电路基础相关知识

一、电路基础

1.电路基础与欧姆定律

• U 电压，常用单位 V mV
• I 电流，常用单位 A mA uA
• R 电阻，常用单位 Ω kΩ mΩ

2. 常用元器件

2.1 电阻

2.1.1 电阻概述

• 定义：电阻是导体对电流的阻碍作用，用符号 R 表示，单位是欧姆（Ω）。
• 作用:
  • 限制电流大小。
  • 分压（将电压分配到不同电路部分）。
  • 发热（如电热器利用电阻发热）。
• 实际应用
  • 分压电路（如电位器调节电压）。
  • 限流保护（如 LED 串联电阻）。
  • 信号匹配（如阻抗匹配）。

2.1.2 电阻和 LED 串联限流保护操作

在电路中，串联电阻的情况下，电阻会对进行分压和限制电流，主要作用

• 保护电路元件：在一些电子电路中，为了防止某些元件因电流过大而损坏，会在电路中串联一个合适的电阻进行限流。例如，在发光二极管（LED）电路中，由于 LED 的工作电流有一定的限制，需要串联一个电阻来限制通过 LED 的电流，避免其因电流过大而烧毁。
• 实验电路：在实验室进行电路实验时，为了控制电路中的电流，防止电流过大损坏实验设备，也会采用串联电阻的方式进行限流。

2.1.3 电阻并联

电阻并联的主要作用

2.2 电容

2.2.1 电容概述

电容（Capacitance）是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为 C。它表征了电容器容纳电荷的本领，从物理意义上来说，电容反映了导体或导体组储存电能的能力

电容的国际单位是法拉，简称法，符号是 F。但在实际应用中，法拉这个单位太大，常用的单位还有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF），它们之间的换算关系如下：

• 1F = 1000mF
• 1mF = 1000μF
• 1μF = 1000nF
• 1nF = 1000pF

电容通常由两个彼此靠近且相互绝缘的导体（极板）组成。当在这两个极板间加上电压时，极板上会分别聚集等量的正、负电荷。电荷在电场力的作用下会在极板上积累，从而在极板间形成电场，储存电场能。其储存电荷的能力与极板的面积、极板间的距离以及极板间的介质有关。一般来说，极板面积越大、极板间距离越小、介质的介电常数越大，电容值就越大。

2.2.2 电容降压

         如图，电容虽极板未直接相接，但在交流电路中，因交流电压周期性变化，电容会持续反复充放电，使外部电路有电荷移动形成等效电流，并非断路，所以小灯泡能工作；而在交流环境里，电容受电压周期性变化影响，始终处于充放电循环，不会真正 “充满电” 让电流中断，小灯泡也就不会因电容充满电而熄灭，不过在直流电路中，电容充电到电源电压后电流会降为 0，灯泡会熄灭，交流与直流电路的电源特性差异导致了不同结果 。

 （一）已知条件与基础计算

• 

（二）电阻方案的弊端

电阻是做功型元器件，电流通过时会消耗电能，电能转化为热能（(Q = I^2Rt) ）。2100Ω 电阻工作时：

• 电能损耗大：持续消耗电能，增加用电成本；
• 发热不稳定：热量积累可能引发温度过高，影响电路稳定性，甚至存在安全隐患 。

因此，使用电容方案替换：

（一）容抗匹配计算

（二）电容方案的优势

• 低能耗：电容不消耗有功功率（仅进行电场能与电能的转换 ），发热量极小，大幅降低电路电能损耗；
• 稳定性高：避免电阻发热带来的温度波动，提升电路长期工作可靠性；
• 精准限流分压：通过容抗特性，有效限制电流、调节电压，保护灯泡等元件，同时减少能源浪费 。

降压补充：

• 断开电源之后，当前电路电容依然保持 210V 的高电压，此时无处放电，电路存在一定的隐患，可以在电容旁边并联一个 100MΩ 大电阻，从而形成一个回路
• 在断电之后，利用 100MΩ 将电容中的电能进行释放，从而保证电路稳定，同时因为并联的电路阻值很高，利用并联分流原理，可以计算并联之后的整个电路的对外阻值为

• 对于整个电路所需的电容阻抗影响不大，依然可以保证电路正常运行

2.2.3 高通滤波【重点】

一、高通滤波的定义

高通滤波是一种信号处理技术，通过特定的电路（如高通滤波器） ，允许高频信号顺利通过，而对低频信号进行衰减或阻隔。在电子电路领域，常用于去除信号中的低频干扰成分，保留高频有效成分。

