硬件电路设计（基本元器件）

一、电阻

1.电阻的基本概念

电阻是导体对电流阻碍作用的物理量，符号为R，单位为欧姆（Ω）。电阻的大小由导体的材料、长度、横截面积和温度共同决定。

电阻公式

导体的电阻R可通过以下公式计算：

ρ：电阻率（材料特性，单位Ω·m）

l：导体长度（单位m）

A：导体横截面积（单位m²）

2.电阻的分类

2.1 固定电阻

碳膜电阻：成本低，精度一般，用于普通电路

金属膜电阻：精度高，温度稳定性好，适用于精密仪器。

线绕电阻：功率大，耐高温，用于大电流场合。

2.2 可变电阻

电位器：阻值可手动调节，用于音量控制等。

热敏电阻：阻值随温度变化，分为PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）。

光敏电阻：阻值随光照强度变化，用于光控电路。

3.电阻的连接方式

串联电阻

总阻值为各电阻之和：

R_总 = R_1 + R_2 + ... + R_n

并联电阻

总阻值的倒数为各电阻倒数之和：

1/R_总 = 1/R_1 + 1/R_2 + ... + 1/R_n

4. 电阻的色环标识

通过色环颜色和位置表示阻值与精度，常见4环或5环标注：

4环电阻：前两环为有效数字，第三环为倍乘，第四环为误差。
5环电阻：前三环为有效数字，第四环为倍乘，第五环为误差。

色环颜色对应表:

对照阻值表计算阻值:

(1) 3位读数：前2位为有效数字，第3位表示10的n次幂(也可以理解为0的个数)。
精度为±5%

(2) 4位读数：前3位为有效数字，第4位表示10的n次幂(也可以理解为0的个数)。读法和3位的原理一样，精度为±1%

(3) 阻值小于10的读数：通常在两个数之间插入一个字母R，用字母R来代替小数点。

二、电容

1.电容的基本概念

电容是电子元件中存储电荷的能力，单位为法拉（F）。由两个导体及其间的绝缘介质构成，公式为：C = Q/U

其中C为电容，Q为存储电荷量，U为导体间电压。

2.电容的类型

固定电容 ：如陶瓷电容、电解电容（分极性）、薄膜电容。
可变电容 ：如调谐电容，常用于射频电路。
超级电容：高容量，用于能量存储和快速充放电场景。

3.电容原理

RC电路是由电阻（Resistor） 和电容（Capacitor） 两种基本元件组成的电路。

充电过程：

放电过程：

4.电容的作用

主要作用就是**"通交隔直，通高阻低"**，电容能近似通交流电，因为是开路所以直流电无法通过，频率高的电源可以近似同过，频率低的就近似无法通过。

t1前是充电，t1~t2放电；t2~t3充电，t3~t4放电，只要频率足够大，就类似突然接通正向电压，开始充电，然后放电，再接通反向电压充电，再放电。

4.1 储能作用

电容最基本的作用是存储电能，类似于一个"电子水库"。

E = ½CV²

储能公式：E为存储的能量，C为电容值，V为电压

应用场景：

相机闪光灯：瞬间释放大电流

电子设备备用电源

脉冲电路的能量存储

4.2 滤波作用

电容能够滤除电路中的交流成分，保留直流成分，起到"电子过滤器"的作用。

Xc = 1/(2πfC)

