TI培训——电子电路基础知识讲座（第一章）

电子电路基础知识讲座

第一章 模拟电路基础知识
1.1 电压源与电流源
1.1.1 电压源
1.1.2 电流源
1.2 电子器件的本质
1.2.1 电阻
1.2.2 电容
1.2.3 电感
1.3 阻抗与滤波器
1.3.1 元件的阻抗
1.3.2 滤波器原理
1.4 实际电容与电源滤波
1.4 实际电容模型
1.5 热阻与散热
1.5.1 芯片温度与环境温度
1.5.2 热阻的计算
1.5.3 常见封装及散热器的热阻

电压源

电压源的本质
什么样的电路可以称为电压源呢？
无论带什么样的负载，输出电压保持不变的电路才是电压源。

那么怎样才能做到带什么负载输出电压都保持不变呢？
这里引入一个全新的视角去理解电压和电流的关系：
一个电路想要输出电压不变，那它必须有强有力的输出电流能力。

电压源最根本的能力，还是要能提供负载所需的电流，至于输出电压精确稳定，可以依靠别的手段来实现。

电压源的内阻
当负载改变时，同样的输出结果，对于电源的电动势和内阻如何改变，是有很多可能性的。只不过通常情况下，我们是假定电动势不变，来计算黑匣子中的等效内阻是多少。

内阻的定义：当空载输出电压5V，带载输出电压2.5V时的负载电阻就等于等效电阻，电压源的内阻记为1mΩ

小结：

• 电压源的等效内阻并不反映真实电源电动势和导线电阻，而是人们约定的一种电路参数描述方式。
• 实际应用中，我们往往是“偷偷”的改变电动势来实现电压稳定的效果，而不是花钱买粗铜线降低电阻。
• 对于电压源来说，带负载后就需要提供相应的电流，这一点是无法投机取巧的，这也是电压源的本质。

电流源

电流源的本质

电流源就是无论接什么负载，输出电流是恒定的。
既然电压和电流在理论上是平等的，为什么我们的电网不设计成10A恒流供电呢？正常情况下，我们也买不到任何恒流源电池。这是由自然界导体与绝缘体获取的难易程度决定的，如果绝缘体比导体贵的多，我们八成用的就该是恒流源了。
自然界的绝缘体到处都是，空气就是性能非常好的绝缘体，同样性能优异的导体则要逼近超导体的性能才行。
我们因为经济原因被迫使用的导体铜，导电性能其实和“渣”一样。

当电压源不使用时，只要不接负载就行，此时的功耗为U^2/R，由于绝缘体的电阻轻松极大，所以功耗几乎为零。
而电流源在使用时，不接负载的功耗为I^2R，绝缘体的电阻极大，功耗也就极大了。
所以电流源不使用时，必须用导体短接，最好是超导体短接，才不消耗功率。

电流源的本质是能够提供足够电压的电路。

电流源的内阻
电流恒定，内阻无穷大，按照焦耳定律得发多少热，这该是多奇葩的一种电源？所以，与电压源情况类似，电流源的内阻其实也是“捏造”出来的。

实际恒流源的实现方法：

• 现实中的电流源总是由“电压源”经过处理得来的。
• 电压源不可能通过串联无穷大内阻来实现恒流源的功能，只能是通过“偷偷”改变电源电压来实现恒流源。

小结：

电流源在实际生活中非常少见，电焊机属于为数不多的一个例子。
实际上它是一个切换，并不是永远工作在恒流状态。比如说在还没有焊接的时候，如果它一直是电流源，无论电流多大，空气不导电，没有电流，那么它就会产生高压，把空气击穿导电，事实上不是这样的，没有形成导电，没有形成电弧，没有接上负载，没有接通，焊接电路没有形成之前，它实际上就是个电压源，输出几十伏的电压，当这个导电沟道，它的整个焊接回路形成之后，产生电流了，它切换到电流模式，而且切换的模式也是像我说的那样，偷偷地改变电压，电流小了，我升点电压，电流大了，我降点电压，以此达到维持恒定电流来焊接的目的。

