嵌入式硬件开发基础（持续更新）

电阻

理论基础

电阻的定义

电荷在导体中运动时，形成电流。导体中的分子、原子等其他粒子阻碍电荷移动，进而阻碍电流这种阻碍作用，我们称之为电阻。

欧姆定律

• 经典公式：$I=U/R$

• 交换公式：$R=U/I$

  ​ $U=I\ast R$

单位换算

1KΩ=1000Ω=$10^3$Ω

1MΩ=$10^3$KΩ=$10^6$Ω

1mΩ=$10^{-3}$Ω

器件选型

安装方式

基于产品越来越趋向于小巧、生产工艺不断提升、后焊人工成本高等考虑，绝大部分产品选择贴片电阻。

电阻值

根据电路，选择合适的电阻值；

常规电阻：

非常规电阻，可以通过串联或者并联。

E-96系列标注电阻值：

$Y=10^{-2}$,$X=10^{-1}$，$A=10^0$，$B=10^1$，$C=10^2$，$D=10^3$，$E=10^4$，$F=10^5$

贴片电阻标称

电阻的标称阻值分为E6、E12、E24、E48、E96、E192六大系列，分别对应于相对误差为±20%、土10%、土5%、土2%、土1%和±0.5%的电阻。常用的E24系列和E96系列；

贴片电阻上数字一般为3位或者4位，最后一位为10的幂，最后一位之前的为乘数；

精度在1%以上用4位，在1%以下（2%，5%，10%）用3位。

确定电阻值的方法

• 计算取值：分压电压，反馈电路，取样电路，根据电路计算即可；
• 手册取值：设计电路时，参考手册应用电路，按建议取值；
• 经验取值：比如上拉，一般1K，4.7K，10K，100K等，电阻越小，上拉越强；

封装与功耗

综合考虑功耗（$I^2\ast R$或$U^2/R$），PCB尺寸，合理选择封装

一般的封装对应功率：

一般贴片电阻功率最大只能做到1W，所以有些大功率场合还是要用直插电阻。

精度

综合考虑电路性能、成本、采购方便性，合理选择精度，常规精度为5%，1%

• 电路方面：电压反馈电路、采样电路等，要求1%精度，一般场合默认使用5%精度
• 成本方面：5%精度比1%精度便宜，满足需求的情况下，尽量选择低成本的。
• 采购方面：如果有5个1%精度的10k电阻，有3个5%的精度的10k电阻，而产品对成本又没有过高的要求，可以统一使用1%精度的，减少物料采购种类，也方便贴片。

温度系数

温度系数的单位为 PPM，表示每一百万欧姆每改变 1℃电阻值改变值，一般的电阻阻值会随温度的上升而上升，比如两个阻值为 100kΩ的电阻，电阻 1 的温度系数为 20PPM，电阻 2 的温度系数为 200PPM，当温度升高 1℃，电阻 1 的阻值要增大 2Ω，电阻 2 的阻值要增大 20 欧姆，在要求高的情况下应选用温度系数小的电阻。

成本

满足要求的情况下，选择成本低的。

PCB板尺寸

PCB尺寸很小时，可以选择0402，甚至0201的;PCB尺寸适中时，可以选择0603的，对工艺要求低些。

工艺

满足需求的情况下，尽量不选择过小封装的，降低工艺要求

维修

满足需求的情况下，尽量不选择过小封装的，降低维修难度。

数据手册

1. 厚生-常规后膜片式固定电阻器.pdf

2. 风华高科-常规厚膜片式固定电阻器.pdf

仪器测量

测试仪器：万用表

测试方法：万用表调节至欧姆档，表笔位于V/Ω与COM接口，笔头放置在电阻两端进行测量

注意事项：不要带电测量电阻；如果电阻安装在电路板上，确定电阻两端是否受其他电路影响；选择自动量程，如果手动量程，量程与实际阻值不要相差太大，影响测量精度。

应用

1. 限流

R50：限制发光二极管D6的电流。I=(3.3V-1.6V)/470Ω

R51：限制晶体管Q2的电流，使其工作在饱和状态

2. 恒流
   

   R21：对锂电池快速充电时，充电电流恒定在0.6A

3. 分压

R32，R35，R45：通过分压，使LDO输出电压为2.5V

4. 取样

R21：通过取样，将4-20mA电流转化为0.6-3V电压，供ADC采样

5. 阻抗匹配
   

   R26：RS-485阻抗匹配电阻，满足长距离传输时，减少终端反射

6. 上拉、下拉

R4，R5：上拉电阻，让IIC总线默认高电平

R62：下拉电阻，确保PA8为浮空时，Q4为截至状态

零欧姆电阻

零欧姆电阻又称为跨接电阻器，是一种特殊用途的电阻，0欧姆电阻的阻值并非为零。风华高科对OQ贴片电阻有三个精度等级，分别是F档(≤10mQ)、G档(≤20mQ)、J档(≤50mQ)。

常规用途

1. 备用功能
   

   电源电路放置了4个0Ω电阻，方便调试和维修时，断开某一路电源，需要时，也可以更换为磁珠

2. 可以作为数字地和模拟地的跨接电阻，地线分开方便走线与敷铜

3. 作为配置短路使用，类似拨码开关，但是可以避免用户随意修改配置，通过安装不同的电阻可以实现不同的功能

4. 预留参数调整
   

热敏电阻

热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)。

热敏电阻的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现不同的电阻值，正温度系数热敏电阻(PTC)在温度越高时电阻越大，负温度系数热敏电阻(NTC)则相反

B型热敏电阻 - CMFB103F3950FANT

NTC - 5D-9

PTC - 自恢复保险丝

应用举例

1. NTC热敏电阻用于开关电源启动限流
   

   RT1作用：电源启动时，输入电容C5的电压为0，充电瞬间电流很大。有了RT1，启动时限制充电电流，一旦RT1发热，阻值很低，相当于短接了

2. 通过NTC电阻测量温度
   

3. PTC电阻用于短路保护
   

   F2：PTC电阻，输出短路时，PTC发热，阻值变大，启动短路保护功能。此电路不能用于高温环境中。

光敏电阻

光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大

应用于摄像头红外灯板

工作原理：白天，光线较强，CDS阻值很小，Q1导通，U1的EN管脚为0V，停止工作，灯灭；夜晚，光线较暗，CDS的阻值很大，Q1截至，U1的EN管脚有电压，正常工作，灯亮。

笔试面试题

1：

（多选）贴片电阻上标注222，阻值为(ACE)

A. 2.2kΩ

B：220Ω

C：2200Ω

D：0.0022mΩ

E： 0.0022MΩ

2：

如下图，电阻R21上的功耗范围为多少

0.0024~0.06W

3：

阻值为10k的电阻，精度为5%时，实际阻值范围为多少？

9.5K~10.5K

4：

阻值为1k与1.5k的电阻并联，等效阻值为多少？

0.6K

5：

如下图，哪些方面设计不合理

提高温度测量精度，电阻R11应该使用1%精度的
降低成本，电阻R12应该使用5%精度的
R11与C13均为0603封装， R12封装应一致，使用0603

6：

问题答 - 如下图，电阻R25-R27起什么作用？ 如何选型？

查看78L05数据手册，SOT-89封装，功耗最大0.5W，考虑发热与可靠性，不超过80%， 使用最大不超过0.4W。
根据电路，输入电压12V，输出5V，带载能力需要达到100mA，最大消耗功耗为(12V-5V)*100mA, 达到0.7W，超过了78L05的使用功耗。
为了降低78L05的消耗功耗，同时考虑成本，在输入部分串联电阻，减小78L05的输入电压。

R26，R27作用与选型分析：
电阻功能：减小78L05的输入电压，分担部分功耗
阻值计算：78L05要求最小电压差为2V，输入电压最低不小于7V，同时考虑12V输入的线上损耗，电源纹波等，78L05输入电压取8V， 如此一来，电阻上的压降为3V， 则R = 3V/100mA = 30Ω
封装选择：电阻上的功耗Pr = 0.1A0.1A30Ω=0.3W，考虑老化与稳定性， 最好达到0.3/80% = 0.375W以上。 通过数据手册，1206封装的电阻最大0.25W， 选用两个15Ω的电阻，阻值符合要求，同时功耗支持0.5W，也符合要求。 如果pcb尺寸允许，也可以选用1812,30Ω的电阻。
R25作用与选型分析：
R25默认贴0Ω电阻，作为扩展。
扩展一：车规级应用，环境温度达到85℃，电阻的最大功耗降为90%，老化加剧，R25-R27，可以使用3个10Ω的，提高可靠性；
扩展二：输入电压要求达到14V，R25可以进一步降低输入电压
扩展三：要求短路保护，常温环境也可以用PTC替换。

电容

理论基础

1. 电容的定义

   两个相互靠近的金属板中间夹一层绝缘介质组成的器件，当两端存在电势差时，由于介质阻碍了电荷移动而累积在金属板上，衡量金属板 上储存电荷的能力称之为电容，相应的器件称为电容器。

   电容的符号为C，单位为法拉（F）。电容越大，存储电荷的能力越强

2. 公式

   $C=Q/U$，C-电容，Q-电荷量，U电势差

   在电路学里，电势差1U下，电容的存储电荷的能力，称为电容

3. 单位换算

   法拉很大，通常使用uF，nF，pF

   $1F=10^{3}mF=10^{6}uF=10^{9}nF=10^{12}pF$

4. 电容的作用

   电容的本质是充放电，在电路中起到阻直流通交流的作用

   阻直流：只充电，不放电。充满后无法放电，断开状态

   通交流：循环充电与放电。按交流信号的频率循环充放电，导通状态。

   电容内部有绝缘介质，内部不会导通，通交流是应用电容的充放电功能，从外部看，感觉导通了而已

   电容的充放电电流的计算公式：I=C(du/dt)

   在电路设计中，要特别注意电容的充放电电流。有时为了加快信号上升速度，需要提高充放电电流;有时为了防止充电电流过大损坏其他器件，需要减小充放电电流，从公式中可以看出，电压越高，充放电时间越短，电容越大，充放电电流越大，反之则充放电电流越小

5. 电容特性
   充放电有个过程，电容两端电压不能突变，如果突变，将会产生很大的充放电电流，设计时需要避免，可以通过电阻，电感等器件进行限流

6. 电容的分类
   按封装可以分为贴片电容和插件电容，还可以分为极性电容和非极性电容

7. 电容类型
   方便理解，对电容进行类型区分，但需要记住，电容的本质就是储能，

   充放电滤波电容:用在滤波电路中的电容器称为滤波电容

   旁路电容:用在旁路电路中的电容器称为旁路电容

   耦合电容:用在耦合电路中的电容称为耦合电容

   退耦电容:用在退耦电路中的电容器称为退耦电容

   自举电容:用在自举电路中的电容器称为自举电容

器件选型

1. 安装方式

   插件(DIP)与贴片(SMD)

   陶瓷电容，铝电解电容，钽电容一般选择贴片的

   安规电容一般是插件的

   铝电解电容，降低成本，也有选择插件的
   

2. 电容值

   根据电路，选择合适的电容值

   电容值从几pF到几百uF不等

   确定电容值的方法：

   • 计算取值：晶体振荡电路，LC滤波电容等，可以通过计算取值
   • 手册取值：设计电路时，参考手册应用电路，再根据实际测试进行调整
   • 经验取值：滤波电容，储能电容，一般凭经验值，再根据实际测试进行调整

   电容的串联与并联：

   • 电容串联：耐压增大，容值减小
   • 电容并联：耐压不变，容值增大
     

3. 电容类型

   根据电路，合理选择类型

   按容值：

   一般小于10uF的选择陶瓷电容

   小于几百uF的，可以选择铝电解电容与钽电容

   大于几百uF的，一般选择铝电解电容

   按环境温度：

   高温环境，一般选择陶瓷电容和钽电容，因为铝电解电容里面是电解液，高温环境对寿命影响较大

   低温环境，都可以选择

4. 精度
   一般精度为5%、10%、25%

5. 温度系数
   电容的电容量会随温度上升而下降，温度系数的单位为PPM
   比如0.1uF，250ppm的电容，温度每升高1℃，其电容量降低
   $0.1uF\ast 250/10^6=25pF$

