硬件基础

总结硬件设计中的知识点

基本元器件 - 电容

基本分类

玻璃电容：使用玻璃作为介质的电容器，具有高温稳定性和低损耗等特点，常用于高频和高温环境下的电路中。

钽电容：使用钽金属作为电极的电容器，具有小尺寸、大电容量和高频特性等优点，常用于微型电路中。

薄膜电容：使用金属膜或金属箔作为电极的电容器，具有高精度、稳定性好等特点，常用于高性能电子器件中。

铝电解电容：使用铝箔和电解液作为电极的电容器，具有大电容量、低成本等特点，常用于低频和直流电路中。这种电容最后不要使用。

云母电容：使用云母作为介质的电容器，具有高精度、高频特性等特点，常用于精密仪器和高频电路中。

空气电容：使用空气作为介质的电容器，具有高精度、稳定性好等特点，但体积较大，常用于高频和高压电路中。

陶瓷电容：使用陶瓷作为介质的电容器，具有小尺寸、高频特性和高温稳定性等优点，常用于电子设备中。

可调电容：具有可变电容值的电容器，常用于无线电和调谐电路中。

金属纸电容：使用金属化薄膜作为电极的电容器，具有高精度、稳定性好等特点，常用于高性能电子器件中。

超级电容：也称为电化学电容器，具有高能量密度、高功率密度和长寿命等特点，常用于储能系统和电动汽车中。

单位换算

$$1F=1\cdot10^3mF=1\cdot10^6\mu F=1\cdot10^9nF=1\cdot10^{12}pF$$

电容的选型

耐压值：降额使用，3.3V 选 10V，5V 选 10V，12V 选 25V，24V 选 50V，48V 选 100V

电容的材质分类

	铝电解电容	钽电容	陶瓷电容
电容量	0.1uF-3F	0.1uF-1000uF	0.5pF-100uF
极性	有	有	无
耐压	5V-500V	2V-50V	2V-1000V
ESR	几十毫欧 -2.5 欧姆（100KHZ/25℃）	几十毫欧-几百毫欧（100KHZ/25℃）	几毫欧-几百毫欧（100KHZ/25℃）
ESL	不超过 100nH	2nH 左右	1-2nH
工作频率范围	低频滤波，小于 600KHz	中低频滤波，几百 KHZ-几 MHz	高频滤波，几 MHZ-几 GHz
薄弱点	窄温度范围，电解液会挥发，纹波电流导致发热	必须降额使用，否则失效会爆炸	焊接温度冲击容易导致失效，抗弯曲能力较差，不同材料温度特性差异巨大
建议	用于储能，低于 75℃ 环境，不建议用于高频开关电源	耐压按２倍选择；15V 以上直流电压滤波不建议使用，特别是电源变化较快的场合，浪涌冲击失效显著	布线不要放在应力区，避开高温区域。

电容的用途

滤波

滤除杂波。大电容滤低频，小电容滤高频。

去耦 / 旁路

简单地说，旁路靠近电源，去耦靠近芯片。

去耦 / 旁路电容的作用是将系统中的高频噪声旁路到 GND，一般是在电源引脚与 GND 间并联小容值电容（典型为 0.1uF），用来滤除高频噪声，使电压稳定干净。

去耦与旁路电容的区别的，去耦电容是用于滤除输出信号的干扰（例如稳压器的输出引脚），而旁路电容是用于滤除输入信号的干扰（例如单片机的电源引脚）。去耦电容一般比较大（10uF 以上），而旁路电容一般根据谐振频率选定（0.1/0.01uF）。

调谐

调谐电容用于调节振荡电路的频率，使其与另一个正在发生振荡的电路谐振。

耦合

耦合电容的作用是阻直通交，电容与其后面的负载形成滤波器，滤除了低频信号，保留了高频信号，形成一个高通滤波器。

耦合电容用于连接两个电路，只允许交流信号通过给电容充放电，传输到下一级电路。

储能

储能电容用于收集电荷，储能并使用。

电容选用注意事项

注意耐压值，有极性的电容不可反接。

PCB放置注意事项

耦合电容在放置上需要靠近电源

参考与致谢

基本元器件 - 电阻

电阻的选型

一般来说，要考虑以下四个因素：

阻值：根据具体应用电路的需要而定
精度：通常为 1%，如果用于电流检测回路（Rsense），通常低阻值大功率更高精度
额定功率：满足 50% 降额，不同封装对应功率请见下表
尺寸：尺寸与功率相关，应考虑功率和加工难度而定
工作温度、湿度等：特定时候需要考虑的因素
温漂：如果用于高精度（传感器应用），则必须考虑

贴片封装的参数

英制	公制	长 (mm)	宽 (mm)	高 (mm)	额定功率 (W)	耐压 (V)
0201	0603	0.60±0.05	0.30±0.05	0.23±0.05	1/20	25
0402	1005	1.00±0.10	0.50±0.10	0.30±0.10	1/16	50
0603	1608	1.60±0.15	0.80±0.15	0.40±0.10	1/10	50
0805	2012	2.00±0.20	1.25±0.15	0.50±0.10	1/8	150
1206	3216	3.20±0.20	1.60±0.15	0.55±0.10	1/4	200
1210	3225	3.20±0.20	2.50±0.20	0.55±0.10	1/3	200
1812	4832	4.50±0.20	3.20±0.20	0.55±0.10	1/2	200
2010	5025	5.00±0.20	2.50±0.20	0.55±0.10	3/4	200
2512	6432	6.40±0.20	3.20±0.20	0.55±0.10	1	200

电阻的阻值

丝印表示方法

三位数标注法：$XXY = XX * 10^Y$
- 例如，丝印为 272 的电阻，实际阻值为 $27 * 10^2=27 * 100=2.7k$
四位数标注法：$XXXY = XXX * 10^Y$
字母表示小数点位置法：R 表示小数点。
- 例如，丝印为 5R6 的电阻，实际阻值为 5.6 Ω
- M k m 也都可以表示小数点，分别代表 MΩ kΩ mΩ
三位数乘数代码标注法：XXY 中，XX 表示有效数的代码，Y 指是 10 的多少次幂，可参考下方的标准电阻取值表
- 例如，丝印为 01C 的电阻，实际阻值为 $100*10^2=10 kΩ$

标准电阻取值

根据约定俗成的优先数规范，一般比较多使用的是 E96 系列，其阻值与乘数代码表如下：

电阻的失效

按可能发生的几率排行，分别是：

开路：电阻膜缺陷或退化；瞬时功率过大冲击时可能导致
阻值漂移超规范：老化后有可能发生
引脚断裂：焊接工艺缺陷、焊点污染；插件电阻引脚反复弯曲时可能发生
烧毁：长时间工作在额定功率以上，有可能烧毁导致开路
焊接问题：虚焊等问题
断线开路：受机械应力或瞬时过功率冲击时可能发生

0 欧姆电阻的使用

当跳线用，跨过布不下线的区域
作为短接座用
单点连接数字地和模拟地（有时也用电感或磁珠）
预留阻值用于调试

不同封装的 0 欧电阻过电流能力（一般以额定电流降额 50% 使用）：

封装	额定电流（最大电流）/A
0201	0.5（1）
0402	1（2）
0603	2（3）
0805 及以上	2（5）

电阻的使用场景

分压电路

将电阻串联以分压，其电路特点是：

通过各电阻的电流是同一电流，即各电阻中的电流相等，即 $I = I_1 = I_2 = I_3$
总电压等于各电阻上的电压降之和，即 $V= V_1 + V_2 + V_3$
总电阻等于各电阻之和，即 $R=R_1 + R_2 +R_3$

举个例子，电源稳压器的反馈引脚，一般接就是由两个电阻组成的分压电路，通过分压得到与内部参考电压接近的输出电压值。

分流电路

将电阻并联以分流，其电路特点是：

各支路两端电压相等
总电流等于各支路电流之和，即 $I= I_1 + I_2 + I_3$
总电阻的倒数等于各支路倒数之和，即 $\frac{1}{R}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}$

在实际电路设计中，多用于并联在三极管的集电极与发射极之间，作为保护电阻；在一些线性电源稳压器功率不够的场合，也可以在输入端与输出端之间病来你电阻，以提高输出电流。

限流电路

一般用于 LED 的限流。将电阻串联进 LED 所在的电路，以 LED 的导通压降（一般为 0.7 V）和 LED 额定电流，来确定阻值。需要注意的是，一般计算出来的实际工作电流，要小于 LED 的额定工作电流。

