一、频域和时域的关系，是傅里叶最擅长的

频域和时域分析是分析信号的基本方法，是从不同的角度来描述信号的特性。信号的特性可以在时域上和频率域上得到反映。

频域和时域的关系(Gif format）Frequency vs Time

信号的基本分析方法

谈到频域和时域关系，我们先从信号的基本分析方法讲起。传统上对无线、有线通讯信号的分析方法从三个域上划分：时域、频域和调制域。调制域是分析信号频率（或相位）随时间的变化。

频域和时域以及幅度的关系

频域测量

• 宽频率范围信号搜索
• 信号杂散测试
• 信号功率参数
• 信号占用频率带宽

时域测量

• 信号变化过程

解调测量

• 信号调制参数
• 信号调制精度

解调测量是对调制信号的幅相及频率变化进行测量的一种手段，是从另一个角度分析信号，和传统的三个域（及对应的示波器、频谱仪和调制域分析仪）有所不同，解调测量的概念对应的是矢量信号分析仪。

频域和时域的关系

时域(Time domain) ：分析信号参数随时间变化过程。时域是信号在时间轴随时间变化的总体概括。在时域中，将信号的所有频率分量相加并显示。频谱分析仪针对频域。

频域(Frequency domain)：分析信号包含的频率成分。各频率分量的频率和功率参数。在频域中，复数信号（即，由一个以上频率组成的信号）被分离成它们的频率分量，并显示每个频率的电平。示波器用来看时域内容。

因为信号不仅随时间变化，还与频率、相位等信息有关，这就需要进一步分析信号的频率结构，并在频率域中对信号进行描述。动态信号从时间域变换到频率域主要通过傅立叶级数和傅立叶变换等来实现。

时域函数通过傅立叶或者拉普拉斯变换就变成了频域函数

很简单时域分析的函数是参数是t，也就是y=f(t)，频域分析时，参数是w，也就是y=F(w)两者之间可以互相转化。时域函数通过傅立叶或者拉普拉斯变换就变成了频域函数。

信号-2

为什么要频域分析信号？（方波的例子）

作为常见信号分析的方法，可使用示波器测量信号时域波形。时域分析可直观反映信号幅度；频率；相位的变化。上图中时域的测试可以明显地观测到信号1和信号2时域波形（黑色轨迹）的区别。但只通过时域的观测很难判断两个信号波形差别的原因。

什么是频域分析？

所谓频域分析，就是在频率的坐标下分析信号。完整的频域分析应该得到被测信号包含的频率成分，还有每个频率成分的幅度和相位关系。即信号功率谱和相位谱的分析。某个信号的波形发生变化，其频谱特性会发生相应变化。频域和时域分析是分析信号的基本方法，是从不同的角度来描述信号的特性。

频域分析包括：
•分析信号的频率成分。各频率分量的频率与功率参数。
•信号功率，信号带宽，带外杂散，ACPR。

时域反射测量技术 (TDR) 和时域分析的历史

时域反射测量技术 (Time domain reflectometry (TDR)) 是在 20 世纪 60 年代初引入的，采用与雷达相同的工作原理 — 把一个冲激信号送入一条被测电缆 (或其他可能不是良好导体的被测器件或设备)，当该冲激信号到达电缆末端或电缆上的某个故障点时，一部分或全部冲激信号便会被返射回测试仪表。TDR 测量方法就是把一个冲激或阶跃激励信号发送到被测器件，然后观察信号在时域内的响应。测试时，使用一台阶跃信号发生器和一台宽带示波器，把阶跃信号发生器产生的上升沿速度极快的激励信号送进被测传输线，然后用宽带示波器观察传输线上某处入射电压波形和反射电压波形，通过测量入射电压与反射电压之比，便能计算出传输线上这个阻抗不连续点处的阻抗值，而这个阻抗不连续点的位置则可以作为时间函数根据信号沿着传输线传播的速度计算出来。阻抗不连续性的性质(电容性的或电感性的) 可以根据其信号的响应特征加以识别。

虽然我们过去惯用的 TDR 示波器作为定性测试工具一直非常有用，但存在一些影响其测试精度和有效性的限制因素: a) TDR 输出的阶跃信号的上升时间—测量结果在空间上的分辨率取决于阶跃信号上升时间的快慢；b) 不是特别理想的信噪比－这是由于示波器宽带接收机的结构引起的。