6. 耐压，封装

   根据电路，确定电容耐压值，再选择封装。封装越大，耐压越大

   耐压方面，陶瓷电容较好，钽电解电容较差（要求耐压为承受电压的2倍）

   例如：给5V电源滤波，可以选用10uF/6.3V的陶瓷电容，100uF/6.3V的铝电解电容，也可以选用47/uF/10V的钽电解电容

   常用的陶瓷电容封装：0402 0603 0805 1206等

   常用的铝电解电容：5 * 5.5，6.3 * 7.7等

   常用钽电解电容封装：A型，B型，C型，D型，E型等

7. 寿命

   钽电解电容较差，内部电解质受温度影响较大，但是耐压可以，容值较大，价格便宜，使用较多，设计时避免靠近热源，不要在高温环境使用

8. 其他方面

   价格：钽电容较贵，插件铝电解电容便宜，容值大的陶瓷业较贵，在满足需求的情况下，尽量选择低成本的

   ESR：陶瓷电容与钽电解电容都较小，滤波效果好，铝电解电容可以通过并联容值小的陶瓷电容降低ESR，提升滤波效果

陶瓷电容

优点：无极性、耐压较好、耐温好、ESR小，滤波效果好

缺点：容值小，一般使用10uF以下的，容值大、耐压高的价格贵

阅读陶瓷电容数据手册

风华高科 - 陶瓷电容.pdf

电解电容

1. 铝电解电容

   优点：容值大、耐压好、价格便宜

   缺点：ESR大、耐温差
   

   阅读手册

   RVT系列贴片型铝电解电容.pdf

2. 钽电解电容

   优点：容值大、耐温好，ESR小

   缺点：价格贵、耐压差
   

   阅读钽电解电容手册

   TAJ系列钽电解电容.pdf

仪器测量

使用万用表可测量

应用

1. 陶瓷电容应用于滤波
   

   说明：电源电路，负载电流较小时，可以使用陶瓷电容进行滤波

2. 铝电解电容用于滤波
   

   说明：电源电路，负载电流较大时，使用铝电解电容进行滤波，为了降低ESR，提升滤波效果，通过并联陶瓷电容

3. 钽电解电容用于滤波
   

   说明：GPRS模块电源管脚，瞬间电流可达2A，选择低ESR，高容量的钽电解电容，避免压降过大导致模块重启

4. LC滤波
   

   说明：PWM脉宽调制电源中，使用LC进行滤波，将PWM波形滤成直流电压，达到调压的目的

   如果只使用电容，上电瞬间，电源芯片内部NMOS管导通时，滤波电容C9瞬间充电电流很大，将烧毁内部NMOS管或出现短路保护，无法正常工作

   使用LC进行滤波，电感起到限制电流的作用，电感电流不能突变很好的限制了滤波电容的充电电流，同时利用储能，也可以起到滤波作用，构成LC滤波器

5. 储能电容1
   

   说明：电容C55给VOUT1提供能量缓冲，避免VOUT1负载电流变化时干扰VCC电源，可以把VOUT1比喻成水龙头，C55比喻成蓄水池，当瞬间打开水龙头时，蓄水池提供足够的水，不影响其他地方用水

6. 储能电容2
   

   说明：C1作为U2储能电容，避免后面的数码管打开时，瞬间耗电较大影响3.3V电源

7. 储能电容3
   

   说明：数字IC的电源管脚一般放置储能电容

   小电容，为高频信号 （内部开关信号）提供瞬间能量，通常为0.1uF，频率越高，电容越小

   大电容，为低频信号（内部外设耗电）提供能量

8. 自举电路
   

   说明：利用电容C73的充放电特性构成自举电路，驱动芯片内部的功率NMOS管

9. 旁路电容
   

   说明：C25为高频信号提供低阻抗回路，提高电源稳定性

10. 振荡电路
    

    说明：电容C39、C52与晶体管构成振荡电路，提供时钟信号输出

习题

1：

陶瓷电容标注为104，容值为()

A.10000pF

B.100nF

C.0.01uF

D.0.1uF

E.0.000001F

2：

陶瓷电容的优点()

A.耐压高

B.耐温好

C.容值高

D.ESR低

E.价格低

F.无极性

3：

铝电解电容的优点()

A.耐压高

B.耐温好

C.容值高

D.ESR低

E.价格低

F.无极性

4：

钽电解电容的优点()

A.耐压高

B.耐温好

C.容值高

D.ESR低

E.价格低

F.无极性

5：

不考虑误差，两个容值为1uF的电容串联，等效电容值为多少？

6：

电容的充放电公式？如何减小充电电流？

7：

为什么大容量的铝电解电容通常并联小容量的陶瓷电容？

8：

数字IC的电源管脚，通常放置0.1uF的电容，有什么作用？

9：

为什么BUCK降压电路，采用LC进行滤波，而不单独使用电容滤波？

电感

理论基础

1. 电感定义：将漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制而成的器件，当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来阻碍线圈中电流的变化，这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗，也就是电感，相应的器件成为电感器。

   电感的符号为L，单位为亨利(H)。电感越大，感抗能力越强

   Note：电感总是试图阻碍自身的电流变化，是一种自然现象。电感器是根据自然现象制成的元器件

2. 单位换算：

   亨利的单位很大，通常使用mH，uH

   $1H=10^{3}mH=10^{6}uH$

3. 自感和互感：电感线圈通过电流时，线圈的周围产生磁场，当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场阻碍电流的变化，称为自感。
   两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。

4. 感应电压：电感线圈产生自感时，感应电流通过负载维持电流变化，将产生感应电压。感应电压的大小取决于感应电流与负载，感应电流与负载越大，感应电压越大，反之越小。

   Note:电感突然断开时，需要提供合理的续流路径，否则负载很大，将会产生很高的感应电压，损坏电路。比如BUCK降压与电磁继电器电路中的续流二极管，就是给电感提供续流路径的，减小感应电压。

5. 电感作用：

   电感的本质是阻碍自身的电流变化，在电路中起到通直流阻交流的作用。
   通直流：流过电感的电流无变化时，电感相当于导线，不过，与导线的区别是，电感周围会产生磁场;
   阻交流：注意是阻碍，不是阻止。电感阻碍电流变化，让电流变化变缓。

6. 电感应用：

   • 滤波：电感阻碍电流的变化，与电容C组成LC滤波器
   • 升压：利用感应电压，达到升压效果，比如BOOST升压电路

7. 电感无续流路径，会产生很高的感应电压

8. 电感通过肖特基二极管续流，感应电压很小

器件选型

1. 电感类型

   常用电感类型:贴片高频电感，功率电感，共模电感，差模电感

   贴片高频电感：高频信号滤波，小功率LC滤波

   功率电感：LC滤波，升压

   共模电感：滤除共模信号

   差模电感:滤除差模信号

2. 电感值

   根据电路，选择合适的电感值。电感值越大，感抗越大，对电流的阻碍越大。

   确认电感值的方法：分计算取值，手册取值，经验取值

   • 计算取值：LC滤波电路，可以根据中心频率计算，f为2ΠLC
   • 手册取值：设计电路时，参考手册典型应用电路，按建议取值
   • 经验取值：凭经验取值，再根据实际测试进行调整

   电感串联：电感值增大，对电路的阻碍作用加强

   电感并联：电感值减小，对电流的阻碍作用减小

3. DCR

   电感的直流阻抗。
   导线必定存在电阻，此电阻导致电感发热，根据P=l^2R,DCR越小越好。

4. 饱和电流

   lsat，电感饱和电流，当流过电感的电流超过饱和电流时，电感作用将降低，甚至失效，变成一根导线，损坏短路。应用中一定要避免电感中的电流超过饱和电流，可靠性考虑，尽量留有一定裕量。
   比如BUCK降压，如果电感饱和了，LC滤波变成C滤波，电容充电电流将损坏PWM开关管，电路失效。
   饱和电流取值：
   流过电感的电流导致感值降为70%时，此时的电流为饱和电流。如果电流进一步增加，电感性能将降低，甚至失效。

5. 封装

   选择封装，需要考虑结构高度，PCB尺寸，感值，饱和电流，DCR，成本等，满足需求的情况下，尽量选择小些封装的。

6. 成本

   满足需求的情况下，尽量选择价格便宜的。

功率电感

特点：感值高，功率大，饱和电流大，封装尺寸相对较大

应用：低频LC滤波，升压

补充：带屏蔽的功率电感比非屏蔽的EMI效果好些，但价格稍贵些

阅读功率电感数据手册：

功率电感 - 顺络SWPA系列.pdf

功率电感 - chilisin（奇力新）MHCC、MHCI系列.pdf

贴片电感

特点：感值小，功率小，饱和电流小，封装尺寸小

应用：高频信号滤波

阅读贴片电感数据手册：

贴片电感 -风华 叠层片式高频电感.pdf

共模与差模电感

1. 共模电感
   

   构成：两组直径与圈数相同的线圈，方向相反的绕制在同一个铁芯上，引出4个引脚

   作用：滤除共模干扰信号，降低EMI

   共模信号：大小相等、方向相同的信号

2. 差模电感
   

   构成：一组线圈绕制在铁芯上，引出2个引脚

   作用：滤除差模干扰信号，降低EMI，一般成对出现。

   差模信号：大小相等、方向相反的信号。
   

应用

1. BUCK降压
   

   说明：LC滤波器，采用功率电感，电感饱和电流至少大于平均电流的4/3(经验值)，将电源PWM波滤成直流电压，改变PWM占空比即可改变直流电压，达到降压的目的

   D14为电感L4进行续流，为续流二极管，必不可少

2. BOOST升压
   

   说明：利用电感的感应电压进行升压

3. 电源LC滤波
   

   说明：LC低频滤波

4. 贴片电感
   

   说明：LC低频滤波，负载电流小，使用贴片电感

5. 共模电感用于开关电源输入部分
   

笔试面试题

1:

选择题–选择电感，需要考虑哪些参数()

A．饱和电流

B: ESR

C: DCR

D:感值

E:封装

2：

选择题–功率电感的特点()

A.封装下

B: DCR小

C:感值小

D:饱和电流大

3：

填空题-不考虑误差，两个感值为10uH的电感串联，感值为多少?

4：

填空题–电感的本质是什么?

5：

填空题–电感的感应电压由哪些参数决定?

6：

问答题–如下图，D7可以去掉吗?为什么?

