微控制器外圍電路設計攻略

微控制器外圍電路設計之一：電阻

對於電阻，想必大家都覺得簡單，沒有什麼好說的。其實電阻的應該還是非常廣泛的，在不同的應用場合其作用是完全不同的。本人將總結其基本用法，及容易被忽略的地方。

1、概念

電阻（Resistance，通常用“R”表示），在物理學中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種特性。電阻將會導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。而超導體則沒有電阻。

電阻元件的電阻值大小一般與溫度，材料，長度，還有橫截面積有關，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度係數，其定義為溫度每升高1℃時電阻值發生變化的百分數。

電阻的主要物理特徵是變電能為熱能，也可說它是一個耗能元件，電流經過它就產生內能。電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。對訊號來說，交流與直流訊號都可以透過電阻。

導體的電阻通常用字母R表示，電阻的單位是歐姆（ohm），簡稱歐，符號是Ω（希臘字母，讀作Omega），1Ω=1V/A。比較大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）（兆=百萬，即100萬）。

KΩ（千歐）， MΩ（兆歐），他們的換算關係是：

1TΩ=1000GΩ；1GΩ=1000MΩ；1MΩ=1000KΩ；1KΩ=1000Ω（也就是一千進率）

兩個電阻並聯式也可表示為

串聯： R=R1+R2+．．．+Rn

並聯：1/R=1/R1+1/R2+．．．+1/Rn

兩個電阻並聯式也可表示為 R=R1·R2/（R1+R2）

定義式：R=U/I

決定式：R=ρL/S（ρ表示電阻的電阻率，是由其本身性質決定，L表示電阻的長度，S表示電阻的橫截面積）

電阻元件的電阻值大小一般與溫度有關，還與導體長度、橫截面積、材料有關。衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度係數，其定義為溫度每升高1℃時電阻值發生變化的百分數。多數（金屬）的電阻隨溫度的升高而升高，一些半導體卻相反。如：玻璃，碳在溫度一定的情況下，有公式R=ρl/s其中的ρ就是電阻率，l為材料的長度，單位為m，s為面積，單位為平方米。可以看出，材料的電阻大小正比於材料的長度，而反比於其面積。

電阻物理量：1歐電壓產生一歐電流則為1歐電阻。另外電阻的作用除了在電路中用來控制電流電壓外還可以製成發熱元件等。

2、電阻應用

電阻在電路中的主要作用為分流、限流、分壓、偏置、濾波（與電容器組合使用）和阻抗匹配等。

電阻通常分為三大類：固定電阻，可變電阻，特種電阻。

在電子產品中，以固定電阻應用最多。常用、常見的有ＲＴ型碳膜電阻、ＲＪ型金屬膜電阻、ＲＸ型線繞電阻，近年來還廣泛應用的片狀電阻。

電阻器型號命名：Ｒ代表電阻，Ｔ－碳膜，Ｊ－金屬，Ｘ－線繞，是拼音的第一個字母。在國產老式的電子產品中，常可以看到外表塗覆綠漆的電阻，那就是ＲＴ型的。而紅顏色的電阻，是ＲＪ型的。

按照功率可以分為小功率電阻和大功率電阻。大功率電阻通常是金屬電阻，實際上應該是在金屬外面加一個金屬（鋁材料）散熱器，所以可以有10W以上的功率；在電子配套市場上專門賣電阻的市場上可以很容易地看到。

金屬電阻通常是作為負載，或者作為小裝置的室外加熱器，如，在CCTV的一些解碼器箱和全天候防護罩中可以看到。

電阻在電路中起到限流、分壓等作用。通常1/8W電阻已經完全可以滿足使用。但是，在作為7段LED中，要考慮到LED的壓降和供電電壓之差，再考慮LED的最大電流，通常是20mA（超高亮度的LED），如果是2×6（2排6個串聯），則電流是40mA。

不同廠家選用不同材料的，其壓降也有所不同。所以需要加上電實測一下。但是，不要讓單隻LED的電流超出20mA，這時加大電流亮度也不會增加，但是LED的壽命會下降，限流電阻的大小就是壓降除以電流。電阻的功率隨之可以算出。

電位器

電位器就是可調電阻。它的阻值在1～nΩ之間變化。如N=102=10×10的2次方，也就是1000歐姆，1KΩ 。同理，502=5KΩ。

電位器又分單圈和多圈電位器。 單圈的電位器通常為灰白色，面上有一個十字可調的旋紐，出廠前放在一個固定的位置上，不在2頭； 多圈電位器通常為藍色，調節的旋紐為一字，一字小改錐可調； 多圈電位器又分成頂調和側調2種，主要是電路板除錯起來方便。

有些是儀器儀表裝置，通常是類比電路，有一些不確定的因素，需要調節才能達到最理想的效果；有些是裝置本身就需要輸出一個可變的東西，如電壓和電流，也需要一個電位器。

排電阻

是sip n的封裝，比較常用的就是阻值502和103的9腳的電阻排；象sip9就是8個電阻封裝在一起，8個電阻有一端連在一起，就是公共端，在排電阻上用一個 小白點表示。排電阻通常為黑色，也有黃色；51系統的P0需要一個排電阻上拉，否則，作為輸入的時候，不能正常讀入資料；作為輸出的時候，接7407是可 以的，不需要上拉電阻；但是，接其它的晶片，還是不行。有興趣可以看看51的P0的結構；沒有興趣，依葫蘆畫瓢，照做沒錯。

光敏電阻

當照在光敏電阻上的光強變化時，電阻值也在變化。顯然這是半導體材料的特性。

使用光敏電阻可以檢測光強的變化。

電阻的封裝

電阻的封裝有表面貼和軸向的封裝。軸向封裝有：axial0。4、axial0。6、axial0。8等等；axial在英語中就是軸的意思；表面貼電阻的封裝最常用的就是0805；當然還有更大的；但是更大的電阻不是很常用的。

3、限流電阻

電阻作為限流應該是最常用的應用之一，對於微控制器外圍設計來說，電阻的應用非常重要，在很多時候，我們必須在微控制器的I/O埠上連線一個限流電阻，保證外圍電路不會應用短路、過載等原因燒壞微控制器的I/O埠，甚至整個微控制器。

對於限流，想必大家都很清楚，可是在選擇電阻阻值時，你的標準是什麼？你知道微控制器埠是最大輸入電流嗎？知道微控制器的最大輸出電流嗎？知道微控制器埠能承受的最大電壓嗎？

面對這些問題，恐怕很多人都是知其然不知其所以然，完全憑靠經驗獲取，並沒有完全按照電路的要求計算取值。為此，在這裡提出這些問題，並不想教大家怎麼去計算這些值，知道歐姆定律的人都應該知道該怎麼計算吧，所以，只是希望大家在選擇之前，先了解微控制器的這些引數，然後，根據引數進行計算。在計算時一定要留一定的預留空間。

IOL，IOH究竟指的是什麼？

在看一些元器件的DATASHEET檔案時，經常會碰到元器件的引數，IOL，IOH，IIL，IIH，我也知道他們指的是輸入輸出高低電平時的最大最小電流，但在連線時他們之間的匹配問題一直很模糊，如：IOL=1。5MA； IOH=-300UA

另一個的輸入為：

IIL=-100UA； IIH=10UA；

他們之間是否能直接相接？IOL，IOH，究竟指的是什麼？是驅動麼？

參考答案：

IIL和IIH表示輸入高低電平時的電流值，-號表示從器件流出電流。

IOL和IOH表示輸出為低、高電平時的電流值，同樣-號表示從器件流出的電流。

你所說的第一個器件表示在輸出低電平的時候可以吸收（流入）1。5mA電流，輸出為高電平的時候，可以輸出300uA電流。第二個器件表示在輸入低的時候會流出100uA電流，輸入高的時候將吸收10uA電流。 |IOL|> |IIL|，|IOH|> |IIH|，就表示輸出器件可以帶動輸入器件。

