一、电阻1、核心定义电阻是消耗电能将电能转化为热能的元件是纯耗能元件2、单位欧姆Ω3、作用限流、分压、发热WI^2*R匹配阻抗、构成滤波器4、核心定律欧姆定律U R · IU是电压R是电阻I是电流5、串联/并联串联电路中总电阻为各个电阻之和R R1R2R3......并联电路中总电阻为各个电阻的倒数之和的倒数1/R 1/R11/R21/R3......6、基尔霍夫定律基尔霍夫电压定律回路定律电路中沿任一回路的所有电压的代数和为0本质是能量守恒方向是从低电位到高电位为正号。基尔霍夫电流定律节点定律流入一个节点的所有电流之和等于流出该节点的所有电流之和本质是电荷守恒。7、电阻率电阻的大小是导体本身的特性跟导体的材料横截面积长度有关给定材料下导体长度越长电阻越大横截面积越大电阻越小与电流和电压大小无关。为了衡量材料对电流的阻碍能力引入电阻率公式为ρ RA/Lρ为电阻率L为导体长度A表示横截面积R表示导体总电阻二、电容1.核心定义电容是储存电荷和电场能量的元件由两个互相靠近的导体组成中间夹一层不导电的绝缘介质电介质。像下图所示它有两个极板开关闭合前极板上都是没有电荷聚集的闭合后上极板流出正电子下极板聚集负电子极板间开始形成电场能量转化为电场能极板间电压逐渐上升当极板间电压等于电源电压时电子停止流动系统达到电平衡这时候开关断开后极板上电荷量、极板间的电场以及电压均维持不变。2、单位法拉F常用的是μF10⁻⁶ F3、核心公式电容值CQ/VC是电容值Q是极板上的电荷V是外加电压电场强度EV/dE为电场强度V为极板间电压d为极板间距电场间储存的能量WCU^2/2C是电容值U是电压电容的基本构成极板、间隙和电介质所以Cεrε0A/dA为两极板相互重叠的有效面积d为极板间距离ε0为真空介电常数约为8.854×10−12 F/m8.854×10−12F/mεr为极板间介质的相对介电常数。4、电容的充放电充电当电路中开关闭合后正电荷聚集在上极板负电荷聚集在负极板极板间形成电场开始存储电能刚开始电子聚集十分迅速后逐渐减缓最终当极板间电压达到所加的电源电压时电子停止移动此时QCE。这一过程叫做瞬态过程也就是电容的充电过程。电压随时间变化的曲线如下图所示放电电容已经充电电压到U后接通电阻通过电阻短路放电电容存储的能量通过电阻转化为热能针对于较小容量的电容可以用导线直接将电容的两端相连可以看到火花如果是较大容量的电容不能做这样的尝试会产生高电压或大电流。放电过程的变化曲线如下图时间常数能够表示电容充放电的时间一般5个时间常数后充满/放完τR⋅CR为电阻C为电容值5、电容的串并联串联相当于电阻并联总电容等于各电容的倒数之和的倒数并联相当于电阻串联总电容等于各电容的和6、容抗是电容对交流电呈现的阻碍作用单位是欧姆用Xc表示它与交流电的频率f以及·电容量C成反比Xc1/ωC1/2πfCω2πf 为角频率意义频率越高容抗越小电容越容易通过高频电流也就是通高频此时电容近似短路频率越低容抗越大电容越难通过低频电流当f0时也就是直流电容抗趋近于无限大此时电容相当于开路也就是隔直流7、电容的应用耦合和隔直耦合电容器就是把交流信号从一个电路传送到另一个电路同时阻止直流信号通过旁路旁路电容器用来把元件或元件组周围不需要的交变信号纹波、噪声转移到大地三、电感1、核心定义电感与电阻和电容不同它反映电路中电流和电压的变化而电流和电压的变化是由于自由电子受力的作用引起磁场变化的结果与电容一样电感效应也是只有在外施电压或电流随时间变化的过程中才产生的2、单位亨利H常用微亨、毫亨3、构成将导线绕在磁性或非磁性骨架上引出两端4、核心原理法拉第电磁感应定律和楞次定律当电流通过电感线圈时线圈周围产生磁场磁感线穿过线圈内部如果流过电感的电流发生变化穿过线圈的磁通量也会随之变化根据法拉第定律变化的磁通会在线圈两端感应出一个电动势这个电动势的方向由楞次定律决定总是试图阻碍原电流的变化。