7：

问题答–谈谈对电感饱和电流的理解

二极管

理论基础

1. PN结

   如下图:一块一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，中间二者相连的接触面称为PN结(英语: p-n junction)。PN结是电子技术中许多元件，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。
   

   N区–四价的硅晶体中惨入五价元素形成N型半导体，自由电子为多子，空穴为少子

   P区–四价的硅晶体中惨入三价元素形成N型半导体，空穴为多子，自由电子为少子

   PN结形成过程:
   N区的自由电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在中间复合形成内电场，内电场阻碍扩散运动，同时使少子产生漂移运动。无外电场的作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。

2. PN结伏安特性曲线
   

   分析上图

   • PN结不加外部电压

     内部处于平衡状态，多子扩散运动等于少子的漂移运动，电流i=0

   • PN结外加正向电压

     u<|Ubr|时，反向电流i=Is，Is很小，通常忽略不计

     u>|Ubr|时，反向电流i急剧增加，称之为反向击穿，此原理制成稳压管，TVS管等

     其中: Uon为正常开启电压，Ubr为反向击穿电压

   结论：PN结具有单向导电性。外加正向且大于Uon开启电压时，PN结导通;外加正向且小于Uon或外加反向且小于Ubr时，PN结截止;外加反向电压且大于Ubr时，PN结反向击穿。

3. 二极管的组成

   如下图，将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线构成半导体二极管，简称二极管。由P区引出的电极为阳极，由N区引出的电极为阴极。
   

4. 二极管伏安特性曲线

   由于二极管内部是PN结，因此，二极管的伏安特性曲线与PN结类似，如下图:
   

   Note：

   PN结导通时的结压降通常只有零点几伏，而导通电流随外加电压的增大呈指数增长，应用时，需要串联电阻等元器件限制回路的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

通用二极管

1. 通用开关二极管

   特点：电流小，工作频率高
   选型依据：正向电流、正向压降、功耗，反向最大电压，反向恢复时间，封装等

   手册阅读:

   BAS316.pdf ;

   IN4148wS.pdf
   应用电路：
   

   说明：说明:应用于低电平复位电路中，当电源快速断电再上电时，开关二极管提供电容C1的快速放电回路,让MCU进行可靠复位。

2. 通用整流二极管

   特点：电流大，工作频率低
   选型依据：正向电流、正向压降、功耗，反向最大电压，封装等

   手册阅读：

   IN4007.pdf
   应用电路：
   

   说明:将交流电，经常桥路整流，再滤波成直流电。

肖特基二极管

1. 定义
   肖特基二极管不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。

2. 优缺点
   优点:开关频率高，正向压降低(低至0.2V，电流越大，压降越大)缺点:反向击穿电压低，反向漏电流偏大(温度越高，漏电流越大)

3. 应用场合
   肖特基二极管的结构及特点使其适合于在低压、高频、大电流，比如BUCK降压的续流二极管，BOOST升压的隔离二极管等。

4. 选型依据
   正向电流、正向压降、功耗，反向最大电压，封装等

   阅读手册

   DSK34.pdf

5. 应用电路
   

   说明：肖特基应用于防反接与电源隔离中。
   

   说明：肖特基二极管D14，应用于BUCK拓扑的续流二极管，符合高频、低压、大电流场合。
   

   说明:肖特基二极管D1，提供电机线圈电感的续流路径，符合高频、低压、大电流场合。

发光二极管

1. 定义
   LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体，主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。
   当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。砷化家二极管发红光，磷化家二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化家二极管发蓝光。
   

2. 应用场合

   在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
   数码管，LED点阵，LED广告屏，LED显示屏等均是LED灯构成的。
   

3. 选型依据
   颜色：红，绿，蓝，黄，白，三基色等
   封装：单颗(贴片，插件)，数码管(各种尺寸)，点阵，定制等

   功率：小功率，大功率
   亮度：普通亮度，高亮度
   阅读手册：
   红色发光二极管.pdf

4. 使用注意事项
   正向压降:发光二极管的正向压降大致在1.5V至3.3V。红色的1.6V_{1.8V;绿色的2V}2.4V;蓝色/白色的3V至3.3V

   正向电流:小功率的一般最大20mA，使用时需要串联限流电阻。

5. 应用
   

   说明:应用于指示灯，电流l = (5V - 1.6V) / 10k = 0.34mA
   

   说明:数码管应用于数字显示。

稳压管

1. 定义
   稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。
   稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内(或者说在一定功率损耗范围内)，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。
   稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

2. 选型依据
   阅读手册:LM3Z7V5T1G.pdf
   

   如上图片，主要注意两个参数：

   参数1:稳压值，根据电路选择

   参数2:反向电流，实际使用，不可以超过反向电流值，需要串联电阻限流。

   公式:l= (Vin - Vz)/R< Iz

3. 应用
   

   说明:稳压管D5限制NMOS管的Vgs电压最大值为5.1V，避免VIN输入电压过大，导致Vgs电压值过大损坏NMOS管。

TVS管

1. 定义
   TVS管，全称瞬变电压抑制二极管，是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箔位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏

2. 伏安特性曲线
   

分析上图可知:双向TVS正反特性相同，使用时不需要注意方向，并联在电路中可以抑制浪涌。但单向TVS管正反特性不同，正向导通压降很低，没法做浪涌保护，我们需要使用反向击穿部分的特性，并联在电路中时，正极接单向TVS管的负极。

3. 选型依据

   阅读手册
   SMBJ.pdf
   

   如上图片，主要注意三个参数:
   参数1: Vrmw，反向关闭电压，此时TVS管不起作用，此电压必须大于VIN最大输入电压

   参数2: Vbr，反向击穿电压，必须小于浪涌电压
   参数3: lpp，峰值脉冲电流
   此外，还需要考虑单向还是双向，封装类型，最大功耗等。
   Note:浪涌不方便测试，根据电路选择参数后，进行测试，根据实验效果进行验证。

4. 应用
   

   说明:双向TVS管应用于电源输入，抑制浪涌。
   Note:此处如果使用单向TVS管，必须放置在防反接肖特基D12的后面，否则的话，电源反接，单向TVS管刚好正接，正向导通电流很大，将烧毁单向TVS管。
   

   说明:单向TVS管应用于抑制尖峰干扰电压，避免损坏GPRS模块。

仪器测量

万用表测量通用二极管、肖特基肖特基、发光二极管的压降。

电路仿真

仿真说明：测试稳压管，通用二极管，肖特基二极管，发光二极管等。

笔试面试题

1:
选择题–下面哪些器件内部由PN结构成()

A:通用二极管

B:稳压管

C:发光二极管

D:肖特基二极管

E: TVS管
2:
选择题–下面哪些是发光二级管构成的()

A:数码管

B:LCD

C:点阵屏

D:白炽灯

E: RGB灯
3∶
问答题–PN结具有什么特性?
4:
问答题–肖特基二极管的优缺点?
5:
问答题-红色发光二极管的正向压降为多少?
6:
问答题–稳压二极管的工作原理?

7：

问答题 - 如下图，哪里设计不合理

BJT晶体管

理论基础

1. 定义
   根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，即构成BJT晶体管。

2. 晶体管类型

   • NPN三极管
     如下图，NPN型三极管，由三块半导体构成，其中两块N型和一块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧。
     

     三个区的特点：

     基区-P型半导体，很薄且杂质浓度很低，引出基极b

     发射区–N型半导体，杂质浓度很高，自由电子很多，引出发射极e

     集电区–N型半导体，杂质浓度很低，但面积很大，引出集电极c

     NPN三极管的特性与三个区域的上述特点紧密相关

   • PNP三极管

     如下图，PNP型三极管，由三块半导体构成，其中两块P型和一块N型半导体组成，N型半导体在中间,两块P型半导体在两侧。
     

     三个区的特点：

     基区-N型半导体，很薄且杂质浓度很低，引出基极b

     发射区–P型半导体，杂质浓度很高，空穴很多，引出发射极e

     集电区–P型半导体，杂质浓度很低，但面积很大，引出集电极c

     PNP三极管的特性与三个区域的上述特点紧密相关

3. 回顾PN结的一些概念

   N区–四价的硅晶体中掺入五价元素形成N型半导体，自由电子为多子，空穴为少子

   P区–四价的硅晶体中掺入三价元素形成N型半导体，空穴为多子，自由电子为少子

   扩散电流–多子扩散形成扩散电流

   漂移电流–少子漂移形成漂移电流

BJT晶体管工作原理

1. 工作原理图
   

   • 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流le

     由于发射结加正向电压，又因为发射区的杂质浓度高，自由电子很多，所以大量自由电子因扩散运动越过发射结到达基区，形成发射极电流le

   • 扩散到基础的自由电子与空穴复合形成基极电流lb
     由于基区很薄，杂质浓度很低，所以扩散到基区的自由电子只有极少部分与空穴符合，形成微弱的基极电流lb

   • 集电结加反向电压，飘移运动形成集电极电流lc
     由于集电结加反向电压且结面积很大，基区的非平衡少子(主要为发射极扩散过来的，未与空穴复合的大量自由电子)在外电场的作用下越过集电结达到集电区，形成漂移电流lc

2. 电流放大倍数
   ​便于理解，定性分析:
   ​分析可知，发射极扩散出的自由电子，一部分与基极的空穴复合，一部分漂移至集电区，因此，le= lb+lc
   ​此外，对于掺杂浓度确定的晶体管，发射极扩散出的自由电子与基极的空穴数量都是固定的，而且有一定的比 例关系，我们可以定义为晶体管的放大倍数β，则le = β * lb

   如此，得出下面的公式

​ β* lb = lb+Ic

​ β= 1 +lc/lb

​ 由于Ic/lb >> 1

​ 得出β= lc/lb

​ 晶体管的输入输出特性曲线描述各电极之间电压、电流的关系，便于对晶体管的性能、参数、电路的分析计算。

3. 输入特性曲线

   输入特性曲线描述管压降Uce一定的情况下，基极电路lb与发射结压降Ube之间的函数关系，即:
   $lb=f(Ube)$, Uce = 常数
   

   分析：

   uce = ov，曲线类似于PN结的伏安特性曲线
   Uce增大时，曲线将右移，因为发射结扩散至基区的自由电子部分漂移至集电极，使得lb减小，获得同样的lb，需要增大Ube。

4. 输出特性曲线

   输入特性曲线描述基极电流lb一定的情况下，集电极电流lc与管压降Uce之间的函数关系，即:
   

   lc = f(Uce), lb =常数

   对于每一个确定的lb，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线。对于某一条曲线，当Uce从0逐渐增大时，集电极电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因此Ic也逐渐增大。但是，当Uce增大到一定数值时，集电极电场足以将基区的非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，Uce再增大，收集能力已不能明显提高，曲线几乎平行于横轴，此时Ic几乎仅仅决定于与lb，表现出放大特性。
   从输出特性曲线看，晶体管有三个工作区间：

   • 截止区
     发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置，即Ube<Uon且Uce>Ube。此时lbs0, Ics0
   • 放大区
     发射结电压大于开启电压且集电结反向偏置，即Ube>Uon且Uce>Ube。此时lc仅仅取决于lb, lc = *lb
   • 饱和区
     发射结电压大于开启电压且集电结正向偏置，即Ube>Uon且Uce<Ube。此时lc不仅仅与lb有关，而且随Uce的增大而增大,Ic< *lb

5. 简要介绍PNP三极管原理

   PNP晶体管与NPN晶体管的工作原理基本类似，区别是PNP晶体管靠空穴导电，电流方向不同，应用电路也不同。
   简要介绍PNP的工作原理图：
   

NPN三极管放大电路

NPN三极管放大电路简要了解即可，项目中几乎不采用，因为晶体管的放大系数不稳定，受温度影响较大。应用电路通常需要确定的放大倍数且不受环境影响，需要引入反馈环路，输入部分的抗干扰能力要求也高，集成运放满足这个要求

仿真电路：

仿真波形：

晶体管用作信号开关

实际应用时，晶体管常作开关使用，放大电路使用集成运放。此时，晶体管工作在截止区与饱和区。
截止区，Ic=0，此时，功率P=lc * Uce很小
饱和区，Uce深度饱和电压很小，功率P=lc * Uce相对也很小

1. NPN三极管作用于信号开关
   

2. PNP三极管作用于信号开关
   

光电三极管

1. 定义

   光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小，其功能等效为一只光电二极管与一只晶体管的相连。并引出集电极与发射极，如下图:
   

2. 光耦运用

   阅读手册

   PC817B.pdf
   

补充光电二极管

光电二极管依据光照的强度来控制PN结，与普通二极管一样，具有单方向导电特性。

参数：

应用电路：

数据手册

s8050.pdf

s8550.pdf

s9014.pdf

s9015.pdf

仪器测量

万用表测试BE，压降大概0.5-0.7V

应用

1. 驱动有源蜂鸣器
   

2. 驱动无源蜂鸣器
   

3. 与PMOS组成电源开关
   

4. 图腾柱驱动电路
   

   工作说明：

   • PWM为高电平，Q4导通，Q3截止，U8的寄生电容Cgs通过Q2与R6放电，U8关闭
   • PWM为低电平，Q4截止，Q2截止, 12V电压通过Q3给U8的寄生电容Cgs充电，U8导通
   • R3为限流电阻，避免Cgs的充放电电流过大
   • R6的作用:Cgs放电时，通过Q2与放电，只能放到0.7V左右，加上R6，就可以放到0V，确保关闭MOS
   • 此电路可以用于有刷直流电机的PWM调速

5. NPN输出与PNP输出
   

6. 控制继电器输出
   

笔试面试题

1:
选择题–NPN三极管的构成()

A、1P ＋2N
B、1N + 2P

C、1N + 1P

D、2P+ 2N
2:
选择题–下列NPN共射放大电路公式正确的是()

A、le = lc + lb
B、lc = β* lb

c、le =β*lb
D、le = * lc

3:
问答题–NPN共射放大电路截止区的工作条件?