4、上下拉電阻

電阻的又一應用就是上下拉電阻，上拉就是將不確定的訊號透過一個電阻鉗位在高電平，電阻同時起限流作用。下拉同理。也是是將不確定的訊號透過一個電阻鉗位在低電平。

上拉是對器件輸入電流，下拉是輸出電流；強弱只是上拉電阻的阻值不同，沒有什麼嚴格區分；對於非集電極（或漏極）開路輸出型電路（如普通閘電路）提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。

*1 當TTL電路驅動CMOS電路時，如果電路輸出的高電平低於CMOS電路的最低高電平（一般為3。5V）， 這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。

*2 OC閘電路必須使用上拉電阻，以提高輸出的高電平值。

*3 為增強輸出引腳的驅動能力，有的微控制器管腳上也常使用上拉電阻。

*4 在CMOS晶片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻以降低輸入阻抗， 提供洩荷通路。

*5 晶片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高晶片輸入訊號的噪聲容限，增強抗干擾能力。

*6 提高匯流排的抗電磁干擾能力，管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。

*7 長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上、下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。

上拉電阻

就是從電源高電平引出的電阻接到輸出端

*1 如果電平用OC（集電極開路，TTL）或OD（漏極開路，CMOS）輸出，那麼不用上拉電阻是不能工作的， 這個很容易理解，管子沒有電源就不能輸出高電平了。

*2 如果輸出電流比較大，輸出的電平就會降低（電路中已經有了一個上拉電阻，但是電阻太大，壓降太高），就可以用上拉電阻提供電流分量， 把電平“拉高”。（就是並一個電阻在IC內部的上拉電阻上，這時總電阻減小，總電流增大）。當然管子按需要工作線上性範圍的上拉電阻不能太小。當然也會用這個方式來實現閘電路電平的匹配。

為什麼要使用上拉電阻

一般作單鍵觸發使用時，如果IC本身沒有內接電阻，為了使單鍵維持在不被觸發的狀態或是觸發後回到原狀態，必須在IC外部另接一電阻。

數位電路有三種狀態：高電平、低電平、和高阻狀態，有些應用場合不希望出現高阻狀態，可以透過上拉電阻或下拉電阻的方式使處於穩定狀態，具體視設計要求而定！

一般說的是I/O埠，有的可以設定，有的不可以設定，有的是內建，有的是需要外接，I/O埠的輸出類似於一個三極體的C，當C接透過一個電阻和電源連線在一起的時候，該電阻成為上拉電阻，也就是說，該埠正常時為高電平；C透過一個電阻和地連線在一起的時候，該電阻稱為下拉電阻。

上拉電阻是用來解決匯流排驅動能力不足時提供電流的問題的。一般說法是上拉增大電流，下拉電阻是用來吸收電流。

5、典型應用

*1 固定電平

在外設沒有收到控制時，我們需要把某一外設或微控制器I/O埠固定在某一固定電平上時，需要根據需要接上下拉電阻，例如：

上圖中，對於按鍵輸入來說，在沒有按下按鍵時，如果沒有上拉電阻的存在，微控制器埠將處於懸乎狀態，沒有確定電平，當然如果有內部上拉電阻的微控制器除外，加上上拉電阻會，在沒有按鍵時，微控制器埠保持高電平，有按鍵時，微控制器埠將輸入低電平。而對於蜂鳴器來說，由於和按鍵有同樣的效果，不加上拉電阻，無法區別在沒有微控制器控制時，三極體的工作狀態，所以，必須加上上拉電阻以保障無微控制器控制時，三極體截止，蜂鳴器不工作。

*2 電平輸入

有時候由於器件自身設計的原因，如果不接外部上下拉電阻，裝置無法正常實現高低電平的轉換。例如，對於開漏輸出的I2C匯流排來說，如果不接上拉電阻，其只能輸出低電平，無法實現高電平輸出，加上上拉電阻，保證在沒有控制訊號時，透過上拉電阻實現高電平。

微控制器外圍電路設計之二：電容

電容，作為電子電路的又一基本元器件，大家也是熟悉不過的了。下面我們談談電容的一些基本應用及注意事項。但是，由於電容的應用非常廣泛，未必能面面俱到，如果有網友覺得沒有談到的地方，希望公共完善。

1、概念

電容（Capacitance）亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲藏量，記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上，造成電荷的累積儲存，儲存的電荷量則稱為電容。電容是電子裝置中大量使用的電子元件之一，廣泛應用於隔直、耦合、旁路、濾波、調諧迴路、能量轉換、控制電路等方面。

電容（或稱電容量）是表現電容器容納電荷本領的物理量。

電容從物理學上講，它是一種靜態電荷儲存介質，可能電荷會永久存在，這是它的特徵，它的用途較廣，它是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。主要用於電源濾波、訊號濾波、訊號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。

在電路學裡，給定電勢差，電容器儲存電荷的能力，稱為電容（capacitance），標記為C。採用國際單位制，電容的單位是法拉（farad），標記為F。

電容的符號是C。

C=εS/d=εS/4πkd（真空）=Q/U

在國際單位制裡，電容的單位是法拉，簡稱法，

符號是F，由於法拉這個單位太大，所以常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關係是：

1法拉（F）= 1000毫法（mF）=1000000微法（μF）

1微法（μF）= 1000納法（nF）= 1000000皮法（pF）。

電容與電池容量的關係：

1伏安時=1瓦時=3600焦耳

w=0。5cuu

一個電容器，如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏，這個電容器的電容就是1法，即：C=Q/U 但電容的大小不是由Q（帶電量）或U（電壓）決定的，即：C=εS/4πkd 。其中，ε是一個常數，S為電容極板的正對面積，d為電容極板的距離，k則是靜電力常量。常見的平行板電容器，電容為C=εS/d（ε為極板間介質的介電常數，S為極板面積，d為極板間的距離）。

定義式：C=Q/U

電容器的電勢能計算公式：E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C

多電容器並聯計算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn

多電容器串聯計算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn

三電容器串聯：C=（C1*C2*C3）/（C1*C2+C2*C3+C1*C3）

電容是指容納電場的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認為：孤立導體與無窮遠處構成電容，導體接地等效於接到無窮遠處，並與大地連線成整體。

2、電容的應用

根據電容在電路中的不同位置，電容表現著不同的狀態，常見的分類如下：

*1 按照結構分三大類：固定電容器、可變電容器和微調電容器；

*2 按電解質分類有：有機介質電容器、無機介質電容器、電解電容器和空氣介質電容器等；

*3 按用途分有：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器；

*4 頻旁路：陶瓷電容器、雲母電容器、玻璃膜電容器、滌綸電容器、玻璃釉電容器；

*5 低頻旁路：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器；

*6 濾波：鋁電解電容器、紙介電容器、複合紙介電容器、液體鉭電容器；

*7 調諧：陶瓷電容器、雲母電容器、玻璃膜電容器、聚苯乙烯電容器；

*8 高頻耦合：陶瓷電容器、雲母電容器、聚苯乙烯電容器；

*9 低耦合：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器、固體鉭電容器；

*10 小型電容：金屬化紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、聚苯乙烯電 容器、固體鉭電容器、玻璃釉電容器、金屬化滌綸電容器、聚丙烯電容器、雲母電容器。