电流增加感应电动势的方向与原电流方向相反电流减小感应电动势的方向与原电流方向相同也就是自感现象——线圈自身电流变化引起自身感应电动势。公式ULLdi/dtUL是电感两端的感应电压L是电感量di/dt是电流的变化率电感两端产生的电压与电流变化率成正比电流变化越快感应电压越高如果电流恒定直流di/dt0则电感两端电压为0此时电感相当于短路一段导线。5.电感的串并联串联当线圈分开一定距离使彼此不在线圈的磁场中总电感量为各电感量之和并联总电感量为各电感量倒数之和的倒数6.感抗是电感对交流电所呈现的阻碍作用特点是频率越高感抗越大频率越低感抗越小。公式XLωL2πfLω角频率f交流电的频率L电感量7.电感的应用模拟电路及信号处理器如无线电接收和播放电路滤波器实现对信号的净化和筛选变压器升高或降低交流电压四、二极管1、核心概念二极管是一个由PN结构成的两端器件它的主要作用是单向导电电流只能从正极流向负极2、PN结的形成PN结的概念PN结就是将P型半导体和N型半导体通过特殊工艺如合金法、扩散法、离子注入法制作在同一个硅晶片上在他们的交界面附近形成的具有特殊电学特性的薄层。N型半导体在本征半导体中加入五价元素如磷产生大量自由电子带负电的载流子P型半导体在本征半导体中加入三价元素如硼产生大量空穴带正电的载流子形成过程a.扩散运动由于浓度差异载流子会产生扩散运动P区的空穴向N区扩散N区的自由电子向P区扩散扩散走的空穴在P区靠近边界处留下了不可移动的负离子而扩散走的电子在N区靠近边界处留下了不可移动的正离子这些正负离子形成了一个内建电场方向从N区指向P区这个区域叫做空间电荷区也叫耗尽层。b.漂移运动内建电场会对载流子产生相反的作用力N区中少数空穴被电场拉入P区P区中少数电子被拉向N区而随着空间电荷区变宽内建电场增强漂移运动加强扩散运动减弱最终扩散电流等于漂移电流净电流为0PN结达到动态平衡。c.平衡状态空间电荷区宽度稳定内建电势差势垒稳定PN结呈现高阻态耗尽层缺乏自由载流子。3、核心特点单向导电性正向偏置P接正N接负外加电场与内建电场方向相反空间电荷区变窄势垒降低扩散运动占绝对优势形成较大正向电流PN结呈现低阻导通状态。反向偏置P接负N接正外加电场与内建电场方向相同空间电荷区变宽势垒升高漂移运动占绝对优势形成很小的反向漏电流PN结呈现高阻截止状态。五、三极管BJT1、核心概念三极管是双极性晶体管由两个背靠背的PN结发射结和集电结组成的三端器件三个极基极B、集电极C、发射极E本质上是一个电流控制电流源。有PNP和NPN两种结构如图所示2.三极管结构以NPN为例发射区重掺杂N多数载流子是电子基区很薄且轻掺杂P多数载流子是空穴集电区中等掺杂N多数载流子是电子三个区形成两个PN结发射结BE结发射区与基区之间的PN结集电结CB结集电区与基区之间的PN结3、放大工作原理要使三极管工作在线性放大区必须满足发射结正偏发射区向基区注入电子电子在基区扩散与复合UBE0.6v(硅管)基极电压高于发射极电压集电结反偏集电结收集电子UCB0即UCEUBE集电极电压高于基极电压此时三极管将基极电流IB的变化线性放大为集电极电流变化IC的变化满足IEIBICICβIBICEO≈βIB其中β为共射电流放大系数4、三极管的三个区及其开关原理截止区Vin0v或负电压使UBE0.5v发射结反偏或零偏集电结反偏此时IB0,ICICEO≈0等同于CE断开开关关放大区发射结正偏集电结反偏此时ICβIB,UCE随输入变化CE间等同于一个受控电流源电流值由IB决定可以用来模拟信号放大饱和区Vin足够高使得IBICS/βICS是预期的饱和集电极电流发射结正偏集电结正偏此时IB过大UCE≈0.2vICβIBCE间相当于一个小电阻导通电阻很小相当于CE短路开关闭合开关原理导通饱和基极注入足够大的电流IBICS/β发射结与集电结均正偏CE间压降很小相当于开关闭合关断截止基极电流为0或负电压发射结反偏无载流子注入CE间电流近似为0相当于开关断开六、MOS管MOSFET1、核心概念MOS管是一种电压控制的场效应晶体管有三个极栅极G、漏极D、源极S。