限流电路也可以用于热插拔电路。

阻抗匹配电路

阻抗匹配的目的，是为了让负载获得最大功率，即负载电阻等于信号源电阻。推导过程如下：

假设负载电阻为 R，电源电动势为 U，内阻为 r，则通过 R 的电流为：

$$
I=\frac{U}{R+r}
$$

可以看出，R 越小，则电流越大。而 R 两端的电压为：

$$
U_R=IR=\frac{U}{1+\frac{r}{R}}
$$

R 越大，则输出电压 $U_R$ 越大。R 的功率为：

$$
P=I^2R=(\frac{U}{R+r})^2R=\frac{U^2R}{R^2+r^2+2Rr}=\frac{U^2}{\frac{(R-r)^2}{R}+\frac{4Rr}{R}}
$$

因为 r 不变，所以当 R=r 时，$\frac{(R-r)^2}{R}=0$，此时可获得最大功率 $P_{max}=\frac{U^2}{4r}$

RC 充放电电路

$\tau=RC$（若 R 和 C 的单位为 Ω 和 F，则结果的单位为 s。

RC 电路可视为延时电路或滤波电路，将脉冲信号上升下降沿都进行了滤波，使其变得平缓，可以通过调整 R、C 值，以实现不同上升时间。

上下拉电路

上拉是将不确定的信号通过电阻钳制在高电平（同时也起限流作用）；下拉反之。

一般来说，50 Ω 以下的电阻为强上 / 下拉，100 kΩ 以上的电阻为弱上 / 下拉。

其他电路

运算放大器外围电路
抗干扰电路，提高抗浪涌电压能力
负载电路（防止电路空载）

参考与致谢

基本元器件 - 电感与磁珠

电感

电感的选型

体积大小
电感值所在工作频率
开关频率下的电感值为实际需要的电感值
线圈的直流阻抗（DCR）越小越好
工作电流应降额至额定饱和电流的 0.7 倍以下，额定 rms 电流；
交流阻抗（ESR）越小越好；
Q 因子越大越好；
屏蔽类型：屏蔽式或非屏蔽式，优先选择屏蔽式。
工作频率和绕组电压不可降额；
品牌：贴片电感优选 TDK、MURATA（村田）、三礼、SUMIDA（胜
美达）

电感的关键参数

感值 L

一般误差有 10% 或 20%（测试条件是 1MHz 频率）。

感值大小区别：

小感值：低 DCR，高饱和电流，更好的动态，更大的纹波电流。
大感值：小纹波电流。

直流电阻 DCR

可以理解为寄生参数，和电感的封装大小以及感值有很大关系，选型时最好选择较小 DCR 的电感。

感值、尺寸与 DCR 的关系：

电感感值相同，尺寸越小，DCR 越大。
电感尺寸相同，感值越大，DCR 越大。
电感感值相同，有磁屏蔽的电感，DCR 小于没有磁屏蔽的电感。

自谐振频率 SRF

因为电感寄生电容的存在，会发生 LC 振荡，和电容一样，只有在特定的频率下，才能发挥电感的特性。
按照经验值，SRF 一般是信号频率的 10 倍，此时的电感特性发挥的比较好。

电感饱和电流 Isat

电感感值下降 30% 时所容许通过的直流电流。

电感温升电流 Irms

在 20℃ 环境下，电感温度上升 40℃ 所容许通过的直流电流。

一般取 Isat 和 Irms 中较小的一个值作为电感的额定电流，且此额定电流应是电路中最大输出电流的 1.3 倍，留有一定的余量，降额使用。

磁屏蔽特性

一般情况下，屏蔽特性：工字型＜半屏蔽型＜一体成型。

磁珠

磁珠是一种电感型 EMI 静噪滤波器，实物和电感很像，其等效模型可以简化为一个电感和一个电阻串联。磁珠的单位是欧姆，根据型号的不同，可以抑制几 MHz-GHz 的噪声，经常被用在信号线和电源线上（串联使用）。

磁珠的单位是欧姆（Ω），电感单位是亨（H）。磁珠由氧磁体组成，电感由磁芯和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去，所以说电感是储能，而磁珠是能量转换（消耗）器件。

磁珠主要解决辐射干扰问题，信号线上多用磁珠，某一些高频电路如 RF、振荡电路、DDR SDRAM 等都需要在电源输入部分加磁珠；电感主要解决传导干扰问题，高频电感主要用于中低频滤波电路、RF 匹配等，功率电感主要用于 DC-DC 电路中。

从上图可以看出，通过一个磁珠来将数字电源和模拟电源隔离开来。有时候需要使用0欧姆电阻来替代磁珠，这是因为：

磁珠的主要参数

阻抗 Z：阻抗越大，抑制噪声的效果越好。（一般测试条件为 100 MHz）
直流电阻 DCR：指直流电流通过磁珠时，磁珠呈现的电阻值。DCR 一般越小越好，对有用信号的衰减越小。
额定电流 Rated Current：指磁珠正常工作时允许的最大电流。

参考与致谢

电感如何选型？
《硬件十万个为什么-无源器件篇》
关于磁珠的 6 个问题，你能接住吗？

基本元器件 - 二极管

伏安特性：

导通后分电压值约为 0.7 V（LED 约为 1-2 V，电流 5-20 mA）。
反向不导通，但如果达到反向击穿电压，那将导通（超过反向最大电压可能烧坏）。
正向电压很小时不导通（0.5 V 以上时才导通）。

二极管的主要参数

**最大整流电流 $I_F$**：表示长期运行允许的最大正向平均电流，超出可能因结温过高烧坏。
**最高反向工作电压 $U_R$**：允许施加的最大反向电压，超出可能击穿。（$U_R$ 通常为击穿电压的一半）
**反向电流 $I_R$**：未击穿时的反向电流，越小导电性越好。
**最高工作频率 $f_M$**：上线截止频率。因结电容作用，超出可能不能很好体现的单向导电性。

二极管的分类

类型：

整流管
- 普通二极管：恢复速度相对慢，不适用于高频电路
- 快恢复二极管
- 肖特基二极管：应用于 <200V 的场景
稳压管：持续击穿，应用于低功率场景
- TVS：瞬间击穿，应用于高功率场景

整流二极管

用途：利用单向导通性，把交流电变成脉动直流电。

快恢复二极管（FRD）

快速恢复二极管的结构和功能与整流二极管相同。整流二极管用于 500 Hz 以下的低频应用，而 FRD 则用于从几千赫兹到 100 kHz 的高频开关。因此，FRD 具有反向恢复时间（trr）很短的特性，这对高速开关非常重要。一般整流二极管的 trr 为几微秒到几十微秒；而 FRD 的 trr 是几十毫微秒到几百毫微秒，约为整流二极管的 1/100。它应用于开关电源、逆变器、DC/DC 转化器等。

稳压（齐纳）二级管

定义：能稳定一定电压的二极管。

稳压二极管利用了 PN 结的反向特性。持续击穿，并得到恒定的电压，应用于低功率场景。

稳压条件：

工作在反向击穿状态下
反向电压大于稳压电压

稳压二级管的参数

**稳定电压 $U_Z$**：表示在规定电流下的反向击穿电压，对于同一型号的稳压管，稳定电压是确定值。
**反向电流 $I_Z$**：工作在稳压态下的参考电流，电流低于此值时稳压效果变差，也称 ${I_Z}_{min}$。
**额定功耗 $P_{ZM}$**：等于稳定电压 $U_Z$ 与最大稳定电流 $I_{ZM}$ 的乘积。超出可能因结温过高损坏。只要不超额定功率，电流越大，稳压效果越好。

基本稳压电路：

限流电阻的选择：

在稳压电路中，需要串联一个限流电阻，保护稳压二极管（用于分掉输入电压和稳定电压之间的电压差值）。电阻两端的电压取输入电压和稳定电压之间的差值，电流取稳压二极管 ${I_Z}{min}$ 与 ${I_Z}{max}$ 之间，加上负载路的总电流。

瞬态电压抑制器（TVS）

TVS 管是为了防止瞬态高能量冲击，保护精密元器件。TVS 管有单向与双向之分，单向 TVS 管的特性与稳压二极管相似，双向 TVS 管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。

TVS 并联在电路中，正常情况下电流不走 TVS 的支路，TVS 表现出二极管单向导通的特性：

当发生过压时，TVS 进入击穿，将电流分流到地，使后续电路的电压保持在二极管的钳位电压：

用法：

加在信号与电源线上，可防静电、交流浪涌或噪声。
能释放超过 10000 V、60 A 以上的脉冲，持续 10 ms，可防止元器件损坏或总线间开关引起的干扰。
放置在信号线和地之间，避免数据和控制总线受噪声干扰。

