电路常用知识.docx

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电路常用知识

电路常识性概念

（1）-输入、输出阻抗

1、输入阻抗

      输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。

在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin=U/I。

你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。

      输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小。

      对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。

因此，我们可以这样认为：

如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（注：

只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题。

另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题。

）

2、输出阻抗

      无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。

输出阻抗就是一个信号源的阻。

本来，对于一个理想的电压源（包括电源），阻应该为0，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。

输出阻抗在电路设计最特别需要注意。

      现实中的电压源，则做不到这一点。

我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的式来等效一个实际的电压源。

这个跟理想电压源串联的电阻r，就是（信号源/放大器输出/电源）的阻了。

当这个电压源给负载供电时，就会有电流I从这个负载上流过，并在这个电阻上产生I×r的电压降。

这将导致电源输出电压的下降，从而限制了最大输出功率（关于为什么会限制最大输出功率，请看后面的“阻抗匹配”）。

同样的，一个理想的电流源，输出阻抗应该是无穷大，但实际的电路是不可能的。

3、阻抗匹配

      阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配式。

      阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。

      我们先从直流电压源驱动一个负载入手。

由于实际的电压源，总是有阻的，我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。

假设负载电阻为R，电源电动势为U，阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：

I=U/（R+r），可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。

负载R上的电压为：

Uo=IR=U/[1+（r/R）]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。

再来计算一下电阻R消耗的功率为：

P=I2×R=[U/（R+r）]2×R=U2×R/（R2+2×R×r+r2）

                                   =U2×R/[（R-r）2+4×R×r]

                                    =U2/{[（R-r）2/R]+4×r}

      对于一个给定的信号源，其阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。

      注意式中[（R-r）2/R]，当R=r时，[（R-r）2/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/（4×r）。

即，当负载电阻跟信号源阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。

      对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。

当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变（是对于最大输出功率而言的），就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共扼匹配。

在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：

因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。

      从以上分析我们可以得出结论：

如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源阻匹配的电阻R。

有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。

在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。

当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。

如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射。

为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解法，牵涉到二阶偏微分程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波面书籍中的传输线理论。

传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。

例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。

另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线。

因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω，所以300Ω的馈线将与其不能匹配。

实际中是如解决这个问题的呢？

不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器（一个塑料封装的，一端有一个圆形的插头的那个东东，大概有两个大拇指那么大）。

它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了。

这里需要强调一点的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。

为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配，如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？

如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波（简单的理解，就是有些地信号强，有些地信号弱），导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。

如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。

当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？

第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换，就像上面所说的电视机中的那个例子那样。

第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。

第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法。

一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配，例如高速信号线，有时会串联一个几十欧的电阻。

而一些接收器的输入阻抗则比较高，可以使用并联电阻的法，

来跟传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。

      为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，我来举两个例子：

假设你在练习拳击——打沙包。

如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会感觉很舒服。

但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙，你还是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况，会产生很大的反弹力。

相反，如果我把里面换成了很轻很轻的东西，你一出拳，则可能会扑空，手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。

另一个例子，不知道大家有没有过这样的经历：

就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。

当然，也这样的例子不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。

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Q：

什么是电流控制器件？

A：

如果这个器件的输出参数大小和输入的电流参数大小有关，就叫该器件是“电流控制器件”，简称“流控器件”。

    “电流控制器件”输入的是电流信号，是低阻抗输入，需要较大的驱动功率。

例如：

双极型晶体管（BJT）是电流控制器件、TTL电路是电流控制器件。

Q：

什么是电压控制器件？

S：

如果这个器件的输出参数大小和输入的电压参数大小有关，就叫该器件是“电压控制器件”，简称“压控器件”。

    “电压控制器件”输入的是电压信号，是高阻抗输入，只需要较小的驱动功率；例如：

场效应晶体管（FET）是电压控制器件、MOS电路是电压控制器件。

Q：

为什么BJT是电流控制器件而FET和MOS是电压控制器件？

S：

BJT是通过基极电流来控制集电极电流而达到放大作用的；而FET&MOS是靠控制栅极电压来改变源漏电流，所以说BJT是电流控制器件，而FET和MOS是电压控制器件。

