硬件电路及电子元器件基础知识

1硬件电路及电子元器件基础知识1基本概念1.1常用电量1.1.1电流电荷的定向运动成为电流，用I表示，单位是安培（A），也常用mA（1A=1000mA，电子元器件运行时其中电流通常在mA量级）、μA（1mA=1,000μA，电子元器件低功耗待机状态时电流通常在μA，长时间积累可使电池耗尽）等单位。电流所意味的电荷定向运动为电路的运行提供能量，只有当电流存在时电路中的元器件才能工作，并且电流也是驱动机电系统中机械部件的动力，使电磁原理工作的设备产生磁场，此外照明、加热等电气设备的运行也必须依靠电流提供能量。电流通常通过电流表（万用表中包含电流表功能）串联在测点两端直接接触测量，也可以通过霍尔器件通过电磁原理进行非接触式测量（示波器所使用的电流钳）。1.1.2电压河水之所以能够流动，是因为有水位差；电荷之所以能够流动，是因为有电位差。电场中两点之间的电位差就是电压，电压是形成电流的根源，有电压存在自由电荷才能在电场力作用下运动。在电路中，电压常用U表示。电压的单位是伏（V），也常用毫伏（mV）、微伏（μV）做单位。1V=1000mV，1mV=1000μV。电压有直流和交流两种形式，交流电压通常使用有效值，即在同样的负载中产生与直流电压同样功率时，对应的直流电压。电压通常通过电压表（万用表中包含电压表功能）并联在测点两端直接接触测量，测量时需要设定交流档或直流档22无源元件2.1电阻2.1.1简介器件特性为阻碍电流通过并消耗能量，通常以R代表，单位是欧姆（Ω），数学模型：I=V/R，即欧姆定律。电阻消耗的电能转化为热量，功率P=I2R=V2/R。电阻是一种耗能器件，无储能作用，其伏安特性与时间无关，是线性变化的，属于线性器件。电阻按制造方式分有金属膜电阻、绕线电阻、碳膜电阻、水泥电阻等，还有一类电位器，即可调电阻，如滑线变阻器、电位盘等。2.1.2指标电阻主要指标如下：1)阻值。通常采用标称值，并非任何数值都用，标称值与精度有关，电阻产品的阻值为“标称值×10N”，N为整数（从0开始）。例如最常用的10%精度电阻有1Ω、10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ、1MΩ、1.2Ω、12Ω、120Ω、1.2KΩ、12KΩ、120KΩ、1.2MΩ等，但不会有1.3Ω、13Ω、130Ω，1.3标称值的电阻需要5%精度系列产品中寻找。此外，还有更高精度如1%、0.5%、0.1%等精密电阻，这些精密电阻包含有更多的阻值，而且可以根据需要订制特殊阻值产品。表格2-1常用电阻标称值精度标称值5%1.0，1.1，1.2，1.3，1.5，1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.7，3.0，3.3，3.6，3.9，4.3，4.7，5.1，5.6，6.2，6.8，7.5，8.2，9.110%1.0，1.2，1.5，1.8，2.2，2.7，3.3，3.9，4.7，5.6，6.8，8.220%1.0，1.5，2.2，3.3，4.7，6.82)精度（允许误差）。即电阻实际阻值与标称值之间的最大偏差范围，通常以百分数表示，如1%、5%、10%等。3)额定功率。即电阻在通电后可承受的最大功率，以W表示，按照P=I2R=V2/R计算。通常使用1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等方式表示。额定功率严格的定义是：在此功率下工作，在规定环境温度和湿度下，空气不流通条件下，长时间加电持续运行时电阻不损坏且基本性能不改3变。4)最大电流和电压。考虑到可靠性降额以及使用中可能发生的浪涌或瞬变电压情况，应该选择有足够高的最大电压和电流的电阻。5)封装形式。最常见的是贴片封装（按长度宽度表示，如1206、0805、0603等，单位为英寸inch，电路设计时常用mil，即1/1000inch）、轴向安装封装（按引线直径表示，如AXIAL0.8、AXIAL0.6，单位为毫米mm）。也有些大功率电阻采用机械安装形式，通过导线连接。图表2-1电阻贴片封装图表2-2电阻轴向封装6)降额设计。