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

一个 9.1 V 的齐纳稳压器通过 220 Ω 接到 15 V，并向 1000 Ω 的负载供电。求齐纳电流 I_Z。

V_in = 15 VV_Z = 9.1 VR = 220 ΩR_L = 1000 Ω

I_Z = mA

2.二极管与晶体管困难

一只 β = 100 的 NPN 晶体管控制一个接在 V_CC = 24 V 与其集电极之间的 470 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 V 逻辑输出经基极电阻 R_B 驱动。取 V_BE = 0.7 V，V_CE(sat) = 0.2 V。为保证可靠开关，按饱和所需最小基极电流的 4 倍来设计基极电流。求 R_B，以 kΩ 计。

V_CC = 24 VR_C = 470 Ωβ = 100V_in = 5 VV_BE = 0.7 VV_CE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 4

R_B = kΩ

3.运放电路中等

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放，其中 R₃ = R₁，R₄ = R₂。求反相输入端的电压 V₋。

V₁ = −0.1 VV₂ = 2.1 VR₁ = R₃ = 1 kΩR₂ = R₄ = 2 kΩ

V₋ = V

4.运放电路困难

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 V_in = 1.8 V 时，电容未充电。求 t = 10 ms 时的输出电压 V_out。

V_in = 1.8 VR = 47 kΩC = 0.1 µFV_sat = ±13 Vt = 10 ms

V_out = V

5.RC 和 RL 暂态中等

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 = 25 ms 时的电容电压 v_C。

V_s = 24 VR₁ = 2.2 kΩR₂ = 10 kΩC = 47 µFt = 25 ms

v_C = V

6.RC 和 RL 暂态困难

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。 v_C 需要多长时间达到 11.2 V？求 t。

V_s = 12 VR = 6.8 kΩC = 47 µFv_C(0) = 10 V

t = ms

7.串并联电阻中等

求流过 R₂ 的电流 I_R2。

V₁ = 24 VR₁ = 12 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 5 Ω

I_R2 = A

8.串并联电阻困难

求流过 R₂ 的电流 I_R2。

V₁ = 6 VR₁ = 12 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 15 Ω

I_R2 = A

9.DC-DC 变换器中等

某理想升压变换器把 12 V 变成 30 V，负载为 10 Ω。求电感平均电流 I_L。

Vin = 12 VVo = 30 VR = 10 Ω

I_L = A

10.DC-DC 变换器困难

某理想升压变换器在 25 kHz 下把 9 V 变成 18 V，负载为 12 Ω。求连续导通所需的最小电感 L_crit。

Vin = 9 VVo = 18 Vf = 25 kHzR = 12 Ω

L_crit = µH

11.惠斯通电桥与应变片中等

某电桥的四个臂均为 500 Ω，V_s = 10 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 1.25 Ω。用小变化近似求输出 V_ab，单位为 mV。

V_s = 10 VR = 500 ΩΔR = 1.25 Ω

V_ab = mV

12.惠斯通电桥与应变片困难

某构件（E = 210 GPa）上的应变片（GF = 2.1）接成 1/4 桥，激励电压为 5 V。输出读数为 1.575 mV。求轴向应力 σ，单位为 MPa。

V_s = 5 VGF = 2.1V_o = 1.575 mVE = 210 GPa

σ = MPa

13.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器中等

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 1, 5, 6) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L（带撇的变量算一个文字）？

F(A, B, C) = Σm(0, 1, 5, 6)

L =

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器困难

一个 4 位环形计数器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 从 1001 开始。每个时钟边沿，各位向右移动一位（Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀），Q₃ 接收 Q₀。给出 7 个时钟边沿之后的状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀，用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10017

Q =

3溶液

1.二极管与晶体管

答案: I_Z = 17.72 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 I_Z,min 时维持其电压 V_Z。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值：I_R = (V_in − V_Z)/R。该电流分给负载 I_L = V_Z/R_L 和齐纳管 I_Z = I_R − I_L。按最坏情况设计：最低输入与最大负载时仍须留有 I_Z,min，而最高输入与空载时齐纳管功率最大，P_Z = V_Z·I_Z。

电阻电流

I_R = 5.9/220 = 26.82 mA

负载电流

I_L = 9.1/1000 = 9.1 mA

齐纳电流

I_Z = 26.82 − 9.1 = 17.72 mA

答案

I_Z = 17.72 mA

2.二极管与晶体管

答案: R_B = 2.123 kΩ

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

饱和时的集电极电流

I_C(sat) = (24 − 0.2)/470 = 50.64 mA

最小基极电流

I_B(min) = I_C(sat)/β = 50.64/100 = 506.4 µA

设计基极电流

I_B = 4·506.4 µA = 2026 µA

基极电阻

R_B = (5 − 0.7)/I_B = 4.3 V/2.026 mA = 2.123 kΩ

答案

R_B = 2.123 kΩ

3.运放电路

答案: V₋ = 1.4 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

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流，所以构成分压器；反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 2.1·2/(1 + 2) = 1.4 V