4:
问答题– NPN共射放大电路放大区的工作条件?

5:
问答题–NPN共射放大电路饱和区的工作条件?

6:
问答题–晶体管用作开关时，应该工作在哪个区?为什么?

7:
问答题–分析如下电路图，详述工作原理?

MOS管

理论基础

1. 场效应管定义

   场效应管:英文简写FET，利用输入回路的电场效应控制输出回路电流的一种半导体器件。

2. 场效应管分类
   结型场效应管，简称JFET
   绝缘栅型场效应管，也称金属氧化物半导体场效应管，简称MOS-FET，也是我们通常所说的MOS管

3. MOS管分类
   MOS管分为N沟通与P沟道两类，每一类又分为增强型与耗尽型两种，因此MOS管共有四种类型:N沟通增强型、N沟通耗尽型、P沟通增强型、P沟通耗尽型
   增强型: Ugs电压为零时，Ids=0的管子
   耗尽型:Ugs电压为零时，lds≠0的管子
   

4. 增强型MOS管构造

   N沟道MOS管
   

   P沟道MOS管
   

5. 常用封装

增强型NMOS

1. 符号
   

2. 输入输出特性曲线
   

3. 输出特性曲线分析

   开启电压->Ugs(th)
   预夹断轨迹-> Ugd=Ugs(th)=Ugs-Uds -> Uds = Ugs - Ugs(th)
   夹断区-> Ugs < Ugs(th)，此时ld = 0
   可变电阻区-> Ugs>=Ugs(th), Uds <(Ugs - Ugs(th))，此时ld随Uds的增大而增大

   恒流区-> Ugs>=Ugs(th), Uds > = (Ugs - Ugs(th))，此时ld大小仅仅取决于Ugs

4. 输入特性曲线分析Ugs < Ugs(th)时，ld = 0;
   Ugs > Ugs(th)时,Uds为一常量时，Ugs越大，ld越大

5. 应用说明
   实际应用时，NMOS管常作低端驱动与开关使用，此时，MOS管工作在夹断区与可变电阻区。夹断区， ld=0，此时，功率P=ld * Uds=o
   可变电阻区，Uds相对很小，功率P=ld * Uds相对也很小
   

增强型PMOS

1. 符号
   

2. 输入输出特性曲线
   

3. 输出特性曲线分析

   开启电压->Ugs(th)，为负压
   预夹断轨迹-> Ugd=Ugs(th)=Ugs-Uds -> Uds = Ugs - Ugs(th)
   夹断区-> |Ugs| < |Ugs(th)|，此时ld = 0
   可变电阻区-> |Ugs|>=|Ugs(th)|, |Uds| < (Ugs - Ugs(th)|)，此时ld随Uds的增大而增大

​ 恒流区-> |ugs|>=lUgs(th)|, |Udsl > =(Ugs - Ugs(th))|，此时ld大小仅仅取决于Ugs
​ 4. 输入特性曲线分析
​ lUgsl< |Ugs(th)|时，ld = 0;
​ lUgsl > |Ugs(th)|时,Uds为一常量时，|Ugs|越大，ld越大

5. 应用说明

   实际应用时，PMOS管常作高端驱动与开关使用，此时，PMOS管工作在夹断区与可变电阻区。

   夹断区，ld=0，此时，功率P=ld * Uds=o
   可变电阻区，Uds相对很小，功率P=ld * Uds相对也很小
   

寄生参数

1. 寄生电容

   如下图，由于源极S与衬底B相连，源极S、栅极G、绝缘膜刚好组成寄生电容Cgs，此电容大小为pF级别，一般规格书可以查到。
   

   使用时，要特别注意GS管脚的寄生电容Cgs，控制MOS管的导通与截止，本质上是控制Cgs电容的充放电;

   如果要求MOS管快速导通与截止，此时需要驱动源能够提供足够大的驱动电流，以提供Cgs电容的瞬间充放电;

   如果仅仅作为开关使用，可以串电阻，以减小Cgs的充放电电流，此时，对驱动源的要求就不高，单片机的IO口(推挽输出时，可以提供20mA的驱动电流)可以直接驱动。

2. 寄生二极管

   如下图，为NMOS管的构造，衬底B与源极S、漏极D均存在PN结，由于源极S与衬底B相连，左边的二极管无效，源极S与漏极D存在寄生二极管，方向为S指向D。
   

   如果为PMOS管，衬底为N型半导体，漏极为P型半导体，源极S与漏极D同样存在寄生二极管，方向为D指向S。

   使用时，要特别注意内部寄生二极管，如果接反，将导致无法关闭MOS管;另外，某些场合可以巧用寄生二极管，比如做防反接使用时。

选型依据

阅读手册
AO3400A.pdf
AO3401A.pdf
AOD4184A.pdf
AOD4185.pdf

MOS管类型
一般选择增强型NMOS管，同等工艺条件下，导通电阻Ron更小，发热更低，允许通过的电流更大，型号也更多。
Vgs电压
需要考虑开启电压，驱动电压，极限电压;

ld电流
通常，尺寸越大，导通电阻Ron越小，允许的ld越大，具体手册为准

Vds电压
主要考虑Vds极限电压，防止击穿MOS管

开关性能

如果作为开关使用，需要考虑开关速率，开关性能，主要受寄生电容的影响，因为开关过程中需要对寄生电容充放电，产生开关损耗。

品牌，封装尺寸，价格等

MOS管与BJT的差异

场效应管的栅极g，源极s，漏极d对应于晶体管的基极b，发射极e、集电极c，作用比较类似，都可以作为开关、放大使用，但结构，工作方式，性能差异较大。

1. 场效应管只有多子参与导电，为单极性;而晶体管的多子与少子均参与导电，为双极性;
2. 因为少子数目受温度、辐射影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。
3. 场效应管用Ugs控制漏极电流ld，输入阻抗达1010Q，栅极电流几乎为0;而晶体管工作时基极需要一定的电流。因此，要求输入阻抗高的电路应选用场效应管。
4. 场效应管的电流方向可以为D到S，也可以S到D，而晶体管的电流方向只能为C到E(NPN)或E到C(PNP)，不能同时两个方向。
   备注:
   NMOs ->方向D至S，与寄生二极管反向，NMOS管可控
   方向S至D，与寄生二极管同向，NMOS管不能关闭
   PMOS ->方向S至D，与寄生二极管反向，PMOS管可控
   方向D至S，与寄生二极管同向，PMOS管不能关闭

仪器测量

用万用表测试MOS管寄生二极管，确认类型。

应用

1. NMOS管用于防反接保护
   

   设计说明：

   • 巧妙利用内部寄生二极管。上电时，通过内部寄生二极管，Vgs电压大于Vth电压，NMOS管完全导通

   • R87，R88：电阻分压，调整Vgs电压，Vgs电压尽量大，这样，Ron越小，压降越小，损耗越低

   • D25，稳压二极管，防止Vgs电压超过极限电压。

2. PMOS管用于防反接保护
   

   设计说明：

   • 巧妙利用内部寄生二极管。上电时，通过内部寄生二极管，Vgs|电压大于/Vth|电压，PMOS管完全导通
   • R29，R31:电阻分压，调整|Vgs|电压，Vgs|电压尽量大，这样，Ron越小，压降越小，损耗越低
   • D5、稳压二极管，防止|vgs|电压超过极限电压。

3. NMOS管用于低端开关
   

   设计说明：

   • R14起到限流作用，单片机输出高电平时，通过R14给Cgs电容充电，U7导通;单片机输出低电平时，Cgs电容通过R14放电，U7截止
   • 由于单片机输出电压没有超过Vgs的运行电压，GS端不需要并电阻到地

4. NMOS管用于低端开关
   

   设计说明：

   • 如果VIN电压小于单片机IO口电压，可以去掉U6，直接控制U5
   • R10，R12:电阻分压,调整Vgs电压，[Vgs|电压尽量大，这样，Ron越小，压降越小，损耗越低
   • R12同时起到限流作用，U6导通时，Cgs寄生电容通过R12充电，避免过大的充电电流流过U6，出现大批量生产时，MOS管被击穿的现象
   • R16同样起到限流作用，单片机输出低电平时，Cgs寄生电容通过R16放电，避免过大的放电电流流过单片机的IO口，出现大批量生产时，单片机IO口被击穿的现象
   • F2是PTC可恢复保险丝，启动限流、短路保护的作用

5. PMOS管作为BUCK降压电路的开关管
   

6. MOS管构成H全桥驱动电机
   

笔试面试题

1：
选择题–关于增强型NMOS管，下面哪些是对的()

A、衬底为P型半导体

B、漏极与衬底相连

C、多子与少子同时参与导电

D、寄生二极管方向为S至D

E、电流方向从D至S时，MOS管可控

F、输入阻抗极高
2：
选择题-关于增强型PMOS管，下面哪些是对的()

A、衬底为P型半导体

B、源极与衬底相连

C、只有多子参与导电

D、寄生二极管方向为S至D

E、电流方向从D至S时，MOS管可控

F、输入阻抗很小
3：
问答题–NMOS管工作在夹断区的条件?
4：
问答题-NMOS管工作在可变电阻区的条件?
5∶
问答题–NMOS管与PMOS管工作在恒流区的条件?
6：

MOS管选型时，需要考虑哪些因素?
7:

MOS管与晶体管的差异?

集成运放

理论基础

1. 集成电路
   集成电路是采用专门的制造工艺，在半导体单晶硅上，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元器件及它们之间的连线所组成的电路制作在一起，使之具有特定功能的芯片。

2. 集成运放
   集成运放，全称集成运算放大器，是具有超高放大倍数(可达10^5甚至106)的集成电路。常用于各种模拟信号的运算(如比例、求和、求差、积分、微分等)。

3. 集成运放构成
   如下图，集成运放由输入级、中间级、输出极和偏置电路等四部分构成
   

   • 输入级

     输入级又称前置极，通常是一个双端输入的高性能差分放大电路。一般要求输入阻抗高，差模放大倍数大，抑制共模信号能力强，静态电流小，对整个集成运放的性能参数至关重要

   • 中间级

     中间级是集成运放的主放大器，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射(或共源)放大电路，其电压放大倍数可达几千倍

   • 输出级

     输出级具有输出电压线性范围宽、输出阻抗小(即带载能力强)、非线性失真小等特点，通常采用互补输出电路

   • 偏置电路

     偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点

4. 集成运放符号
   

5. 集成运放特点

   • 开环差模放大倍数（增益）超级大
   • 差模输入电阻超级大
   • 输出电阻超级小

6. 集成运放用途

   • 加减乘除
   • 积分、微分
   • 电压跟随器
   • 同向、反向放大器
   • 差分放大器
   • I/V转换
   • 精密电流源
   • 波形发生器

7. 集成运放常用封装

   双路运放-SOP8，DIP-8
   

   四路运放-SOP16，DIP-16
   
   阅读手册
   LM358.pdf

工作原理

1. 电压传输特性
   

   集成运放的输出电压Uo与输入电压(同相输入端与反相输入端的电位差)(Up - Un)之间的关系曲线称为电压传输特性，即:
   Uo = f(Up - Un)
   对于正、负两路供电的集成运放，曲线如下图:

   曲线分析:线性区:
   Uo = Aod * (Up - Un),其中Aod为差模开环放大倍数，非常高，可达几十万倍，因此，集成运放的线性区非常窄。
   非线性区:
   输出电压要么Uom，要么-Uom，达到饱和，一般用于比较器。

2. “虚短"与"虚断”
   “虚短”
   对于理想运放，当工作在线性区时，Uo = Aod * (Up - Un)，Aod无穷大，得出:Up - Un = Uo/Aod = 0，得出
   Up = Un,即输入端"虚短"。
   “虚断”
   对于理想运放，输入电压Ri无穷大，Up-Un = 0,得出:lp = ln = (Up-Un)/Ri = 0，即输入端"虚断"。

   Note：利用"虚短"与"虚断"，可以计算出集成运算电路输出电压与输入电压的公式。

3. 负反馈

   从集成运放的电压传输特性可知，开环应用时，由于放大倍数Aod超级大，导致线性区非常窄，没法应用到运算电路中，
   比如: Aod = 1000000，供电电压正负10V，只有当|Up-Un|<10uV时，电路才工作在线性区，而输入电压纹波，温度影响等都会超过10uV，电路没法使用。
   为了解决这一问题，引入了负反馈，将输出电路的一部分或全部通过一定的电路形式返回到输入端，达到改善电路性能，稳定放大倍数的目的。
   

电压跟随器

1. 理论分析图
   

2. 仿真图

同向/反向比例运算电路

1. 同向比例运算电路

   理论分析图
   

   仿真图

2. 反向比例运算电路

   理论分析图
   

   仿真图

反向求和运算电路

1. 理论分析图
   

2. 仿真图

差分运算电路

1. 理论分析图
   

2. 仿真图

积分/微分电路

1. 积分
   

2. 微分
   

I/V转换电路

应用

1. 检查负载电流
   

   说明：同向比例放大

2. PWM输出0-10V
   

   说明：同向比例放大+电压跟随器

笔试面试题

1:
选择题–关于集成运放，下面正确的是()

A、放大倍数超级大
B、差模输入电阻超级大

C、输出电阻超级大

D、温漂小

2:
问题答–集成运放由哪些构成?