元器件使用中承受的应力（电应力、热应力等）低于其额定值，以达到延续其参数退化，提高使用可靠性目的。通常以比例系数表示。表格2-2航天器元器件降额标准降额参数降额等级IIIIII电压0.750.750.75功率0.50.60.7环境温度按元件负荷特性曲线降额2.1.3电阻常用电路设计42.1.3.1分压图表2-3电阻分压电路2.1.3.2串联匹配图表2-4电阻串联匹配电路2.1.3.3上拉/下拉5图表2-5电阻上拉/下拉电路2.2电容2.2.1简介电容用于存储电荷，通常用C表示，单位是法（F），F是一个很大的单位，常用的是微法（μF）、纳法（nF）、皮法（pF），数学模型：C=Q/U，1vidtC，dviCdt，dvpviCvdt。电容是一种储能器件，属于非线性器件，不同于电阻，其伏安特性与时间t相关。基本构成形式是在2块导电电极板之间用绝缘电介质隔开。图表2-6电容构成示意图电容的特性是：通交流、阻直流。电容对交流电仍然有阻碍作用，其特性与信号频率相关。电容对交流电的阻碍作用，类似电阻对直流的阻碍作用，叫做容抗，用Xc表示：Xc=1/2πfC。容抗与通过的交流信号频率以及电容呈反比：交流信号频率越高，或者电容6量越大，电容的阻碍作用越小，交流信号越容易通过。电容作为一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换和延时。电容按生产工艺分类包括：电解电容、钽电容、云母电容、陶瓷电容、纸介质电容等。电解电容、钽电容等通常有+/-极性，使用时不能反接；云母电容、陶瓷电容、纸介质电容等通常无极性。电容还分为液态电容和固态电容，液态电容内部有液体电解质，如铝电解电容等，出故障时会出现液体溢漏，即“爆浆”；固态电容如固钽电容等无此问题，且体积小性能好，但成本较高，高端电子产品常以“全固态”标榜其先进性。电容中也有可调节电容，许多无线设备中采用，用于频率特性调节。2.2.2指标电容的主要指标如下：1)电容量。通常采用标称值，并非任何数值都用，标称值与类别、允许误差、容量范围等有关。产品容值为“标称值×10N”，N为整数（通常为负整数）。具体情况参考电阻标称值。表格2-3电容标称值表电容类别允许误差容量范围标称值系列纸介电容、金属化纸介电容、纸膜复合介质电容、低频（有极性）有机薄膜介质电容±5%±10%±20%100pF~1μF1.0，1.5，2.2，3.34.7，6.81μF~100μF1，2，4，6，8，10，15，20，30，50，60，80，100高频（无极性）有机薄膜介质电容、瓷介电容、玻璃釉电容、云母电容±5%1pF~1μF1.1，1.2，1.3，1.5，1.6，1.8，2.0，2.4，2.7，3.0，3.3，3.6，3.9，4.3，4.7，5.1，5.6，6.2，6.8，7.5，8.2，9.1±10%1.0，1.2，1.5，1.8，2.2，2.7，3.3，3.9，4.7，5.6，6.8，8.2±20%1.0，1.5，2.2，3.3，4.7，6.8铝、钽、铌、钛电解电容±10%±20%+50/-20%+100/-10%1μF~1000000μF1.0，1.5，2.2，3.3，4.7，6.82)精度（允许误差）。即电容实际容值与标称值之间的最大偏差范围。表格2-4电容允许误差表C10pFC≥10pF符号允许偏差pF符号允许偏差%符号允许偏差%符号允许偏差%B±0.1F±1J±5S+50/-207C±0.25G±2K±10Z+80/-20D±0.5H±3M±20P+100/-20表格2-5电容允许误差级别允许误差±2%±5%±10%±20%(+20%-30%)(+50%-20%)(+100%-10%)级别02ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ3)耐压（额定电压）。电容能承受的最高电压。在规定的工作温度范围内，电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压，就是电容的耐压，也叫做电容的直流工作电压。如果在交流电路中，要注意所加的交流电压有效值或脉冲电压的峰值最大值不能超过电容的直流工作电压值。