容抗公式：Xc为容抗，f为频率，C为电容值

滤波原理：

高频信号：容抗小，被电容旁路到地

低频信号：容抗大，通过负载

直流信号：完全通过负载

4.3 耦合作用

电容能够传递交流信号，同时隔离直流成分，实现级间耦合。

耦合电容的选择：

容量要足够大，确保低频信号通过

耐压要足够高，承受最大电压

频率特性要好，避免信号失真

4.5 旁路作用

电容能够为交流信号提供低阻抗路径，起到"电子短路"的作用

旁路作用的应用：

电源去耦：滤除电源纹波

信号旁路：为高频信号提供路径

噪声抑制：降低电路噪声

4.5 定时作用

利用电容的充放电特性，可以构成各种定时电路。

T = 1.1 × R × C

555定时器单稳态模式时间公式

定时应用：

延时开关：控制设备延时启动

脉冲发生器：产生特定频率的脉冲

振荡器：构成LC振荡电路

4.6 电容作用总结

作用类型	工作原理	应用场景	关键参数
储能	存储电荷和电能	闪光灯、备用电源	容量、耐压
滤波	滤除交流成分	电源滤波、信号滤波	容量、频率特性
耦合	传递交流信号	级间耦合、音频耦合	容量、耐压
旁路	提供低阻抗路径	电源去耦、信号旁路	容量、频率特性
定时	利用充放电特性	延时电路、振荡器	容量、精度

4.7 使用注意事项

电容选择要点：

耐压值：必须大于工作电压

容量值：根据应用需求选择

温度系数：考虑温度对容量的影响

频率特性：高频应用需考虑频率特性

极性：电解电容要注意正负极

常见问题：

电容击穿：电压过高导致绝缘破坏

容量衰减：长时间使用容量下降

漏电流：绝缘不良导致漏电

温度漂移：温度变化影响容量

电容最主要的特性就是：通交隔直，通高阻低；

三、电感

电感的工作原理是基于电磁感应的原理，当电流通过线圈，会产生磁场，磁通量随着电流的变化而变化。电感的主要作用是在电路中储能、滤波、阻抗匹配。电路中主要作用"通直流，阻交流"，观看视频帮助理解。

电感在电路中起什么作用的，电感的工作原理_哔哩哔哩_bilibili

1.1 电感的基本特性：

能够存储磁场能量

对直流电呈现短路状态

对交流电呈现感抗特性

电流不能突变，电压可以突变

1.2 原理：

电感电压公式：U_L=L*(di/dt)

电路电压：-U_L + I2R = E

电感的感应电动势是指当电感中的电流发生变化时，电感会在其两端产生反

向电动势。.其公式为：U_L=L*（di/dt)，其中U_L是感应电动势，L是电感

量，di/dt是电流变化率。根据法拉第电磁定律，感应电动势的方向与电流变

化的方向相反。这意味着电感会抵抗电流的变化，从而影响电路中的电流流

动。

电路中U_L是负值，始终和电源电压相反。

(1) 充电：

当电压加在电感两端时，电流逐渐增加，电感存储磁能。这个过程类似于"磁能水库"的蓄水过程。

充电特点：

电流逐渐增加，先快后慢

电感电压逐渐减小，先快后慢

时间常数 τ = L/R

稳态时电流 = Us/R，电感电压 = 0

(2) 放电:

当电源断开时，电感中存储的磁能通过电阻释放，电流逐渐减小到零。

放电特点：

电流逐渐减小，先快后慢

电感电压为负值，逐渐减小

时间常数 τ = L/R

最终电流和电压都趋于零

四、二级管

1. 二极管基础知识

1. 二极管基本概念

二极管是一种具有单向导电特性的半导体器件，由PN结组成。它只允许电流在一个方向流动，在另一个方向则阻止电流通过。

2. 二极管的基本特性

正向导通：正向电压大于阈值电压时导通

反向截止：反向电压时几乎不导电

阈值电压：硅管约0.7V，锗管约0.3V

反向击穿：反向电压过高时击穿损坏

3. 二极管的主要参数

正向电压降：导通时的电压降

反向击穿电压：最大反向电压

正向电流：最大允许正向电流

反向漏电流：反向时的微小电流

2. 二极管作用：

(1) 整流

交流电压与整型后的电压：

整型电路：

正向电压的流向：

反向电压的流向：

工作原理：正负半周都整流为正向，保证不管交流电的方向，RL的电压都是上面高于下面。

输出波形：都是正向的周期性波形

(2) 稳压作用

稳压二极管

工作原理：利用反向击穿特性稳压

稳压值：由稳压管型号决定

应用：提供稳定电压参考

稳压二极管和普通二极管的区别？

二极管一般在正向电压下工作，稳压管则在反向击穿状态下工作，二者用法不同；

普通二极管的反向击穿电压一般在40V以上，高的可达几百伏至上千伏，而且在伏安特性曲线反向击穿的一段不陡，即反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。对于稳压管，当反向电压超过其工作电压Vz（亦称齐纳电压或稳定电压）时，反向电流将突然增大，而器件两端的电压基本保持恒定。对应的反向伏安特性曲线非常陡，动态电阻很小。稳压管可用作稳压器、电压基准、过压保护、电平转换器等。