電容作用

*電容器的基本作用就是充電與放電，但由這種基本充放電作用所延伸出來的許多電路現象，使得電容器有著種種不同的用途，例如：在電動馬達中，用它來產生相移；在照相閃光燈中，用它來產生高能量的瞬間放電等等。而在電子電路中，電容器不同性質的用途尤多，這許多不同的用途，雖然也有截然不同之處，但因其作用均來自充電與放電。

下面是一些電容的作用列表：

耦合電容：

用在耦合電路中的電容稱為耦合電容，在阻容耦合放大器和其他電容耦合電路中大量使用這種電容電路，起隔直流通交流作用。

濾波電容：

用在濾波電路中的電容器稱為濾波電容，在電源濾波和各種濾波器電路中使用這種電容電路，濾波電容將一定頻段內的訊號從總訊號中去除。

退耦電容：

用在退耦電路中的電容器稱為退耦電容，在多級放大器的直流電壓供給電路中使用這種電容電路，退耦電容消除每級放大器之間的有害低頻交連。

高頻消振電容：用在高頻消振電路中的電容稱為高頻消振電容，在音訊負反饋放大器中，為了消振可能出現的高頻自激，採用這種電容電路，以消除放大器可能出現的高頻嘯叫。

諧振電容：

用在LC諧振電路中的電容器稱為諧振電容，LC並聯和串聯諧振電路中都需這種電容電路。

旁路電容：

用在旁路電路中的電容器稱為旁路電容，電路中如果需要從訊號中去掉某一頻段的訊號，可以使用旁路電容電路，根據所去掉訊號頻率不同，有全頻域（所有交流訊號）旁路電容電路和高頻旁路電容電路。

中和電容：

用在中和電路中的電容器稱為中和電容。在收音機高頻和中頻放大器，電視機高頻放大器中，採用這種中和電容電路，以消除自激。

定時電容：

用在定時電路中的電容器稱為定時電容。在需要透過電容充電、放電進行時間控制的電路中使用定時電容電路，電容起控制時間常數大小的作用。

積分電容：

用在積分電路中的電容器稱為積分電容。在電勢場掃描的同步分離電路中，採用這種積分電容電路，可以從場複合同步訊號中取出場同步訊號。

微分電容：

用在微分電路中的電容器稱為微分電容。在觸發器電路中為了得到尖頂觸發訊號，採用這種微分電容電路，以從各類（主要是矩形脈衝）訊號中得到尖頂脈衝觸發訊號。

補償電容：

用在補償電路中的電容器稱為補償電容，在卡座的低音補償電路中，使用這種低頻補償電容電路，以提升放音訊號中的低頻訊號，此外，還有高頻補償電容電路。

自舉電容：

用在自舉電路中的電容器稱為自舉電容，常用的OTL功率放大器輸出級電路採用這種自舉電容電路，以透過正反饋的方式少量提升訊號的正半周幅度。

分頻電容：

在分頻電路中的電容器稱為分頻電容，在音箱的揚聲器分頻電路中，使用分頻電容電路，以使高頻揚聲器工作在高頻段，中頻揚聲器工作在中頻段，低頻揚聲器工作在低頻段。

負載電容：

是指與石英晶體諧振器一起決定負載諧振頻率的有效外界電容。負載電容常用的標準值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。負載電容可以根據具體情況作適當的調整，透過調整一般可以將諧振器的工作頻率調到標稱值。

調諧電容：

連線在諧振電路的振盪線圈兩端，起到選擇振盪頻率的作用。

襯墊電容：

與諧振電路主電容串聯的輔助性電容，調整它可使振盪訊號頻率範圍變小，並能顯著地提高低頻端的振盪頻率。

中和電容：

並接在三極體放大器的基極與發射極之間，構成負反饋網路，以抑制三極體極間電容造成的自激振盪。

穩頻電容：

在振盪電路中，起穩定振盪頻率的作用。

定時電容：

在RC時間常數電路中與電阻R串聯，共同決定充放電時間長短的電容。

加速電容：

接在振盪器反饋電路中，使正反饋過程加速，提高振盪訊號的幅度。

縮短電容：

在UHF高頻頭電路中，為了縮短振盪電感器長度而串聯的電容。

克拉波電容：

在電容三點式振盪電路中，與電感振盪線圈串聯的電容，起到消除電晶體結電容對頻率穩定性影響的作用。

錫拉電容：

在電容三點式振盪電路中，與電感振盪線圈兩端並聯的電容，起到消除電晶體結電容的影響，使振盪器在高頻端容易起振。

穩幅電容：

在鑑頻器中，用於穩定輸出訊號的幅度。

預加重電容：

為了避免音訊調製訊號在處理過程中造成對分頻量衰減和丟失，而設定的RC高頻分量提升網路電容。

去加重電容：

為了恢復原伴音訊號，要求對音訊訊號中經預加重所提升的高頻分量和噪聲一起衰減掉，設定RC在網路中的電容。

移相電容：

用於改變交流訊號相位的電容。

反饋電容：

跨接於放大器的輸入與輸出端之間，使輸出訊號回輸到輸入端的電容。

降壓限流電容：

串聯在交流回路中，利用電容對交流電的容抗特性，對交流電進行限流，從而構成分壓電路。

逆程電容：

用於行掃描輸出電路，並接在行輸出管的集電極與發射極之間，以產生高壓行掃描鋸齒波逆程脈衝，其耐壓一般在1500伏以上。

S校正電容：

串接在偏轉線圈迴路中，用於校正映象管邊緣的延伸線性失真。

自舉升壓電容：

利用電容器的充、放電儲能特性提升電路某點的電位，使該點電位達到供電端電壓值的2倍。

消亮點電容：

設定在視放電路中，用於關機時消除映象管上殘餘亮點的電容。

軟啟動電容：

一般接在開關電源的開關管基極上，防止在開啟電源時，過大的浪湧電流或過高的峰值電壓加到開關管基極上，導致開關管損壞。

啟動電容：

串接在單相電動機的副繞組上，為電動機提供啟動移相交流電壓，在電動機正常運轉後與副繞組斷開。

運轉電容：

與單相電動機的副繞組串聯，為電動機副繞組提供移相交流電流。在電動機正常執行時，與副繞組保持串接。

3、去耦電容

電容的應用很廣泛，其中最為常見的就是去耦電容。該一般應用在電源的旁邊，作為是為了降低電源對地的交流阻抗（也稱為旁路電容）。在沒有這個電容時，電路的交流特性變得很奇特，嚴重時電路產生振盪。為此，微控制器及其他外圍器件的每一個電源輸入腳都應該加上一個旁路電容。

電容的阻抗為1/（2π*f*C），頻率越高，阻抗應該越小。在結構上，小容量的電容器在高的頻率處，而大容量的電容器則在較低的頻率處，電容的阻抗變得最低。因此，在電源上並聯一個小容量電容和一個大容量電容是很有必要的，這樣在很寬的頻率範圍降低電源對地的阻抗。

小容量的電容器是在高頻情況下降低阻抗的，所以如果不配置在電路附近，則電容器的引線增長，由於引線本身的阻抗，電源的阻抗不能降低。使用在使用小電容時，一定將盡量靠近器件的電源輸入腳，否則就算添加了這個電容也沒有任何意義。大容量電容器由於其低頻特性，在佈局時可以適當離器件遠些也沒有問題。在低頻電路上即使沒有小電容C1，電路也能正常工作。但是在高頻電路中，比起大電容C2來說，C1起著更為重要的作用。

通常小容量的電容器是0。01~0。1uF的陶瓷電容器（薄膜電容器為NG），大容量的電容器是1~100uF的鋁電解電容。在實際應用中，小容量電容器常取104電容，大容量電容器常取10uF電容。

