模数电路基础-1

什么是模电数电？

模电数电是模拟电路和数字电路的总称，也有的称为模数电。

• 模电: 处理模拟信号(时间和幅度都连续的信号,可以理解为图像连续)的电子电路;
• 数电: 一般称对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路/系统.由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能,所以又称数字逻辑电路.现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成.逻辑门是数字逻辑电路的基本单元.存储器是用来存储二值数据的数字电路.从整体上看,数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路（输出不依赖或不完全依赖当前输入）两大类.

什么是电源

直流电源：220V交流电-直流电

18650锂电池电池：直流电源

USB做电源：5V电源

什么电压

电压（voltage），也被称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压在某点至另一点的大小等于单位正电荷因受电场力作用从某点移动到另一点所做的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制为伏特（V，简称伏），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。此概念与水位高低所造成的水压相似。需要指出，“电压”一词一般只用于电路当中，“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。

1kV=1000V

1V=1000mV

1mV=1000μV

TIPS: 单位由大到小

M 兆 1000K

K 千 m 毫 u微（μ） n纳 p皮 f飞

常见电压：

特高压输电：1000KV 800KV

市电： 220V

动力电：380V

人体安全电压： 36V

USB,51单片机: 5V

STM32： 3.3V

电动车：48V 60V 72V

电动汽车：350V

什么电流？

电磁学上把单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度，简称电流(Electric current)，电流符号为 I，单位是安培（A），简称“安”（安德烈·玛丽·安培，1775~1836，法国物理学家[化学家，在电磁作用方面的研究成就卓著，对数学和物理也有贡献。电流的国际单位安培即以其姓氏命名）。

一些常见的电流：stm32 20mA ,电子手表 1.5μA~2μA，白炽灯泡 200mA，手机 100mA，空调 5A~10A，高压电 200A，闪电 20000A~200000A。

物理上规定电流的方向，是正电荷定向运动的方向（即正电荷定向运动的速度的正方向或负电荷定向运动的速度的反方向）。电流运动方向与电子运动方向相反。

直流电和交流电

• 直流电（DC）是指方向始终固定不变的电压或电流。能产生直流电的电源称为直流电源，常见的干电池、蓄电池和直流发电机等都是直流电源。
• 交流电（AC）是指方向和大小都随时间做周期性变化的电压或电流。交流电类型很多，其中最常见是的正弦交流电。

符号：

使用万用表测电压

二极管和发光二极管

• 二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。二极管具有单向导电性能，导通时电流方向是由阳极通过管子流向阴极。

• 发光二极管，简称为LED，是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。

电阻和电阻器

• 导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。电阻（Resistance，通常用“R”表示）是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆，简称欧，符号为Ω。
• 电阻器（Resistor）在日常生活中一般直接称为电阻。是一个限流元件，将电阻接在电路中后，电阻器的阻值是固定的一般是两个引脚，它可限制通过它所连支路的电流大小。