3:
问题答–集成运放有哪些工作区?特点如何?

4:
问题答–集成运放有哪些用途?

5:
问题答–谈谈对"虚短"与"虚断"的理解

6:
问题答–集成运放应用时为何需要引入负反馈?

7:
画图–手绘集成运算电路，要求使用LM324，输入电压O-0.5V，要求输出0-5V，第一极放大，第二极电压跟随输出

驱动电路

1. 驱动电路定义

   如下图所示，驱动电路位于控制电路与负载电路之间，将控制电路的控制信号转化为负载电路所需的驱动信号，提供足够电压、电流或功率驱动负载电路
   

   控制电路：各类单片机，处理器等

   驱动电路:晶体管与MOS管构成的放大电路。开关电路，驱动IC。

   负载电路:电机、继电器、LED灯、音频设备等。

2. 低端驱动与高端驱动低端驱动:
   如下图，负载一端接电源，一端接开关管，开关管控制负载的电势低端，所以称为低端驱动
   

   高端驱动:
   如下图，负载一端接地，一端接开关管，开关管控制负载的电势高端，所以称为高端驱动。
   

OC门和OD门

1. OC门
   如下图，集电极开路，即为OC门
   

2. OD门
   如下图，漏极开路，即为OD门
   

3. 应用说明

   • 可以输出低电平，如果需要输出高电平，需要外接上拉电阻
   • OC门或OD门可以接在一起，再接个上拉电阻，可以构成"线与逻辑"。比如IIC总线，只要一路输出低电平，总线均为低电平;都输出高电平，总线才为高电平。

4. 阅读手册

   ULN2003A.pdf
   

推挽

1. 定义
   如下图，全桥由四个管子构成，通过控制上下管可以改变输出的电流流向，比如控制直流电机的正反转

2. STM32单片机GPIO口
   

3. 图腾柱驱动电路
   

   工作说明:

   • PWM为高电平，Q4导通，Q3截止，U8的寄生电容Cgs通过Q2与R6放电，U8关闭
   • PWM为低电平，Q4截止，Q2截止，12V电压通过Q3给U8的寄生电容Cgs充电，U8导通
   • R3为限流电阻，避免Cgs的充放电电流过大
   • R6的作用:Cgs放电时，通过Q2与放电，只能放到0.7V左右，加上R6，就可以放到OV，确保关闭MOS
   • 此电路可以用于有刷直流电机的PWM调速

半桥

定义

如下图，半桥由上下管构成，可以单独控制上下管的道导通与截至，具有高低电压驱动能力，应用时需要避免上下管同时导通造成短路。

应用

1. 应用于半桥式开关电源

2. 两个半桥可以组成全桥驱动

3. 三个半桥可以驱动无刷电机
   

阅读手册

IR2104STRPBF.pdf

全桥

定义

如下图，全桥由四个管子构成，通过控制上下管可以改变输出的电流流向，比如控制直流电机的正反转。

应用

1. 应用于全桥式开关电源

2. 驱动负载，控制电流流向
   

阅读手册

LV8548MC-AH.pdf

应用

1. 单片机GPIO口驱动LED
   

2. 全桥IC驱动直流有刷电机
   

3. 晶体管驱动LED
   

4. OC门驱动步进电机
   

5. 晶体管驱动继电器
   

6. 全桥电路驱动大功率有刷直流电机
   
   阅读手册
   ULN2003A.pdf

电源基础

理论基础

1. 电源说明
   对于产品，电源是心脏，源源不断的输送能量，好比人的心脏给身体输送血液
   很多产品，电源设计的好，产品几乎完成了一半，好的电源设计是产品稳定可靠的保障
   很多产品，故障来源于电源，表现为系统不稳定，死机，甚至内部烧毁
   电源设计对EMC等认证关系重大，特别是环路辐射的影响
   电源是很多工程师的薄弱环节

2. 常规电源
   AC to DC
   将110V或220V市电转换为3.3V,5V，12V，24V等，通常使用电源模块
   LDO线性电源
   低噪声，通常给单片机，模拟IC等器件供电
   BUCK降压开关电源
   通常作为产品内部主电源，将外部输入的直流12V或其他电压降为5V，3.3V等电压，供内部器件使用

   BOOST升压开关电源
   通常将电池等低压升至5V，12V等，供外设使用

TL431三端稳压管

1. 器件说明
   如下图，TL431是高性价比的分流式电压基准，特性如下：

   • 高精度电压基准输出。分3个等级，0.5%(B极)，1%(A极)，2%(标准)
   • 可调电压输出支持Vref至36V
   • 内部允许1-100mA电流
   • 动态输出电阻低至0.2Q
   • 低噪声，低温漂
     

2. 常用型号
   TL431 , TL431A,TL431BTL432 , TL432A,TL432B
   封装:TO-92，SOT-23，SOT-89,SOIC，TSSOPNote: TL431与TL432功能一样，但管脚排列不同
   

3. 阅读手册

   TL431AIDBZR.pdf

4. 2.5V电压基准应用电路
   

LDO

1. 拓扑结构
   

2. 工作原理

   由拓扑可知，内部误差放大器通过控制开关管的导通程度实现稳压，输出纹波小，无开关噪声
   LDO属于线性电源，输出电流等于输入电流，发热功率=电压差 * 电流，转换效率=Vo/Vi
   LDO不适合电压差过大的场合，比如输入24V，输出3.3V，如果电流20mA，发热功率=20.7V * 20mA=0.54W，效率只有13.75%
   Note:如果负载电流很小，压差过大也可以使用LDO
   LDO不适合电流大的场合，电流大，发热功率相对较大，同时，压差大，可能导致电压下拉，具体看datasheet的电压降，比如1V/1A(电流1A时，压降最少1V，此时，如果输入电压4V，输出最大只能3V)
   根据经验，SOT-23封装，发热功率不超过0.3W; SOT-89,发热功率不超过0.5w
   如果发热功率过大，可以考虑使用BUCK降压电路，必须使用LDO的话，可以串联电阻，分担一部分功耗，但需要注意LDO电压降必须满足要求

3. 选型依据
   输入输出电压–决定了最大电压差

   输出电流–评估带载能力，电压差等

   静态电流–低功耗考虑品牌，成本
   封装，发热功率(电压差 * 输出电流)

4. 常用型号

   7805，AMS1117系列，HT73xx系列等

5. 阅读手册
   LDO - HT7333-3.pdf

BUCK降压

1. 拓扑结构
   

2. 工作原理

   原理简述：开关S将输入电压Vin斩波成PWM波，再通过LC滤波器输出直流电压Vout，调整PWM波的占空比，即可得到不同的输出电压。
   Vout = Vin * D

   环路一，开关闭合时的电流路径;环路二，开关断开时的电流路径。闭合环路，变化的电流产生磁场，为了降低EMC，设计PCB时，环路设计应该尽量小，同时，不要干扰了模拟电路，比如反馈回路、增益补偿、软启动、使能电路等。
   为了降低功耗，提高降压效率，功率电感应该选取低DCR的，饱和电流为平均电流的4/3(经验值);续流二极管D选取肖特基二极管，或选择同步降压IC(集成了续流二极管)
   为了降低输出纹波，电感、电容需要选择合适的值，一般datasheet有推荐，电感值越大，相对纹波越小，但是，由于电感阻碍电流变化，导致响应负载的速度变慢;电容一般选用铝电解电容与陶瓷电容(低ESR)的组合;高度有限制或对成本不敏感时，可以选择担电容，钮电容温度特性好，低ESR，寿命长，但成本高，耐压差(耐压最好选择大于2倍的输出电压)

3. 示波器测试开关波形

4. 选型依据

   输入输出电压–决定了PWM波的占空比

   输出电流–评估带载能力
   品牌，封装，成本

5. 常用型号

   MPS品牌MP2451 MP1584等Tl品牌
   TPS54331等
   其他品牌

6. 阅读手册

MP2451DT-LF-Z.pdf

BOOST升压

1. 拓扑结构
   

2. 工作原理

   原理简述:开关S闭合时，电感蓄能，开关S断开时，电感电流不能突变，产生自感电压，此电压与输入电压叠加，将产生高于输入电压的PWM波，再通过电容C滤波成直流电压，达到升压的目的。
   Vout = (Vin+电感自感电压)*D
   环路一，开关闭合时的电流路径，此时电源给电感充电，负载由电容供电;环路二，开关断开时的电流路径，电源与电感同时给电容充电，给负载供电，起到升压效果;
   闭合环路，变化的电流产生磁场，为了降低EMC，设计PCB时，环路设计应该尽量小，同时，不要干扰了模拟电路，比如反馈回路、增益补偿、使能部分等;
   为了降低功耗，功率电感应该选取低DCR的;整流二极管D选取肖特基二极管;
   为了降低输出纹波，电感值、电容值需要选择合适的值，一般datasheet有推荐。电感值过小，存储能量不足，导致电压升不上去，电感值过大，导致负载响应速度变慢，因此，电感需要选择合适的值;电

   容值过大，导致开机时充电电流过大，容易导致电感饱和或电源无法启动，电容值过小，导致纹波过大，因为开关闭合时，负载完全由电容供电，因此，电容需要选择合适的值

3. 示波器测试开关波形

4. 选型依据

   输入输出电压
   输出电流–评估带载能力

   品牌，封装，成本

5. 常用型号

   MPS品牌 MP1541等

   微盟 ME2159等
   其他品牌

6. 阅读手册

   ME2159AM6G.pdf

应用

1. LDO -经典78L05
   

   特点：低成本，压差至少2V，带载能力100mA

2. LDO -HT7333-3
   

   特点：低压差，低静态电流，带载能力250mA

3. LDO -MIC29302
   

   特点：压差小于0.6V，带载能力3A

4. BUCK降压 -MP2451
   

   特点：开关频率2M，带载能力1A

5. BUCK降压 -TPS54331
   

   特点：开关频率570kHz，带载能力3A

6. BOOST升压 -ME2159
   

   特点：开关频率650kHz，内部集成2AMOS功率管

笔试面试题

1:
选择题-关于LDO选型考虑，正确的是()

A、输入电压

B、输出电流

C、占空比

D、静态电流

E、电压降

F、封装

G、负载电流

H、功率电感饱和电流

2：
问题答–手绘LDO拓扑，并简述LDO工作原理?

3：
问题答–手绘BUCK拓扑，并简述BUCK工作原理

4：
问题答–手绘BOOST拓扑，并简述BOOST工作原理

5：
问题答-LDO适合应用于什么场合?