從習慣上來說，旁路電容也有大小兩個電容，形成兩條通路，也保證電路的可靠性。

電源是使電路進行工作的基礎，因此，旁路電容可以認為是電路工作的“保險金”。在電路圖中，一定要新增旁路電容，所以，從一個人的對旁路電容的應用，特別是佈局就可以看出，其是否是高手了。

4、耦合電容

耦合電容，又稱電場耦合或靜電耦合，是由於分佈電容的存在而產生的一種耦合方式。耦合電容器是使得強電和弱電兩個系統透過電容器耦合並隔離，提供高頻訊號通路，阻止工頻電流進入弱電系統，保證人身安全。帶有電壓抽取裝置的耦合電容器除以上作用外，還可抽取工頻電壓供保護及重合閘使用，起到電壓互感器的作用。

電容耦合的作用是將交流訊號從前一級傳到下一級。耦合的方法還有直接耦合和變壓器耦合的方法。直接耦合效率最高，訊號又不失真，但是，前後兩級工作點的調整比較複雜，相互牽連。為了使後一級的工作點不受前一級的影響，就需要在直流方面把前一級和後一級分開，同時，又能使交流訊號從前一級順利的傳遞到後一級，同時能完成這一任務的方法就是採用電容傳輸或者變壓器傳輸來實現。他們都能傳遞交流訊號和隔斷直流，使前後級的工作點互不牽連。但不同的是，用電容傳輸時，訊號的相位要延遲一些，用變壓器傳輸時，訊號的高頻成分要損失一些。一般情況下，小訊號傳輸時，常用電容作為耦合元件，大訊號或者強訊號傳輸時，常用變壓器作為耦合元件。

耦合電容利用了電容最為主要的一個特性：隔直傳交。透過這一特性，可以很好的把直流電路與交流電路進行耦合，以保障其相互協調工作。對於微控制器外圍電路來說，使用比較多的耦合電容是，微控制器需要與交流訊號進行通訊的地方，例如：ADC和DAC。

在AD於DA電路上，我們需要把數字訊號和模擬訊號進行相互轉換，為保障數字喜歡與模擬喜歡的互不干涉，我們往往需要在微控制器的輸入端或輸出端串聯一個電容，對電路進行耦合。

由於耦合電容和負載R1直接形成了高通濾波器，會因為輸出端接不同輸出電路的輸入阻抗，電容應該進行相應的變化。為此，預先考慮接什麼樣的負載是至關重要的。

5、起振電容

用於振盪迴路中，與電感或電阻配合，決定振盪頻率（時間）的電容稱之為振盪電容。

查了資料手冊得知實際頻率和標稱頻率之間的關係：

Fx = F0（1+C1/（C0+CL））^（1/2）；

而 CL = Cg*Cd/（Cg+Cd）+Cs；其中Cs為雜散電容，Cg和Cd為我們外部加的兩個電容，通常大家取值相等，它們對串聯起來加上雜散電容即為晶振的負載電容CL。

具體公式不用細想，我們可以從中得知負載電容的減小可以使實際頻率Fx變大，

我們可以改變的只有Cg和Cd，透過初步的計算發現CL改變1pF，Fx可以改變幾百Hz。

原有電路使用的是33pF的兩個電容，則並聯起來是16。5pF，我們的貼片電容只有27pF，33pF，39pF，所以我們選用了27pF和39pF並聯，則電容為15。95pF。電容焊好後，測量比原來大了200多赫茲，落在了設計範圍內。

結論：晶振電路上的兩個電容可以不相等，透過微調電容的值可以微調晶振的振盪頻率，不過如果你測了幾片晶振，頻率有大有小，而且偏移較大，那麼這個晶振就是不合格的。

對於這電容來說，大家應該再熟悉不過了，基本上，沒有一個帶有微處理器的電路都至少有一個帶有起振電容的電路。雖然，大多是情況下，我們都是按照經驗選擇這兩個電容。實際上，這樣不科學，有的時候晶振並不會工作。所以，選擇合適是起振電容還是很有必要的。實際上，不同的晶振，起需要的起振電容是不同的，在購買晶振時應該選擇合適的晶振，一般來說在晶振的資料手冊上也提供了選擇起振電容的依據。

不管怎麼說，一般來說，我們還是可以根據經驗是有電容：

在微控制器的主時鐘輸入電路中，一般可以選擇22pF左右的起振電容，而在RTC時鐘中選擇6pF的起振電容，是沒有問題的。當然，如果對時鐘的要求比較嚴格時，還是建議參考晶振資料手冊，選擇電容。

6、復位電容

如圖所示是電容復位電路。Al是CPU積體電路，①腳是積體電路Al的復位引腳，復位引腳一般用RESET表示，①腳內電路和外電路中的元件構成復位電路，Cl是復位電容，Sl是手動復位開關。這一復位電路的工作原理：I積體電路Al的①腳內電路有一個斯密特觸發器和一個提拉電阻R1，它一端接在直流電壓+5V上，另一端透過Al的①腳與外電路中的電容C1相連。

電路的電源開關接通後，+5V直流電壓透過電阻R1對電容C1充電，這樣在電源接通瞬間電容Cl兩端沒有電壓（因為電容兩端的電壓不能突變），隨著對電容Cl的充電，積體電路Al的①腳上的電壓開始升高，這樣可在Al的①腳上產生一個時間足夠長的復位脈衝，時間常數一般為0。2s。

隨著+5V直流電壓的充電，Al的①腳上的電壓達到了一定值，積體電路Al內部所有電路均可建立起初始狀態，復位工作完成，CPU進入初始的正常工作狀態。這一復位電路的目的：使積體電路Al的復位引腳①腳上直流電壓的建立滯後於積體電路Al的+5V直流工作電壓規定的時間，如圖5-69所示的電壓波形可以說明這一問題。

微控制器外圍電路設計之三：電感

電感作為一種能夠改變電流的特殊器件，在數位電路中應用相對比較少，一般都應用在與電源相關的部分。

1、概念

電感（inductance of an ideal inductor）是閉合迴路的一種屬性。當線圈透過電流後，線上圈中形成磁場感應，感應磁場又會產生感應電流來抵制透過線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關係稱為電的感抗，也就是電感，單位是“亨利（H）”。

電感是閉合迴路的一種屬性，即當透過閉合迴路的電流改變時，會出現電動勢來抵抗電流的改變。這種電感稱為自感（self-inductance），是閉合迴路自己本身的屬性。假設一個閉合迴路的電流改變，由於感應作用而產生電動勢於另外一個閉合迴路，這種電感稱為互感（mutual inductance）。

自感

當線圈中有電流透過時，線圈的周圍就會產生磁場。當線圈中電流發生變化時，其周圍的磁場也產生相應的變化，此變化的磁場可使線圈自身產生感應電動勢（感生電動勢）（電動勢用以表示有源元件理想電源的端電壓），這就是自感。

互感

兩個電感線圈相互靠近時，一個電感線圈的磁場變化將影響另一個電感線圈，這種影響就是互感。互感的大小取決於電感線圈的自感與兩個電感線圈耦合的程度，利用此原理製成的元件叫做互感器。

電感符號：L

電感單位：亨（H）、毫亨（mH）、微亨（μH），換算關係為

1H=10^3mH=10^6μH=10^9nH。

換算：數值X10的n次方 如103 即為10X10的三次方nh 為10uh

除此外還有一般電感和精密電感之分

一般電感：誤差值為20%，用M表示；誤差值為10%，用K表示。

精密電感：誤差值為5%，用J表示；誤差值為1%，用F表示。

如：100M，即為10μH，誤差20%。

2、電感應用

電感是用絕緣導線（例如漆包線，沙包線等）繞制而成的電磁感應元件。屬於常用元件。

電感的作用：通直流阻交流這是簡單的說法，對交流訊號進行隔離，濾波或與電容器，電阻器等組成諧振電路。

調諧與選頻電感的作用：電感線圈與電容器並聯可組成LC調諧電路。即電路的固有振盪頻率f0與非交流訊號的頻率f相等，則迴路的感抗與容抗也相等，於是電磁能量就在電感、電容之間來回振盪，這就是LC迴路的諧振現象。諧振時由於電路的感抗與容抗等值又反向，因此迴路總電流的感抗最小，電流量最大（指f=f0的交流訊號），所以LC諧振電路具有選擇頻率的作用，能將某一頻率f的交流訊號選擇出來。