TVS 管的主要参数：

反向截止电压 VRWM 与反向漏电流 IR：反向截止电压 VRWM 表示 TVS 管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流 IR。
击穿电压 VBR：TVS 管通过规定的测试电流时的电压，这是表示 TVS 管导通的标志电压。
脉冲峰值电流 IPP：TVS 管允许通过的 10/1000μs 波的最大峰值电流（8/20 μs 波的峰值电流约为其 5 倍左右），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小，一般是几安 - 几十安。
最大钳位电压 VC：TVS 管流过脉冲峰值电流 IPP 时两端所呈现的电压。
脉冲峰值功率 Pm：$Pm=IPP*VC$。在给定的最大钳位电压下，功耗 PM 越大，其浪涌电流承受能力越大，在给定的功耗 PM 下，钳位电压越低，其浪涌电流的承受能力越大。
稳态功率 P0：TVS 管也可以作稳压二极管用，这时要使用稳态功率。
极间电容 Cj：与压敏电阻一样，TVS 管的极间电容 Cj 也较大，且单向的比双向的大，功率越大的电容也越大，极间电容会影响 TVS 的响应时间。

TVS 管与稳压（齐纳）二极管的差异：

TVS 管在短时间内吸收很高的过电压，保护后续电路；而稳压（齐纳）二极管将输入电压钳制为恒定电压，并将钳制的恒定电压提供给后续电路。

开关二极管

为了开关设计而定制的二极管，截至 / 导通切换时间比较短，防止反向电流烧坏精密元器件

示例：

图中的 1N4148 起保护作用，当右侧灌入负电压时，能导通接地，保护三端稳压器

肖特基二极管（SBD）

肖特基二极管是一种采用半导体和金属结合，而不是采用 PN 结的器件（trr 会随着温度的升高而变长）。由于其正向电压小，反向恢复时间短，所以适合于高速开关应用。

肖特基二极管的伏安特性曲线：

肖特基二极管的作用是：

整流，换句话说，在开关电源（开关模式电源，SMPS）或电源整流器内部的交流至直流转换，以及直流电压转换。
阻止直流电流和相反极性的直流的反向流动，例如当电池插入不正确时。

正偏与反偏

正向偏置：指 P 接高电位、N 接低电位，电流流动将顺着 PN 结方向，将显示出其单向导电的性能。
反向偏置：相反，形成由 N 区流向 P 区的反向电流，通常可以认为反向偏置的 PN 结不导电，基本上处于截止状态。

常用封装

封装名称	备注
DO-214AC/SMA	通流能力 2 A
DO-214AA/SMB	通流能力 4 A
DO-214AB/SMC	通流能力 5 A
DPAK/D2PAK

参考与致谢

基本元器件 - 晶体三级管

晶体三极管是一种 电流控电流 的元器件。

区分极性

除基极外，带箭头是发射极，不带则是集电极。箭头朝外是 NPN，指向里面是 PNP.

不同封装引脚辨认

基本电流关系

三极管电流方向依托于发射级电流方向。

NPN：发射级流出，所以基极和集电极都是流入。
PNP：发射级流入，所以基极和集电极都是流出。

规律：

满足基尔霍夫电流定律 $i_B + i_C = i_E$
处于放大状态下，集电极电流只受控于基极电流（$i_C = \beta i_B$），与集电极发射极间的电压无关。
基极与发射极导通时，分压值 $U_{BE}$ 约为 0.7V

所以三极管就是一个受控电流源，由小电流 $i_B$ 去控大电流 $i_C$，取决于晶体管恒定的放大倍数 $\beta$。

所以，$i_E=(1+\beta)i_B = \frac{1+\beta}{\beta}·i_C$

输出伏安特性

如图，三极管的输出伏安特性分以下几个区域：

放大区：在此区域内，晶体管的 $i_C$ 几乎不随 $u_{CE}$ 变化，近似满足 $i_C = \beta i_B$。
饱和区：在此区域内，晶体管的 $i_C$ 随着 $u_{CE}$ 增大而增大。一般认为当 $u_{CE}$ 小于饱和压降 $U_{CES}$（一般为 0.3 V）时，晶体管工作在饱和区。
截止区：即 $I_B = 0$ 的那根曲线。但此时 $i_C$ 并不为 0，因为存在与 $u_{CE}$ 相关的漏电流。截止区代表晶体管处于几乎没有任何电流进出的状态，近似于完全关闭。

如果我们想用数学公式描述伏安特性，那么需要将曲线简化一下：

简化后，可以这么认为：

放大区：满足 $i_C = \beta i_B$，与 $u_{CE}$ 无关。
饱和区：$i_C$ 随着 $u_{CE}$ 增大而增大，近似为线性。
$U_{CES}$ 垂直线：饱和区与放大区的分界线。

阻容耦合放大电路

晶体管的工作状态

截止状态
- 指基极未产生明显电流（$I_{BQ}$ 非常小导致 $I_{CQ}$ 也很小），集电极与发射极之间相当于开路。
- $I_{BQ} = 0, I_{CQ} = 0, I_{EQ} = I_{BQ}+I_{CQ}=0$。发射结零偏 / 反偏、集电结反偏。
放大状态
- 指晶体管处于 $I_{BQ}$ 合适，且满足 $I_{CQ} = \beta I_{BQ},I_{EQ} = (1+ \beta)I_{BQ}, I_{BQ} = \frac{V_{CC}-U_{BE}}{R_B}$
- 发射结正偏、集电结反偏。
- 这是模电最常用的状态。
饱和状态
- $I_{CQ} < \beta I_{BQ}$，但还是随 $U_{CEQ}$ 变化。$I_{BQ}$ 和 $I_{CQ}$ 都很大，$I_{CQ}$ 已经不完全受 $I_{BQ}$ 控制，且 $U_{CEQ}$ 所占的电压很小。
- 只要 $U_{CEQ} < U_{CES}$，就进入饱和状态。此时，再增加 $I_{BQ}$，$I_{CQ}$ 也几乎不再增加。
- 发射结正偏、集电结正偏。
- 在模电中应该避免进入饱和状态，而在数电中则期望进入饱和或截至状态。
倒置状态
- 集电极和发射极接反了。虽然也不是不能用，但是会造成 $\beta$ 下降严重。
- 饱和状态就好比水龙头打开了，但水箱里没水，此时就是有多少水来多少水。
- 发射结反偏，集电结正偏。

判断工作状态有三种方法，分别是估算法、函数求解法、图解法。估算法的核心是假设 $U_{BEQ}$ 约等于 0.7 V，但有误差（电压越大误差越小）；函数求解法必须知道输入、输出伏安特性的数学表达式，通过方程求解，一般不会用到；图解法的核心是用伏安特性图和另一直线的交点，求解静态工作点的位置，然后目测结果。

三极管的主要参数

**电流放大系数 $\beta$**：一般为 10-100 倍，但在应用中取 30-80 倍为宜（太小放大不明显，太大工作不稳定）。
**集电极最大允许电流 $I_{CM}$**：超过可能导致烧坏。
集电极最大允许功耗 $P_{CM}$
集电极发射极间反向击穿电压 $V_{CEO}$

判断三极管的工作状态

估算法

其中的 估算静态工作点，即用简单的方法大致估算出晶体管电路的静态（各支路电流、各节点电位），核心就是假设 $U_{BEQ}$ 约等于 0.7 V（一般要算出 $I_{CQ}$ 和 $U_{CEQ}$），具体步骤如下：

根据 $U_{BEQ} = 0.7 V$，算出 $I_{BQ}$
假设处于放大状态，即 $I_{CQ} = \beta I_{BQ}$，求解出 $U_{CEQ}$
此时如果 $U_{CEQ} >= 0.3 V$，则假设成立，晶体管处于放大状态，$I_{CQ}$ 与 $U_{CEQ}$ 为所求。
如果 $U_{CEQ} < 0.3 V$，则假设不成立，晶体管处于饱和状态。

图解法

图解法的核心，是用伏安特性图和另一直线的交点，求解静态工作点的位置，然后目测结果。

基本放大电路

如图，各部分的作用：

$C_1$/$C_2$：隔直通交。排除 $U_{CC}$ 的影响。取值几微法到几十微法。
$U_{CC}$：为电路功能；提供合适的静态工作点。
$R_B$：提供合适的 $I_B$，取值一般为几十欧到几百千欧。
$R_C$：取值几千欧到几十千欧。