随后，在 70 年代，研究表明频域与时域之间的关系可以用傅立叶变换进行描述。

与频率有关的网络反射系数经过傅立叶变换之后就可以得到随时间变化的反射系数，例如传输线上的距离。这样就有可能先在频域内测量被测器件的响应，然后用数学方法对这些频域数据进行傅立叶逆变换计算从而给出时域响应。

现在，一台高性能的矢量网络分析仪可以具有极快的计算功能，因而衍生出一些独特的测量能力。使用在频域内误差经过校正的测试数据就可以计算出被测网络对阶跃或冲激激励信号的响应，并且显示为时间函数。这样就给传统的时域反射测量技术提供了既能进行传输测试又能进行反射测试的功能，并增添了对带宽有限制的网络的测量能力。矢量网络分析仪在时域的测试可以更为精密，因为它能找出多余的网络部件的位置，从而把这些不需要的数据从被测数据去除掉。

下图显示的是无论是使用时域反射计 (TDR) 示波器还是使用矢量网络分析仪 (VNA) 都可以得到时域和频域 (S 参数) 的显示结果，使用 TDR 或 VNA 得到的测试结果可以在两种显示形式中互相转换。

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二、MOS管和IGBT管区别

 在电路设计中，MOS管和IGBT管会经常出现，它们都可以作为开关元件来使用，MOS管和IGBT管在外形及特性参数也比较相似，那为什么有些电路用MOS管？而有些电路用IGBT管？

    下面我们就来了解一下，MOS管和IGBT管到底有什么区别吧！

 什么是MOS管？

    场效应管主要有两种类型，分别是结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。

    MOS管即MOSFET，中文全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管，由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，所以又叫绝缘栅场效应管。

    MOSFET又可分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。

    如上图，MOSFET种类与电路符号。

    有的MOSFET内部会有个二极管，这是体二极管，或者叫寄生二极管、续流二极管。

    关于寄生二极管的作用，有两种解释：

• MOSFET的寄生二极管，作用是防止VDD过压的情况下，烧坏MOS管，因为在过压对MOS管造成破坏之前，二极管先反向击穿，将大电流直接到地，从而避免MOS管被烧坏。
• 防止MOS管的源极和漏极反接时烧坏MOS管，也可以在电路有反向感生电压时，为反向感生电压提供通路，避免反向感生电压击穿MOS管。

    MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、电压控制电流等特性，在电路中，可以用作放大器、电子开关等用途。

什么是IGBT？

    IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由晶体三极管和MOS管组成的复合型半导体器件。

    IGBT作为新型电子半导体器件，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电子电路中获得极广泛的应用。

 IGBT的电路符号至今并未统一，画原理图时一般是借用三极管、MOS管的符号，这时可以从原理图上标注的型号来判断是IGBT还是MOS管。

    同时还要注意IGBT有没有体二极管，图上没有标出并不表示一定没有，除非官方资料有特别说明，否则这个二极管都是存在的。

    IGBT内部的体二极管并非寄生的，而是为了保护IGBT脆弱的反向耐压而特别设置的，又称为FWD（续流二极管）。

    判断IGBT内部是否有体二极管也并不困难，可以用万用表测量IGBT的C极和E极，如果IGBT是好的，C、E两极测得电阻值无穷大，则说明IGBT没有体二极管。

    IGBT非常适合应用于如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

MOS管和IGBT的结构特点

    MOS管和IGBT管的内部结构如下图所示。

 IGBT是通过在MOSFET的漏极上追加层而构成的。

    IGBT的理想等效电路如下图所示，IGBT实际就是MOSFET和晶体管三极管的组合，MOSFET存在导通电阻高的缺点，但IGBT克服了这一缺点，在高压时IGBT仍具有较低的导通电阻。

  另外，相似功率容量的IGBT和MOSFET，IGBT的速度可能会慢于MOSFET，因为IGBT存在关断拖尾时间，由于IGBT关断拖尾时间长，死区时间也要加长，从而会影响开关频率。