V₋ = V₊

答案

V₋ = 1.4 V

4.运放电路

答案: V_out = −3.83 V

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 47 kΩ · 0.1 µF = 4.7 ms

斜坡速率 = −V_in/(RC) = −1.8/4.7 = −0.383 V/ms

给定时刻的输出

理想值在 ±V_sat 以内，所以积分器尚未限幅。

V_out = −V_in·t/(RC) = −1.8·10/4.7 = −3.83 V

答案

V_out = −3.83 V

5.RC 和 RL 暂态

答案: v_C = 5.025 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 R_th；把电容断开，求它最终稳定的电压。

R_th = R₁ ∥ R₂ = 2.2·10/(2.2 + 10) = 1.803 kΩ

v_C(∞) = 24·10/(2.2 + 10) = 19.67 V

时间常数

τ = R_th·C = 1.803·47 = 84.75 ms

充电曲线

v_C(t) = 19.67·(1 − e^−25/84.75) = 5.025 V

答案

v_C = 5.025 V

6.RC 和 RL 暂态

答案: t = 292.8 ms

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。

v_C(0) = 10 V, v_C(∞) = V_s = 12 V

τ = R·C = 6.8 kΩ · 47 µF = 319.6 ms

v_C(t) = 12 + (10 − 12)·e^−t/τ

求解时间

11.2 = 12 + (−2)·e^−t/τ → e^−t/τ = (11.2 − 12)/(10 − 12) = 0.4

t = τ·ln((10 − 12)/(11.2 − 12)) = 319.6·ln(2.5) = 292.8 ms

答案

t = 292.8 ms

7.串并联电阻

答案: I_R2 = 0.6385 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 = 12 + 5 = 17 Ω

R₂ ∥ 17 = 15·17/(15+17) = 7.969 Ω

R_eq = R₁ + 7.969 = 12 + 7.969 = 19.97 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 = 24/19.97 = 1.202 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 = 24 − 1.202·12 = 9.577 V

I_R2 = V_A/R₂ = 9.577/15 = 0.6385 A

答案

I_R2 = 0.6385 A

8.串并联电阻

答案: I_R2 = 0.2176 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 = 5 + 15 = 20 Ω

R₄ ∥ 20 = 6.667 Ω

R₃ + 6.667 = 12.67 Ω

R₂ ∥ 12.67 = 4.903 Ω

R_eq = R₁ + 4.903 = 12 + 4.903 = 16.9 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 = 6/16.9 = 0.355 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 = 6 − 0.355·12 = 1.74 V

I_R2 = V_A/R₂ = 1.74/8 = 0.2176 A

答案

I_R2 = 0.2176 A

9.DC-DC 变换器

答案: I_L = 7.5 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 − 12/30 = 0.6

负载电流

I_o = 30/10 = 3 A

电感电流

I_L = I_o/(1 − D) = 3/0.4 = 7.5 A

答案

I_L = 7.5 A

10.DC-DC 变换器

答案: L_crit = 30 µH

占空比

D = 1 − 9/18 = 0.5

边界条件

令电感平均电流等于纹波电流的一半，解出 L。

L_crit = D(1 − D)²·R/(2f)

临界电感

L_crit = 0.5(1 − 0.5)²·12/(225·10³) = 30 µH

答案

L_crit = 30 µH

11.惠斯通电桥与应变片

答案: V_ab = 6.25 mV

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。

相对变化

ΔR/R = 1.25/500 = 0.0025

线性化输出

V_ab ≈ 10·0.0025/4 = 6.25 mV

答案

V_ab = 6.25 mV

精确值为 6.242 mV；只要 ΔR/R 很小，这个近似就很好。

12.惠斯通电桥与应变片

答案: σ = 126 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 = 4·0.001575/(5·2.1) = 0.0006

应力

σ = 210·10³ MPa·0.0006 = 126 MPa

答案

σ = 126 MPa

13.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 7

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。

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形；边上的格子与对边上的格子相邻。

B′C

A′B′

ABC′

最简 SOP 形式

F = B′C + A′B′ + ABC′

L = 7

答案

L = 7

14.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 3

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。

每个边沿之后的状态

1001 → 1100 → 0110 → 0011 → 1001 → 1100 → 0110 → 0011

十进制值

0011₂ = 3

答案

Q = 3

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