二、高通滤波的原理（结合所给电路图分析）

• 

三、高通滤波的使用方法

• 信号处理场景：在音频处理中，如果音频信号包含低频噪声，可以使用高通滤波器去除低频噪声，保留高频的语音或音乐信号。比如在一些语音通话设备中，通过高通滤波去除环境中的低频嗡嗡声等干扰。
• 电路设计中的应用：在电源电路中，有时电源输出可能会带有低频纹波干扰，接入高通滤波器可以滤除低频纹波，让电源输出更纯净。在设计高通滤波器电路时，需要根据实际需求（如需要通过的最低频率、衰减程度等 ），合理选择电容和电阻的参数。一般来说，电容值越大，对相同频率信号的容抗越小，越容易让信号通过；电阻值则会影响整个电路的阻抗匹配和信号衰减程度等。

        通交流效果：

2.2.4 芯片元件连接耦合【重点】

利用电容【通交流，阻直流】在两个芯片 / MCU 通信引脚中限制直流杂波信号。允许当前两个 MCU 信息的交流信号通过。降低直流干扰

• 低频滤波器
  

• 原理：利用电容 “通交流、阻直流” 特性，在芯片 / MCU 通信时，让交流信号（芯片间传递的有效信息，像数据、指令等，本质是电压周期性变化的交流 ）顺利通过，拦住直流杂波（电路里的干扰信号，比如电源波动产生的直流噪声 ）。
• 作用：让芯片间通信更 “干净”，减少直流干扰导致的信号错误，比如避免数据传输出错、指令执行异常，就像给通信通道 “筛子”，只放有效交流信号过去~

2.2.5 旁路滤波【重点】

常用于 MCU 供电引脚，用于保证 MCU 直流供电稳定性，利用电容【通交流，阻直流】将交流信号，通过 GND 释放，保证进入到 MCU 的电流都是直流电。
通常情况下，进入到 MCU 供电电路，都是需要两个或者两个以上的电容配合完成滤波操作。并且要求较小容量的电容更靠近 MCU

• 原理：同样靠电容 “通交流、阻直流”，在 MCU 供电端，把电源里的交流干扰（比如电源纹波、其他电路串过来的高频噪声 ）通过 GND 放走，只留平稳的直流给 MCU 供电。
• 设计细节：
  • 多电容配合：大电容（比如电解电容 ）滤低频干扰，小电容（比如瓷片电容 ）滤高频噪声，分工合作让滤波更彻底。
  • 小电容靠近 MCU：因为导线本身有电感，高频干扰跑得 “快”，小电容离 MCU 越近，能更快把高频噪声 “短路” 到地，不让干扰靠近芯片，就像在 MCU 门口 “快速拦截” 干扰信号～
• 作用：稳定 MCU 供电，避免电压波动、噪声影响芯片工作，让 MCU 运算、执行指令更稳定，就像给芯片 “稳压器”，保障它的 “心脏（电源 ）” 稳定跳动～

2.3 二极管 

2.3.1 PN 结

二极管的基本工作原理是依托 PN 实现

• P 区具备空腔。接收负电子，从而形成电流
• N 区具备游离电子，可以将电子在外边的电压影响下，从 N 区移动到 P 区，从而满足电流实现
  PN 结是电流单向导通，P 是正极，N 是负极

2.3.2 二极管原理图图例

 2.3.3 二极管防反接

        二极管在整个电路中，充当的角色是保证当前电路电流的单向导通，避免出现反接情况。

2.3.4 二极管电压钳位【难点，重点】

        也就是说，在上图当外部引脚输入高电压的时候，大于5v的时候，上面的二极管导通，二极管相当于导线，由于5V是稳定电源，会把电压拉至稳定的5V

        同理外部输入负电压，下面的二极管导通，强制拉到0V。

2.3.5 二极管钳位限幅

一、先理解 “限幅”—— 给电压设 “门禁”

想象电压是一群 “调皮的孩子”，有的跑太快（电压太高），有的跑太慢（电压太低），芯片就像 “脆弱的教室”，不能让极端电压冲进去捣乱！二极管钳位限幅，就是给电压设 “门禁”：太高或太低的电压，会被二极管 “拦住”，只能让安全电压进去～

二、拆解电路：二极管是 “电压门卫”