分析：

总基极电压 $U_{BE} = U_{BEQ}+u_i$
总基极电流 $i_B=I_{BQ}+i_b$
总集电极电流 $i_C=I_{CQ}+i_c$
总的 $u_CE=V_{CC}-{i_C}{R_C}=V_{CC}-(I_{CQ}+i_c)R=U_{CEQ}+({-i_C}{R_C})$

此电路的不足：虽结构简单，但静态工作点不稳定，受各元器件影响大。

基本元器件 - 场效应管

场效应管是一种 电压控电流 的器件。其中，我们常用的 MOS 管是由是金属（metal）、氧化物（oxide）、半导体（semiconductor）组成的场效应晶体管。下文着重介绍以增强型 N 管。

场效应管的引脚与三极管相对应：栅极 / 门极（G）对应基极（b），漏极（D）对应集电极（c），源极（S）对应发射级（e）。箭头指电子运动的方向。

所有场效应管在正常工作时，门级都不会有电流。所以，漏极电流一定等于源极电流。其核心是用 GS 两端电压来控制漏极电流。所以也称为压控型元器件。

MOS 管的引脚定义

MOS 管有三个引脚（G，S，D）其定义如下：

G：gate / 栅极
S：source / 源极
D：drain / 漏极

N 沟道的电源一般接在 D，输出接 S；P 沟道的电源一般接在 S，输出接 D，增强型 / 耗尽型接法基本一样。

MOS 管的 source 和 drain 是可以对调的，他们都是在 P 型 backgate 中形成的 N 型区，在大多数情况下，这个两个区是一样的，即使对调也不会影响性能。

寄生二极管

由于生产工艺，MOS 管会有寄生二极管，或称体二极管。

当满足 MOS 管的导通条件时，MOS 管的 D 极和 S 极会导通，这个时候体二极管是截止状态。因为 MOS 管导通内阻很小，不足以使寄生二极管导通。

MOS 管的导通条件

MOS 管是压控型，由 G 和 S 极之间压差决定是否导通。

对 N-MOS 来说，当 $V_g-V_s>V_{gs(th)}$ 即可导通。

对 P-MOS 来说，当 $V_s-V_g>V_{gs(th)}$ 即可导通。

增强型 MOS 管的特性

增强型 MOS 管的结构，是在 P 型硅衬底上，制作两个 N 型沟槽，用铝从其引出两个电极分别作为源极 S 和漏极 D（此时 D/S 可互换），然后在半导体的表面覆盖一层很薄的 SiO2 绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极，作为栅极 G，在衬底上也引出一个电极 B。因为出厂时大多把衬底已经和源极连在一起，所以此时 D/S 不可互换

如图是增强型 MOSFET 的伏安特性曲线，左图为转移特性，右图为输出特性，他们共用纵轴。

伏安特性的关键要素：

**开启电压 $U_{GS_(th)}$**：从图中可以看出 $U_{GS_(th)} = 1 V$。当 $U_{GS} < U_{GS_(th)}$ 时，无论 $U_{DS}$ 多大，电流 $i_D$ 始终为 0。当 $U_{GS} > U_{GS_(th)}$ 时，MOSFET 才算开启。
恒流区方程：$i_D = K(u_{GS}-U_{GS_(th))^2$，其中，K 影响转移特性曲线的增长速率（单位是 $A/V^2$）
可变电阻区和恒流区的分界线：随着 $U_{GS}$ 增加，分界点电压 $U_{DS_{dv}}$ 也在增加，且满足 $U_{DS_{dv}}=U_{GS} - U_{GS_(th)}$

MOSFET 工作状态

MOSFET 不同于三极管，因为某些型号封装内有并联二极管，所以其 D 和 S 极是不能反接的，且 N 管必须由 D 流向 S，P 管必须由 S 流向 D。可以用下表判断工作状态：

几个工作区:

截止区：当 $U_{GS}$ 小于开启电压 $U_{GS_(th)}$ 时，MOS 不导通。
可变电阻区：$U_{DS}$ 很小，$I_D$ 随 $U_{DS}$ 增大而增大。
恒流区：$U_{DS}$ 变化，$I_D$ 变化很小。
击穿区：$U_{DS}$ 达到一定值时，MOS 被击穿，$I_D$ 突然增大，如果没有限流电阻，将被烧坏。
过损耗区：功率较大，需要加强散热，注意最大功率。

MOSFET 主要参数

直流参数：

**开启电压 $U_{GS_(th)}$**：增强型 MOS 的参数。指当 $U_{DS}$ 不变时，使得 $i_D > 0$ 所需最小的 $\left| u_{GS} \right|$ 的值。
**夹断电压 $U_{GS_(off)}$**：结型场效应管和耗尽型 MOS 的参数，与 $U_{GS_(th)}$ 相似，代表当 $U_{DS}$ 不变时，$i_D$ 为规定的微小电流时的 $u_{GS}$。
**直流输入电阻 $U_{GS_(DC)}$**：栅 - 源电压与栅极电流之比，一般 MOS 的 $U_{GS_(DC)} > 10^9 \Omega$。

选型关键参数：

击穿电压 V_BRDSS
- 随温度变化，应留足余量
导通电阻 R_DS(on)
- 导通电阻正温度系数，适合并联工作
- 导通电阻越小，导通损耗越小
- 导通电阻越小，Qg 就越大，相应的开关速度变慢
- 带来的开关损耗越大，高频工作下需要折中考虑
最大结温
- 永远不能超过最大结温
- 只能测量壳温后通过热阻计算而得
动态电容和 Qg
- 不是固定值，取决于工作条件
- 作为开关时希望快速打开，需要一个驱动芯片提供瞬间大电流
- 作为缓启动 MOS，需要慢慢打开，有效抑制浪涌电流

N-MOS：

门极需要一个比源极更高的电压驱动
更好的性能
更多的选择
更低的成本

P-MOS：

门极需要一个比源极低的电压驱动
不需要更高的电压驱动，驱动简单

三极管与场效应管的对比

	三极管	场效应管
特性	电流控电流	电压控电流
输入阻抗	低	高
噪声	大	小
反应速度	快	慢

反馈

定义：将放大电路输出端信号（电压 / 电流）一部分或全部引回到输入端，与输入信号进行叠加。

负反馈：返回的信号对输入信号进行削弱。
正反馈：返回的信号对输入信号进行增强。

MOS 管常见的封装

SOT 封装

SOT（Small Out-Line Transistor，小外形晶体管封装）封装一般用于小功率 MOS 管。

SOT-23 封装：

SOT-89 封装：

TO 封装

TO（Transistor Out-line，晶体管外形）是比较早期的封装规格，原来多为直插封装（例如 TO-92，TO-220，TO-252），后来也慢慢进化到标贴式封装。TO252 和 TO263 是其典型，其中 TO-252 又称之为 D-PAK，TO-263 又称之为 D2PAK。

D-PAK 封装的 MOS 管有 3 个电极，其中漏极（D）的引脚被剪断不用，而是用背面的散热板作为漏极，能输出更大电流的同时也能更好地散热。

TO-252 封装：

TO-263 封装：

SOP 封装

SOP（Small Out-Line Package，小外形封装），也叫 SO、SOL 或 DFP。通常有 SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28 等等（数字表示引脚数）。MOS 的 SOP 封装多数采用 SOP-8 规格。

SOP-8 封装：

参考与致谢

基本元器件 - 运算放大器

俗话说，运算放大器就是模电的终极目标。运算放大器（Operational Amplifier）是一种能够实现电信号（电压/电流/功率）放大的器件。不仅仅如此，它还可以作为缓冲器、滤波器、各种运算功能（积分、微分、乘法、对数）等。

运放拥有一对差分输入端（同相 $u_+$ 与反相 $u_-$ 电压输入），一个单端输出端 $u_o$，一对供电引脚 $V_+$ 和 $V_-$（大多数时候不画出）。它通过同相 $u_+$ 和反相 $u_-$ 电压进行输入，在内部进行比较运算，并通过输出端 $u_o$ 放大输出。输出端 $u_o$ 输出阻抗为 0，流出的电流由正电源端子 $V_+$ 提供，流入的电流由负电源端子 $V_-$ 提供。

当运算放大器工作在 线性区域 的时候，满足关系：

$$
u_o=A_{uo}(u_+-u_-)
$$

其中，$A_{uo}$ 称为运算放大器的 开环电压增益（u 代表电压，o 代表 open），一般无穷大。

运放的工作状态

集成运放的电压传输特性如下图所示：

图中分为线性区和非线性区：

工作在线性放大区：斜线的斜率为开环电压增益。
工作在非线性区：即饱和状态，在图中是左右两端的水平线，输出电压为 $-U_{om}$（负电源端子 $V_-$ 的电压），或 $+U_{om}$（等同于正电源端子 $V_+$ 的电压）。