选择MOS管还是IGBT？

    在电路中，选用MOS管作为功率开关管还是选择IGBT管，这是工程师常遇到的问题，如果从系统的电压、电流、切换功率等因素作为考虑，可以总结出以下几点：

    也可从下图看出两者使用的条件，阴影部分区域表示MOSFET和IGBT都可以选用，“？”表示当前工艺还无法达到的水平。

 总的来说，MOSFET优点是高频特性好，可以工作频率可以达到几百kHz、上MHz，缺点是导通电阻大在高压大电流场合功耗较大；而IGBT在低频及较大功率场合下表现卓越，其导通电阻小，耐压高。

    MOSFET应用于开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源等等高频电源领域；IGBT集中应用于焊机、逆变器、变频器、电镀电解电源、超音频感应加热等领域。

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三、模拟量采集从硬件到程序，从滤波到实际值转换

在单片机系统里对模拟量的处理要比数字量稍显复杂，但是只要掌握了使用技巧，使用起来也很简单，很多朋友一开始比较纠结于单片机的底层语言，非要先弄个明白才罢休，其实大可不必，重要的是我们要先学会怎么应用。

❤现以铅酸电池电压检测及充电电流检测为例讲解模拟量的硬件和程序的设计。

如图1为28节铅酸电池的电压检测电路，1--14节组成电池组1，15--28节组成电池组2；第1节正极为BAT+，14与15节之间为BATM，第28节负极为BAT-。输入端的8个二极管的作用是钳位作用，电路计算如图所示。

图1：电池组电压检测电路

如图2为铅酸电池的充电电流检测电路，TA1为工频电流互感器，输入的4个二极管为整流二极管，电流流过R37（510Ω）形成压差△V，电路计算如图所示。

图2：电池组充电电流检测电路

如图3为单片机STM32F103CBT6，图1和图2的模拟信号输入至单片机的PA5、PA6、PA7。

图3：STM32F103CBT6单片机

由于代码较多，为便于浏览，我就把其中一部分以截图的形式展示。

如图4为单片机adc.c文件的底层配置，把PA5、PA6、PA7端口配置成模拟输入模式。

图4：配置端口模式

如图5对以上三个模拟量进行模数转换并缓存入数组ADC_ConvertedValue[3]，得到的AD值的范围是0~4096。

图5：模数转换并缓存

如图6把以上两个配置函数整合在一起，定义成模拟量的初始化函数void ADC1_Init(void)。

图6：初始化

如图7在adc.h文件里声明函数void ADC1_Init(void)，另外几个函数也在adc的c文件里定义的，后面附上源程序（非截图）。

图7：声明函数

如图8在main()主函数里调用ADC1_Init()初始化函数（要去掉void），初始化函数一定要放在while(1)的前面，表示在进入while(1)无限循环前只执行一次。Analog_Processing()为模拟量处理函数，要放在while(1)无限循环里面（该函数在下面讲）。

图8，函数调用

以下为模拟量在main.c文件里的定义。

s16 Charging_Current;     //充电电流实际值
s16 Battery1_Voltage;     //电池组1电压实际值
s16 Battery2_Voltage;     //电池组2电压实际值
s16 Battery_Voltage;      //电池组总电压值

❤下面三个函数的定义都在adc.c文件里面定义的。

以下代码为模拟量处理函数：①对数组ADC_ConvertedValue[3]缓存值进行滤波处理；②对滤波后的AD值转换为实际值。

/******************************
模拟量处理函数
******************************/
void Analog_Processing(void)
{
//对AD值进行滤波
ADC_Charging_Current=Filter(ADC_ConvertedValue[0],ADC_Charging_Current,1,10);
ADC_Battery1_Voltage=Filter(ADC_ConvertedValue[1],ADC_Battery1_Voltage,1,10);
ADC_Battery2_Voltage=Filter(ADC_ConvertedValue[2],ADC_Battery2_Voltage,1,10);
//AD值转换为实际值
Charging_Current = Adc_To_Act(ADC_Charging_Current, 10, 4096, 0, 220);//22.0A
Battery1_Voltage = Adc_To_Act(ADC_Battery1_Voltage, 10, 4096, 0, 267);//267V
Battery2_Voltage = Adc_To_Act(ADC_Battery2_Voltage, 10, 4096, 0, 267);//267V
//两组电压相加得到总电压
Battery_Voltage = Battery1_Voltage + Battery2_Voltage;
}

