当前位置：首页 > news >正文

day01电路基础

news 2025/9/23 7:20:45

1.电路基础

1.1欧姆定律

电路最基础的就是欧姆定律。这个不清楚的就去翻一下其他的教材，这里我就不再交了。

1.2常用元器件-电阻

1.2.1电阻概述

电阻是电路设计中最为常用的元件之后，主要用于电路保护。降压，限流等一些列操作，同时特殊电阻可以实现传感器功能。

电阻的分类有以下这些：

1.2.2电阻串联和并联

串联 : 电阻和其他元器件在电路中采用串联方式，电阻此时主要功能是【分压 + 限流】操作，可以降低后续元器件的电压和电流。一般用于电路中对于供电模块后续元件保护和功能实现。

电阻承担一定电压和电流，会产生热效应，将对应的电功率释放。

并联：电阻和电阻并联处理，他们直接的电压一致，整个并联电阻对外的电阻效应会有一定程度的降低。

电阻并联的主要作用：

分流计算公式：

多电阻并联

两个电阻并联

降低总电阻
增加电路的可靠性
调节电路参数

1.3电容

1.3.1电容概述

电容（Capacitance）是指在给定电位差下自由电荷的储藏量，记为 C，国际单位是法拉（F）。从物理本质来讲，电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量。简单来说，电容就像一个可以储存和释放电荷的“小水库”，能够在电路中起到储存电能、滤波、耦合、旁路、调谐等多种作用。

构成：电容器一般由两个彼此绝缘且相互靠近的导体组成，这两个导体被称为极板，中间的绝缘物质则称为电介质。例如常见的平行板电容器，就是由两块平行放置的金属板中间夹一层绝缘介质构成的。
原理：当在电容器的两个极板上加上电压时，电荷会在电场的作用下分别聚集到两个极板上，一个极板带正电荷，另一个极板带等量的负电荷。极板上所带的电荷量 Q 与两极板间的电压 U 成正比，其比值就是电容 C。

常用单位

1F ==> 1000 mF
1mF ==> 1000 uF
1uF ==> 1000 nF

1.3.2电容降压

电容电气元器件特征【阻直流，通交流】。
以下公式是电容的阻抗公式，或者可以认为是等效电阻公式。其中核心数据
- F ==> 频率，例如交流电是 50Hz，如果采用直流电，F ==> 0，根据计算公式分母为 0，可以认为当前电容的阻抗【无穷大】，电容无法通过直流电。
- C ==> 容量
特定情况下，电容可以充当电阻使用【要求】必须是交流电。

下面有一个电容阻抗替换电阻电路设计：

如果使用电阻，则需要2100Ω，如果使用电容的话，只需要1.51μF就可以了。

电容并联电阻效果：

同时并联的较大电阻100MΩ，对应整个电路中的阻抗影响很小，并不会导致太多的电阻降低，依然保持 2100Ω的电阻特征，可以保证电路正常使用。

1.3.3高通滤波器

当前电路中，电容充当整个电路的限制滤波元件，有且只允许高频电流通过（根据上面的公式，电容固定的话，频率够高，才能够使容抗足够的小，才能够通过），不允许直流电通过，因为直流电对于电容而言是阻抗无穷大！！！

高通滤波器限制直流电：

1.3.4旁路滤波

利用电容【通交流，阻直流】特征，可以在需要稳定直流电输入的元器件之前，利用电容进行滤波操作。

为什么大电容过滤低频信号？

因为根据公式，频率越小，容抗越大，所以这时候需要用大电容，使容抗变小，使一些低频信号导入到地里。

为什么小电容过滤高频信号？

根据公式，评率越大，容抗越小，导致一些特别的高频很容易得就导入地里，

高频信号的特点是频率 f极高（如几百kHz到几十MHz，甚至GHz）。对于这类信号，小电容的容抗 XC会因以下两个因素变得极小，从而为高频信号提供一条“低阻抗到地路径”，使其被快速旁路：

1. 小容量 C放大了高频 f对容抗的削弱作用

从公式可知：

当 f很高（如10MHz）且 C很小（如10nF=10⁻⁸F）时，分母 2πfC的数值会被显著放大（f大 × C小，但 f的增大速度远快于 C的减小速度）。
分母越大，XC越小 → 电容对高频信号的“阻碍作用”越弱，高频信号能“轻松”通过电容流入地。

2. 对比大电容：小电容在高频下的容抗更小

大电容（如100μF=10⁻⁴F）虽然容量大，但在高频下，其容抗反而可能不如小电容小。例如：

高频场景（f=10MHz=107Hz）：
- 小电容 C=10nF：
- XC=1.6Ω
- 大电容 C=100μF：
- XC≈0.016Ω

看似大电容容抗更小，但实际中大电容的寄生电感（ESL）会抵消这一优势

寄生电感对高频滤波的影响

电容并非理想元件，实际中存在等效串联电感（ESL）（由电容引脚、封装材料等引起）。ESL对高频信号的影响不可忽视：

ESL的感抗公式为（L为ESL值，单位：H）。
高频下，XL会随 f升高而显著增大，导致电容的总阻抗 Z=XC+XL可能反而增大（当 XL>XC时）。

小电容为何能避免这一问题？

小电容（如陶瓷电容）的结构紧凑，引脚短，ESL极小（通常仅几nH）。因此，在高频段（如10MHz~1GHz），小电容的 XC仍远小于 XL，总阻抗 Z主要由 XC主导，保持低阻抗状态。

而大电容（如电解电容）的ESL较大（可能达几十nH~μH），在高频下 XL会超过 XC，导致总阻抗上升，无法有效滤除高频噪声。

实验案例

假设电路中存在一个10MHz的高频噪声信号（幅值1V），需滤除该噪声：

无滤波电容时：噪声直接耦合到后级电路，可能干扰MCU等敏感器件工作。

并联10nF小电容时：电容对10MHz信号的容抗 XC≈1.6Ω（极小）；噪声电流 I=V/XC=1V/1.6Ω≈0.625A，大部分噪声电流通过电容流入地，后级电路仅残留极小的噪声电压（V残留=I×R地，R地为地线电阻，通常很小）。

1.3.5MCU之间信号耦合

芯片和芯片直接进行通信操作，一般情况下都是通过信号方式传递，信号一般都是带有特定频率的电流。但是一般情况下会带有直流电或者低频信号干扰。利用电容高频导通特征，就满足仅通过高频信号，低频或者直流信号被电容阻拦，保证芯片之间通信的稳定性。

1.3.6RC延迟电路

利用 R 电阻 + C 电容电气元件特征，实现电路设计。

可以满足电气元件电流/电压稳步上升操作，保护元件。

1.4二极管【重点】

1.4.1二极管概述

P型半导体
定义：也称为空穴型半导体，是指在本征半导体（如硅、锗等纯净的半导体）中掺入少量三价杂质元素（如硼、铟等）后形成的半导体。
形成过程：以硅为例，硅原子最外层有四个价电子，当掺入三价的硼原子时，硼原子与周围的硅原子形成共价键，由于硼原子只有三个价电子，所以在一个共价键上会缺少一个电子，从而形成一个空穴。这些空穴就成为了P型半导体中的主要载流子。

N型半导体
定义：又称电子型半导体，是在本征半导体中掺入少量五价杂质元素（如磷、砷等）后形成的半导体。
形成过程：同样以硅为例，当掺入五价的磷原子时，磷原子的五个价电子中有四个与周围的硅原子形成共价键，剩下的一个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚，成为自由电子。这些自由电子就成为了N型半导体中的主要载流子。