运放的供电

运放的供电方式一般分 单电源 或 双电源。单电源下，$V_+$ 接正电压，$V_-$ 接地。双电源一般指 $V_+$ 接正电压，$V_-$ 接负电压。不同的供电方式带来了不同的频率性能和输入输出的范围。

除此之外，运放可以工作在正负电源（$V_+$/$V_-$）不对称的情况下（比如 $V_+$ 为 5V，$V_-$ 为 -3V），它并不需要知道地的位置，但依然可以正常工作。

运放的轨至轨，指的是输出的电压能达到电源电压。比如，如果是一个非轨对轨的运放，假如供电为 0~~5V，输出有可能只能达到 0.7~~4.3V，而轨对轨输出则可以 0~5V。

运放的虚短与虚断

虚短

虚短是从电压的角度看的，在负反馈的条件下，正负两个输入端电压基本保持相等，近似于短路（但并不是真正短路），称为虚短。

参考负反馈的电路，可以看到，如果同相输入端电压略高于反相输入端，则负反馈电路会拉高反相输入端电压，直到与同相输入端电压相当；反之，如果同相输入端电压略低于反相输入端，则反相输入端电压也会跟随到此时同相输入端的电压。

虚断

虚断是从电流的角度看的，运放两个输入端输入阻抗很大，流入的的电流只有微安级别，近似为无电流流入也就是断路，称为虚断。

注：运放两个输入端输入阻抗很大，是对于一般情况而言。也有特例，比如电流反馈运放。

常用运放电路

因为运放的开环电压增益无穷大，所以需要通过特殊的电路结构来实现合适的放大效果。

电压跟随器

电压跟随器（也称 Buffer）用于高阻抗信号源和低阻性负载之间的缓冲。

同相放大器

同相放大器输出与输入是同相的，可将信号同相放大。

效果：通过调节 $R_G$ 与 $R_F$ 的阻值，使 $V_{OUT}$ 与 $V_{IN}$ 呈正比放大的关系。

原理：

因为虚短，所以 $V_- = V_{IN}$
因为续断，所以 $V_-$ 端输入电流可忽略不计，所以 $I_{R_G}=I_{R_F}$，根据欧姆定律，$\frac{0–V_-}{R_G}=\frac{V_- - V_{OUT}}{R_F}$，得出 $V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)$。

反相放大器

反相放大器输出与输入是反相的，可将信号放大并反转输出。

电压减法器 / 差动放大器

电压减法器 / 差动放大器可放大两个电压之差，抑制共模电压。

电压加法器

电压加法器用于多个电压求和。

低通滤波器 / 积分器

低通滤波器 / 积分器用于对信号的低通滤波，限制信号带宽。

高通滤波器 / 微分器

高通滤波器 / 微分器用于隔离直流信号、放大交流信号。

差分放大器

差分放大器用于从差分或单端信号源驱动差分输入 ADC。

仪表放大器

仪表放大器用于放大低电平差分信号，抑制共模信号。其中，$V_{IN}$ 为两个输入端之间的电压差值

运放的参数

开环电压增益

开环电压增益 $A_{uo}$ 表示运放工作在线性放大区下的放大倍数，用 dB 表示。

失调 / 偏移电压

失调电压 $V_{OS}$（Input Offset Voltage）有时候也称输入偏置电压。指的是运放输入端为 0V 的条件下，理想运放输出应为零，但实际运放输出不为零，则实际输出电压除以增益得到的等效输入电压称为失调电压。失调电压实际上反映了运放内部的对称性。

失调电压的影响因素有温度（对应失调电压的温漂）、电源波动（对应电源抑制比）。失调电压是直流偏置，会叠加在输出上，如果输出为交流信号，只需考虑叠加后是否会超过供电电压导致信号失真。

我们知道，同相放大器的放大公式是 $V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)$，如果考虑失调电压的影响，那么输出为 $V_{OUT}=(V_{IN}+V_{OS})(\frac{R_F}{R_G}+1)$。

失调电压温漂

失调电压温漂 $T_C V_{OS}$ 表示输入失调电压变化量与温度变化量的比值（芯片工作温度范围内）。

失调电压温漂会导致失调电压发生变化，影响运放输出。

输入失调电流

失调电流 $I_{OS}$ 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的差值。失调电流受制造工艺的影响。

$$
I_{OS}=I_{B+}+I_{B-}
$$

输入偏置电流

偏置电流 $I_B$ 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的均值。

$$
I_B=\frac{I_{B+}+I_{B-}}{2}
$$

偏置电流受制造工艺的影响，双极型工艺输入偏置电流在 10nA~1μA 之间；场效应管工艺输入偏置电流一般低于 1nA。

可通过在同相端增加匹配电阻，消除误差。

增益带宽积

增益带宽积 $GBW$（Gain–bandwidth product，GBWP/GBW/GBP/GB）指在某频率（一般为运放增益衰减 -3dB）下开环电压增益与测量频率（带宽）的乘积。

$$
GBW=A_{uo}*BW
$$

增益带宽积受运放内结电容的频率响应特性影响。在设计中如果发现高频信号增益大小受限，则必须选用 $GBP$ 参数较大的运放。

共模抑制比

共模抑制比 $CMRR$（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）指的是共模电压范围（$CMVR$）与此范围内的输入失调电压（$\Delta V_{O_{OS}}$）变化的比值，结果用 dB 表示。

$$
CMRR=20log(\frac{CMVR}{V_{O_{OS}}})
$$

共模抑制比受电路对称性（失调电流等参数）、线性工作范围的影响。此参数是为了表示差分放大电路抑制共模信号、放大差模信号的能力。共模抑制比高，意味着可以更加抑制共模输入的干扰信号，提高信噪比。

转换速度

转换速度 $SR$（Slew Rate，SR）也称压摆率。表示在大信号条件下，输出电压变化的最大速率。

$$
SR=2 \pi f V_{pk}
$$

其中，$f$ 为最大频率（一般为带宽），$V_{pk}$ 是放大输出信号的最大峰峰值。

转换速度用于评价运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数。当输入信号变化斜率的绝对值小于 SR 时，输出电压才按线性规律变化。

其他参数

共模电压范围 $CMVR$：也称为输入电压范围，如果两个输入端输入电压超出此范围，输出将发生削波或过大非线性现象。
全功率带宽：指在单位增益下测得的最大频率，在此频率下可以得到一个正弦信号的额定输出电压，且压摆率不会导致信号失真。
工作电源电压范围：运放正常工作时，能施加的电源电压范围。
电源抑制比 $PSRR$：电源电压的变化与输入失调电压的变化之比，结果用 dB 表示。
建立时间：施加一个阶跃输入后，放大器建立至某一预定的精度水平或输出电压百分比所需的时间。
电源电流：放大器空载工作时电源电压需提供的电流。

根据参数选型

根据参数挑选运放，大致有以下步骤：

判断输入信号类型：直流需注意失调电流、失调电压；差分输入需判断是否选择仪表放大器；高频交流信号需注意增益带宽积 $GBW$ 和转换速度 $SR$。
判断精度要求：需要考虑失调电压、偏置电流、失调电流、共模抑制比对精度影响，判断是否选用高阻运放或精密运放。
判断环境条件：需要注意运放的温度量程，注意温漂，注意电源纹波抑制比 $PSRR$ 的影响。
判断其他要求：通道数、单 / 双电源供电（轨对轨信号失真小，可满幅值输出）、功率大小（高压 / 大电流情况下）。

根据用途选型

按照用途，运放大致分为：

通用运放：对各类要求均不高的器件，注重通用与性价比。
音频运放：超低噪声（高保真）、低功耗（高续航）。
高速运放（$GBW ≥ 50 MHz$）：低功耗、低噪声 SNR。
功率运放：高电压、大电流。
精密运放（$V_{os} < 1mV$）：低失调电压，或低温漂、低噪声、低功耗、宽带宽。

参考与致谢

基本元器件 - 光电耦合器

光耦是将发光二极管（LED）和光电探测器集成于一个封装中的器件。

光耦的作用

在光耦中，一次侧（LED 侧）和二次侧（受光器件侧）是电绝缘的。因此，即使一次侧和二次侧的电位（甚至 GND 电位）不同，也可以将一次侧电信号传输到次级侧。光耦将两端电路隔离开来。