以下代码为滤波函数，滤波函数有很多，采用合适的才是最实用的（该函数滤波后的值是连续变化的，有些滤波函数滤波后的值是跳变的）。

/******************************
滤波函数（base/k越大，容性越大）
该函数相当于是一个电容，通常取值k=1，base=10
******************************/
u16 Filter(u16 NewData, u16 OldData, u8 k, u8 base)
{
u16 uiResult;
if (NewData > OldData)
{
uiResult = NewData - OldData;
uiResult *= k;
uiResult += base >> 2;
uiResult /= base;
uiResult = OldData + uiResult; 
}
else if (OldData > NewData)
{
uiResult = OldData - NewData;
uiResult *= k;
uiResult += base >> 2;
uiResult /= base;
uiResult = OldData - uiResult; 
}
else
{
uiResult = NewData;
}return(uiResult);
}

使用方法如下：NewData表示最新采用的模拟量；OldData表示滤波后的模拟量。

ADC_Battery1_Voltage=Filter(ADC_ConvertedValue[1],ADC_Battery1_Voltage,1,10);

为便于逻辑计算、控制及显示，以下代码是把AD值转换为实际值，

/******************************
AD值转换实际值函数
******************************/
s16 Adc_To_Act(s16 Adc_Value, s16 Pre_Adc_Min, s16 Pre_Adc_Max, s16 Pre_Act_Min, s16 Pre_Act_Max)
{
s32 _temp;
s32 _range;
_temp = (s32)((Adc_Value - Pre_Adc_Min) * (Pre_Act_Max - Pre_Act_Min) / (Pre_Adc_Max-Pre_Adc_Min)) + Pre_Act_Min;
_temp = Adc_Value - Pre_Adc_Min;
_range = Pre_Act_Max - Pre_Act_Min;
_temp = _temp * _range;
_range = Pre_Adc_Max - Pre_Adc_Min;
_temp = _temp + _range / 2;
_temp = _temp / _range;
_temp = _temp + Pre_Act_Min;
return(_temp);
}

使用方法如下：Adc_Value表示要转换的模拟量；Pre_Adc_Min表示模拟量AD值的最小值；Pre_Adc_Max表示模拟量AD值的最大值；Pre_Act_Min表示转换后实际值的最小值；Pre_Act_Max表示转换后实际值的最大值；（以下最大实际值220表示22.0A，是因为数码管显示需要小数表示）。 

Charging_Current = Adc_To_Act(ADC_Charging_Current, 10, 4096, 0, 220);//22.0A

❤要点：

①模拟量的采样电路，我多采用运放的差分放大电路，原因是被测电压可以和运放不用共地，且可有效抑制共模噪声，可达到较高的精确线性测量，比如以上电池组的被测电压的误差与实际相差在0.3V左右；

②电池组输入至运放的8个1M的电阻是两个为一组的，且功率至少1/4W以上，因为在高压下的电阻容易老化，为保险起见，通常一个电阻的最大压差在100V以下为宜；

③电池组分为两组检测，一是为了降低元件所承受的电压，二是为了监视两组电池电压之间是否平衡，达到保护电池目的。

③函数应功能模块化，且具备通用性质，便于移植和调用，对于很多朋友应先学会如何使用，底层代码只要会配置就完全足够了。

当然，以上提供的设计是我通常的做法，能满足大多数的常规应用。

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四、Open RAN在5G设计中的美好未来

Open RAN（开放式无线接入网络）作为一种把RAN硬件和软件分离的标准化方法，将推动网络供应商的竞争和创新。它为各制造商开放了这些系统配置，以便其能够为这些网络提供服务。Open RAN为5G产品的设计和实施层面提供了更大的灵活性与更多的选择。

在传统模式中，无线接入网络组件由单一供应商高度集成和把控，限制了产品设计人员的选择。而通过采用Open RAN模式，设计者可以利用更开放且标准化的架构，从多个供应商挑选和搭配各种组件。这种灵活性让设计人员能够选择最适合的软硬件解决方案，从而提高产品性能、创新性和成本效益。

在市场上，Open RAN可以促进竞争，使设计人员和消费者都受益。通过打破传统的供应商绑定并促进互用性，Open RAN鼓励多个供应商及初创公司的参与。这种更具竞争性的局面将技术进步的成果加速推向市场。由此，设计人员能够获得更广泛的尖端技术，消费者亦可以享受到更多样化和创新的5G产品，以满足他们的特定需求。