日常交流时为了方便，一般把电阻器简称电阻。

符号：

电位器/可变电阻

电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。

符号：

面包板

方便搭建电路

串联和并联

使用面包板实现串联和并联电路。

• 并联电路

  电流关系 I = I1 + I2

  电压关系 U = U1 = U2

  电阻关系 1/R = 1/R1+ 1/R2

  电压分配关系 I1R1 = I2R2

• 串联电路

  电流关系 I = I1 = I2

  电压关系 U = U1+ U2

  电阻关系 R = R1+ R2

  电压分配关系 U1/R1 = U2/R2

欧姆定律

它描述了电流和电压之间的关系。欧姆定律的公式为: I=U/R, 其中 I 是电流，U 是电压，R 是电阻。这个公式表明，在电阻不变的情况下， 电压和电流成正比。

电阻分压

电容器

电路：1、滤波

​ 2、保护系统

电容器（C）是一种电子元件，用于储存电荷和能量(物理来存储)。它由两个导体板和介质层组成，介质层位于两个导体板之间。

当电容器接入电路时，负电荷被储存在导体板上，并在两板之间产生电场。

电容器的单位是法拉（F），一个法拉等于存储一库仑电荷所需的电势差为一伏特的电容器。常见的电容器有电解电容器、陶瓷电容器、聚酯薄膜电容器、铝电解电容器等。

不同的材料介质，容纳电荷的能力不一样。

电容单位是法拉F，注意： 法拉是个非常大非常大的单位哦，其他单位为mf，uf， nf，pf ，

1F（法拉）= 1000 mF（毫法），

1mF（毫法）=1000 μF（微法），

1μF（微法）=1000 nF（纳法） ，

1nF（纳法）=1000 pF（皮法）

电容器的作用：

阻止电压的突变， 储能，滤波（大电容滤低频，小电容滤高频）。对高频信号（变化快的电流）阻碍小，容易通过；对低频信号（变化慢的电流）阻碍大，难通过。通交隔直

生活中的电容： 充电器的电源灯并不是立刻断开，里面有电容，电荷慢慢释放掉。

符号：

电感

电磁转换

电生磁：将磁针靠近通电导体时，磁针出现偏转现象。改变电流方向，磁场方向也随之改变。根据磁体同性相斥、异性相吸的性质，证明了通电导体周围存在着磁场（电生磁）。

右手螺旋定则：

磁生电：电磁感应（Electromagnetic induction）又称磁电感应现象，是指闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中就会产生电流的现象。

右手定则：

电感器

电感器（L）是一种电子元件，用于在电路中存储和释放能量。它由一个线圈组成，通常由铜线绕成，通常带有一个铁芯。当电流通过电感器时，它会在线圈中产生一个磁场，从而存储能量。当电流停止流动时，磁场会崩溃，导致电感器释放存储的能量。

电感器的主要作用是在电路中调节电流的变化率。它可以用来过滤电路中的高频噪声，电感器两端的电流不会突变，保护其他电子元件不受到电磁干扰的影响。

电感的单位是亨利（Henry）表示为H，它的中文读法是“恒利”，以英国物理学家亨利的名字命名。

电感的基本单位是：H（亨），它和电容一样，也是一个很大的计量单位，另外还有毫亨mh、微亨uh、纳亨nh

电感器的核心要点

• 通过磁场存储能量

• 阻止电流的突变

符号：

电容隔直通交，防止电压缓变；电感隔交通直，防止电流缓变

LRC震荡电路

LRC振荡电路是一种基本的振荡电路，由电感L、电容C和电阻R组成，可以产生稳定的交流电信号。在LRC振荡电路中，电感和电容通过共振的方式相互作用，导致电荷周期性地从电容器到电感器和反向流动，从而产生周期性的电流和电压信号。

LRC振荡电路的工作原理是当电容器放电时，电感器中的电流开始增加，而电容器的电荷开始减少。当电容器的电荷达到零时，电感器中的电流达到最大值，并开始流回电容器中，导致电容器的电荷开始增加。当电容器的电荷重新达到最大值时，电感器中的电流达到零值，并开始再次增加。这个过程不断重复，从而形成一个周期性的交流电信号。

LRC振荡电路的频率由电感L和电容C的值决定，可以通过调整电感和电容的值来改变输出信号的频率。

BOOST升压电路

电池并联提高电量，电池串联提高电压。

一、电路元件作用

• 开关：控制电路通断，决定能量 “存” 还是 “放”
• 电感（1H）：储能元件，电流变化时会 “反抗”（自感电动势），用来存能量
• 二极管：单向导通，负责 “锁方向”，让能量只往电容、负载送
• 电容（10μF）：滤波、稳压，把脉冲能量 “磨平” 成相对稳定电压
• 负载（1kΩ）：消耗电能的设备，比如小灯、芯片等

二、开关导通阶段（开关闭合）

1. 电流路径：电源 → 开关 → 地（形成回路）
2. 电感的 “储能时刻”：
   • 开关闭合后，电源给电感供电，电感里的电流开始慢慢变大（电感不让电流突变）
   • 此时二极管被反向截止（因为直接短路回负极），电容、负载暂时 “不参与” 这个回路
   • 类比：给弹簧 “蓄力”，电流越大，电感存的磁场能越多