6：
问题答-BUCK降压适合应用于什么场合?

7：
问题答-BOOST升压适合应用于什么场合?

光耦、蜂鸣器、继电器、可控硅

光耦

理论基础

光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。

光耦一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦以光为媒介传输电信号，输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，在数字电路上获得广泛的应用，目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

光耦分类

光耦分为两种:一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。

非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常用的4N系列光耦属于非线性光耦。

线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。常用的线性光耦是PC817A-C系列。

光耦参数

输入参数

Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降

反向电压Vr:
是指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。

允许功耗Pd :
LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED

正向工作电流lf:
If是指LED正常发光时所流过的正向电流值

输出参数

集电极电流l

光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值

集电极-发射极电压Vceo

集电极-发射极所能承受的电压

其他参数

电流传输比CTR

电流传输比是光耦合器的重要参数，指光敏三极管和发光管的电流比最小值。稳定工作

lc/lf ≥ CTR =>lf*CTR ≥ lc

隔离电压

输入和输出端之间之间的隔离电压，一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上

应用电路

说明：用于RS-485信号隔离

蜂鸣器

理论基础

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器。作为发声器件，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、工业设备、消费电子等产品中。

按组成结构，分压电式蜂鸣器与电磁式蜂鸣器按工作方式，分有源蜂鸣器与无源蜂鸣器故，蜂鸣器共四种:
有源压电式蜂鸣器，有源电磁式蜂鸣器，无源压电式蜂鸣器，无源电磁式蜂鸣器。

压电式与电磁式蜂鸣器

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。它是以压电陶瓷的压电效应，来带动金属片的振动而发声;
电磁式的蜂鸣器，则是用电磁的原理，通电时将金属振动膜吸下，不通电时依振动膜的弹力弹回。

压电式蜂鸣器:
需要比较高的电压才能有足够的音压;一般建议为9V以上
压电的有些规格，可以达到120dB以上，较大尺寸的也很容易达到100dB

电磁式蜂鸣器:
用1.5V就可以发出85dB以上的音压了电磁式蜂鸣器的音压一般最多到90dB
相同的尺寸时，电磁式的蜂鸣器，响应频率可以做的比较低

有源与无源蜂鸣器

注意:这里的"源"不是指电源，而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要━通电就会叫;而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K-5K的方波去驱动它。

无源蜂鸣器的优点

• 便宜
• 声音频率可控，可以做出"多来米发索拉西"的效果

有源蜂鸣器的优点:
驱动简单，程序控制方便

Note:
有源蜂鸣器分正负极，不能接反;无源不分正分级别。

应用电路

1. 驱动有缘蜂鸣器

   说明：高低电平驱动

2. 驱动无源蜂鸣器

   说明：PWM方波驱动

继电器

理论基础

继电器(Relay)是一种电子控制器件，它具有控制系统〈又称输入回路）和被控制系统〈又称输出回路），通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关"。

如下图:因为继电器是由线圈和触点组两部分组成的，所以继电器在电路图中的图形符号也包括两部分:一个长方框表示线圈;一组触点符号表示触点组合

继电器分类

常用继电器分为电磁继电器与固态继电器。

电磁继电器
基本原理:利用电磁效应来控制机械触点达到通断目的，给带有铁芯线圈通电-线圈电流产生磁场-磁场吸附衔铁动作通断触点，整个过程是"小电流-磁-机械-大电流"这样一个过程;

优点:价格便宜，驱动简单，隔离效果好;

缺点:体积大，寿命相对短(机械触点)。

固态继电器
基本原理:由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。

优点:寿命长(无触点)，驱动简单，隔离效果好;

缺点:体积大，成本高。

名词解释

常开端:线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头"H"表示。

常闭端∶线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头"D"表示。

公共端:开关输入，比如接12V，24V,220V等。

继电器参数

额定工作电压:
是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

直流电阻:
电磁继电器:继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。固态继电器:输入回路的阻抗。

吸合电流:
是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

释放电流:
是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

触点切换电压和电流:
是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

触点寿命:
由于固态继电器无触点，这个主要针对电磁继电器，指触电弹片的切换次数，理论一般可达百万次。

阅读手册

应用电路

Note:上图是驱动电磁继电器，由于线圈是感性负载，需要续流二极管D7，如果驱动的固态继电器，可以去掉续流二极管。

可控硅

理论基础

可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。

应用领域

工作原理

主要参数

应用电路

反接、过压、过流、短路保护

反接保护

保护定义

如下图，正常供电时，J8的管脚1接电源VCC，管教2、3接地线GND。如果J8的管脚1接电源GND，管脚2、3接电源VCC，那就是接反了

保护缘由

如下图BUCK降压电源，如果电源接反了，输入电压VCC通过续流二极管D14，BUCK降压IC的内部NMOS功率管的寄生二极管，再到地平面构成回路，相当于把输入电源直接接在两个二极管上面，电流极大，将烧毁续流二极管与BUCK降压IC，损坏电路。

保护电路

• 对于负载不大，比如输入电流小于1A的场合，可以使用肖特基二极管
• 对于负载较大，比如输入电流大于1A的场合，考虑功耗，压降等问题，使用PMOS或NMOS

电路1：使用PMOS

设计说明：

巧妙利用内部寄生二极管。上电时，通过内部寄生二极管，|Vgs|电压大于(Vth|电压，PMOS管完全导通

R29，R31:电阻分压，调整|Vgs|电压，[Vgs|电压尽量大，这样，Ron越小，压降越小，损耗越低
D5、稳压二极管，防止|Vgs|电压超过极限电压

电路2：使用NMOS

设计说明：

巧妙利用内部寄生二极管。上电时，通过内部寄生二极管，Vgs电压大于Vth电压，NMOS管完全导通

R87，R88:电阻分压，调整Vgs电压，Vgs电压尽量大，这样，Ron越小，压降越小，损耗越低

D25，稳压二极管，防止Vgs电压超过极限电压。

过压保护

保护定义

顾名思义，输入电压超过设计最大值，就是过压了。

保护缘由

如下图，允许电压正常输入范围为7-28V，根据TVS管参数与MP1584的VIN管脚极限参数，输入电压不能超过30V，否则，将烧毁TVS与MP1584。
Note:正常输入电压最大值与过压保护值需要留有裕量，一般1至2V。

保护电路

• 利用晶体管+稳压管构成过压保护

  电路分析：

  电路分析:
  输入电压正常时，稳压管D1不工作，晶体管Q1截止，PMOS管Q2导通(Vgs =(R3/(R3+R4))*Vin)，负载供电正常;
  输入电压过高时，稳压管D1导通，晶体管Q1导通，PMOS管Q2截止(Vgs = Q1的饱和压降)，负载断电，电路进入保护状态。

• 利用晶体管构成简易过压保护

  电路分析：

  输入电压正常时，电阻R7上的分压小于Q4的导通电压，晶体管Q4截止，控制信号可以正常控制晶体管Q9的导通与截止，从而控制LED灯的亮灭;

  输入电压过高时，电阻R7上的分压大于Q4的导通电压，晶体管Q4导通，晶体管Q9截止，LED灯始终灭。

过流保护

保护定义

顾名思义，负载电流超过最大输出电流，就是过流了。

保护缘由

• 对于LDO供电电路，如果过流了，可能电压下降或烧毁LDO
• 对于BUCK或BOOST供电电路，如果过流了，输出功率达不到，电压会下拉

保护电路

Note:对于负载过流，尽量在设计阶段解决，确保输出功率大于负载的最大功率，且留有一定的裕量。

对于直流电机这类负载，如果电机卡住，会造成过流，此时可以采用取样电阻+运放，输出过流信号给到MCU进行处理。

短路保护

保护定义

顾名思义，负载短路。

保护缘由

对于LDO供电电路，如果短路了，可能烧毁LDO

对于BUCK降压电路，如果短路了，IC一般有短路保护

对于BOOST升压电路，如果短路了，可能烧毁IC，功率电感等

保护电路

使用熔断保险丝，方便更换，一般使用保险丝座

对于非高温环境，可以使用PTC自恢复保险丝进行保护

对于LDO与BOOST升压，如果前端是BUCK降压，电路自带短路保护;如果前端是电池供电，可以使用电池保护IC进行短路保护

滤波、C、RC、LC、π型

滤波概念

滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。
滤波器分类:
当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器

当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器

设低频段的截止频率为fp1,高频段的截止频率为fp2:

频率在fp1与fp2之间的信号能通过其它频率的信号被衰减的滤波器叫做带通滤波器

反之，频率在fp1到fp2的范围之间的被衰减，之外能通过的滤波器叫做带阻滤波器

文章回顾:
电阻

电容

电感

电源基础

电容C

理论基础

电容的本质是充电与放电，具有蓄能作用。由于充放电需要时间，电容两端电压不能突变，因此可以起到滤波的效果，将纹波信号平滑成直流信号。

疑问解答

1. 为什么大电容滤低频，小电容滤高频?
   解答︰实际应用中，电容不是理想的，存在寄生电阻与电感。通过交流信号时，电容与R、L会产生谐振，超过谐振频率，电容将表现为电感特性。―根据公式于f=1/2Π根号LC，电容越大，谐振频率越小，电容越小，谐振频率越大，因此大电容滤低频，小电容滤高频。

2. PCB设计时，大电容，还是小电容靠近IC

   解答:这个主要看IC的工作频率，如果是单片机等数字IC，开关频率高，小电容靠近，再大电容，以便高频供电环路小，滤波效果好，EMC效果好;如果是驱动类IC，模拟类IC，模组等，开关频率低，电容主要是提供瞬时大电流，大电容靠近，再小电容

应用

1. 小电容用于单片机的电源引脚
2. 大电容用于驱动IC，小电容用于信号管脚
3. 电容IC滤波

RC滤波

理论基础

RC滤波器属于低通滤波器，在单片机系统中，运放输入端、开关电源的SW处均有使用

说明:由于电阻R消耗能量，RC滤波一般只用于信号滤波，不能用于电源滤波。

应用

1. 用于运放输入端，输入更稳定

2. 用于开关电源的SW处，可以滤波干扰，降低EMC

   说明：

   • 电阻取值一般10Ω
   • 电容取值一般几百pF内
   • 示波器测试看滤波效果，降低干扰的同时，对电源效率有些影响，所以最好源头解决，设计好电源电路

LC滤波

理论基础

LC滤波器属于低通滤波器，在单片机系统中，电源的BUCK，BOOST拓扑、电机类设备的电源部分等均有使用。
说明:由于LC不消耗能量，LC滤波一般用于电源滤波，也可以用于信号滤波。滤波频率f=1/2Π根号LC

应用

1. 用于BUCK拓扑，将PWM电压滤成平滑直流
2. 用于电机电源，电机一般是低频干扰

Π型滤波器

理论基础

Π型滤波器包括两个电容器和一个电感或电阻，双向滤波。

应用

1. 用于电源输入处
2. 用于电机电源，既可以降低电机对主电源的干扰，也可以降低主电源对电机的干扰

EMC基础

EMC初探

EMC概念

EMC-电磁兼容性，是指设备在其电磁环境中符合要求运行并且不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

EMC包括两个方面的要求:

• 设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值
• 设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度

电磁兼容措施与产品成本的关系

电磁兼容设计与产品成本的关系

电磁兼容设计三要素

1. 电磁骚扰源:任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降低或失效，即称为电磁骚扰源。
2. 耦合途径:即传输电磁骚扰的通路或媒介。
3. 敏感设备:是指当受到电磁骚扰源所发射的电磁量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降低或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备。
   电磁骚扰源产生的电磁骚扰,通过耦合途径,传输给敏感设备,即造成电磁骚扰.