今天，就来给大家安利一款Qorvo家的Open RAN的最新方案。

下图中所示的参考设计提供了一个完整的RF前端解决方案，针对n78频段（3.4-3.8GHz）平均输出功率8W的mMIMO 5G应用。其在一个紧凑的布局中构建了从数字前端到天线滤波器的发射及接收解决方案，可以直接实施在一个单元阵列中。
发射链采用QPA9122M作为宽带高线性度预驱动器，将QPB3810作为高效的GaN末级功率放大器模块。发射链还包括一个用于DPD监测路径的定向耦合器以及一个环行器。对于接收链路，参考设计使用QPB9362开关 -低噪声放大器。

8WmMIMO 3.4GHz RF前端参考设计框图
QPB3810作为发布的首款商用GaN模块，其集成的偏置控制器经出厂前编程，以设置Doherty功率放大器模块（PAM）的最佳偏置点。QPB3810是一款48V、平均功率8W的PAM，覆盖3.4-3.8GHz频段。偏置控制器包括一个可以在温度变化时自动调整偏置的温度传感器，和一个用于快速TDD切换的使能引脚。QPB3810采用紧凑型12mm x 8mm SMT封装，与传统分立元件解决方案相比，占板面积显著缩小；而且与Qorvo其它PAM产品类似，仅需要极少的外部电路。
Qorvo还同时发布了QPB9362这款面向TDD mMIMO架构配置的5G无线基础设施应用的接收模块。其集成了一个LNA和一个大功率开关；该开关可在系统处于发射模式时用作连接大功率负载的故障保护路径。接收模式下，QPB9362在整个工作频段上提供34.5dB的增益和1.1dB的典型噪声系数。LNA关断模式可通过模块上的发射/接收控制引脚实现。产品采用符合RoHS标准的紧凑型5mm x 3mm LGA封装。

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五、三极管的奥秘,如何用小电流控制大电流

双极性晶体管（英语：bipolar transistor），全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管，是一种具有三个引脚的电子元器件。

本文是讲述的是三极管的基础知识。本文涉及到三极管管的基本工作原理、特性曲线以及线性和开关操作。还涉及到了三极管基础应用电路。最后我们进行了一些实验。

三极管基础知识

讲解了NPN和PNP三极管的符号、引脚排列和工作原理。

NPN 和 PNP

三极管有两种基本类型，即NPN型和PNP型。在这两种类型中，NPN型的三极管更为常用，所以我们将主要讨论NPN型的三极管。请记住，我们关于NPN型的三极管的所有内容，实际上和PNP型的三极管基本相同，只是我们要把所有涉及到的极性都反过来。极性是指结的电压极性和流经它们的电流极性。

下面是NPN型和PNP型三极管的原理图符号：

从三极管的符号图中可以看到，三极管的三个引脚分别是：

• Collector: 集电极
• Base: 基极
• Emitter: 发射极

不论是NPN还是PNP, 有箭头的引脚是发射极，箭头总是指向N型半导体材料。NPN型和PNP型的三极管，你可以看到箭头都是指向N型半导体的。

三极管由三种半导体组成：

下面是一些常见的小信号三极管封装的引脚排列方式：

塑料封装的TO-92通常是如上图这样排列的。金属罐封装的TO-18通常也是如上图排列的，靠近伸出来的小金属片的是发射极。SOT-23封装通常是如上图排列的，集电极是单独的一个引脚。【注意】，是通常，并不是所有，具体以三极管数据手册为准。

当然，三极管还有许多其他不同的封装类型，比如 TO-220，这是一种带有金属散热片的塑料封装：

TO-3，是一种用于更高功率应用的封装，以及其他几十种不同的封装类型。所以，当你使用这些三极管时，最好能查看数据手册，以验证引脚的排列方式。

上图，从左到右：SOT-23, TO-92, TO-126, TO-3

基础知识

复习二极管

复习一下二极管的相关知识：

二极管是一种半导体器件，它有两个电极：正极（阳极）和负极（阴极）。二极管的内部是由n型半导体和p型半导体相接而成的pn结。pn结的两侧存在一个内部电场，它阻碍了电流的流动。