电路常识性概念

（2）-电容

2008-05-2722:

59

      所谓电容，就是容纳和释放电荷的电子元器件。

      电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其它的作用。

      另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成。

      作为无源元件之一的电容，其作用不外乎以下几种：

1、应用于电源电路，实现旁路、去藕、滤波和储能的作用

1）旁路

      旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。

就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。

为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。

这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。

地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

2）去藕

      去藕，又称解藕。

从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。

如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。

这就是耦合。

去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。

旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。

高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10uF或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。

总的来说旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

这应该是他们的本质区别。

3）滤波

      从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。

但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。

有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。

电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。

电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。

具体用在滤波中,大电容（1000uF）滤低频，小电容（20pF）滤高频。

由于电容的两端电压不会突变，由此可知，信号频率越高则衰减越大，可很形象的说电容像个水塘，不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。

它把电压的变动转化为电流的变化，频率越高，峰值电流就越大，从而缓冲了电压。

滤波就是充电，放电的过程。

      在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。

在实际中，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容．由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有效地滤除，故在其两端并联了一只容量为0.001--0.lpF的电容，以滤除高频及脉冲干扰．

4）储能

      储能型电容器通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。

电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150000uF之间的铝电解电容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是较为常用的。

根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式，对于功率级超过10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用：

1）去耦

     举个例子来讲，晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合，这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容，由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗,这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容。

2）振荡/同步

     包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这一畴。

3）时间常数

     这就是常见的R、C串联构成的积分电路。

当输入信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升。

而其充电电流则随着电压的上升而减小。

电流通过电阻（R）、电容（C）的特性通过下面的公式描述：

i=（V/R）e-（t/CR）

最后说下电解电容的使用注意事项：

      1、电解电容由于有正负极性，因此在电路中使用时不能颠倒联接。

在电源电路中，输出正电压时电解电容的正极接电源输出端，负极接地，输出负电压时则负极接输出端，正极接地．当电源电路中的滤波电容极性接反时，因电容的滤波作用大大降低，一面引起电源输出电压波动，另一面又因反向通电使此时相当于一个电阻的电解电容发热．当反向电压超过某值时，电容的反向漏电电阻将变得很小，这样通电工作不久，即可使电容因过热而炸裂损坏．

      2．加在电解电容两端的电压不能超过其允工作电压，在设计实际电路时应根据具体情况留有一定的余量，在设计稳压电源的滤波电容时，如果交流电源电压为220~时变压器次级的整流电压可达22V，此时选择耐压为25V的电解电容一般可以满足要求．但是，假如交流电源电压波动很大且有可能上升到250V以上时，最好选择耐压30V以上的电解电容。

      3，电解电容在电路中不应靠近大功率发热元件，以防因受热而使电解液加速干涸．

      4、对于有正负极性的信号的滤波，可采取两个电解电容同极性串联的法，当作一个无极性的电容.

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关于滤波电容、去耦电容、旁路电容作用

滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。

使输出的直流更平滑。

去耦电容用在放大电路中不需要交流的地，用来消除自激，使放大器稳定工作。

旁路电容用在有电阻连接时，接在电阻两端使交流信号顺利通过。

1.关于去耦电容蓄能作用的理解

1）去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入式是通过电磁辐射。

     而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。

    你可以把总电源看作密云水库，我们大楼的家家户户都需要供水，

    这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，

    等水过来，我们已经渴的不行了。

    实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。

    如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，

    而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，

    阻抗Z＝i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，

    会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。

    而去耦电容可以弥补此不足。

     这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一

  （在vcc引脚上通常并联一个去藕电容，这样交流分量就从这个电容接地。

）

2）有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。

去耦电容的主要功能就是提供

    一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地

2.旁路电容和去耦电容的区别

    去耦：

去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。

去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流面特别有用。

    旁路：

从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。

这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。

我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个面的作用：

一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。

    在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。

对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。

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大电容并联小电容作用及应用原理

     大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大（也叫等效串联电感，英文简称ESL）。

    电感对高频信号的阻抗是很大的，所以，大电容的高频性能不好。

而一些小容量电容则刚刚相反，由于容量小，因此体积可以做得很小（缩短了引线，就减小了ESL，因为一段导线也可以看成是一个电感的），而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容就有很小ESL这样它就具有了很好的高频性能，但由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。