• 电压源与电流源在理论上是完全平等的。但是在真实世界中不平等。因为真实世界绝缘体易得，而导体难得。如果反过来，将是非常可怕的事情。
• 电压源开路，即可认为是零功耗。
• 电流源几乎需要接超导体，才是零功耗。所以我们真正用的电流源，也不会是接超导体，而是不接负载的时候，实际上是电压源模式，接上负载再切换到电流源模式工作。
• 任何电路都可以测量出电压，也可以同时测量出电流。判断是哪种电源，乃至是不是电源的方法就是，改变负载！改变负载之后，电压几乎不变，它就是电压源，电流几乎不变，它就是电压源。电压和电流都改变的，它就根本不是电源，只是个电路。
• 电压源的本质是足量电流的提供者，因为想要在负载R两端实现恒定电压U，就必须提供U/R的电流 I。
  至于电压源输出电压怎么稳定，是可以通过“偷偷”改变电动势来变通实现。
  电流源的本质是足量电压的提供者，因为想要在负载R上实现恒定电流 I，就必须在负载两端加载IxR的电压U
  内阻无穷大的电流源根本就造不出来，现实中的电流源都是用电压源“偷偷”调压得来。

电阻

电阻对电流起阻碍作用，对电压不起阻碍作用。

电阻靠什么来阻碍电流？
电阻如果想对流过自身的电流产生影响，实际是通过改变电阻两端电压来实现的。

电阻的特性方程：u＝iR

电流流过电阻会产生与电源（激励）电压相反的电压。
随着电流的增大，电阻产生的反向电压与电源电压相等时，电流就不会再增加了，于是电阻就起到了对电流的阻碍作用。

电容

从构造上说，金属板极之间填充电介质（绝缘体），就构成了电容。
从工作过程上说，电容两极可以被充放电荷，从而形成电场。

从更深层次上看，我们认为电容是对电压的变化起阻碍作用的元件，它不能凭空说自己能阻碍电压的变化，电容是依靠能够吞吐极大电流来阻碍电压的变化。下面我们将仿真，电容依靠吞吐电流，保持电路电压稳定的特性。
电路分析计算

小结：

电容的特性方程为：i©=Cdu©/dt
其意义在于：

• 电容是靠吞吐足够的电流来维持电压稳定的。
• 电压变化率越大，电容的吞吐电流就越大。
• 电容可以在短时间内，看作是理想电压源。

电感

电感是对电流的变化起阻碍作用的元件，电感不能凭空就说自己能阻碍电流的变化，它是依靠产生足够高的电压来阻碍电流的变化。

注意，电感电流与电源电流反向一致。
所以，电感为了维持其电流恒定不变，会产生高压。
描述这一高压的数学表达式便是电感的本质：u(L)=Ldi(L)/dt
电流变化率有多高，电感电压就有多高，即电感依靠产生高压来维持电流不变。

小结：

电感本质是依靠产生电压，实现对电流变化起阻碍作用的元件。
总结本小节的四个电感电路的现象：
强行切断电感电流，会产生高压。
电感接电压源后，电流线性增加。
电感接超导体后，电流保持不变，成为恒流源。
电感接电阻以后，电流非线性减小。

元件的阻抗

利用电阻、电容、电感的特性方程，可以分析电路的动态特性，即任一瞬间电路的电压电流情况。
本节换一种分析方法，从阻抗的角度来看待电阻、电容和电感三种电子元件，这将有助于我们分析电路中滤波器是如何工作的。

阻抗的单位
电路中如果只有电阻元件，我们可以很容易的通过欧姆定律，得到各个电阻上的电压。
电容和电感在电路上的作用可以看成是容抗和感抗，统称为阻抗，与电阻一样具有相同的量纲“欧姆”。

电阻的阻抗
电阻的阻抗就是R本身，与电信号的频率无关，并且电阻上的电流电压，是同相位的。

电容的阻抗
电容的阻抗与电信号的频率成反比，频率越高阻抗越小，我们可以理解电容的静态特性为“隔直通交”。
与电阻不同的是，使用容抗的时候要考虑电容上电压电流的相位差，电流超前电压90°。

理解和记忆相位关系

电容，是对电压起阻碍作用的元件，电容两端电压是不能突变的，所以是电流超前电压。
电感，是对电流起阻碍作用的元件，电感当中的电流是不能突变的，所以是电压超前电流。

滤波器原理

概述

正是由于电容和电感的阻抗与频率有关，才使得电路中有了滤波器。
搭配电阻、电容和电感这三种元件，可以实现低通、高通、带通等滤波功能。
根据数学表达式，电容和电感的特性是对称的，但是实际电感元件的成本远高于电容，所以多数情况下只用电阻和电容来制作滤波器，本节也只讨论RC滤波器的情况。

向量图首尾如何连接看电路图器件首尾如何连接。
电容电压不能突变，所以电压落后电流90度即电容电压落后电阻电压九十度。

小结

实际电容模型

实际电容可以看成是电容、电阻、电感三者的串联。
其中等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL分别从两个方面对电容的特性产生影响。

ESR的影响
电容除了储能应用之外，大部分应用是滤波。大容量的滤波电容有钽电容和铝电解电容两种，其中电容性能更好更贵。其实钽电容也是有极性的电解电容，两种电容的性能主要差别就是ESR不同。