正向偏置是指将电源的正极连接到二极管的p型侧，负极连接到n型侧，这样就使得外部电场与内部电场方向相反，从而降低了pn结的电势差，使得电荷载流子能够跨越pn结，形成电流。

反向偏置是指将电源的正极连接到二极管的n型侧，负极连接到p型侧，这样就使得外部电场与内部电场方向相同，从而增加了pn结的电势差，使得电荷载流子难以跨越pn结，形成很小的电流。

下图是二极管的正向偏置和反向偏置的示意图：

导通和截止

下文中，我们把基极与发射极之间的 PN 结称为发射结, 基极与集电极之间的 PN 结称为集电结：

下面是理解三极管原理的三条关键信息：

1. 首先，发射结的行为就像一个二极管，它可以正向偏置，也可以反向偏置，它可以导通，也可以截止。
2. 其次，当发射结正向偏置时，允许电流在集电极和发射极之间流动。所以，如果我有足够的偏置电压来打开这个二极管，即基极-发射极的 PN 结，电流就可以从集电极流向发射极。
3. 第三，当发射结没有正向偏置，也就是是截止的时候，集电极和发射极之间 没有电流流动。例如，如果基极接地，发射结就没有导通，这个二极管就相当于关闭了，相应的电流就不会从集电极流向发射极。

当发射结正偏时，电流可以在集电极和发射极之间流动, 三极管处于导通状态：

当三极管导通时，发射结的行为就像一个二极管，所以基极和发射极之间的电压降通常在0.6到0.7伏之间，非常类似于硅二极管。

当基极-发射极没有正向偏置，也就是是截止的时候，集电极和发射极之间没有电流流动，三极管处于截止状态:

工作区

工作区定义

根据发射结和集电结的偏置状态，可以定义三极管的几个不同的工作区。

• 截止区：当发射结电压小于导通电压（约0.6-0.7V），发射结没有导通，集电结处于反向偏置，三极管没有电流放大作用，相当于一个断开的开关。
• 放大区：当发射结电压大于导通电压，发射结正偏，集电结反偏，三极管的基极电流控制着集电极电流，集电极电流与基极电流近似于线性关系，三极管起到电流放大作用，相当于一个可调的电阻。
• 饱和区：当集电极电流增大到一定程度时，再增大基极电流，集电极电流也不会增大，集电结也正偏，三极管的电流放大系数变小，相当于一个闭合的开关。

三极管电路有上千万种，总体上分为两种：

• 放大电路

• 发射结正偏（B-E foreword biased）
• 集电结反偏（C-B reversed biased）

• 开关电路

• 发射结正偏（B-E foreword biased）
• 集电结正偏（C-B foreword biased）

放大电路工作在三极管的线性工作区，开关电路工作在三极管的截止区和饱和区。

特性曲线

对于特性曲线，你能理解就理解，不能理解，就先放着，本文之所以加上特性曲线这一部分，是因为三极管的工作区来自于特性曲线。

三极管的伏安特性曲线是描述三极管各电极电流和电压之间关系的图形。三极管有三种连接方式：共发射极、共集电极和共基极（对于这三种连接方式，不理解没关系，以后会讲）。不同的连接方式有不同的特性曲线。一般来说，最常用的是共发射极电路，它有两种特性曲线：输入特性和输出特性。

• 输入特性是指在集电极电压UCE为某一定值时，基极电流IB和发射结电压UBE之间的关系。输入特性曲线的形状类似于二极管的伏安特性曲线，因为发射结是一个正偏的PN结。输入特性曲线可以反映出三极管的输入电阻，即Rin=ΔUBE/ΔIB。输入电阻一般很小，约为几十欧姆到几百欧姆。
• 输出特性是指在基极电流IB为某一定值时，集电极电流IC和集电极电压UCE之间的关系。输出特性曲线可以分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。

