电子电路基础

#基本概念

• 电荷 Q 单位库伦 C
• 电场
• 电流
  • 1A = 1C/s
  • 电流方向
    • 直流电流 DC
    • 交流电流 AC
    • 混合电流: 直流分量=平均值, 交流分量=偏离值
• 基尔霍夫电流定律 KCL
• 电压定律
• 电动势 单位伏特 V
  • 描述其他能量形式转化为电能的能力
• 电源 提供电动势
  • 恒压源
  • 恒流源
  • 信号源
• 电压 单位伏特 V
  • 描述两点之间的电位差
  • 描述电能转化为其他能量形式的能力
  • 1V = 1J/C
  • 电位=对地电压
    • 参考地 G 电位为 0
• 功率 P
  • 电路释放能量的速率
  • 1W = 1J/s = 1V*A
  • P<0 表示电路从外界吸收能量 释放电压和电流
    • 例如 电容 电感
• 信号
  • 带有信号的随时间空间变化的电压或电流
  • 确定性信号
  • 随机信号
  • 伪随机信号

#电容

• 单位
  • 法拉 F
  • 1F = 1C/V
  • 物理意义: 电容器两极板上的电荷量与电压之比
• 时间常数
  • 电容器充放电时间常数$\tau = R*C$
  • 物理意义: 电容器充电到额定电压的 63.2% 所需时间
  • 一般取 5$\tau$ 为充放电时间
• 注意事项
  • 高耐压电容充满电后 不能上手触摸 有触电危险
  • 泄放电阻(bleeder resistor): 并联在电容器上的大电阻 用于释放电容器上的电荷
  • 使用前应先放电

#半导体

• 本征半导体
• 掺杂半导体
  • N 型半导体
  • P 型半导体

#二极管

• 特性
  • 正向低电压：不导通，死区
  • 正向高电压：导通
  • 反向低电压：不导通
  • 反向高电压：击穿
• 主要参数
  • 阈值电压: 硅 0.5V 锗 0.1V
  • 正向电压降 Vf: 硅 0.7V 锗 0.2V
  • 最大整流电流 Ir: 可稳定工作的最大正向电流
  • 反向击穿电压 Vr
  • 反向峰值电压 VRM: 可稳定工作的最大反向电压，一般为 Vr 的 1/2
  • 反向峰值电流 IR: 反向峰值电压时的电流
• 理想二极管模型
  • 正向导通 电压降为 0
  • 反向不导通 电流为 0
• 温度特性
• 应用
  • 限幅
  • 钳位电路: 结合电容
• 稳压二极管
  • 特点: 反向击穿后, 不管反向电流怎么增加, 电压基本不变
  • 用法: 反向并联在负载上
  • 作用: 保护电路不受过高电压的影响
  • 主要参数
    • 稳定电压 Vz
    • 稳定电流 Iz
    • 动态电阻 rz

#三极管 BJT

• 结构
  • 集电极 Collector
  • 发射极 Emitter
  • 基极 Base
• 类型
  • NPN
  • PNP
• 特性
  • 输入特性
    • $i_B = f(v_{BE})$
  • 输出特性
• 应用
  • 作为开关
  • 作为放大器