电路里有 4 个二极管（两对），像 4 个 “门卫”：

• 上边两个二极管：“正极朝左，负极接地”，负责拦 “高电压”。
• 下边两个二极管：“负极朝左，正极接地”，负责拦 “低电压”。

还有个电阻 R，像 “缓冲垫”，保护二极管和芯片～

三、A 点：拦 “高电压” 的门卫（上限 1.4V）

（一）“1.4V 门禁” 咋来的？

每个二极管导通时，会 “吃掉” 0.7V 电压（硅二极管特性）。上边两个二极管 “串联”，0.7V + 0.7V = 1.4V ，这就是 A 点的 “门禁上限”！

（二）当电压超过 1.4V → 门卫拦人！

外部电压太高（比如 2V），冲到 A 点：

1. 电压＞1.4V → 上边两个二极管 “正向导通”（像门卫开门），把多余电压 “接地释放”（电跑去大地）。
2. 结果：A 点电压被 “拽回” 1.4V，不让高电压闯进去，保护芯片～

四、B 点：拦 “低电压” 的门卫（下限 - 1.4V）

（一）“-1.4V 门禁” 咋来的？

下边两个二极管也 “串联”，每个吃 0.7V，总共 “吃掉” -0.7V×2 = -1.4V（负号表示电压方向），这就是 B 点的 “门禁下限”！

（二）当电压低于 - 1.4V → 门卫拦人！

外部电压太低（比如 - 2V），冲到 B 点：

1. 电压＜-1.4V → 下边两个二极管 “正向导通”（门卫反向开门），把过低电压 “接地释放”（电从大地拉回来补）。
2. 结果：B 点电压被 “拽回” -1.4V，不让低电压闯进去，保护芯片～

五、信号变化：只放 “安全电压” 过去

输入信号是 “波动的电压”（像 5V 到 - 5V 的波浪），经过二极管限幅后：

• 高于 1.4V 的部分 → 被上边二极管 “砍断”，只剩≤1.4V 的电压。
• 低于 - 1.4V 的部分 → 被下边二极管 “砍断”，只剩≥-1.4V 的电压。

输出就变成 “被削平的波浪”（1.4V 到 - 1.4V 之间），安全送进芯片！

2.3.6 二极管检波

        先通过调制，把原始信号 “贴” 到高频载波信号上，让信号能远距离传输，不过会损失部分数据 。收音机天线接收带原始信息的载波信号后，二极管利用单向导通性 “砍” 掉载波信号负向部分完成检波，接着耳机并联的电容当 “筛子”，因高频信号易通过电容被接地释放，低频原始信号则因电容阻碍大、耳机阻碍小，更多流向耳机，让人听到声音 。另外，LC 滤波电路像 “频率门卫”，通过公式 设定固有频率，当接收频率与固有频率匹配，LC 阻抗大，信号能通过选台；不匹配时阻抗小，信号被接地，实现选台功能，帮收音机精准锁定想听的电台 。

2.3.7 二极管整流桥【重点】

         二极管整流是借助其 “单向阀门” 特性，实现交流电的 “变形魔法” 。半波整流用单个二极管 “砍” 去交流电负半周，使风扇得电断断续续，对应弱风档，做功时间短、转速慢；全波整流靠 4 个二极管组成的整流桥，把交流电负半周 “翻正”，让风扇得电持续稳定，对应强风档，做功时间长、转速快 。在交流转直流场景中，整流桥先将交流电 “掰直” 为 “单向波浪电”，再经电容滤波填成 “平稳直流”，为后续电路稳定供电，不管是风扇调速切换 “快慢电”，还是为电器提供 “平稳电”，二极管整流都在其中发挥关键的 “变形” 作用。

 2.4 三极管

2.4.1 三极管物理构造

 2.4.2 常用三极管结构

一、三极管结构：“三明治” 分层与电极分工

三极管分 NPN 型 和 PNP 型 ，核心是 “三层半导体 + 两个 PN 结”，像 “三明治”：

• 三层半导体：中间是极薄的基区（P 或 N 型），两边是发射区、集电区（N 或 P 型，发射区掺杂浓度高 ）。
• 两个 PN 结：发射区 - 基区是 发射结，基区 - 集电区是 集电结 。
• 三个电极：发射极（E，发射载流子 ）、基极（B，控制载流子 ）、集电极（C，收集载流子 ）。

通俗类比：发射区是 “载流子工厂”，基区是 “收费站”（控制载流子数量 ），集电区是 “仓库”（收集载流子 ），PN 结是 “单向门”（控制载流子流动方向 ）。

二、工作状态：PN 结偏置决定 “功能模式”