光耦的参数

LED 侧：

正向工作电压 Vf（Forward Voltage）：Vf 是指在给定的工作电流下，LED 本身的压降。常见的小功率 LED 通常以 If=20mA 来测试正向工作电压，当然不同的 LED，测试条件和测试结果也会不一样。
反向电压 Vr（Reverse Voltage）：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。在使用交流脉冲驱动 LED 时，要特别注意不要超过反向电压。
反向电流 Ir（Reverse Current）：通常指在最大反向电压情况下，流过 LED 的反向电流。
允许功耗 Pd（Maximum Power Dissipation）：LED 所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏 LED。
中心波长 λp（Peak Wave Length）：是指 LED 所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色 LED，会有几个不同的中心波长值。
正向工作电流 If（Forward Current）：If 是指 LED 正常发光时所流过的正向电流值。不同的 LED，其允许流过的最大电流也会不一样。
正向脉冲工作电流 Ifp（Peak Forward Current）：Ifp 是指流过 LED 的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动 LED，通常 LED 规格书中给中的 Ifp 是以 0.1ms 脉冲宽度，占空比为 1/10 的脉冲电流来计算的。

光敏三极管侧：

集电极电流 Ic（Collector Current），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（C-E Voltage），集电极-发射极所能承受的电压。
发射极-集电极电压 Veco（E-C Voltage），发射极-集电极所能承受的电压。
反向截止电流 Iceo
C-E 饱和电压 Vce(sat)（C-E Saturation Voltage）

传输特性：

电流传输比 CTR（Current Transfer Radio）：通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的百分比。
上升时间 Tr （Rise Time）& 下降时间 Tf（Fall Time）

隔离特性：

入出间隔离电压 Vio（Isolation Voltage），光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。
入出间隔离电容 Cio（Isolation Capacitance），光耦合器件输入端和输出端之间的电容值
入出间隔离电阻 Rio：（Isolation Resistance），半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

参考与致谢

存储器的分类

储器一般可以分为内部存储器（内存，RAM）、外部存储器（外存，ROM）、缓冲存储器（缓存，Cache）及闪存（Flash）极大类别。

内存 RAM

内存 RAM（random access memory）是随机存取存储器，存储单元的内容可以按照需要随机取出或者存入（不需要线性依次存储），存取数据比较快，掉电会丢失数据，容量相对小。一般 CPU（MCU）运行时会把程序从 ROM 拷贝到 RAM 里面执行，所以一般 RAM 是作为和 CPU（MCU）直接交换数据的内部存储器，也叫主存或者内存。

内存有以下的类别：

SRAM：静态随机存取存储器（Static RAM），具有静态存取功能。不需要刷新电路就能保存它内部存储的数据，特点是高性能、低集成度（占地面积大）、功耗大、速度可以非常快，但价格高、容量小。一般在 MCU 或者 SOC 会内置一小块 SRAM，用于高速缓存（Cache）。缓存是数据交换的缓冲区。当某一设备需要读取数据时，会首先从缓存中查找，如果找到了则直接运行，找不到才去内存中找。因为缓存的读写速度比内存快得多，故缓存的意义就是帮助系统更快地运行。
- PSRAM：伪静态存储器，内部自带刷新机制。
- SSRAM：同步静态随机存取存储器（Synchronous SRAM），有时钟线，读写以时钟信号为基准。
DRAM：动态随机存取存储器（Dynamic RAM），每隔一段时间固定对 DRAM 刷新充电一次，否则内部数据会消失。现在电脑用的 DDR 内存条都属于 DRAM。
- DARAM：双口 RAM，一个时钟周期可访问两次。
- SDRAM：同步动态随机存取存储器（Synchronous DRAM），数据的收发以时钟信号为基准。
  - SDR SDRAM：单倍速率（Single-Data-Rate）SDRAM，采用单端（Single-Ended）时钟信号，在时钟上升沿采样。
  - DDR SDRAM：双倍速率（Double-Data-Rate）SDRAM，在时钟上升下降沿采样，工作频率比 SDR 翻倍，采用差分的时钟信号以加强抗干扰。工作电压 2.5V/2.6V。
  - DDR2 SDRAM：内存时钟 200~533MHz，工作电压 1.8V。
  - DDR3 SDRAM：8bit 预取机制，内存时钟 400~1066MHz，工作电压 1.5V/1.35。
  - DDR4 SDRAM：16bit 预取机制，工作电压 1.2V。
  - DDR5 SDRAM：工作电压 1.1V。
  - GDDR SDRAM：图形 DDR，目前有 GDDR2~6。
  - LPDDR SDRAM：低功率 DDR，时钟 166MHz，LPDDR2 其工作电压 1.2V，时钟 100~533MHz。

DDR 三个版本的参数比较：

条目	DDR3	DDR2	DDR
工作频率	400/533/667/800 MHz	200/266/333/400 MHz	100/133/166/200 MHz
数据传输速率	800/1066/1333/1600 MT/s	400/533/667/800 MT/s	200/266/333/400 MT/s
预取位宽	8-bit	4-bit	2-bit
输入时钟类型	差分时钟	差分时钟	差分时钟
突发长度	8，4	4，8	2，4，8
DQS	差分数据选通	差分数据选通	单端数据选通
电源电压	1.5V	1.8V	2.5V
数据电平标准	SSTL_15	SSTL_18	SSTL_2
CL	5，6，7，8，9 时钟	3，4，5 时钟	2，2.5，3 时钟
ODT	支持	支持	不支持

外存 ROM

外存 ROM（Read Only Memory）也称为辅助存储器，不能与 CPU 之间直接进行信息交换。它的储存速度相对慢得多、但容量相对大，在简单的系统上常与内存配合使用，作为储存程序与其他文件的空间。

ROM 最开始是一次性的，只能写入一次，后续只能读取操作，数据掉电不会消失，如 CD-ROM、DVD-ROM，后面出现的 PROM、EPROM、EEPROM 可有条件地写入。

外存有以下的类别（按时间推进）：

PROM：可编程 ROM，内部是行列式熔断丝，可以自己写入一次，写错了，只能再换一片。
EPROM：紫外线可擦除，写入时需要用编程器产生高压脉冲信号。
OTP-ROM：一次可编程 ROM，写入原理与 EPROM 相同。
EEPROM：电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable），在 EPROM 的基础上进一步发展形成，可电擦除，可以按照字节操作，但是集成度不高、价格比较贵。

闪存 Flash

闪存 Flash 是一种长寿命的非易失性（掉电保存）的存储器，算是广义的 EEPROM，因为它也是可电擦除的 ROM，它与 EEPROM 最大的区别就是，只能按照扇区（block）操作读写，但其成本比 EEPROM 低。FALSH 分为 NOR FLASH 和 NAND FLASH。

闪存有以下的类别（按时间推进）：

NOR Flash：数据线和地址线分开，可以实现像 RAM 的随机寻址 / 读取功能，也就是说程序可以在 NOR Flash 上直接运行，不需要拷贝到 RAM 中。但容量小，分为 Parallel/Serial NOR Flash。
Nand Flash：数据线和地址线复用，不能利用地址线随机寻址，不能直接运行程序，容量大，有 SLC、MLC、TLC、QLC
MMC：MMC 接口、NAND Flash、主控制器
eMMC Flash：嵌入式存储解决方案，带有 MMC 接口（并行数据总线）、NAND Flash、主控制器
UFS：串行数据总线、Nand Flash、主控制器

其他知识

eMMC 的最新 5.1 标准理论最高值最高可以达到 400MB/s，UFS 的最大优势就是双通道双向读写，UFS3.0 接口带宽最高 23.2Gbps，也就是 2.9GB/s。
eMMC 的电路接口与 SD 卡是一样的，SD 卡只是焊接在 PCB 上，然后做上金手指和外壳。eMMC 支持 8 位和 4 位数据总线，SD 卡标准是 4 位数据总线。
eMMC 有两条总线，分别传输指令数据输入和输出，而且因为是并行总线还要有额外的 data strobe。而 UFS 则是有两条差分的数据 lane，指令和数据都是以 packet 的形式发送的。
SSD = 主控 + DRAM 缓存 + Nand Flash
eMMC = 主控 + Nand Flash + 标准封装接口

参考与致谢

其他器件-电源

航模电池

插头

无人机电池通用的插头是T型，也就是我们俗称的T插。随着电池放电性能越来越好，电子调速器的承受电流能力也越来越高，普通T型插头已经不能完全满足模友们的需求，于是有了XT60插头，它可以很好的承受巨大的电流输出，根据插头使用的金属成分不同，其电流耐受能力可从50A－120A之间变化，可以满足大多数无人机的需求。

