二极管与晶体管:练习题及分步解答

免费的二极管与晶体管练习题,附图示、提示和完整详细解答。每次数值都不同,分三个难度:二极管电路, BJT 静态工作点, BJT 用作开关。

免费练习题简单
+−24 VR = ?2.2 V15 mA

一个绿球 LED 的正向电压为 2.2 V,通过串联电阻接到 24 V 电源。求使 LED 电流为 15 mA 的电阻 R。

Vs = 24 VVF = 2.2 VI = 15 mA
Ω
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练习内容

  1. 简单二极管电路
  2. 中等BJT 静态工作点
  3. 困难BJT 用作开关

关键公式

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

从零开始学习二极管与晶体管

学习本课之前: 串并联电阻

1二极管:单向阀

二极管只允许电流沿一个方向流动,就像水管里的单向阀。符号中的箭头指向电流可以流动的方向。

导通(正向偏置)时,硅二极管无论电流多大,两端都保持约 0.7 V 的电压。这就是恒压降模型。

+−Vs​R0.7 VI

所以导通的二极管就像一节会“拿走”电压的 0.7 V 小电池。电阻得到的是剩下的部分:

I = (Vs − n·0.7) / R

这里 n 是串联导通二极管的个数。反接时二极管截止,电流为零。

自测 一个 9 V 电源通过一个 1 kΩ 电阻和两个串联的正向偏置硅二极管驱动电流。电流是多少?
  1. 10.4 mA
  2. 7.6 mA
  3. 8.3 mA
  4. 9 mA

答案: 7.6 mA. I = (9 − 2·0.7)/1 kΩ = 7.6 mA。只算一个二极管会得到 8.3 mA,忽略二极管会得到 9 mA,把它们的电压加上去会得到 10.4 mA。

2双极型晶体管

BJT(双极结型晶体管)有三个端子:基极(B)、集电极(C)和发射极(E)。在 NPN 型中,电流流入集电极和基极,从发射极流出。

RC​VCC​RB​CBEβ

一个很小的基极电流 IB 控制一个大得多的集电极电流 IC。它就像水龙头:手柄上的一点小力气,控制很大的水流。

在正常工作范围,即放大区,下面三个事实成立:

VBE = 0.7 V IC = β·IB IE = (β + 1)·IB

电流增益 β(贝塔)通常在 50 到 300 之间。基极-发射极结是一个二极管,所以 VBE 为 0.7 V。

自测 一个 β = 80 的晶体管在放大区的基极电流为 0.05 mA。集电极电流是多少?
  1. 0.05 mA
  2. 0.625 µA
  3. 4 mA
  4. 4.05 mA

答案: 4 mA. IC = β·IB = 80·0.05 = 4 mA。4.05 mA 是发射极电流 (β + 1)·IB,0.625 µA 是除以 β 而不是乘以 β。

3放大区还是饱和区

集电极电流流过 RC,所以晶体管上剩下的电压是:

VCE = VCC − IC·RC

IC 不能无限增大。晶体管完全导通时,只剩下很小的 VCE(sat) ≈ 0.2 V,此时电流仅由 RC 决定:

IC(sat) = (VCC − VCE(sat)) / RC
  • 放大区:β·IB 小于 IC(sat)。此时 IC = β·IB。用于放大器。
  • 饱和区:β·IB 大于 IC(sat)。此时 IC = IC(sat),晶体管相当于闭合的开关。
  • 截止区:没有基极电流,就没有集电极电流。晶体管相当于断开的开关。

要把晶体管用作开关,至少要给它 IB = IC(sat)/β,为保险起见常常取几倍。

自测 一个 β = 100 的晶体管,VCC = 10.2 V,RC = 2 kΩ,基极电流为 0.1 mA。取 VCE(sat) = 0.2 V。IC 是多少?
  1. 0.1 mA
  2. 10 mA
  3. 5 mA
  4. 5.1 mA

答案: 5 mA. IC(sat) = (10.2 − 0.2)/2 = 5 mA。β·IB = 10 mA 比它大,所以晶体管饱和,IC = 5 mA。漏掉 0.2 V 会得到 5.1 mA。

4分步方法

对于基极电阻 RB 接到 VCC 的晶体管(固定偏置):

  1. 沿基极回路走一圈:VCC 先降落在 RB 上,然后在基极-发射极结上降落 0.7 V。
  2. 求基极电流:IB = (VCC − 0.7)/RB。
  3. 求集电极电流:IC = β·IB。
  4. 求集电极-发射极电压:VCE = VCC − IC·RC。
  5. 检查工作区:VCE 必须高于约 0.2 V。否则晶体管饱和,IC = IC(sat)。

电压用伏、电阻用 kΩ 时,电流的结果单位是 mA。这样数字好算。

5例题讲解

跟着每一步走。打开下一步之前,先试着预测它。

例题讲解

一个 β = 100 的 NPN 晶体管,RB = 565 kΩ 从 VCC = 12 V 接到基极,RC = 2.2 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V。求 IC 和 VCE。