三极管的 发射结、集电结偏置（正偏 / 反偏 ） ，决定它是 “放大”“截止” 还是 “饱和”，核心看电位关系：

工作状态	发射结偏置	集电结偏置	电位关系（NPN 为例 ）	功能类比
放大	正偏（\(U_B>U_E\) ）	反偏（\(U_C>U_B\) ）	基极电位 ＞ 发射极，集电极 ＞ 基极	小电流控大电流（“放大器” ）
饱和	正偏（\(U_B>U_E\) ）	正偏（\(U_C<U_B\) ）	基极电位 ＞ 发射极，集电极 ＜ 基极	电路 “短路”（“开关闭合” ）
截止	反偏（\(U_B<U_E\) ）	反偏（\(U_C>U_B\) ）	基极电位 ＜ 发射极，集电极 ＞ 基极	电路 “断路”（“开关断开” ）
倒置	反偏（\(U_B<U_E\) ）	正偏（\(U_C<U_B\) ）	基极电位 ＜ 发射极，集电极 ＜ 基极	特殊模式（极少用，“反向放大” ）

三、电流规律：“小基极电流控大集电极电流”

三极管电流满足 \(I_E = I_B + I_C\)（发射极电流 = 基极电流 + 集电极电流 ），核心是 放大倍数 \(\boldsymbol{\beta}\)：

• 放大状态：\(I_C \approx \beta \cdot I_B\)（\(\beta\) 是几十到几百的倍数 ），基极 “小电流” 能控制集电极 “大电流” ，实现信号放大。道路通畅，指挥车（\(I_B\) ）少，仓库（\(I_C\) ）按比例运货（\(I_C = \beta \cdot I_B\) ）。
• 饱和状态：\(I_C\) 达上限（由电源和电阻决定 ），不再随 \(I_B\) 增大，此时 \(I_B\) 再大，\(I_C\) 也不涨，三极管 “全力导通”。指挥车（\(I_B\) ）太多，道路堵车（基区载流子堆积 ），仓库门口被堵住（集电结正偏 ），运货量（\(I_C\) ）达到上限，不再听指挥车的话 → 饱和。
• 截止状态：\(I_B \approx 0\)，\(I_C \approx 0\)，三极管 “断流”，无电流通过。

四、核心逻辑总结

三极管靠 “基区控制载流子” 实现功能：

• 基区极薄且掺杂少 → 载流子在基区 “大部分被集电区拉走，小部分复合成 \(I_B\)”，所以 \(I_C\) 远大于 \(I_B\)（放大 ）。
• 发射结正偏 → 让载流子 “从发射区扩散到基区”；集电结反偏 → 让载流子 “从基区被拉到集电区”，偏置决定载流子流动方向，最终决定工作状态。

2.4.3 MOS 管

• 场效应晶体管只有一种载流子（多数载流子）参与导电，又称为单极型三极管。场效应晶体管是利用电场（电压）控制半导体中载流子运动的一种有源器件。目前场效应管应用得最多的是以二氧化硅作为绝缘介质的金属 — 氧化物 — 半导体绝缘栅型场效应管（Metal - Oxide - Semiconductor Field - Effect Transistor, MOSFET），简称为 MOS 管。
• 绝缘栅型场效应管中，有 N 沟道和 P 沟道两类，而每一类又分增强型和耗尽型两种。增强型就是U_GS=0 时，漏源之间没有导电沟道，即使在漏源之间加上一定范围内的电压，也没有漏极电流；反之，在U_GS=0 时，漏源之间存在有导电沟道的称为耗尽型。

 1. 载流子与控制特性

场效应晶体管，也就是 MOS 管，只有一种载流子（多数载流子）参与导电，因此也被称为单极型三极管 。它是利用电场（电压）来控制半导体中载流子的运动，属于有源器件。比如在 N 沟道 MOS 管中，参与导电的多数载流子是电子；在 P 沟道 MOS 管中，多数载流子是空穴 。通过在栅极（G）施加电压，改变电场强度，进而控制漏极（D）和源极（S）之间载流子的流动，实现对电流的控制。

2. 类型特性

• 按沟道类型区分：有 N 沟道和 P 沟道两类。N 沟道 MOS 管以 P 型硅片为衬底，通过扩散形成 N + 区作为源极和漏极；P 沟道 MOS 管则相反，以 N 型硅片为衬底，扩散形成 P + 区作为源极和漏极。
• 按工作模式区分：每一类又分为增强型和耗尽型。
  • 增强型：当栅源电压U_GS=0时，漏源之间没有导电沟道，即便在漏源之间加上一定范围内的电压，也不会产生漏极电流。只有当栅源电压U_GS 达到一定阈值（开启电压）后，才会形成导电沟道，产生漏极电流，并且漏极电流会随着 U_GS的增大而增大 。例如 N 沟道增强型 MOS 管，需要在栅极施加正电压，且大于阈值电压，才能形成 N 沟道，使电子从源极流向漏极。
  • 耗尽型：在 U_GS=0 时，漏源之间就已经存在导电沟道 ，此时加上适当的漏源电压，就会有漏极电流产生。当在栅极施加与沟道载流子极性相反的电压时，会削弱导电沟道，使漏极电流减小；当施加的电压足够大时，导电沟道会被完全夹断，漏极电流变为零 。