     所以，如果我们为了让低频、高频信号都可以很好的通过，就采用一个大电容再并上一个小电容的式。

      常使用的小电容为0.1uF的瓷片电容，当频率更高时，还可并联更小的电容，例如几pF，几百pF的。

而在数字电路中，一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个0.1uF的电容到地（这个电容叫做退耦电容，当然也可以理解为电源滤波电容,越靠近芯片越好），因为在这些地的信号主要是高频信号，使用较小的电容滤波就可以了。

电路常识性概念（3）-TTL与CMOS集成电路

2008-05-2723:

11

目前应用最广泛的数字电路是TTL电路和CMOS电路。

1、TTL电路

TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。

双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。

它具有速度高（开关速度快）、驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低。

根据应用领域的不同，它分为54系列和74系列，前者为军品，一般工业设备和消费类电子产品多用后者。

74系列数字集成电路是国际上通用的标准电路。

其品种分为六大类：

74××（标准）、74S××（肖特基）、74LS××（低功耗肖特基）、74AS××（先进肖特基）、74ALS××（先进低功耗肖特基）、74F××（高速）、其逻辑功能完全相同。

2、CMOS电路

MOS电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。

单极型数字集成电路中只利用一种极性的载流子（电子或空穴）进行电传导。

它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。

特别是其主导产品CMOS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于同数量级等，因而CMOS集成电路产品已成为集成电路的主流之一。

其品种包括4000系列的CMOS电路以及74系列的高速CMOS电路。

其中74系列的高速CMOS电路又分为三大类：

HC为CMOS工作电平；HCT为TTL工作电平（它可与74LS系列互换使用）；HCU适用于无缓冲级的CMOS电路。

74系列高速CMOS电路的逻辑功能和引脚排列与相应的74LS系列的品种相同，工作速度也相当高，功耗大为降低。

74系列可以说是我们平时接触的最多的芯片，74系列中分为很多种，而我们平时用得最多的应该是以下几种：

74LS，74HC，74HCT这三种

                                     输入电平                   输出电平

   74LS               TTL电平                     TTL电平

   74HC              COMS电平                COMS电平

   74HCT             TTL电平                     COMS电平

另外，随着推出BiCMOS集成电路，它综合了双极和MOS集成电路的优点，普通双极型门电路的长处正在逐渐消失，一些曾经占主导地位的TTL系列产品正在逐渐退出市场。

CMOS门电路不断改进工艺，正朝着高速、低耗、大驱动能力、低电源电压的向发展。

BiCMOS集成电路的输入门电路采用CMOS工艺，其输出端采用双极型推拉式输出式，既具有CMOS的优势，又具有双极型的长处，已成为集成门电路的新宠。

3、CMOS集成电路的性能及特点

       功耗低

CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。

实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。

单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。

      工作电压围宽

CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。

国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。

       逻辑摆幅大

CMOS集成电路的逻辑高电平"1"、逻辑低电平"0"分别接近于电源高电位VDD及电源低电位VSS。

当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。

因此，CMOS集成电路的电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。

       抗干扰能力强

CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。

随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。

对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。

  输入阻抗高

CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压围，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。

       温度稳定性能好

由于CMOS集成电路的功耗很低，部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。

一般瓷金属封装的电路，工作温度为-55~+125℃；塑料封装的电路工作温度围为-45~+85℃。

       扇出能力强

扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。

由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。

       抗辐射能力强

CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。

各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。

       可控性好

CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。

      接口便

因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。