磁環電感的作用：磁環與連線電纜構成一個電感器（電纜中的導線在磁環上繞幾圈作為電感線圈），它是電子電路中常用的抗干擾元件，對於高頻噪聲有很好的遮蔽作用，故被稱為吸收磁環，由於通常使用鐵氧體材料製成，所以又稱鐵氧體磁環（簡稱磁環）。在圖中，上面為一體式磁環，下面為帶安裝夾的磁環。磁環在不同的頻率下有不同的阻抗特牲。一般在低頻時阻抗很小，當訊號頻率升高後磁環的阻抗急劇變大。可見電感的作用如此之大，大家都知道，訊號頻率越高，越容易輻射出去，而一般的訊號線都是沒有遮蔽層的，這些訊號線就成了很好的天線，接收周圍環境中各種雜亂的高頻訊號，而這些訊號疊加在原來傳輸的訊號上，甚至會改變原來傳輸的有用訊號，嚴重干擾電子裝置的正常工作，因此降低電子裝置的電磁干擾（EM）已經是必須考慮的問題。在磁環作用下，即使正常有用的訊號順利地透過，又能很好地抑制高頻於擾訊號，而且成本低廉。

電感的作用還有篩選訊號、過濾噪聲、穩定電流及抑制電磁波干擾等重要的作用。

電感的主要引數有電感量、允許偏差、品質因數、分佈電容及額定電流等。

電感量

電感量也稱自感係數，是表示電感器產生自感應能力的一個物理量。

電感器電感量的大小，主要取決於線圈的圈數（匝數）、繞制方式、有無磁心及磁心的材料等等。通常，線圈圈數越多、繞制的線圈越密集，電感量就越大。有磁心的線圈比無磁心的線圈電感量大；磁心導磁率越大的線圈，電感量也越大。

電感量的基本單位是亨利（簡稱亨），用字母“H”表示。常用的單位還有毫亨（mH）和微亨（μH），它們之間的關係是：

1H=1000mH

1mH=1000μH

允許偏差

允許偏差是指電感器上標稱的電感量與實際電感的允許誤差值。

一般用於振盪或濾波等電路中的電感器要求精度較高，允許偏差為±0。2%~±0。5%；而用於耦合、高頻阻流等線圈的精度要求不高；允許偏差為±10%~15%。

品質因數

品質因數也稱Q值或優值，是衡量電感器質量的主要引數。

它是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時，所呈現的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小，效率越高。

電感器品質因數的高低與線圈導線的直流電阻、線圈骨架的介質損耗及鐵心、遮蔽罩等引起的損耗等有關。

分佈電容

分佈電容是指線圈的匝與匝之間，線圈與磁心之間，線圈與地之間，線圈與金屬之間都存在的電容。電感器的分佈電容越小，其穩定性越好。分佈電容能使等效耗能電阻變大，品質因數變大。減少分佈電容常用絲包線或多股漆包線，有時也用蜂窩式繞線法等。

額定電流

額定電流是指電感器在允許的工作環境下能承受的最大電流值。若工作電流超過額定電流，則電感器就 會因發熱而使效能引數發生改變，甚至還會因過流而燒燬。

3、儲能電感

在開關電源中，由於在開關過程中輸出電流是不能間斷的，所以需要一個能夠在這個時候釋放能量的器件，這就是儲能電感。這個電感一直伴隨著各種開關電源。幾乎所有的開關電源都必須伴隨著這樣一個電感的存在。

例如，在微控制器系統中最常使用的開關電源LM2576電源電路中

所有的開關調節器都有兩種基本的工作方式：即連續型和非連續型，兩者之間的區別主要在於流過電感的電流不同，即電感電流若是連續的則稱為連續型；若電感電流在一個開關週期內降到零則為非連續型。每一種工作模式都可以影響開關調節器的效能和要求。當負載電流較小時，在設計中可採用非連續模式。LM2576 既適用於連續型也適用於非連續型。通常情況下，連續型工作模式具有好的工作特性且能提供較大的輸出功率、較小的峰峰值電流和較小的紋波電壓。一般應用時可根據下面公式進行電感的選擇：（電壓單位：V 電流單位：A）

4、隔離電感

使用電感對電源電路隔離也是比較常用的方法，在很多時候，我們需要把幾個電源相互隔離以防其相互干擾，這時候最常使用的器件就是電感（有時會使用0Ω電阻代替）。

上圖是一個微控制器最小系統的一部分原理圖，在圖中我們可以看到。為了把微控制器的數字地和模擬地進行隔離，使用了一個10uH的電感，以保證這兩個電源的相對獨立。

微控制器外圍電路設計之四：二極體

在微控制器外圍電路中，二極體的應用也非常廣泛，而且二極體根據其應用不同，種類非常繁多，下面我們主要談談發光二極體、續流二極體、整流二極體、限幅二極體等。

1、概述

二極體又稱晶體二極體，簡稱二極體（diode），另外，還有早期的真空電子二極體；它是一種具有單向傳導電流的電子器件。在半導體二極體內部有一個PN接面兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉導性。一般來講，晶體二極體是一個由p型半導體和n型半導體燒結形成的p-n結介面。在其介面的兩側形成空間電荷層，構成自建電場。當外加電壓等於零時，由於p-n 結兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態，這也是常態下的二極體特性。

二極體（英語：Diode），電子元件當中，一種具有兩個電極的裝置，只允許電流由單一方向流過。許多的使用是應用其整流的功能。而變容二極體（Varicap Diode）則用來當作電子式的可調電容器。

大部分二極體所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極體最普遍的功能就是隻允許電流由單一方向透過（稱為順向偏壓），反向時阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極體可以想成電子版的逆止閥。然而實際上二極體並不會表現出如此完美的開與關的方向性，而是較為複雜的非線性電子特徵——這是由特定型別的二極體技術決定的。二極體使用上除了用做開關的方式之外還有很多其他的功能。

早期的二極體包含“貓須晶體（“Cat‘s Whisker” Crystals）”以及真空管（英國稱為“熱遊離閥（Thermionic Valves）”）。現今最普遍的二極體大多是使用半導體材料如矽或鍺。

正向性

外加正向電壓時，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN接面內電場的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區。這個不能使二極體導通的正向電壓稱為死區電壓。當正向電壓大於死區電壓以後，PN接面內電場被克服，二極體正向導通，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流範圍內，導通時二極體的端電壓幾乎維持不變，這個電壓稱為二極體的正向電壓。當二極體兩端的正向電壓超過一定數值Vth，內電場很快被削弱，電流迅速增長，二極體正向導通。Vth叫做門坎電壓或閾值電壓，矽管約為0。5V，鍺管約為0。1V。矽二極體的正向導通壓降約為0。6~0。8V，鍺二極體的正向導通壓降約為0。2~0。3V。

反向性

外加反向電壓不超過一定範圍時，透過二極體的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由於反向電流很小，二極體處於截止狀態。這個反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流，二極體的反向飽和電流受溫度影響很大。一般矽管的反向電流比鍺管小得多，小功率矽管的反響飽和電流在nA數量級，小功率鍺管在μA數量級。溫度升高時，半導體受熱激發，少數截流子數目增加，反向飽和電流也隨之增加。