常用EMC认证

1. CCC认证

   cCC认证是"中国强制认证”，其英文名称为China Compulsory Cert

2. CE认证

   CE认证是欧盟各成员国强制性认证，产品要想在欧盟销售，必须贴上CE标志

3. FCC认证

   FCC认证美国强制性认证，产品要想在美国销售，必须贴上FCC标志

各类信号频谱

重要知识：

时域：电压信号随时间变化曲线图，代表仪器为示波器

频域：谐波幅度随频率变化曲线图，代表仪器为频谱仪

1. 周期信号频谱
2. 非周期信号频谱
3. 高速时钟信号

EMC器件-磁环和磁珠

磁珠

1. 概念

   磁珠对高频信号具有较高的阻碍作用，专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。

2. 选型

   如上图，磁珠选型，主要考虑4个参数:阻抗，DCR，电流，封装

   • 阻抗

     下图是磁珠120R/100MHz的曲线图，意味，频率100M的信号通过磁珠时，磁珠的阻抗为120Q。
     不同的信号经过磁珠时，表现的阻抗不同，选型时，通过示波器测量干扰频率，再选择此干扰频率下，阻抗较高的磁珠。

   • DCR

     重要参数，特别是磁珠用于电源线时。DCR会导致电源线上的压降比如3.3V电源，如果电流1A，DCR超过0.3Q时，压降会超过0.3V，导致电压低于3V，导致IC工作异常。
     通常来说，阻抗越小，封装越大，DCR越小。

   • 电流

     流过磁珠的最大电流，用在电源线上时需要特别注意，防止过热烧毁。

   • 封装

     封装影响上面的3个参数，同时影响占用pcb的面积。

3. 应用

磁环

1. 概念

   磁环，又称铁氧体磁环。它是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用，一般使用铁氧体材料(Mn-Zn)制成。磁环在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很小，当信号频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。

2. 选型

   如上图，磁环选型，主要考虑2个参数:阻抗，尺寸

   • 阻抗

     不同的信号经过磁环时，表现的阻抗不同，选型时，通过示波器测量干扰频率，再选择此干扰频率下，阻抗较高的磁环。

   • 尺寸

     磁环通过用于导线，选用的尺寸，确保导线可以穿过，此外，尺寸也符合符合结构要求。

3. 应用

EMC -原理图设计考虑

1. 数字IC电源管脚放置滤波电容，考虑开关速度与谐振频率，典型值0.1uF
2. 晶体管电路串电阻
3. BUCK电路EMC设计考虑
4. 磁珠
5. 高速信号线增加RC
6. 接口电路

EMC -PCB设计考虑

1. 高频滤波电容紧靠IC，环路最小
2. BUCK拓扑，环路最小设计
3. 晶体电路，走线短，背面覆铜
4. 高速信号RC电路靠近源端

EMC -优化措施

如果产品做好了，经过测试超标，测试需要进行优化，从3个方向考虑：

1. 干扰源
   对于BUCK,BOOST等功率环路引起的干扰，PCB设计时尽量减小环路，另外，可以选择开关频率较低的IC，比如MP2451的开关频率2M，而MP1584可以设置为100k，频率低，EMC会好些。
   满足要求的情况下，尽量降低系统时钟频率，也可以充分利用时钟电路的倍频器。比如系统时钟72M，采用8Mx9倍频或4M*18倍频。

2. 耦合路径

   • 对于高速电路，可以使用屏蔽罩
   • 对于导线，可以使用磁环

3. 设备

   尽量远离干扰源

ESD

理论基础

ESD：英文Electrical Static Discharge的缩写，中文解释为静电放电

ESD产生原理:
具有不同静电电位的物体由于直接接触或静电感应所引起的物体之间静电电荷的转移(Electro-Static-Discharge）．通常指在静电场的能量达到一定程度之后，击穿其间介质而进行放电的现象.

静电测试

静电危害

ESD设计

数字电路基础 - 门电路与触发器

与门

基本定义

与门又称“与电路”，逻辑“积”，逻辑“与电路”，是执行“与”运算的基本逻辑电路，有多个输入端，一个输出端，当所有的输入同时高电平(逻辑1)时，输出才为高电平，否则输出低电平(逻辑0)

真值表

说明：

1：代表高电平H，电压高于多少为高电平

0： 代表低电平L，电压低于多少为低电平

实现方法

1. 晶体管实现

2. CMOS实现

   从上图可以看出，与门由两级电路构成，且用的器件较多，既影响速度，又降低集成度，所以用与非门多

集成电路

74LS21

或门

基本定义

或门，又称或电路、逻辑和电路，是执行"或"运算的基本逻辑门电路。或门有多个输入端，一个输出端，只要输入中有一个为高电平时(逻辑1")，输出就为高电平（逻辑*1")﹔只有当所有的输入全为低电平（逻辑"0")时，输出才为低电平（逻辑"0")。

真值表

说明：

1：代表高电平H，电压高于多少为高电平

0： 代表低电平L，电压低于多少为低电平

实现方法

1. 晶体管实现

2. CMOS实现

   从上图可以看出，或门由两级电路构成，且用的器件较多，即影响速度又降低集成度，所以用或非门多。

集成电路

74LS32

非门

基本定义

非门又称非电路、反相器，是执行"非"运算的基本逻辑门电。非门有一个输入和一个输出端。当其输入端为高电平（逻辑1）时输出端为低电平(逻辑0)，当其输入端为低电平时输出端为高电平。

真值表

说明：

1：代表高电平H，电压高于多少为高电平

0： 代表低电平L，电压低于多少为低电平

实现方法

1. 晶体管实现

2. CMOS实现

集成电路

74LS04

与非、或非门

与非门

或非门

异或、同或门

异或门

异或门是数字逻辑中实现逻辑异或的逻辑门，有2个输入端、1个输出端。若两个输入的电平相异，则输出为高电平1，若两个输入的电平相同，则输出为低电平0.

同或门

同或门是数字逻辑中实现逻辑同或的逻辑门，有2个输入端、1个输出端。若两个输入的电平相同，则输出为高电平1;若两个输入的电平相异，则输出为低电平0.

D触发器

基本定义

触发器:
触发器是时序逻辑电路的基本单元，用来存储1位二进制信息，具有记忆和存储功能，其信息由双稳态电路来保存。触发器的种类很多，由D触发器，J-K触发器，T触发器等。
D触发器:
D触发器是一种最简单的触发器，在触发边沿到来时，将输入端的值存入其中，并且这个值与当前存储的值无关。在两个有效的脉冲边沿之间，D的跳转不会影响触发器存储的值，但是在脉冲边沿到来之前，输入端D必须有足够的建立时间，保证信号稳定。

真值表

实现方法

集成电路

74HC374

电平规范 - TTL与CMOS

电平规范

1. 名称解释
   Uoh ->输出高电平，Uol ->输出低电平;Uih ->输入高电平，uil-→>输入低电平
2. TTL电平
   TTL集成电路主要由BJT晶体管逻辑门构成。如74LS系列IC，电平规范如下:输出模式: Uoh ≥ 2.4v，Uols0.4v;
   输入模式: Uih ≥ 2.0V, UilsO.8V;
3. CMOS电平
   CMOS集成电路主要由MOS管构成逻辑门构成，如74HC系列IC，电平规范如下:输出模式: Uoh = vcc, Uol=GND;
   输入模式: uih ≥ 0.7vCC,Uil≤0.2vcC;

数字接口匹配

1. 3.3V/5V TTL驱动3.3V CMoS可以直接驱动。
2. 3.3V/5V TTL驱动5V CMos
   高电平输出大于2.4V，如果落在2.4V至3.5V之间，CMOS电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。
3. 3.3V/5V CMOS 驱动3.3V/5V TTL
   可以直接驱动。
4. 3.3V CMOS 驱动5V CMos
   高电平输出3.3v,CMOS电路不能检测到高电平，需要进行电平转换。

74系列IC

74LS TTL电平输入,TTL电平输出

74HCcMOS电平输入，CMOS电平输出

74HCT TTL电平输入，CMOS电平输出

手册阅读:
74LS164.pdf

74HC164.pdf

74HCT164.pdf

电平转换 - 简易

1. 上拉电阻

   • 3.3V的TTL驱动3.3V的CMOS，可以通过简单的上拉电阻实现电平匹配
   • 5V的TTL驱动5V的CMOS，可以通过简单的上拉电阻实现电平匹配
   • 3.3V的TTL驱动5V的CMOS，考虑可能存在电压钳位，比如单片机的GPIO口，不适合上拉电阻

2. 电阻分压

   如下图:2.8V的GPRS模块对接3.3V的单片机

3. 二极管

   如下图:2.8V的GPRS模块对接3.3V的单片机

电平转换 - 复杂

1. 三极管

   • 3.3V to 5V

     说明：R1与Q1组成OC门，配合R2上拉至5V，实现电平转换。Tx输出0V，Q1导通，Rx端为0.3V左右;Tx输出3.3V，Q1截止，RX端为5V，完成电平转换功能。

   • 5V to 3.3V

     说明：R3与Q2组成OC门，配合R5上拉至3.3V，实现电平转换。Tx输出0V，Q2导通，Rx端为0.3V左右;Tx输出5V，Q2截止，RX端为3.3V，完成电平转换功能。

2. 集成电路

   以74LVX4245为例

内部通信接口 - UART，IIC，SPI

通信概念

通信接口

内部通信接口:主要用于板级信号传输，通常应用于设备内部，特点是速度快，距离短，常用的有UART，lIC，SPI等接口。
外部通信接口∶主要用于设备级信号传输，通常应用于设备之间，特点是速度慢，距离远(差分传输)，常用的有RS-232，RS-485，CAN等接口。

通信方式

1. 单工

   信号只能单方向传输

2. 半双工/准双工

   信号可以双方向传输，但同一时刻只能一个方向传输，比如IIC，RS-485，CAN

3. 全双工

   信号可以同时双方向传输，比如UART，SPI，RS-232

同步传输和异步传输

1. 同步传输

   具有同步时钟，比如IIC，SPI

2. 异步传输

   没有同步时钟，通信双方按约定速率传输，比如UART

通信网络

1. 一对一传输，不能构成总线网络，比如UART，RS-232
2. 一对多传输，可以沟通总线网络，通过地址或者片选识别，比如IIC，SPI，RS-485，CAN

UART

定义

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。
在单片机产品设计中，UART主要用于设备与设备之间的通讯，设备与传感器之间的通信。例如通过RS-.485接口，构成工业设备系统总线。

协议

UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

其中各位的意义如下:
起始位:先发出一个逻辑"0"的信号，表示传输字符的开始。

数据位:紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符，从最低位开始传送。
奇偶校验位:数据位加上这一位后，使得"1"的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。
停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

空闲位:处于逻辑"1"状态，表示当前线路上没有资料传送。

波特率:衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的比特位。

应用

IIC

IIC概念

llC(Inter-Integrated Circuit)其实是IlCBus简称，所以中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构,由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。IIC的正确读法为"I平方C"(“-squared-C”)

IIC协议特点

1. 串行协议，多主机模式;
2. 起始信号，SCL为高电平时，SDA下降沿，主机发出
3. 停止信号，SCL为高电平时，SDA上升沿，主机发出
4. 数据与地址按8位/字节传输，高位在前
5. 传输过程中，SCL为低电平时，SDA更改状态，SCL为高电平时，SDA状态需稳定
6. 每传输一个字节，接收器必须回应1个应答位(ACK)给发送器。

AT24Cxx传输

应用

SPI

SPI概念

SPl是串行外设接口(Serial Peripheral lnterface)的缩写，由Motorola提出，是一种高速的、全双工、同步的通信总线。
Note:常使用的内部通信接口:UART，lIC，SPI
常使用的外部通信接口:RS-232，RS-485，CAN

接口

SCLK：时钟信号，由Master产生，用于同步；

MOSI：主机数据输出，从机数据输入；
MISO：主机数据输入，从机数据输出;ss: Slave设备选择线，低电平有效
起始信号：SS由高变低，为SPI通讯的起始信号结束信号:SS由低变高，为SPI通讯的结束信号
说明：SPI总线为主从模式，起始信号由主机发出，通过SS选择与之通信的从机，结束信号也由主机发出，结束本次通信。

