100 ms。 已知 R = 100 kΩ,求所需的电容 C。

Vs = 12 VVth = 9.6 VT = 100 msR = 100 kΩ
C = µF
7.串并联电阻中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
8.串并联电阻困难
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​8 ΩBR6​30 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 ΩR5 = 12 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
9.DC-DC 变换器中等
+−15 VSL = ?CR+−9 V

某理想降压变换器把 15 V 变成 9 V,开关频率为 25 kHz。求把电感纹波电流峰峰值保持在 0.5 A 的电感量 L。

Vin​ = 15 VVo​ = 9 Vf = 25 kHzΔIL = 0.5 A
L = µH
10.DC-DC 变换器困难
+−36 VSLC = 10 µFR = 10 Ω−+−108 V

某理想 升降压 变换器在 25 kHz 下把 36 V 变成 −108 V,负载为 10 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​ = −108 Vf = 25 kHzC = 10 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
11.惠斯通电桥与应变片中等
+−10 VR1​ = 100 ΩR2​ = 50 ΩR3​ = 120 ΩR4​ = 250 Ωab+−Rth​ = ?

求图示电桥从输出端 a、b 看进去的戴维南电阻 Rth。

Vs = 10 VR1 = 100 ΩR2 = 50 ΩR3 = 120 ΩR4 = 250 Ω
Rth = Ω
12.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

某电桥的各臂为 350 Ω,激励电压为 10 V,采用 四个工作应变片,两个受拉、两个受压(全桥)。灵敏系数为 2.1,应变为 1500 µε。求电桥输出 Vo,单位为 mV。

Vs = 10 VGF = 2.1ε = 1500 µε
Vo = mV
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = AC′ + A′BC + A′C′ + A′BC′ 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 = AC′ + A′BC + A′C′ + A′BC′
L =
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-9

同步模 9 计数器依次计 0, 1, …, 8,然后回到 0。它从 1 开始。经过 32 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 132N = 9
Q =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: IC = 3.852 mA

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)/220 kΩ = 51.36 µA

集电极电流

IC = β·IB = 75·51.36 µA = 3.852 mA

答案

IC = 3.852 mA

验算:VCE = 10.19 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: IC = 5.2 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 = (3.3 − 0.7)/100 kΩ = 26 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 = 5.2 mA
IC(sat) = (24 − 0.2)/680 = 35 mA

集电极电流

IC = β·IB = 5.2 mA

答案

IC = 5.2 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: Vin,max = 0.26 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。

增益

|Av| = Rf/R1 = 100/2 = 50

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/50 = 0.26 V

答案

Vin,max = 0.26 V
4.运放电路

答案: If = −0.6223 mA

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 = −1.3/2 = −0.65 mA
I2 = V2/R2 = 1.3/47 = 0.02766 mA
If = I1 + I2 = −0.6223 mA

答案

If = −0.6223 mA
5.RC 和 RL 暂态

答案: vR = 15.45 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) = 1.5·e−5/2.2 = 0.1545 A
vR = R·i = 100·0.1545 = 15.45 V

答案

vR = 15.45 V
6.RC 和 RL 暂态

答案: C = 0.6213 µF

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。

所需的时间常数

9.6 = 12·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(12/(12 − 9.6))
τ = 100/1.609 = 62.13 ms

电容

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

C = τ/R = 62.13/100 = 0.6213 µF

答案

C = 0.6213 µF
7.串并联电阻

答案: Req = 10.21 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​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​6 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 = 3 + 6 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 20·9/(20+9) = 6.207 Ω
Req = R1 + 6.207 = 4 + 6.207 = 10.21 Ω

答案

Req = 10.21 Ω
8.串并联电阻

答案: IR1 = 0.3368 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​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​8 ΩBR6​30 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 = 12 + 30 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 6.72 Ω
R3 + 6.72 = 21.72 Ω
R2 ∥ 21.72 = 6.847 Ω
Req = R1 + 6.847 = 8 + 6.847 = 14.85 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 = 5/14.85 = 0.3368 A

答案

IR1 = 0.3368 A
9.DC-DC 变换器

答案: L = 288 µH

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 = 9/15 = 0.6

电感

L = 6·0.6/(0.5·25·10³) = 288 µH

答案

L = 288 µH
10.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 32400 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 = 108/(36 + 108) = 0.75

负载电流

Io = 108/10 = 10.8 A

输出纹波

ΔVo = 10.8·0.75/(25·10³·10·10⁻⁶) = 32400 mV

答案

ΔVo = 32400 mV
11.惠斯通电桥与应变片

答案: Rth = 114.4 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 = 100·50/150 = 33.33 Ω
R₃∥R₄ = 120·250/370 = 81.08 Ω

戴维南电阻

Rth = 114.4 Ω

答案

Rth = 114.4 Ω
12.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 31.5 mV

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。

电阻相对变化

ΔR/R = 2.1·1500·10⁻⁶ = 0.00315

电桥输出

Vo = Vs·GF·ε = 10·0.00315 = 31.5 mV

答案

Vo = 31.5 mV
13.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 3

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

AC′ → m(4, 6)
A′BC → m(3)
A′C′ → m(0, 2)
A′BC′ → m(2)
ABC00011110011001131214050716

圈组并读出结果

F = C′ + A′B

数出文字个数

L = 3

答案

L = 3
14.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 6

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 fclk/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 9 个脉冲使计数器回到相同的状态。

32 = 3·9 + 5

剩余脉冲之后的计数

Q = (1 + 5) mod 9 = 6
Q = 0110₂

答案

Q = 6

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