1

观察电路

RC​2.2 kΩVCC​ = 12 VRB​565 kΩCBEβ = 100IB​IC​VCE​

基极电流由 VCC 经 RB 提供。

2

基极电流

IB = (12 − 0.7) / 565 = 0.02 mA
3

集电极电流

IC = β·IB = 100·0.02 = 2 mA
4

集电极-发射极电压

VCE = 12 − 2·2.2 = 7.6 V
5

检查工作区

饱和电流应为 (12 − 0.2)/2.2 = 5.36 mA。我们算出的 2 mA 低于它,而且 VCE = 7.6 V 远高于 0.2 V。

所以晶体管确实处于放大区,使用 IC = β·IB 是允许的。

答案

IC = 2 mA,VCE = 7.6 V。

6常见错误

  • 忘了每个导通二极管或基极-发射极结的 0.7 V 压降。
  • 晶体管饱和时仍用 IC = β·IB。一定要检查 VCE。
  • 混淆 IC 和 IE。发射极还要承载基极电流:IE = (β + 1)·IB。
  • 作开关时,在 IC(sat) 中忘了 VCE(sat) = 0.2 V,或忘了除以 β。
自测 一个 β = 100 的晶体管,从 VCC = 5 V 为一个 100 Ω 负载供电并起开关作用。基极通过 RB 由 5 V 驱动。取 VCE(sat) = 0.2 V。仍能使它饱和的最大 RB 是多少?
  1. 10.4 kΩ
  2. 8.6 kΩ
  3. 8.96 kΩ
  4. 89.6 Ω

答案: 8.96 kΩ. IC(sat) = 4.8/100 = 48 mA,所以 IB ≥ 0.48 mA,RB = (5 − 0.7)/0.48 = 8.96 kΩ。忘了 0.7 V 会得到 10.4 kΩ,忘了 β 会得到 89.6 Ω,漏掉 0.2 V 会得到 8.6 kΩ。

7考试题是什么样的

  • 简单:二极管电路。一个电源、一个电阻和一两个串联二极管,或一个与电阻并联的二极管。求以 mA 为单位的电流。
  • 中等:BJT 的偏置点。如例题中的固定偏置,或带发射极电阻的分压偏置。求 IC 或 VCE。
  • 困难:用作开关的 BJT。为饱和设计 RB,有时带过驱动系数;或判断给定的 RB 能否使晶体管饱和。

与电阻并联的二极管把该节点钳位在 0.7 V。电阻此时通过 0.7/R 的电流,其余电流由二极管承担。

对于分压偏置,先把分压器换成它的戴维南等效电路:

VTH = VCC·R2/(R1 + R2) RTH = R1 ∥ R2
IB = (VTH − 0.7) / (RTH + (β + 1)·RE) VCE = VCC − IC·RC − IE·RE

带过驱动系数 k 时,按最小基极电流的 k 倍来设计:RB = (Vin − 0.7) / (k·IC(sat)/β)。

在应用中一步一步地学在应用中一步一步地学

例题详解

例题 1简单
+−18 V470 Ω3.3 VIR​ = ?

一个 3.3 V 的齐纳二极管通过 470 Ω 的电阻接到 18 V,不接负载。求电阻中的电流 IR。

Vin = 18 VVZ = 3.3 VR = 470 Ω

求: IR (mA)

显示提示
  1. 齐纳管使输出保持在 VZ。
  2. VR = 18 − 3.3 = 14.7 V.
  3. I = V/R.
显示答案和分步解答

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。

电阻电压

VR = 18 − 3.3 = 14.7 V

电流

IR = 14.7/470 = 31.28 mA

答案

IR = 31.28 mA
例题 2中等
+−12 V270 Ω5.1 V3300 ΩIZ​ = ?

一个 5.1 V 的齐纳稳压器通过 270 Ω 接到 12 V,并向 3300 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 12 VVZ = 5.1 VR = 270 ΩRL = 3300 Ω

求: IZ (mA)

显示提示
  1. IR = (12 − 5.1)/270 = 25.56 mA.
  2. IL = 5.1/3300 = 1.545 mA.
  3. IZ = IR − IL.
显示答案和分步解答

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 = 6.9/270 = 25.56 mA

负载电流

IL = 5.1/3300 = 1.545 mA

齐纳电流

IZ = 25.56 − 1.545 = 24.01 mA

答案

IZ = 24.01 mA
例题 3困难
RC​ = 150 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 12 V5 VRB​ = 100 kΩ

一只 β = 200 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 12 V 与其集电极之间的 150 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 = 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 = 12 VRC = 150 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 100 kΩ

求: IC (mA)

显示提示
  1. 由输入回路求基极电流:IB = (Vin − 0.7)/RB。
  2. 将 β·IB 与负载允许的最大电流 IC(sat) = (VCC − 0.2)/RC 比较。
  3. IB = 43 µA, IC(sat) = 78.67 mA.
显示答案和分步解答

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)/100 kΩ = 43 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 = 8.6 mA
IC(sat) = (12 − 0.2)/150 = 78.67 mA

集电极电流

IC = β·IB = 8.6 mA

答案

IC = 8.6 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

问与答

什么是二极管与晶体管?

导通(正向偏置)时,硅二极管无论电流多大,两端都保持约 0.7 V 的电压。这就是恒压降模型。

所以导通的二极管就像一节会“拿走”电压的 0.7 V 小电池。电阻得到的是剩下的部分:

二极管与晶体管题目如何一步步求解?

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。

二极管与晶体管有哪些常见错误?
  • 齐纳管保持 3.3 V:只有 Vin − VZ 加在 R 上。
  • 电阻电压是 Vin − VZ,而不是 VZ。
  • 答案以 mA 为单位。
二极管与晶体管练习包括哪些内容?
  • 简单: 二极管电路
  • 中等: BJT 静态工作点
  • 困难: BJT 用作开关

每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。 卡住了?先打开一个小提示,需要时再查看完整解析。

练习方式

  • 每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。
  • 卡住了?先打开一个小提示,需要时再查看完整解析。
  • 你的进度、错题和收藏的题目都会保留,方便考前复习。

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