下图是三极管的输入特性曲线和输出特性曲线：

蓝色虚线左边的区域为饱和区（Saturation）；

由蓝色虚线、红色虚线和棕色虚线包围的区域为放大区（Active），在这个区域里，发射极电流与基极电流成近似线性关系；

红色虚线下方表示三极管尚未导通，处于截止区（Cut-off）；

ps不熟，特性曲线我没有涂上颜色，你可以参照下图，给上图脑补上颜色^_^：

放大区

放大区或者线性工作区域是这样的，集电极-基极的结总是反向偏置的，这意味着通常情况下，集电极电压是等于或大于基极电压的，它甚至可以被稍微比基极电压低一点，但不要降低到足以打开集电极-基极的结的程度。

在特性曲线的放大区，你画一条垂直的线，上图的红色线，含义如下：集电极和发射极之间的电压（UCE）不变，增加基极电流 IB， IC 会相应增加。

放大的是啥

在线性工作区，我们会施加一定的正向偏置电压到基极，目的是打开发射结。基极通常会有一个电阻，用来限制基极电流，因为基极-发射极之间有一个PN结，也就是二极管，二极管一般都会加一个限流电阻。有时候这个限流电阻会在基极前面，有时候会在发射极后面，有时候会两个地方都有。在这两种情况下，基极-发射极两个引脚之间的压差通常在0.6到0.7伏之间，当然有些大功率三极管，这个压差可能会更大一些，但这个 值对于小信号处理三极管来说是非常常见的。所以，如果我们忽略了三极管的集电极，只把它看作一个二极管（基极-发射极之间的二极管），这里的特性遵循二极管伏安特性曲线，就像一个典型的二极管一样：

关于三极管的一个神奇之处是，当你对基极施加电压，以让少许基极电流通过发射结时，它允许更大的集电极流流向发射极，而集电极电流将比基极电流高出很多倍，通常是100到200倍。这个因子被称为β，有时它写成hfe。所以，一小部分基极电流可以导致一个较大的集电极电流流，也就是放大。

发射极电流，也就是从发射极流出的电流，是基极电流和集电极电流的总和。

问题来了

对于线性工作区，一个问题值得思考。在线性工作区中，发射结是正向偏置的, 集电结是反偏的。为啥还会有集电极电流流过反偏的集电结？

欲知后事如何，接着往下看。

饱和区

当用作开关时，一般是控制一个负载元器件通电、断电。也许是点亮或者关闭一个 LED，也许是控制蜂鸣器的开启、关闭 。这种使用模式中，我们通过正向偏置发射结来打开三极管，但是通常如下图所示的负载产生的电压降会把集电极的电压降低到足以实际打开集电结的程度。所以，此时三极管集电极和发射极之间的电压非常小。这通常被称为开关工作模式，这时三极管处于所谓的饱和工作区。

四两如何拨千斤

我们来回答前面的问题：电流是如何流过一个反向偏置的 PN 结的呢？

为了回答这个问题，我们必须必须深入三极管内部：

三极管是由三种半导体材料组成的，上图中，从上往下看依次是：N型半导体，P型半导体和一个N型半导体。N型半导体材料中有很多自由电子，对于三极管来说，特别是发射极，制造环节会进行重度掺杂，是三极管三个区中最多掺杂的，意味着有很多自由电子，很容易被移动并转化为电流。三极管的基区通常非常！非常！非常！薄！现代三极管基区的厚度可能是10纳米到20纳米，而N区的厚度可能为 100纳米以上。基区还有一个特点，非常非常轻度掺杂，意味着由于它是P型的，但是空穴很少。基区的 非常薄和非常轻掺杂的特性是三极管工作的关键。

这个非常薄的基区的创意想法就来自于三位老前辈 76 年前发明的点接触式三极管：

在此之前，半导体二极管已经存在了，电子三极管已经存在了，人们想制作半导体三极管的想法也已经很久了，但是没人想到，问题的关键在这个薄上。

我们复习一下二极管耗尽区。

二极管耗尽区（diode depletion region）是指PN结中的无载流子区域，它是由PN结中的空穴和电子再结合而形成的。在这个区域中，电子和空穴被吸引到PN结的反向偏置区域，形成一个带有净正电荷的中性区域。这个区域的存在使得PN结处于截止状态，阻止了电流的流动。

三极管内部基极-集电极之间的PN结，就像任何PN结一样，会在两种半导体结合地方得到一个没有任何载流子的耗尽区。当我们打开NPN三极管时（把它想成一个开关），我们实际上是通过在基极-发射极之间施加一个偏置电压来克服这个耗尽区，这样就开始把电子吸引到 P 型材料构成的基区，从而产生基极电流。结合二极管的导通的相关知识，这是比较容易理解的。