理想电容C的端电压不会产生“突变”，再大的充放电电流也只能产生“渐变”的电压，所以理论上并联电容的电路，其端电压是不会产生如图所示的毛刺（中间波形，直流负压）。

电容端毛刺电压产生的原因，就是电容的等效ESR。电容吞吐电流，来保持自身端电压的稳定，于是形成电压纹波，甚至电压“毛刺”。

相同容量的钽电解电容，ESR要远小于铝电解电容，所以同容量钽电容滤波的纹波电压要远小于铝电解电容。这就是为什么很多时候，我们把1uF的钽电容的滤波效果等效为10uf的铝电解电容。

由于ESL的存在，电容中容抗和感抗分量会随电信号的频率发生变化。在低频段，所有电容毫无例外的均表现为电容特性（频率越高阻抗越低）。但是，当频率高于LC谐振频率f0时，电容转变成电感特性，即频率越高阻抗反而越高。而电感的特性不仅不会稳定电压，还会产生感应电压。

不同材料和构造的电容，其转折频率f0差别很大，一般来说，大容量的电容频率特性差（转折频率f0低），小容量的电容频率特性好（转折频率f0高）。“高频小容量”电容与“低频大容量”电容可以互为补充。

实际电路中并联不同种类的电容，可以实现全频率范围内的滤波。多个电容并联滤波，原则上相差至少10倍，一般100倍为宜。

电源线耦合干扰
电路中绝大部分的干扰都是来自电路本身的电源线（VCC和GND）。


去耦电容原理
要缓解乃至消除电源线耦合干扰的影响，就需要用到去耦电容，其作用和水库非常类似，能够起到调节水流（电流）盈亏的作用。芯片配上去耦电容以后，既不干扰别人，也不被别人干扰。滤波电容和去耦电容本质都是一样的，用于稳定电压的作用。两者的区别只是观察的视角不同，滤波电容是对电源而言的，去耦电容是针对用电器（芯片）而言。

小结：

芯片温度与环境温度

散热的概念基于一个基本前提，那就是发热器件所处环境温度，要比发热器件本身的温度低，这样才能进行散热。想象一下，如果环境温度就两百摄氏度了，芯片该如何散热？ 在这种情况下，只能制造耐温达到两百摄氏度的芯片才行。有些应用于地下钻井的传感器芯片就属于这种无法散热的情况。

如果环境温度保持不变，比如25摄氏度，且“散热通道“极其通畅，那么芯片的温度应该和环境温度一致。但是很显然，“散热通道“达不到极其通畅，所以实际发热芯片的温度要超过25摄氏度。究竟两者温差是多少？ 这就需要引入热阻的概念。

热阻的计算

在有散热器的时候，管壳的散热通道就忽略掉了。所以，总热阻就近似表示为有散热器的这一通道。

而如果我们在散热器和管壳之间涂抹了导热硅脂，那么这一部分的热阻也可以忽略不计。所以，加装了散热器之后，整个热阻就由两部分构成。

常见封装及散热器的热阻

简单估算一下，即使是TO-03封装的元件，也只能耗散不超过4W的功率。因为33.6°C/W乘以4就已经超过100了，所以用后两种封装，也并不意味着它散热就很好了，其实要加散热片的。

散热器的热阻
该散热器可以加装风扇进行强迫风冷或者不加风扇自然风冷。此外，好的散热器应该尽量选表面阳极钝化的，不能要那种镜面抛光的，要粗糙的。最好要选黑色的，不能挑那种白色的。

如何测量热阻？
市面上售卖的散热器一般很少标明热阻大小。
可采用已知功耗的电路，再测温的方法，自行测定热阻大小。自己搭建一个电路，然后用升温枪自己测试一下前后之间的温差就可以了。

小结：

• 管芯的温度由三部分组成，包含环境温度，芯片的功耗和热阻。
• 热阻的计算
  当芯片加了散热片之后，而且散热片与管壳之间涂抹了导热硅脂，它的热阻仅由两部分组成：一个是管壳到管芯之间的热阻，一个是散热器到空气的热阻。
• 常见封装热阻
• TO-92、TO-220、TO-03 这三种常见散热器的封装，后面两种是可以加装散热器的。一定要注意：这两种封装不加散热器的话，它的热阻其实很大，一定功率下发热芯片就受不了了，所以一定要注意加装散热器。而散热器的热阻是可以查得到的。这是一个可以加风扇的散热器，你不加风扇和加了风扇，风冷的情况和风速大小都会对这个散热器的热阻有一个明显的变化。