常用的电容固定耐压有6.3V、10V、16V、25V、50V、63V、100V、2500V、400V、500V、630V、1000V。4)等效串联电阻/电感。在实际应用中，电容器并不是一个纯电容，其内部还有等效串联/并联电阻和等效串联电感，它的简化等效电路如图表2-6所示。其中需要重点关注的是等效串联电阻，电容器会因等效串联电阻而自身发热，并影响频率特性，实际应用中应注意施加合适的电压频率。对于电子设备来说，要求Rs越小越好，也就是要求损耗功率小，其与电容的功率的夹角（tgδ=2πfCRs）要小，通常固态钽电容这方面特性优秀。LsRsRfC图表2-7电容等效电路5)频率特性。电容在某些频率下会出现谐振，为了防止电容器产生谐振，所以不同的电容器有不同的频率应用范围。电容的谐振频率是01SLC，ω=ω0时电容呈纯阻性，ωω0时电容呈容性，ωω0时电容呈纯感性，通常电容的实际工作频率应远低于谐振频率ω0。表格2-6瓷介电容器和电解电容器的主要频率应用范围频率范围（Hz）1类瓷介电容器102~1082类瓷介电容器102~104电解质钽电容器10286)绝缘电阻。电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或称漏电电阻，是额定工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，其电阻不是无限大而是一个有限的数值，一般在1000MΩ以上。漏电电阻越小，漏电越严重。电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作，因此漏电电阻越大越好。表格2-7常用电容特性列表电容种类容值范围直流工作电压（V）频率范围（MHz）误差等级绝缘电阻（MΩ）中小型纸介电容470pF-0.22μF63-6308以下-Ⅲ5000金属壳密封纸介电容0.01μF-10μF250-1600直流，脉动直流Ⅰ-Ⅲ1000-5000中小型金属化纸介电容0.01μF-0.22μF160、250、4008以下Ⅰ-Ⅲ2000金属壳密封金属化纸介电容0.22μF-30μF160-1600直流，脉动电流Ⅰ-Ⅲ30-5000薄膜电容3pF-0.1μF63-500高频、低频Ⅰ-Ⅲ10000云母电容10pF-0.51μF100-700075-250以下02-Ⅲ10000瓷介电容1pF-0.1μF63-630低频、高频02-Ⅲ10000铝电解电容1μF-10000μF4-500直流，脉动直流Ⅳ、Ⅴ钽、铌电解电容0.47μF-1000μF6.3-160直流，脉动直流Ⅲ、Ⅳ瓷介微调电容2/7pF-7/25pF250-500高频1000-10000可变电容7pF-1100pF100以上低频，高频5007)封装形式。通常采用贴片封装、引线直插封装、穿心轴向封装。贴片封装通常有2种表示方法，一种类似贴片电阻的标记法，如0805、1206等，一种是外壳代号，如A、B、C、E、F封装规格（常用于固态钽电容）。其余封装形式与电阻类似。对于有极性电容需要有极性标识。8)降额设计。参考电阻降额设计部分。2.2.3电容常用电路设计2.2.3.1旁路电容旁路电容设置在器件电源引线附近，一端接电源，一端接地。其作用是为了提高系统配电的质量，降低印制电路板上从元器件电源、地脚转移出的多余的共模射频能量。主要通过旁路电容产生的交流旁路来消除多余的能量，降低电器的EMI分量，另外提供滤波功能。作为高频旁路器件的电容一般在10μF~470μF范围内。9电容的阻抗很大程度上依赖数字信号的频谱成分，通常选择最大频率为基频的5次谐波。例如，如果总线的频率为500MHz，则它的5次谐波为2500MHz。由于数字信号的上升和下降沿产生最高的频率成分，下面的公式可以来大致计算旁路电容必须通过的最高频率：/0.35bypasssrisefallftbypassf：旁路电容的最高频率；/risefallst：数字信号上升/下降沿的时间。2.2.3.2去藕电容许多元器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线（或电源平面）传播，数字芯片在状态发生变化时，