通讯模式

SPI共有4种通讯模式，由CPOL与CPHA控制。

CPOL-> 0: SCLK空闲时低电平1: SCLK空闲时高电平

CPHA-> 0:奇数边沿采集数据1:偶数边沿采集数据

模式0:CPOL = 0，CPHA = 0

模式1: CPOL = o，CPHA = 1

模式2:CPOL= 1，CPHA = 0

模式3: CPOL = 1，CPHA = 1

Note:确保通讯正常，主机与从机的通讯模式需要匹配。

如果不一致，导致的后果如下:

比如主机工作在模式0(上升沿采集数据，下降沿发送数据)，从机工作在模式1(下降沿采集数据，上升沿发送)。下降沿时，主机发送数据，从机立马采集数据，此时数据不稳定，通讯失败;上升沿时，从机发送数据，主机立马采集数据，数据也不稳定，通讯也失败。

正常通讯应该如下:
模式0或3∶主机下降沿发数据，从机上升沿采集数据

模式0或3∶从机下降沿发数据，主机上升沿采集数据

模式1或2:主机上升沿发数据，从机下降沿采集数据

模式1或2:从机上升沿发数据，主机下降沿采集数据

通信时序 - 以W25QXX为例

应用

外部通信接口 - RS-232，RS-485，CAN

通信概念

通信接口

内部通信接口:主要用于板级信号传输，通常应用于设备内部，特点是速度快，距离短，常用的有UART，llc，SPI等接口。
外部通信接口∶主要用于设备级信号传输，通常应用于设备之间，特点是速度慢，距离远(差分传输)，常用的有RS-232，RS~485,CAN等接口。

通信方式

1. 单工

   信号只能单方向传输

2. 半双工/准双工

   信号可以双方向传输，但同一时刻只能一个方向传输，比如IIC，RS-485，CAN

3. 全双工

   信号可以同时双方向传输，比如UART，SPI，RS-232

同步传输和异步传输

1. 同步传输

   具有同步时钟，比如IIC，SPI

2. 异步传输

   没有同步时钟，通信双方按约定速率传输，比如UART

通信网络

1. 一对一传输，不能构成总线网络，比如UART，RS-232
2. 一对多传输，可以沟通总线网络，通过地址或者片选识别，比如IIC，SPI，RS-485，CAN

RS -232

理论基础

RS-232为全双工的通信传输接口，由电子工业协会（EIA）制定，是个人计算机上的通讯接口之一，通常以9个引脚（DB-9）出现，传输距离通常十几米

电气特性如下

逻辑1：-3v~-15V
逻辑0：+3V~+15V

应用电路

阅读芯片手册

协议

软件和UART协议一样

RS-485

理论基础

RS485为半双工(准双工)的通信传输接口，采用差分传输(两条信号线上传输幅值相等，相位相反的电信号)，传输距离远至一千多米，该接口标准只规定了电气特性，并没有规定接插件、传输电缆与应用层通信协议。
电气特性如下:
逻辑1：A - B >= 200mv

逻辑0：A - B<= 200mv

应用电路

阅读芯片手册

Modbus协议

1. 通信格式

   • Adress

     通讯地址：1-247

   • Function

     功能码 01/05/15 03/06/16

   • CRC check

     CRC校验：CRC-16，低位在前，高位在后

2. 报文格式

   • 读取单个或多个位状态
     • 发送：Address 01 ADDRH ADDRL NUMH NUML CRC
     • 返回：Address 01 BYTELENGTH DATA1…DATAN CRC
   • 读单个或多个寄存器
     • Address 03 ADDRH ADDRL NUMH NUML CRC
     • Address 03 BYTELENGTH DATA1…DATAN CRC
   • 写单个位状态
     • Address 05 ADDRH ADDRL DATAH DATAL CRC
     • Address 05 ADDRH ADDRL DATAH DATAL CRC
   • 写单个寄存器
     • Address 06 ADDRH ADDRL DATAH DATAL CRC
     • Address 06 ADDRH ADDRL DATAH DATAL CRC

3. 应用

   • 通信协议：MODBUS-RTU

   • 波特率：9600

   • 数据位：8

   • 停止位：1

   • 校验位：无

   • 地址：1

   • 寄存器地址定义

     解析1:
     SHT30环境温度->-40~125 * ℃，精度0.1℃
     传输数据=(SHT30环境温度+40) * 10，传输数据范围为0-1650

     解析2:
     SHT30环境湿度->0~100%RH，精度1%RH
     传输数据=SHT30环境湿度，传输数据范围为0-100

CAN

应用电路

电平规范

阅读手册

电机（有刷、步进、无刷）

直流有刷电机

概念

有刷直流电机是一种直流电机，有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。

优缺点

1. 优点
   • 价钱比较便宜，有刷直流电机因为使用的空间比较广，而得到广泛应用的原因就是价钱比较便宜,因此上，出现使用的问题不管是维修还是更换都不会造成经济拮据的问题。
   • 方便控制，在进行操作的时候只需施加直流电压即可使电机转动。有刷直流电机在使用的时候甚至不需要使用微控制器，只要把电机连接到电池就可以进行很好的使用。
   • 有刷直流电机在低速时会产生输出高扭矩，这样的使用状况即使电机有负载，那么在这种高启动转矩的使用状况下，也可使电机快速上升。
2. 缺点
   • 有刷电机的刷子在不断地运转时，这些电刷会随着时间的推移而磨损。这样，与其他类型的电机相比，这样的磨损会造成一些使用的麻烦。
   • 有刷直流电动机，在使用的时候电刷和换向器之间的电弧。在这样的转换过程中会导致大量的电噪声，而这样的噪声会给人产生较大的不舒服的感觉。
   • 在操作有刷直流电机的时候。部件之间存在摩擦，而这些摩擦会产生热量。有刷直流电机的运转时最大的速度的出现，会因为过高的速度会导致热量过高而出现使用的问题。

驱动方式

1. 只能打开或关闭，不能变速与换向，用继电器，BJT或MOS开关控制通断即可。
2. 可以打开或关闭，可以变速，但不能换向，用PWM控制电子开关即可，如下图:
3. 可以打开或关闭，可以变速，也可以换向，用PWM控制桥路，如下图:

单极性步进电机

概念

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为"步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

单极性4相5线步进电机

1. 接线示意图

2. 优缺点

   优点：

   • 精度高，适合定位要求高的场合
   • 可靠性好，寿命长

   缺点：

   • 如果控制不当容易产生共振
   • 难以运转到较高的转速

3. 驱动

   驱动方式：

   • 单四拍A-B-C -D -A–循环往复

     特点:步距角 * 2/减速比，电流最小，扭矩最小

   • 双四拍AB - Bc - CD -DA - AB–循环往复

     特点：步距角 * 2/减速比，电流最大，扭矩最大

   • 八拍A- AB- B- Bc -c- cD - D - DA - A-循环往复

     特点：步距角/减速比，电流居中，扭矩居中

4. 驱动电路

双极性步进电机

概念

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为"步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

双极性2相4线步进电机:

1. 示意图

2. 优缺点

   优点：

   • 精度高，适合定位要求高的场合
   • 可靠性好，寿命长

   缺点：

   • 如果控制不当容易产生共振
   • 难以运转到较高的转速

3. 驱动方式

   • 单四拍 A+，B+，A-，B- 循环往复

     特点：步距角 * 2/减速比，电流最小，扭矩最小

   • 双四拍 A+B+，B+A-，A-B-，B-A+ 循环往复

     特点：步距角 * 2 /减速比，电流最大，扭矩最大

   • 八拍 A+ ，A+B+，B+，B+A-，A-，A-B-，B-，B-A+循环往复

     特点：步距角/减速比，电流居中，扭矩居中

4. 驱动电路

无刷电机

概念

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反;有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢;无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机。

示意图

优缺点

优点：

• 无电刷、低干扰
• 噪音低，运转顺畅
• 寿命长，低维护成本

缺点：

• 价格贵
• 驱动复杂

驱动

机电一体框图

霍尔传感器模式控制框图

无传感器模式控制框图

常用传感器

传感器概念

传感器定义

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
中国物联网校企联盟认为，传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。"

传感器组成

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，如图1所示。
敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号;转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制;转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

传感器分类

1. 按用途

   环境传感器、气体传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器等等

2. 按输出信号

   模拟传感器、数字传感器(数字信号、开关信号等)

NTC模拟温度传感器

1. 概念

   NTC温度传感器是一种热敏电阻、探头，其原理为:电阻值随着温度上升而迅速下降。其通常由2或3种金属氧化物组成,混合在类似流体的粘土中，并在高温炉内锻烧成致密的烧结陶瓷。

2. 阅读手册

3. 应用电路

   根据电路，将温度值转化为ADC值

数字温湿度传感器

概念

数字温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。

阅读手册

应用电路

霍尔开关传感器

霍尔开关原理

霍尔效应说的是当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时,薄片的两端就会产生电位差的现象，两端具有的电位差值称为霍尔电势U,其表达式为:

U=KIB/d

式中,K为霍尔系数,I为薄片中通过的电流,B为外加磁场的磁感应强度,d是薄片的厚度。

霍尔开关属于有源磁电转换器件,它是在霍尔效应原理的基础上,利用集成封装和组装工艺制作而成,可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号,同时,又可满足工业场合实际应用中易操作和可靠性的要求。

在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后B再增加，电路仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP-BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。

霍尔开关分类

1. 单极霍尔效应开关(数字输出)
   单极霍尔效应开关具有磁性工作阈值（Bop)。如果霍尔单元承受的磁通密度大于工作阈值，那么输出晶体管将开启;当磁通密度降至低于工作阈值（Brp)时，晶体管会关闭。滞后(Bhys)是两个阈值(Bop-Brp)之间的差额。即使存在外部机械振动及电气噪音，此内置滞后页可实现输出的净切换。单极霍尔效应的数字输出可适应各种逻辑系统。这些器件非常适合与简单的磁棒或磁杆一同使用。单极性霍尔开关它的正反面会各指定一个磁极感应才会有作用，在具体应用当中应该注意磁铁的磁极的安装，反了就会造成单极性不感应输出。
2. 双极霍尔效应开关(数字输出)
   双极性霍尔具体又分双极性不带锁存型霍尔开关和双极性锁存型霍尔开关。
   双极霍尔效应开关通常在南极磁场强度足够的情况下打开，并在北极磁场强度足够的情况下关闭，但如果磁场被移除，则是随机输出，有可能是打开，也有可能是关闭。双极锁存型霍尔效应开关通常在南极磁场强度足够的情况下打开，并在北极磁场强度足够的情况下关闭，但如果磁场被移除，不会更改输出状态。这些霍尔效应开关可使用南北交变磁场、多极环磁铁进行磁驱动。
3. 双极锁存型霍尔效应开关(数字输出)
   当置于n极(或s极)时开启，磁场移除后继续保持开启;而只有当置于s极(或n极)时才会关闭，磁场移除后继续保持其开启或关闭状态，直到下次磁场改变。这种保持上次状态的特性即锁存特性，这种类型的霍尔效益开关即双极锁存型霍尔效应开关。
4. 全极霍尔效应开关(数字输出)
   与其他霍尔效应开关不同，只要存在强度足够大的北极或南极磁场，这些器件就能打开;而在没有磁场的时候，输出会关闭。
5. 线性霍尔效应传感器IC(模拟输出)
   线性霍尔效应传感器IC的电压输出会精确跟踪磁通密度的变化。在静态(无磁场)时，从理论上讲，输出应等于在工作电压及工作温度范围内的电源电压的一半。增加南极磁场将增加来自其静态电压的电压。相反，增加北极磁场将增加来自其静态电压的电压。这些部件可测量电流的角、接近性、运动及磁通量。它们能够以磁力驱动的方式反映机械事件。
6. 微功耗型霍尔效应开关(数字输出)
   随着手机、笔记本电脑、DV等便携式设备的普及，对霍尔IC的功耗提出要求，由此产生了一大类新的霍尔IC。它是数字霍尔IC按功耗单独分出的一类，其内部采用休眠机制降低功耗，平均功耗可以达到uA级。它也可按功能分为单级型霍尔IC、锁定型霍尔IC、和全级霍尔IC三类。这类一般用于电池长期供电的系统。

霍尔开关手册阅读

霍尔开关应用电路图