2、二極體的應用

二極體種類有很多，按照所用的半導體材料，可分為鍺二極體（Ge管）和矽二極體（Si管）。根據其不同用途，可分為檢波二極體、整流二極體、穩壓二極體、開關二極體、隔離二極體、肖特基二極體、發光二極體、矽功率開關二極體、旋轉二極體等。按照管芯結構，又可分為點接觸型二極體、面接觸型二極體及平面型二極體。點接觸型二極體是用一根很細的金屬絲壓在光潔的半導體晶片表面，通以脈衝電流，使觸絲一端與晶片牢固地燒結在一起，形成一個“PN接面”。由於是點接觸，只允許透過較小的電流（不超過幾十毫安），適用於高頻小電流電路，如收音機的檢波等。面接觸型二極體的“PN接面”面積較大，允許透過較大的電流（幾安到幾十安），主要用於把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極體是一種特製的矽二極體，它不僅能透過較大的電流，而且效能穩定可靠，多用於開關、脈衝及高頻電路中。

半導體二極體主要是依靠PN接面而工作的。與PN接面不可分割的點接觸型和肖特基型，也被列入一般的二極體的範圍內。包括這兩種型號在內，根據PN接面構造面的特點，把晶體二極體分類如下：

點接觸型二極體

點接觸型二極體是在鍺或矽材料的單晶片上壓觸一根金屬針後，再透過電流法而形成的。因此，其PN接面的靜電容量小，適用於高頻電路。但是，與面結型相比較，點接觸型二極體正向特性和反向特性都差，因此，不能使用於大電流和整流。因為構造簡單，所以價格便宜。

面接觸型二極體

面接觸型或稱面積型二極體的PN接面是用合金法或擴散法做成的，由於這種二極體的PN接面面積大，可承受較大電流，但極間電容也大。這類器件適用於整流，而不宜用於高頻率電路中。

鍵型二極體

鍵型二極體是在鍺或矽的單晶片上熔接或銀的細絲而形成的。其特性介於點接觸型二極體和合金型二極體之間。與點接觸型相比較，雖然鍵型二極體的PN接面電容量稍有增加，但正向特性特別優良。多作開關用，有時也被應用於檢波和電源整流（不大於50mA）。在鍵型二極體中，熔接金絲的二極體有時被稱金鍵型，熔接銀絲的二極體有時被稱為銀鍵型。

合金型二極體

在N型鍺或矽的單晶片上，透過合金銦、鋁等金屬的方法制作PN接面而形成的。正向電壓降小，適於大電流整流。因其PN接面反向時靜電容量大，所以不適於高頻檢波和高頻整流。

擴散型二極體

在高溫的P型雜質氣體中，加熱N型鍺或矽的單晶片，使單晶片表面的一部變成P型，以此法PN接面。因PN接面正向電壓降小，適用於大電流整流。最近，使用大電流整流器的主流已由矽合金型轉移到矽擴散型。

檯面型二極體

PN接面的製作方法雖然與擴散型相同，但是，只保留PN接面及其必要的部分，把不必要的部分用藥品腐蝕掉。其剩餘的部分便呈現出檯面形，因而得名。初期生產的檯面型，是對半導體材料使用擴散法而製成的。因此，又把這種檯面型稱為擴散檯面型。對於這一型別來說，似乎大電流整流用的產品型號很少，而小電流開關用的產品型號卻很多。

平面型二極體

在半導體單晶片（主要地是N型矽單晶片）上，擴散P型雜質，利用矽片表面氧化膜的遮蔽作用，在N型矽單晶片上僅選擇性地擴散一部分而形成的PN接面。因此，不需要為調整PN接面面積的藥品腐蝕作用。由於半導體表面被製作得平整，故而得名。並且，PN結合的表面，因被氧化膜覆蓋，所以公認為是穩定性好和壽命長的型別。最初，對於被使用的半導體材料是採用外延法形成的，故又把平面型稱為外延平面型。對平面型二極體而言，似乎使用於大電流整流用的型號很少，而作小電流開關用的型號則很多。

合金擴散型二極體

它是合金型的一種。合金材料是容易被擴散的材料。把難以製作的材料透過巧妙地摻配雜質，就能與合金一起過擴散，以便在已經形成的PN接面中獲得雜質的恰當的濃度分佈。此法適用於製造高靈敏度的變容二極體。

外延型二極體

用外延面長的過程製造PN接面而形成的二極體。製造時需要非常高超的技術。因能隨意地控制雜質的不同濃度的分佈，故適宜於製造高靈敏度的變容二極體。

肖特基二極體

基本原理是：在金屬（例如鉛）和半導體（N型矽片）的接觸面上，用已形成的肖特基來阻擋反向電壓。肖特基與PN接面的整流作用原理有根本性的差異。其耐壓程度只有40V左右。其特長是：開關速度非常快：反向恢復時間trr特別地短。因此，能製作開關二極和低壓大電流整流二極體。

3、發光二極體

發光二極體是學習微控制器的入門器件，因為其亮滅狀態能夠清晰的體現出微控制器關鍵的電平狀態。當然，作為指示電路，LED也是必不可少的。

LED的基本架構如上圖，只要在LED的兩個管腳上新增正確的電壓，LED就可以發光，那麼應該在LED管腳上新增多少伏電壓呢？

有的網友可能已經使用過多種LED了吧，不過，不知道你是否知道LED的工作電壓？不同顏色的LED，由於使用的材料不同，其工作電壓是不同的。一般來說紅色、黃色的LED，其工作電壓在2V左右；而藍色、綠色和白色的LED，其工作電壓在3V左右。如果設計的產品的專門的LED發光類的產品（LED護欄管、LED照明燈等），應該保證LED的工作電壓在其正常工作的電壓範圍，具體的LED燈的工作電壓可以透過LED廠家提供的LED引數確定。同時，如果要讓LED正常工作，一般其工作電流在20mA左右。當然，如果我們使用的LED是用來作為指示用，那麼並不需要LED發太亮的光，在這種情況下，一般認為LED的工作電壓在2V左右，工作電流4mA即可，如果需要調節亮度，可以透過改變限流電阻確定。

上圖是最簡單的LED應用電路，在這個電路中需要注意的是限流電阻R1的選擇。如果該電路用於指示用，而且微控制器的I/O埠可以輸出4mA左右的電流，則可以直接透過微控制器埠控制，則R1的計算公式如下：

R1 = （VCC - Vled ）/ 4mA

但是，如果這個電路用作照明用，顯然是微控制器的I/O埠是無法輸出這麼大電流的，這是，我們可以考慮用三級管或FET來開關控制。當然，如果作為一般指示電路使用時，如果微控制器無法輸出4mA的電流時，也可用於使用三極體貨FET來驅動LED。

4、續流二極體

我們通常所說的“續流二極體”由於在電路中起到續流的作用而得名，一般選擇快速恢復二極體或者肖特基二極體來作為“續流二極體”，它在電路中一般用來保護元件不被感應電壓擊穿或燒壞，以並聯的方式接到產生感應電動勢的元件兩端，並與其形成迴路，使其產生的高電動勢在迴路以續電流方式消耗，從而起到保護電路中的元件不被損壞的作用。

續流二極體經常和儲能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路。電感可以經過它給負載提供持續的電流，以免負載電流突變，起到平滑電流的作用。在開關電源中，就能見到一個由二極體和電阻串連起來構成的的續流電路。這個電路與變壓器原邊並聯。當開關管關斷時，續流電路可以釋放掉變壓器線圈中儲存的能量，防止感應電壓過高，擊穿開關管。一般選擇快速恢復二極體或者肖特基二極體就可以了，用來把線圈產生的反向電勢透過電流的形式消耗掉，可見“續流二極體”並不是一個實質的元件，它只不過在電路中起到的作用稱做“續流”。