#电路系统

• 系统属性
  • 线性/非线性: 线性系统满足叠加性和均匀性
    • 叠加性 f(x1+x2) = f(x1) + f(x2)
    • 均匀性 f(ax) = af(x)
  • 时变/时不变: 时变系统的输出取决于输入信号的时间
    • f(x(t)) = y(t) != f(x(t-t0)) = y(t-t0)
  • 记忆/无记忆: 记忆系统的输出取决于输入信号的历史
    • 记忆: 电容
    • 无记忆: 电阻
  • 线性时不变(Linear Time-Invariant, LTI)系统
• 黑箱、端口与网络
  • 端点: 从电路网络中引出的一个点 用于测量或者构建更大的网络
  • 端口: 电流始终相反的一对端点 (其中的部分当成一个黑箱)
  • 端口条件: 一个电路系统只有能够定义出端口，才能够套用电路模型分析; 否则只能用电磁场方程求解
  • 多端口网络: 一个网络中有多个端口
    • 一般有一个接地端点
  • 电路功能一般是通过端口电量关系方程描述的
    • 流控网络: 电压随电流按固定规律变化 因此通过改变电流控制电路
    • 压控网络: 电流随电压按固定规律变化 因此通过改变电压控制电路
• 端口连接
  • 串联: 电流相同 电压相加
  • 并联: 电压相同 电流相加
  • 对接: 电压电流都相同
• 有源(active)网络: 能够自端口向外提供电能量
  • 太阳能二极管
  • 初始 v>0 的电容
  • 初始 i>0 的电感
  • 否则是 无源(passive)网络
• 理想电源
  • 理想电压源: 电压不随电流变化 v(t) = V
  • 理想电流源: 电流不随电压变化 i(t) = I
  • 理想电阻 i(t) = v(t)/R
  • 电导 G = 1/R
• 线性内阻电源 真实电源的简化模型
  • 元件约束条件$\frac{i(t)}{I_{S0}} + \frac{v(t)}{V_{S0}} = 1$
  • 正弦波电源$\frac{i(t)}{I_{Sp}} + \frac{v(t)}{V_{Sp}} = cos(\omega t)$
  • 电压源(戴维南形式)$v(t) = V_{S0} + R*i(t)$
  • 电流源(诺顿形式)$i(t) = I_{S0} - \frac{v(t)}{R}$
  • 等效电路
• 等效电阻
  • 短路 v(t)=0
  • 开路 i(t)=0
  • 开关 关闭时相当于短路，开启时相当于开路
  • 受控开关 有两个端口 端口 1 控制端口 2 的导通
    • 逆变器 直流电源转交流电源
    • 整流器 交流电源转直流电源
  • 二极管
    • 正向 i 随 v 接近指数增长
    • 简化模型相当于受控开关 或者两段折线
    • 分析方法 图解法
  • 负阻二极管
    • 隧道二极管
    • 肖克利二极管
  • 晶体管
    • 非线性三端元件: 栅极 Gate 漏级 Drain 源级 Source
    • 压控电阻特性 G 段电压控制 D-S 电阻
    • 反相电路
• 电源
  • 发电机 恒压源
  • 直流电池 近似恒压源
  • 太阳能电池 恒流源
  • 光电二极管 信号源
  • 接收天线 信号源
  • 信号发生器
  • 噪声源
    • 电阻热噪声

#电路基本定律和定理

• 基尔霍夫定律
  • 电流 节点流入=流出$\sum_{k=1}^{n}i_k = 0$
  • 电压 环路电压总和=0$\sum_{k=1}^{n}v_k = 0$
• 戴维南定理 包含独立电源的单端口线性电路 等效于 一个恒压源串联一个电阻
• 诺顿定理 包含独立电源的单端口线性电路 等效于 一个恒流源并联一个电阻

#电路元件

• 电阻
  • $u(t) = R*i(t)$
• 二极管
  • PN 结 阳极 阴极
  • 正向$i(t) = I_s(e^{v(t)/V_T}-1)$
    • 电压超过门槛值时导通 导通后电流随电压指数增长
  • 反向几乎不导通 超出反向击穿电压后导通
    • 作为稳压二极管
• 电容
  • $q(t) = C*v(t)$

#模拟电路

• 按照关系
  • 线性电路
  • 非线性电路
• 按照功能
  • 放大
  • 滤波
  • 比较
  • 混频
  • 电源管理
  • 信号处理

#放大电路

• 功能: 放大输入信号的幅度以便后续处理
• 应用: 构成滤波、振荡、稳压等功能电路的基本单元电路
• 分类
  • 线性/非线性放大电路
  • 电压/电流/…放大电路
• 电路图标识: 三角符号
  • 信号输入
  • 信号输出
  • 工作电源
• 基本模型
  • 电压放大
  • 电流放大
  • 互阻放大
  • 互导放大
• 分析方法
  • 戴维南模型
  • 诺顿模型
• 性能指标
  • 输入电阻
  • 输出电阻
  • 增益 电压增益 电流增益 单位分贝
  • 频率响应
    • 幅频响应 相频响应
    • 通频带
    • 线性失真: 幅度失真 相位失真
• 多级放大电路
  • 电路分析
• 集成运放: 高增益 低输入输出阻抗
  • 电压传输特性
  • 负反馈电路: 降低增益 提高稳定性
    • 输出处理后反馈到输入端
    • 负反馈: 实现振荡器
  • 内部结构
    • 差分放大电路
    • 共模抑制: 抑制共模信号(一般是噪声或者零点漂移)
    • 功率放大电路
    • 静态分析
• 理想运放
• 应用
  • 比例放大
  • 加减运算
  • 积分微分
  • 电压比较器
  • 波形发生器