参数S

在说到航模电池时，我们一般会说多少S电池。其中的S即为几片串联的意思。例如3S／2200mAh电池就是3片2200mAh的电池串联。

由于单片电池的电压为3.7V，所以通过电池的参数S，我们也可以得知电池的电压。例如，3S电池的电压为3*3.7V，即11.1V。

参数mAh

电池的容量是用毫安时mAh来表示，它指电池以某个电流来放电能维持一小时，例如1000mAh的电池理论上能保持1A的电流放电一小时。电池的mah值越大，电池的容量就越多。

电池的放电并非是线性的，但电池在小电流时的放电时间总是大于大电流时的放电时间，我们可以近似大致估算出电池在其它电流情况下的放电时间。

参数C

C指电池的放电倍率，指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值。C数越大，电池就越暴力。1C针对不同容量电池是不一样的。1C是指电池用1C的放电率放电可以持续工作1小时。

电池的放电能力，即最大持续电流＝额定容量*放电倍率C。例如3S／2200mAh／20C电池的最大持续电流就是2.2*20=44A。如果该电池长时间超过44A或以上电流工作，那么电池寿命会变短。

这个参数实际上就是体现的电池的放电能力

充电注意事项

充电电流：充电电流不得超过规格书中规定的最大充电电流（一般情况下为0.5~1.0C或以下），一般设1-2A的电流。使用高于推荐电流充电将可能引起电池的充放电性能、机械性能和安全性能的问题，并可能导致发热或泄漏。目前市场销售的5C电流充电的航模电池，建议也不要经常使用5C充电，以免影响电池寿命。

充电电压：充电电压不得超过规定的限制电压（4.20V/单体电池），4.25V为每只节充电电压的最高极限。

充电温度：电池必须在产品规格书规定的环境温度范围内进行充电，否则电池易受损坏。当发现电池表面温度异常时（指电池表面温度超过50℃），应立即停止充电。

电池维护

电池使用后如在3天内没有飞行任务，请将单片电压充至3.80~~3.90V保存。再有充好电后因各种原因没有飞，也要在充满后3天内把电池放电到3.80~~3.90V保存。

电池应放置在阴凉的环境下贮存，长期存放电池时（超过3个月）最好能放在密封袋中或密封的放爆箱内，建议环境温度为10~25°C，且干燥、无腐蚀性气体。

电池的外皮对于电芯是起保护作用。是防止电池爆炸和漏夜起火的重要结构。所以尽量避免把电池外皮刮破。电池要轻拿轻放，在飞机上固定电池时，扎带要束紧。因为会有可能在做大动态飞行或摔机时，电池会因为扎带不紧而甩出，这样也很容易造成电池外皮破损。

保护外皮的同时也要防止电池的短路。电池短路往往发生在焊线维护以及运输过程中。所以当发现使用过一段时间后电池出现断线的情况需要重新焊线时，特别要注意电烙铁不要同时接触电池的正极和负极。另外运输电池的过程中，最好的办法是，把电池都单独套上自封袋并置于防爆箱内，防止因运输过程中，因颠簸和碰撞导致某片电池的正极和负极同时碰到其他导电物质而短路或破皮而短路

其他器件-连接器

连接器根据所连接的对象的不同，其种类分为多种：

其中我们这里主要了解板对板连接器、板到线连接器。

引脚间距是指两个相邻引脚中心之间的距离。下图中显示的是同一排相邻引脚间距的测量和两排之间引脚间距的测量。请注意，在这个例子中，同一排相邻引脚间距的测量和两排之间引脚间距是不一样的。同一排相邻引脚间距的测量和两排之间引脚间距可以相同，所以连接器一定要仔细检查这两个参数。

公插针和母插口(排针和排母)

排针连接器是一个可以固定在 PCB 上并带有公插针的连接器。这些连接器也称为 Berg、Bergstides 或Bergstik 连接器。

接头与“针座，公插针”一样，是一个固定在 PCB 上的连接器，但这些接头具有母插口，而不是公插针。

主要的参数

间距
这是从一个端子的中心到其旁边端子的中心的测量值。常见的节距测量值为2.54mm（0.1英寸）、2.0mm（0.079英寸）和1.27mm（0.05英寸），但有许多其他选项可用。

排距
与间距类似，排距是从一行中心到下一行中心的测量值。通常情况下，该测量值与间距匹配，但由于情况并非总是如此，因此应进行测量来验证。
针位数
这通常基于一个连接器中的总针数，而不是每行的针数，并以相同的方式进行测量。在前一张照片中，所示的连接器被认为是16针，尽管它每行有8针。在商城之中，可能会看到以网格格式描述或指定的连接器，例如上图中的“2x8”。“2x8”“1x16”和“16位针座”都具有相同的位置数。
方向
这里的方向指的是排针的方向。

针座最常见的方向是垂直方向，其中端子与PCB垂直，但许多应用要求连接器为直角，其中端子平行于PCB表面。了解你的项目所需有助于大大缩小搜索选项。示例如下。

这里主要的区别在于连接线与 PCB 之间的方向。对于卧式连接器来说线是平行于 PCB 表明的；对于立式连接器来说，线是垂直于 PCB 表面的。
安装类型

连接器如何固定到PCB上称为安装。最常见的安装方法是表面安装（在 PCB 表面上，安装端子到焊盘）和通孔（端子穿过PCB中的孔并从后部焊接到位）。
表面处理

在大多数情况下，对针座中的端子进行电镀，以减少端子随时间腐蚀或氧化的机会，从而抑制其导电性。最常见的电镀选择是纯锡或金。金具有最好的耐腐蚀性或抗氧化性，以及更好的导电性，但它会增加产品的成本，并且不像锡那样适合重复的配合周期，因为有些配合周期会磨损。镀金层越厚，它能够承受的交配周期就越多，但成本也会相应增加。
护罩

针座可以有塑料壁。护罩可以保护端子，当不连接时、可以用于匹配或用于机械闭锁目的。护罩可以位于连接器的一侧、两侧（通常相对）、三侧或全部四侧。
夹具

有一些连接器是具有夹具的。这些带有夹具的一般都是为了方便接线使用的。

杂项

由于连接器的种类实在繁多，所以在很多时候我们可以通过不同的连接器的组合使用来达到我们想要的目的。

特别是杜邦线的使用，杜邦线的两边都可以使用不同的连接器进行连接，这样可以达到更高、更好的连接性。例如：

一边针座连接器，一边是引出的引脚
两边都是针座连接器
两边都是引出的引脚

参考资料

https://www.digikey.cn/zh/forum/t/topic/2394

其他器件-保险丝的选型

通用选型

耐压值（最大电压）：需大于电源的电压，并留合适的余量。
额定电流：需大于正常使用时的工作电流（额定电流非熔断电流）。
工作温度：留余量 25% 以上。
电压降/冷电阻：一般越小越好（功率损耗小）
熔断特性：保险丝最主要的电性能指标。表示当电流超额时，熔体温度逐渐上升，直至最后保险丝被烧断。根据熔断特性不同，可以把保险丝分为快速型和延时型。延时型常用在电路状态变化时有较大浪涌电流的感性或容性电路中，能承受开关机时浪涌脉冲的冲击；快速型常用在阻性电路中，保护一些对电流变动特别敏感的元器件。
分断能力：表示在规定的电压下，保险丝能安全地切断的最大电流。

PPTC 选型

自恢复保险丝（PPTC，Polymeric Positive Temperature Coefficient）正常工作时电阻很小（压降很小），当电路出现过流使其温度升高时，电阻急剧增大几个数量级，使电路中的电流减小到安全值以下，从而使后面的电路得到保护，过流消失后自动恢复为低阻，免除电流保险丝经常更换的麻烦。

参数：

最大电压 $V_{max}$（Rated Voltage）：额定电流下可承受的最大电压。
最大电流 $I_{max}$（Maximum Current）：额定电压下可承受的最大电流。
保持电流 $I_{hold}$（Hold Current）：不动作（不会使电阻值突变）的最大电流。
触发电流 $I_{trip}$（Trip Current）：发生动作（使电阻值突然变大）的最小电流，一般为保持电流的两倍。
动作功率 $P_d$（Typical power）：动作状态下的消耗功率。
最大动作时间 $T_{trip}$（Max Time to Trip）：规定电流下的最大的动作时间。
静态电阻 $R_{i_{min/max}}$（Resistance Tolerance）：焊接前初始阻值。
焊接一小时后电阻 $R_{1_{max}}$：焊接 / 跳闸一小时后的最大阻值。