工作电路：

(3) 保护作用

工作原理：防止反向电压损坏电路

应用：保护敏感电子元件

五、三级管

1.三极管基础知识

1.1 三极管基本概念

三极管是一种具有放大作用的半导体器件，由三个电极组成：发射极(E)、基极(B)、集电极(C)。它能够用小电流控制大电流，实现信号放大。

1.2 三极管的基本特性

**电流放大：**基极电流控制集电极电流

**电压放大：**输入电压变化引起输出电压变化

**功率放大：**小功率信号放大为大功率信号

**开关作用：**在饱和区和截止区之间切换

1.3 三极管的主要参数

电流放大系数β：Ic/Ib的比值

集电极最大电流ICM：最大允许集电极电流

集电极最大电压VCM：最大允许集电极电压

集电极最大功耗PCM：最大允许功耗

**补充：**三极管有三个极：发射极、基极和集电极。当三极管工作时，基区内的电子会被激发到发射区，形成发射极电流；同时，集电区的空穴会被吸引到基区，形成集电极电流。三极管的主要作用是放大信号、电流控制，控制电压以及开关电路。

2. 三极管的工作状态

截止状态、放大状态、饱和状态

1. 截止状态

条件：VBE < 0.7V（硅管）

特点：Ib ≈ 0，Ic ≈ 0

应用：开关断开状态

2. 放大状态

条件：VBE ≈ 0.7V，VCE > VBE

特点：Ic = β×Ib，线性放大

应用：信号放大

3. 饱和状态

条件：VBE ≈ 0.7V，VCE ≈ 0.2V

特点：Ic达到最大值，不再随Ib增加

应用：开关闭合状态

使用时一般工作在饱和状态 和截止

可以观看视频，视频更生动形象：
三极管的工作原理_哔哩哔哩_bilibili

3. 三极管类型

PN结原理理论讲解：

第12节几分钟让你了解PN结_哔哩哔哩_bilibili

3.1 NPN型三极管

特点：电子为主要载流子（上面的PN结原理视频很详细）

应用：通用放大、开关

型号：2N2222、2N3904、S8050

3.2 PNP型三极管

特点：空穴为主要载流子

应用：互补电路、推挽输出

型号：2N2907、2N3906、S8550

3.3 应用电路

作开关：

六、MOS管

1.MOS管的基本概念

MOS管是一种重要的半导体器件，全称是金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）。

2.MOS管的结构

MOS管主要由以下部分组成：

(1) 源极（Source, S） - 载流子的源

(2) 漏极（Drain, D） - 载流子的漏

(3) 栅极（Gate, G） - 控制电极

(4) 衬底（Substrate, B） - 半导体基底

(5) 氧化层 - 栅极与沟道之间的绝缘层

3.MOS管的类型

3.1 NMOS管

G点输入高电平,DS导通

3.2 PMOS管

G点输入低电平,DS导通

3.3 MOS管常用于

增强型NMOS管：

截止状态：栅源电压VGS < 阈值电压Vth时，沟道未形成，漏源间电阻很大

导通状态：VGS > Vth时，栅极电场在衬底表面形成反型层（沟道），漏源间导通

增强型PMOS管：

和NMOS相反。

4.2 优点（特点）

1、输入阻抗非常高，因为MOS管栅极有绝缘膜氧化物，甚至可达上亿欧姆，所以他的输入几乎不取电流，可以用作电子开关。

2、导通电阻低，可以做到几个毫欧的电阻，极低的传导损耗。

3、开关速度快，开关损耗低，特别适应PWM输出模式。