三、开关关断阶段（开关断开）

1. 电流路径突变：开关断开后，原来的回路断了！
2. 电感的 “释能反击”：
   • 电感电流不能突变（要保持原来的流动趋势），瞬间感应出左负右正的电压（自感电动势根据 楞次定律：电感会阻碍电流的变化（开关断开→电流要从有到无→电感产生反向电动势维持电流 ））
   • 这个感应电压 + 电源电压，一起通过二极管正向导通，给电容充电、给负载供电
   • 类比：弹簧 “弹开”，把存的能量瞬间释放，和电源一起 “加压” 输出
3. 电容的 “稳压作用”：
   • 充电时存能量，放电时补能量，让负载电压不会因为开关频繁通断而 “大起大落”

四、周期循环，实现升压

• 开关高频通断（比如用 PWM 信号控制），重复 “导通储能→关断释能 + 升压”
• 最终效果：电容、负载端的电压高于输入电源电压（因为每次关断时，电感释放的能量和电源叠加了）

继电器/三极管/MOS管（重点）

电磁继电器原理

小电流控制大电流

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。

二极管原理

我们都听说过硅半导体，其实纯净的硅导电性很差，接近于绝缘体，基本上是不导电的。但是在硅中掺杂一些三价硼五价磷硅的导电性就会增加。

在纯净的硅中添加五价磷就是N型半导体。

在纯净的硅中添加三价硼，就是P型半导体。

p的英文是positive，带正电

n的英文是negative，带负电

P型半导体和N型半导体结合，就会形成PN结。

当P型半导体接正极，N型半导体接负极时，正极需要从P型半导体吸附电子，由于P型半导体中电子数本来就不够，PN结中的电子还是从N型半导体中借过来的，所以，正极电源无法从P型半导体中吸附电子。同样，负极接N型半导体，负极需要释放电子，而N型半导体本来就有多余的电子，所以N型半导体也没办法接收更多的电子，所以，此此处理反向不导通状态。

电源换个方向，由于正极接N型半导体，由于正极吸附电子，而N型半导体本来就多出来一个电子无处安放，正好释放给正极电源。同样，负极接P型半导体，由于负极释放电子，P型半导体中的电子都是借的，现在有人主动送过来，那当然得接受，从N型半导体中借的电子也可能还了。所以，二极管处于接通状态。

符号：

整流电路（了解）

通过二极管搭建的整流电路可以将交流电AC转为直流电DC，（电阻前面并联一个电容1mf,就可以输出稳定直流（滤波））

• 当交流电上正下负：电流走 “右上→负载→左下” 二极管，回路是：电源 +→右上二极管→负载→左下二极管→电源 - 。
• 当交流电上负下正：电流走 “左上→负载→右下” 二极管，回路是：电源 -（此时当 +）→左上二极管→负载→右下二极管→电源 +（此时当 - ）。
  → 不管交流电正负半周，负载上的电流方向永远不变（从右往左流），实现 “整流”，把交流电变成单向脉动直流电（电压还是一颠一颠的，但方向固定了 ）。

三极管（重点）

我们可以将水龙头比作三极管的电路，水流就相当于电流，水龙头的开关就相当于控制三极管的输入信号。

当我们打开水龙头时，水就从水管中流过来，当水龙头的开关处于开启状态时，水就会顺畅地从水龙头中流出来，当开关处于关闭状态时，水流就会停止。

同样地，当我们将电路中的电源连接到三极管时，电流就会流过来。当三极管的输入信号（比如控制信号）被送到三极管的基极时，三极管就会开启，电流就会从三极管的集电极流出来，当控制信号消失时，三极管就会关闭，电流就会停止流动。