例如：下面的繼電器開關電路

當開關的負載為繼電器或電動機等電感性負載時，在截斷流過負載的電流時（電晶體進入截止狀態）會產生反向電動勢。這時產生的電壓非常大。當這種電壓超過電晶體的集電極-基極間、集電極-發射機間電壓的最大額定值Vcbo、Vceo時，電晶體將會被擊穿。

並聯續流二極體後，而與二極體與繼電器形成閉合迴路，可以放掉繼電器線圈產生的高達140V的反向電壓，從而保證集電極電位不高於電源電壓的0。6V，而防止電晶體被擊穿。

5、整流二極體

一種將交流電能轉變為直流電能的半導體器件。通常它包含一個PN接面，有正極和負極兩個端子。

整流二極體一般為平面型矽二極體，用於各種電源整流電路中。

選用整流二極體時，主要應考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復時間等引數。

普通串聯穩壓電源電路中使用的整流二極體，對截止頻率的反向恢復時間要求不高，只要根據電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極體即可。例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。

開關穩壓電源的整流電路及脈衝整流電路中使用的整流二極體，應選用工作頻率較高、反向恢復時間較短的整流二極體（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或選擇快恢復二極體。還有一種肖特基整流二極體。

整流二極體一般應用在電源電路中，常見的有交流變直流時的電橋。防止電源接反時的，保護二極體等等。對於這類二極體，主要應用的是其單向導電性。在實際的應用中，比較常用的系列是1N系列。

半波整流

全波整流

6、穩壓二極體

穩壓二極體，英文名稱Zener diode，又叫齊納二極體。此二極體是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區中電流增加而電壓則保持恆定，穩壓二極體是根據擊穿電壓來分檔的，因為這種特性，穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。其伏安特性見圖1，穩壓二極體可以串聯起來以便在較高的電壓上使用，透過串聯就可獲得更多的穩定電壓。

這類二極體往往應用在對電壓有一定的特殊要求的地方，高於穩壓二極體的電壓將會被二極體吃掉，從而起到穩壓的作用，當然也可也到限幅的作用。這種二極體一般在微控制器電路中，常用用於對輸入高電壓的訊號進行處理，以整輸入電壓在一個合理的範圍，確保不對微控制器的I/O埠進行破壞。

微控制器外圍電路設計之五：三極體

三級管是一起數字鍵電路的基礎，在數位電路中三極體一般工作在開關狀態，所以，在這裡，我們將談談，三極體工作在開關狀態的一些問題，至於放大電路的應用，這裡就不在說明了。

1、概述

半導體三極體又稱“晶體三極體”或“電晶體”。在半導體鍺或矽的單晶上製備兩個能相互影響的PN接面，組成一個PNP（或NPN）結構。中間的N區（或P區）叫基區，兩邊的區域叫發射區和集電區，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發射極E和集電極C，是能起放大、振盪或開關等作用的半導體電子器件。

晶體三極體（以下簡稱三極體）按材料分有兩種：鍺管和矽管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是矽NPN和鍺PNP兩種三極體，（其中，N表示在高純度矽中加入磷，是指取代一些矽原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代矽，產生大量空穴利於導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN矽管的電流放大原理。對於NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發射區與基區之間形成的PN接面稱為發射結，而集電區與基區形成的PN接面稱為集電結，三條引線分別稱為發射極e、基極b和集電極c。

當b點電位高於e點電位零點幾伏時，發射結處於正偏狀態，而C點電位高於b點電位幾伏時，集電結處於反偏狀態，集電極電源Ec要高於基極電源Ebo。在製造三極體時，有意識地使發射區的多數載流子濃度大於基區的，同時基區做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源後，由於發射結正偏，發射區的多數載流子（電子）及基區的多數載流子（空穴）很容易地越過發射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大於後者，所以透過發射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發射極電流了。由於基區很薄，加上集電結的反偏，注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區的空穴進行復合，被複合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo。根據電流連續性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關係，即：β1=Ic/Ib 式中：β1——稱為直流放大倍數，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β= △Ic/△Ib。式中β——稱為交流電流放大倍數，由於低頻時β1和β的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區分，β值約為幾十至一百多。三極體是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極體的電流放大作用，透過電阻轉變為電壓放大作用。

2、三極體工作原理

掌握三極體的工作原理，在理解電路上是非常重要的。但是在不能設計三極體電路的技術人員中，大部分都是對三極體的工作電路沒有形象的認識。所以，如何形象認識三極體的工作原理，成為使用和設計電路的關鍵。

由於三極體大多工作在放大狀態，這也是三極體應用的基礎，下面我們將從三極體放大開始，逐步瞭解三極體的工作原理。

何為放大？

三極體是隻具有“放大”的單功能器件，這個“放大”功能是非常有用的，在初學者看來三極體的放大工作原理應該是如下圖所示：

實際上不是這樣的，從能量守恆可以知道，訊號是不可能無緣無故被放大的，放大的訊號也必定有來源。輸入小的訊號，要變成放大的訊號，這個能量只能來源於電源供電，即由電源輸出一個被放大的形狀相同的訊號。所以，在外部看來，可以看成輸入訊號被“放大”了，這就是三極體的放大原理。

工作原理

三極體的內部工作原理其實很簡單，如下圖所示，基極與發射極之間流過的電流進行不斷地監視，並控制集電極與發射極之間放大的電流。也就是說，三極體用基極電流來控制集電極和發射極之間的電流。

不管什麼樣的三極體，其實其工作原理是完全一致的，從外部看來，因為在基極輸入了一個小電流被變化而出現在集電極和發射極之間就出現了一個被放大的電流。

三極體實際上可以這樣理解，在三極體的基極和發射極之間加入了二極體，當三極體工作時，基極與發射極之間的二極體的正向壓降為0。6~0。7V。反過來可以這樣理解，要讓三極體工作，實際上可以讓三極體裡邊的二極體工作，當這個二極體工作了，那麼三極體以就工作了。

而且從上圖可以看出，由箭頭可以看出PN極的方向，同時由這個PN接面就可以確定管子的型別為NPN，還是PNP了。例如上圖的第一個三極體基極的PN接面的P，發射極是PN接面的N，故集電極應該為N，所以，第1個三極體為NPN型，同樣的方法可以確定第2個三極體為PNP。

兩種型別的電晶體

實際上三極體的NPN和PNP都是由兩PN接面構成。所以，我們可以認為，三極體的基極和發射機間與基極和集電極之間連線2個二極體。在一般的放大電路中，使基極和發射極之間的二極體導通，使基極和集電極之間的二極體截止來設定三極體各端電位。

3、三極體開關電路

三極體可以工作在三種狀態：截止、放大、飽和。在類比電路中，一般比較常用的是放大狀態，而在微控制器外圍電路中，我們比較常用的還是其開關狀態，即工作在截止和飽和狀態。

實際上三極體的開關電路可以從放大電路逐步演變而來。如下圖所示：

上圖左邊是正常的放大電路，右邊是我們需要的開關電路。從這兩個波形不難看出，其狀態很像，只是一個是正弦波，一個是方波。如果我們把放大倍數調大，或者把輸入訊號增大，那麼會導致什麼現象呢？這一點不難想象，輸入輸出訊號的增大，放大波形的上下均會被切掉。切掉後的正弦波是不是很像我們的方波呢？由此可以看出，我們只需要修改這個放大電路，讓其進入兩個極端就可以得到開關電路了。