参考与致谢

常见的芯片封装

QFN封装

比较特殊的有QFN封装的芯片，这类芯片不同点在于其芯片下方又有一些焊盘用以接地。由于在芯片的下方，所以不好焊接。但是其一般旁边都会开一些过孔，用以方便焊接。

QFN是一种无引线四方扁平封装，是具有外设终端垫以及一个用于机械和热量完整性暴露的芯片垫的无铅封装。

在芯片底部大多数会设计一块较大的地平面，对于功率型IC，该平面会很好的解决散热问题，通过PCB的铜皮设计，可以将热量更快的传导出去，该封装可为正方形或长方形。

封装四侧配置有电极触点，由于无引脚，贴装占有面积比QFP 小，高度比QFP 低，为目前比较流行的封装类型。

中间GND的功能有两种

方便更好的散热，
有足够的接地面积可以保证上下电的平滑稳定

解决方法是：

常见的焊接方法一般是使用“铁板烧”或者是热风枪。
如果底部是一个比较大的大焊盘的话，还可以通过在底部开窗的方式来解决：

DIP封装

DIP是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，这种芯片封装已经有很多年的历史，如51单片机、AC-DC控制器、光耦运放等都在使用这种封装类型。

采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，可以通过专用底座进行使用，当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接，对于插在底座上使用，可以易于更换，焊接难度也很低，只需要电烙铁便可以进行焊接装配。

LQFP/TQFP封装

PQFP/TQFP封装的芯片四周均有引脚，引脚之间距离很小、管脚很细，用这种形式封装的芯片可通过回流焊进行焊接，焊盘为单面焊盘，不需要打过孔，在焊接上相对DIP封装的难度较大。

目前许多单片机和集成芯片都在使用这种封装，由于此封装自带突出引脚，在运输焊接过程中需要小心，防止引脚弯曲或损坏。

LGA封装

LGA封装为底部方形焊盘，区别于QFN封装，在芯片侧面没有焊点，焊盘均在底部。这种封装对焊接要求相对较高，对于芯片封装的设计也有很高的要求，否则批量生产很容易造成虚焊以及短路的情况，在小体积、高级程度的应用场景中这种封装的使用较多。

BGA（球栅阵列）封装

随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。

BGA封装是一种电子元件封装技术，它是指将电子元件封装在一个多层、由金属和陶瓷组成的球形结构中，以提供更好的热传导性能和更小的封装尺寸。

BGA封装可以提供更多的连接点，比普通的插件封装多出几倍，因此可以提供更高的信号完整性和更低的电阻。

BGA封装还可以提供更高的功率密度，以及更低的电磁干扰（EMI）。

SO封装

SO类型封装有很多种类，可以分为：SOP(小外形封装)、TOSP（薄小外形封装）、SSOP (缩小型SOP)、VSOP（甚小外形封装）、SOIC（小外形集成电路封装）等类似于QFP形式的封装，只有两边有管脚的芯片封装形式，该类型的封装是表面贴装型封装之一，引脚从封装两侧引出呈“ L” 字形。

该类型封装的典型特点就是在封装芯片的周围做出很多引脚，封装操作方便、可靠性比较高、焊接也比较方便，如常见的SOP-8等封装在各种类型的芯片中被大量使用。

杂项

单端信号是指在一条走线上传输信号，然后使用一个共同的参考平面作为信号的返回路径。当我们在电路板上布线时，接地平面是信号的返回路径，这就是单端信号。大多数 PCB 网络都是这样布线的。然而，这种布线方式有一个问题：随着传输线速度提高，单端信号可能会受到一些问题的影响，包括串扰噪音和电磁干扰 (EMI)。此时，差分信号就派上了用场。

什么是差分线对？在进行 PCB 设计的时候，我们常常会在 EDA 软件中看到 “差分线对” 这个选项。所以，什么是差分线对？

差分线用通俗的话讲，用两条平行的、等长的走线传输相位差180度的同一信号。说白了，就是一根线传输正信号，一根线传输负信号。正信号减去负信号，得到2倍强度的有用信号。而两根线路上的干扰信号是一样的，相减之后干扰信号就没了。

由上，我们可以知道差分线对的作用主要是抗干扰

差分线与普通线相比的优势：

抗扰能力强
能有效抑制EMI
时序定位精确的优势。

放置插分线的要求：

两根线等长
两根线等宽
紧密靠近
在同一层面的两根线。

差分线的应用：

扇出

将电线从焊盘处引出，使用过孔作为一个端点。如图下所示：

其实扇出主要应用于多层板上

下图可以看到需要保证平面的完整性。所谓的平面的完整性通常指的是平面上敷铜的完整性，可以保证信号回流通畅。因为孤铜是需要删去的。

出线

关于出线的问题

一定要做到垂直于焊盘进行出现，这样可以保证信号回流通畅：

上面三张图体现出了出线的位置。

单数板和双数板

为什么只看到过双数层板，但是却没有看到过单数层数板呢？
-双数层板内部的应力可以相互抵消，使得双数层板更加不易变形。同理使用单数层板无法做到这一点，为了使得板子有更好的物理性能，一般使用双层版。

EMC和EMI

EMC

EMC 中文称之为 ”电磁兼容性“。是指电气元件、设备和系统在其环境中按设计运行的能力。

EMI

EMI 中文称之为 ”电磁干扰“。是指电气设备、系统或电路在正常工作过程中，由于其自身的电磁环境、环境噪声、电磁波干扰等原因而引起的信号失真、失真、失

0欧电阻和标注了 nc 的电阻

0欧姆电阻的作用和意义

功能

跳线：美观且安装方便。
混合电路接地：数字和模拟地分开，单点连接，便于处理大面积铺铜，注意这个功能，0欧电阻通常被用来隔离数字地和模拟地。
保险丝：过流时熔断，防止更大事故。
调试预留：根据需要决定是否安装或选择其他值。
配置电路：固定焊接，防止用户随意修改配置。

规格

按功率分，如1/8瓦，1/4瓦等。

详细应用

模拟地和数字地单点接地：避免互相干扰，使用0欧姆电阻连接。
跨接电流回路：提供较短的回流路径，减小干扰。
配置电路：代替跳线和拨码开关，减少维护费用。
其他用途：
- 跨线调试/测试。
- 临时取代其他贴片器件作为温度补偿器件。
- EMC对策，如地与地、电源和IC Pin间。

其他特点

0欧姆电阻比过孔的寄生电感小，不影响地平面。

NC（No Connection）的意义

表示该元件可以不安装，安装后电路可能有额外功能或性能变化。
用于通用PCB板，通过不同元件装配生产不同产品型号。

技术细节

0欧姆电阻在电路设计中扮演重要角色，特别是在混合信号电路、高频信号处理和EMC对策中。
NC标记在电路设计中用于灵活性和成本效益，允许制造商使用通用PCB板生产不同产品。

常见的英文简称

项目经验总结

这个都是我通过学习别人的项目学习到的知识点。

很多的 diy 项目在使用电池的时候一般都是直接将引脚焊接在 pcb板上面的，但是我感觉这样对于一个 diy 项目来说是可以的，但是如果是一个商业产品的话应该是很难使用的。但是，也有的项目会使用专门的航模电池接口，也有一些直接在 pcb板上添加一个焊盘
1. 航模电池接口
2. 直接使用焊盘，或者是使用测试点。使用测试点的好处是有利于布线，因为测试点是需要连线的，但是直接使用焊盘是无法连线的。
  1. 注意需要在焊盘上放置过孔
  2. 使用测试点
横着使用的排插
1. 其实就是将排插横着焊
多板连用的方法
1. 通过使用下面这种排线连接
  1. 线对板针座
2. 进行物理连接，使用尼龙柱或者M3转M2的避震柱
  
  在原理图中放置螺丝
3. 打孔，一般打孔的方式有两种。一种是直接使用焊盘，另一种是直接挖孔
4. 直接使用焊盘，注意使用这种方法的时候需要将图层调到多层，而不是某个单一的层
5. 直接使用挖空功能
在 pcb板布线的时候，可以在 pcb板上放置大量的过孔。提高板子的散热能力，降低阻抗
如果是多层板的话，可以减少布线，转而使用过孔、铺铜来代替布线，这样可以减少过线长度
1. 在焊盘上放置过孔，然后铺铜。
绘制顶层、底层阻焊层，作用是 pcb板上的绿色的一层阻焊层挖掉，这样会露出里面的铜层，如果里面有的话。有利于散热。
在阻焊层中绘制图形会导致该图形中的阻焊层被去掉
在电源线中，可以直接使用铺铜来替代布线。这样可以提高负载。