栅极接正电源时，需要吸附电子，电子处于两个N型导体之间，此时源极和漏极处于接通状态。

栅极接负电源时，需要释放电子，由于同性相斥原理，电子会被推向另一边，两个N型半导体中间没有电子，此时源极和漏极处于断路状态。

三极管有三个区域，所以它被称为三极管。这三个区域分别被称为发射极、基极和集电极。

当在三极管的基极输入电流信号时，这个信号可以控制三极管的集电极和发射极之间的电流流动。这样的话，我们就可以通过改变输入信号的电流来控制输出电流的大小。

Base 基极 Emit 发射极 Collector集电极

NPN型三极断和PNP型三极管

MOS管（重点）

MOS管的结构比三极管复杂很多，但原理和三极管相似，使用也基本相同，最大的区别在于，MOS管的基极没有电流通过，属于纯电压控制的。且MOS管的耐压性更强，可以做到几百伏特，一般用在大功率电器上。现在MOS管比三极管用得更多一些。

MOS管分N沟道MOS管和P沟道MOS管，N沟道MOS管就类似于NPN型三极管，P沟道MOS管就类似于PNP型三极管。

符号：

MOS管的三个引脚分别叫源极（S，相当于发射极），栅极（G,相当于基极），漏极（D相当于集电极）

晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，晶体管具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能。

所以，三极管、MOS管又统称为晶体管。晶体管可以做到纳米极别，是处理器的主要组成元件。

三极管和MOS管的区别（了解）

1、mos管和三极管的结构不同，mos管的栅线是用绝缘层和金属网格构成的；而三极管是直接用硅片上的pn结把两个电极连接起来。

2、在放大电路中，由于mos管工作电压低（仅几伏到几十伏），电流大，因此要求其输入电阻小（几百欧至几千欧）；而三极管的输入阻抗很高（10万至几十万欧）。

3、当信号电压为负时，由于二极管的集电极被击穿短路而使输出端电位升高；而 mos 管则因栅线是绝缘的不会发生这种情况。

4、在高频下工作时，由于三极管的高频等效电阻较大、漏电流较大、热稳定性差等缺点使其很难用于高频电路。

5、从制作工艺上讲：
MOS制作成本较高、工艺较复杂且价格昂贵.

6、从性能上比较：
（1） 静态特性方面：
三极管比 mos 管好得多。

（2） 动态特性方面：
（即开关速度） 三极管要比 mos 管快得多

（3） 耐压能力上 ：
由于 mos 沟道具有高导电性以及耐高压的特性 ， 所以它可承受较高的工作电压 ， 而普通的三极管最高只能承受 2kv 的电压 。

推挽电路（Push-Pull）和开漏电路（Open Drain）（重点）

推挽电路可以输出高电平和低电平

开漏开电可以输出低电平

H桥电路

把直流电变成交流电

霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种。是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。

霍尔器件的应用与我们的日常生活也息息相关，例如电动车转动把手上就有霍尔器件。转动把手，通过霍尔器件将磁信号转换为电信号，并传送给控制器，进而控制电动车的电机转速。再如霍尔传感式钳形电流表、汽车开关电路上的功率霍尔电路

电场方向为电压正极指向电压负极，或者说，电场方向为正电荷指向负电荷。由于电荷之间同性相斥，异性相吸，若正电荷处于电场中，就会受到电场力从电压正极跑向负极，这个跑向就是电流正方向，所以把电流从电压正极流向负极的这种方向关系称为关联参考方向。

洛伦兹力属于电磁力的一种。电磁力包括宏观上的安培力以及微观上的洛伦兹力。所谓电磁力，是指通电导体或运动电荷处于磁场中时，会受到磁场的作用力。因为通电导体本质是其内部电荷的定向移动，大量运动电荷，每个运动电荷都受到洛伦兹力的作用，在宏观上就表现为导体所受到的安培力(各个洛伦兹力的合力)。

洛伦兹力的方向判断用左手定则，磁力线从掌心穿过，四指指向正电荷的运动方向(即电流正方向)，拇指指向即为洛伦兹力方向，在这个力的作用下，正电荷的运动将发生偏转。

霍尔传感器分为开关型霍尔传感器和线性型霍尔传感器。