3. 绝缘特性

以 N 沟道增强型 MOS 管为例，半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅SiO2绝缘层，栅极与源极、漏极之间是绝缘的，这使得栅极电流（输入电流）几乎为零，输入电阻非常高，最高可达 \(10^{14}\Omega\) 。这一特性使得 MOS 管在驱动时所需的电流极小，驱动电路简单，并且不容易受到外界信号的干扰。

MOS 管的应用

1. 开关应用

由于 MOS 管可以通过栅源电压快速地开启和关闭导电沟道，实现电流的通断控制，因此常被用作电子开关 。在数字电路中，比如微处理器（MCU）的外围电路、电源开关电路等，MOS 管可以用来控制电路的通断，实现对负载的供电控制。例如在电源管理芯片中，MOS 管用于切换不同的电源路径，或者在电机驱动电路中，控制电机的启动和停止。

2. 放大应用

在模拟电路中，MOS 管可以利用其电压控制电流的特性实现信号放大。虽然相比于双极型晶体管（如三极管），MOS 管的电压放大倍数可能相对较小，但它具有输入阻抗高、噪声低等优点，适用于一些对输入阻抗要求较高的放大电路，比如在音频前置放大器、射频放大器等电路中得到应用 。

3. 电源转换

在电源电路中，MOS 管广泛应用于各种电源转换电路，如 DC-DC 转换器、AC-DC 转换器等。通过控制 MOS 管的开关状态，实现电压的变换、稳压以及功率的传输和控制，提高电源的效率和稳定性 。例如在笔记本电脑的电源适配器中，就会使用 MOS 管来实现高效的电源转换。

2.5 光耦

光耦，全称光电耦合器（Optical Coupler ），也叫光电隔离器，是一种把光信号和电信号相互转换，实现电 - 光 - 电转换的半导体器件。

• 相较于传统的继电器方式，光耦控制的精度，频率，安全性，寿命都远远高于传统的电磁继电器。
• 而且光耦可以承担的电流电压更大。
• 光耦同时可以更好的完成【电气隔离】，将载荷电路和控制电路进行分离，防止外部载荷电路对控制电路的影响。

 组成结构

光耦通常由发光源（常见的是发光二极管 ）和受光器（光敏元件，如光敏三极管、光敏晶闸管等 ）两部分组成，并且封装在同一管壳内。发光源和受光器之间通过透明绝缘体相隔，能让发光源发出的光有效照射到受光器上。

工作原理

• 电 - 光转换阶段：当光耦的输入端（连接发光二极管一端）施加电信号时，比如输入正向电压，电流通过发光二极管，根据半导体的发光原理，发光二极管会将电能转化为光能，发出一定波长的光，光的强度与输入电流大小成正比。
• 光传输阶段：发出的光通过透明绝缘体照射到受光器上，这一过程中光在相对封闭的空间内传播，不受外界电磁干扰的影响。
• 光 - 电转换阶段：受光器接收到光信号后，会产生光电效应。以光敏三极管为例，光照会使它的基极产生光生载流子（电子 - 空穴对 ），从而在集电极和发射极之间形成电流，电流的大小与光照强度相关，也就是与输入端的电信号大小相关 。这样就实现了从电信号到光信号，再到电信号的转换，并且输入端和输出端在电气上是隔离的。

应用场景

• 电气隔离：在电力系统、工业控制等领域，需要将高压电路和低压控制电路进行隔离，防止高压对控制电路造成损坏，保障人员和设备安全。例如在智能电表中，通过光耦将计量电路（高压部分）和通信电路（低压部分）隔离开，既保证了数据的准确传输，又避免了高压对通信电路的干扰和损坏。
• 信号传输：在一些对电磁干扰比较敏感的电路中，如计算机主板上的信号传输电路，光耦可以将电信号转换为光信号进行传输，再转换回电信号，有效避免了外界电磁干扰对信号的影响，保证信号传输的准确性和稳定性。

https://github.com/0voice