從放大電路到開關電路

從發射極放大電路演變掉開關電路的示意圖如下：

從圖中可以看出，電路（a）去掉輸入輸出兩個耦合電容後得到了電路（b），由於放大倍數是有Rc和Re兩個電阻決定的，所以去掉Re後，得到了電路（c），同時，基極偏置電路也沒有什麼必要，當輸入訊號為0V時三極體處於截止狀態，如圖（d）。

為了確保在沒有任何訊號輸入時，三極體處於截止狀態，這裡加上了下拉電阻R2。我們知道，如果在電路中輸入訊號超過0。6V時，三極體的基極和發射極之間的二極體將導通，開始為電路提高基極電流，在這種狀態下，由於沒有限制電流的大小，可能會損害微控制器埠和三極體，為此還需要在基極上新增一個限流電阻。至此一個開關電路就這樣演變而來。

負載放置

開關電路完成了，那麼負載應該放在什麼地方呢？對於這個電路，負載的放置有兩種方式：

上圖上邊是開路集電極電路，跟負載使用電源沒有關係，只要基極有電壓，電路就能工作；而上圖下邊的是開路發射極，基極電壓與負載電源是有關係的，輸出電壓要比輸入電壓低0。6V。所以，這兩種開關電路各有優缺點。上邊電路的開關速度不夠高，還必須透過新增其他器件來提高其開關速度。而下邊電路的開關速度卻非常快，但輸入電源和輸出電源有關聯。所以，在實際的應用中，比較常用的還是左邊的那種方式，本人也建議儘量採用上邊的（b）圖，而儘量不要應用右邊的這兩種方式。

4、如何提高開關速度

上面提到開路集電極電路的最大缺點就是開關速度不夠快，在需要快速開關時，達不到我們的要求，為此下面我們看看怎麼來提高其開關速度。

加速電容

如上圖所示，由於基極限流電路的作用，導致其開關速度受限。為此給限流電阻R1並聯一個小容量的電容器。這樣，當輸入訊號上升、下降時能夠使R1電阻瞬間被旁路並提供基極電流，從而消除開關時間滯後。

肖特基箍位

提高三極體開關速度的另外一種方法是新增肖特基二極體箍位。這裡利用的是這種二極體是採用金屬與半導體接觸形成具有整流作用，這種二極體的開關速度很快。

5、三極體的應用

三級管的開關應用非常多，常見的有控制繼電器、控制LED、控制LCD背光、控制光耦等，一切開關電路幾乎都可以使用三極體或者需要三極體協助完成。

繼電器控制

繼電器是磁性機械開關元件，是用邏輯訊號開關各種訊號時使用的元件。繼電器工作電流相對比較大，直接使用微控制器的I/O埠控制是無法實現的，在這種情況下，一般需要使用三極體來驅動控制。在選擇三極體時，可以使用NPN，也可以使用PNP。對於這兩種三級管來說，唯一不同的就是驅動電平而已，其他完全一致。

上圖是繼電器驅動常見電路，這裡使用的是NPN三極體，高電平控制。為保證沒有控制訊號時，三極體處於截止狀態，繼電器不工作，這裡加了一個10K的下拉電阻。為了限制基極的輸入電流，這裡使用了4。3K的限流電阻，保證在微控制器控制下，最大輸入電流Ib=（5-0。6）/4。3K=1mA。 同時，我們再次強調，在繼電器端必須並聯一個續流二極體，否則開關繼電器的同時可能會損壞三極體，這一點我們在講述二極體時已經說明。

LED驅動

對於需要提供大電流才工作的LED電路，我們也必須考慮使用三極體來驅動，有時甚至會需要多個三極體同時才能驅動。

對於上圖來說，每一路LED的顯示和每一個LED數碼管的驅動，都會使用大的電流。7段數碼管的每一段LED需要打電流大概是30mA，而其電流的控制由其串聯的限流電阻確定。我們之前也說過，一般LED的工作壓降為2V，所以LED的工作電流I=5-2-0。6/82=30mA。

由於7段數碼管是共陰的，當7段同時工作時輸出電流有210mA的電流，為保證其能夠正常工作，這裡採用兩個三極體驅動控制。

6、總結：

雖然說在三極體的基極和發射極之間只要有0。6V的工作電壓，三極體就可以導通，但是並不意味著三極體導通就可以在集電極和發射極之間透過任何電流。這裡所謂的開關狀態是指，在集電極和發射極之間可以有電流透過。但是，在任何情況下三極體都沒有絕對的導通，導通只是相對的，基極電流越大，開關控制的輸出電流也越大。由於受到三極體本身的限制，能夠透過的電流是由限的。為此大家一定要認識到，需要控制不同電流導通時，應該採用不同的基極電流或者不同的三極體。

微控制器外圍電路設計之六：場效電晶體

對於場效電晶體來說，在大學期間老師基本沒有講，讓自己自學。到了工作的時候，我們發現場效電晶體應用還是比較廣泛的。其實場效電晶體和三極體還是很相似的。在很多應用中，甚至可以直接貼換三極體。

1、概述

場效應電晶體（Field Effect Transistor縮寫（FET））簡稱場效電晶體。由多數載流子參與導電，也稱為單極型電晶體。它屬於電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高（10^7～10^12Ω）、噪聲小、功耗低、動態範圍大、易於整合、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點，現已成為雙極型電晶體和功率電晶體的強大競爭者。

特點

與雙極型電晶體相比，場效電晶體具有如下特點。

（1）場效電晶體是電壓控制器件，它透過VGS（柵源電壓）來控制ID（漏極電流）；

（2）場效電晶體的控制輸入端電流極小，因此它的輸入電阻（Ω）很大。

（3）它是利用多數載流子導電，因此它的溫度穩定性較好；

（4）它組成的放大電路的電壓放大係數要小於三極體組成放大電路的電壓放大係數；

（5）場效電晶體的抗輻射能力強；

（6）由於不存在雜亂運動的電子擴散引起的散粒噪聲，所以噪聲低。

場效電晶體是電壓控制元件，而電晶體是電流控制元件。在只允許從訊號源取較少電流的情況下，應選用場效電晶體；而在訊號電壓較低，又允許從訊號源取較多電流的條件下，應選用電晶體。場效電晶體是利用多數載流子導電，所以稱之為單極型器件，而電晶體是既有多數載流子，也利用少數載流子導電，被稱之為雙極型器件。

2、工作原理

和三極體一樣場效電晶體也可以應用在放大電路中，而且和三極體是放大基本一致，其放大原理如下：

和三極體一樣，場效電晶體的放大也是透過電源實現的，而不是訊號自己放大。

與三極體對比我們發現三極體是透過電流控制放大的，而場效電晶體則是透過電壓放大的。

3、開關電路

場效電晶體的開關電路和三極體的開關電路一樣，都是可以從放大電路變化而得。這裡不在說明其變化過程。

同樣把負載放置在Rd的位置。

對於偏置電阻的確定，需要注意：其作用和三極體的上下拉電阻一樣，用於確定柵極的電平狀態，取值一般沒有要求，大都取1M。

4、開關電路應用

場效電晶體的開關電路應用非常廣泛，由於其為電壓控制型，而且內阻非常小，常常應用在各種大電流開關控制電路中。例如，熱敏微型印表機電源開關、外部電源輸出開關等等。簡單的說，一般小電流開關電路可以適用三極體，大電流開關電路使用場效電晶體，這裡就不在列舉例項了。

5、總結：

和三極體一樣，其開關並不是絕對的，雖然說，在一定的工作電壓下，場效電晶體就處於開關狀態。但它的開關狀態並不是沒有內阻，其內阻的變化一般都是跟隨其外部電壓的大小而變化。所以，為了減小其內阻，應儘量加大其開關電壓值。具體多大合適一定要查詢晶片資料。