栅极与其他两极之间由一层二氧化硅绝缘层隔开它利用栅极电压产生的电场来控制源极和漏极之间的导电沟道从而实现开关或放大功能最常用的是增强型N沟道MOSFET。2、基本结构以N沟道增强型为例衬底轻掺杂的P型半导体源极S和漏极D在衬底上制作两个高掺杂的N区栅极G位于源极和漏极之间的沟道上面由金属或多晶硅制作与衬底之间隔着一层极薄的二氧化硅绝缘层沟道源极和漏极之间原本没有N型导电通道需要靠栅极电压“感应”产生具体如图所示3、工作原理a.栅极电压的作用当UGS0时源极和漏极之间是两个背靠背的PN结不导通漏极电流ID0当UGS0时栅极正电压在二氧化硅绝缘层下方产生电场将P型衬底中的电子吸引到表面形成一层N型反型层即导电沟道连接源极和漏极使沟道开始形成的临界栅源电压为阈值电压UGS(th)b.漏极电压的影响沟道形成后在源极和漏极之间施加UDS0电子从源极流向漏极形成漏极电流IDID的大小同时受UGS和UDS控制c.电流控制本质MOSFET是电压控制电流源IDf(UGS,UDS)在饱和区放大区ID与UGS近似平方关系ID≈μn Cox W (UGS−UGS(th))^2/2L其中W为沟道宽度L为沟道长度μn为电子迁移率Cox为单位面积栅氧化层电容4、三个工作区a.截止区UGSUGS(th)此时沟道未形成ID0等同于开关断开b.可变电阻区线性区UGSUGS(th)且UDSUGS-UGS(th)此时沟道连续ID与UDS近似线性MOSFET像一个受UGS控制的可变电阻等同于开关闭合导通电阻RDS(on)c.饱和区有源区UGSUGS(th)且UDSUGS-UGS(th)此时沟道在漏端被夹断ID基本不随UDS增加而增加只由UGS决定等同于受控电流源放大用5、开关原理a.关断状态截止区条件UGS0或负电压小于阈值电压效果沟道消失源漏之间阻抗极高10^12Ω漏电流几乎为0等效开关断开b.导通状态可变电阻区条件UGSUGS(th)同时UDS较小效果沟道完全开启源漏之间呈现一个很小的导通电阻RDS(on)典型值1mΩ~几百mΩ漏极电流ID≈UDS/RDS(on)但实际电路中UDS很小故ID主要由负载决定等效开关闭合导通压降UDSID * RDS(on)c.注意事项栅极驱动需要提供足够的UGS电压通常在10~15v用于标准MOSFET逻辑电平MOSFET可用3.3v/5v驱动栅极电荷栅极输入电容较大几百pF到nF级开关瞬间需要提供充放电电流驱动电路需要有足够峰值电流能力寄生二极管MOSFET内部存在从源极指向漏极的体二极管N沟道时源极接P衬底漏极为N形成PN二极管在开关应用中需注意该二极管可能意外导通安全工作区注意电压、电流及功耗不能超过额定值特别是开关转换过程中同时承受高电压和大电流会产生大量热量七、二极管、三极管、MOS管的开关特性对比特性二极管三极管 (BJT)MOS管 (MOSFET)控制方式被动由电压极性决定电流控制需要 IB电压控制需要UGS几乎无电流输入端特性两个端口电压决定低阻抗B-E间是PN结极高阻抗G极绝缘导通状态正向压降 ~0.7V饱和压降 ~0.2V导通电阻 RDS(on)mΩ~Ω开关速度较快从反向恢复到导通有反向恢复时间中等有电荷存储效应非常快多数载流子器件无存储时间驱动功耗低较高需要持续基极电流极低静态时几乎为零典型应用整流、检波、保护小功率开关、模拟放大电源开关、数字电路CPU/内存、电机驱动总结二极管就像一个弹簧门门只能朝一个方向推开也就是正向导通反着推就会撞向挡板弹簧阻力无法推开也就是反向截止开关动作是自发的三极管就像一个水龙头只需要用很小的水流基极电流去拧开阀门就能控制很大的水流集电极电流从主水管流过但是得持续拧着需要维持电流MOS管就像触摸开关手指栅极电压靠近感应区几乎不产生电流就能通过电场效应打开或关闭灯。手指一放状态可能保持断开但大多情况下是立即关闭。功耗极低、开关速度极快