当我们谈论电子的移动时，有一点要记住，他们是沿着传统电流流动的相反方向移动的。当我们打开基极-发射极的结，就像一个二极管一样，电子被吸引穿过了这个耗尽区，并且与基区的空穴复合。

由于基区特别薄，有少许空穴，而发射区又进行了重度掺杂，有大量的自由电子，一旦我们打开基极-发射极的 PN 结，很多这些电子就被吸引到基区，但是实际上只有很少的电子会与空穴复合并形成基极电流。其余的电子，它们进入薄薄的基区后（这个薄很关键），被集电极的正电势吸引。也就是说，大量的电子，到达基区，它们找不到一个空穴结合，因为很少，并且基区很薄，它们被正的集电极电势吸引，然后它们突破了基极和集电极之间的耗尽区，被集电极收集起来。事实是，只有大约百分之一的电子到达基区，形成基极电流，其余的电子突破耗尽区到达了集电极，所以到达集电极的电子，到基极引脚的电子多得多，这就是β因子，集电极电流大约是基极电流的100到200倍。

从上面这一段话也可以看出集电极为什么叫集电极，收集电子的意思。发射极为什么叫发射极，发射电子的意思。

最后形成的效果就是，基极很像一个阀门，可以打开，也可以关闭，还可以调节流量。0.6-0.7 基极电压吸引大量电子进来，只有一少部分形成基极电流，大多数电子到达了集电极，形成了比基极电流大大约100-200倍的集电极电流。

以上就是我们对小电流如何控制大电流，四两如何拨千斤的解释！

两手都要硬

模拟电路的学习需要理论和实践相结合，这两者彼此相辅相成，互相促进，缺一不可。用邓爷爷的一句话来说就是：两手都要抓，两手都要硬！

放大电路实验

实验电路如下：

实验电路用到的器件如下：

元器件：

• 三极管：S8050
• 基极限流电阻 RB: 10k 到 100k  之间即可，用于限制基极电流。我使用 20k

供电：

• 一个可调电源：用于给基极供电
• 一个可调电源：用于给集电极供电

测量仪表：

• 电流表：测量基极电流
• 电流i包：测量集电极电流
• 电压表：测量基极基极电压
• 电压表：测量集电极电压

基极电流变化

可调电源 9V 固定，接到三极管集电极（Collector）, 看基极电流和集电极电流的关系。我们可以把基极电流认为是输入，集电极电流认为是输出。

搭建好的实验电路如下：

从左到右四块表分表测量如下：基极电流，基极电压、集电极电压、集电极电流。最左边电流表的量程是50uA, 也就是右摆到头是50uA; 最左边电流表的挡位是 20mA 。

两台可调电源：

左边的汉泰可调电源用于给集电极供电，右边的用于用于给基极供电。汉泰的电源很不错推荐购买。

实验开始

实验开始，我打开 9V 可调电源，基极电压调到0V。

上图可以看到，集电极（Collector）电压是 8.99V，但是几乎没有集电极电流（指针左到头），基极电流是零，此时基极-发射极之间的 PN 结是关闭的。

突破

我们将逐渐调大基极电压，在 0.4 V之前，基本没有电流：

我们可以看到，当开始提高基极-发射极的电压时，即使我在0.436伏左右，仍然没有集电极或基极电流流动，因为，发射结就像一个二极管，我们需要达到大约0.6伏，才能产生一些基极电流。

10uA

我们继续调大基极电压，当基极电压达到：0.622V, 此时基极电流是 10uA, 集电极电流是 2.64mA, 放大倍数= 2.64mA/10uA = 264 倍。

20uA

当基极电压达到 0.636V, 此时基极电流是 20uA, 集电极电流是 5.75mA。此时基极电流翻倍，集电极电流也基本翻倍了。放大倍数：286。

30uA

当基极电压达到 0.642V, 此时基极电流是 30uA, 集电极电流是 8.75 mA。基极电流三倍，集电极电流也基本基本也是三倍了。放大倍数：292。

40uA

当基极电压达到 0.643V, 此时基极电流是 40uA, 集电极电流是 12.07 mA。基极电流是最初的四倍，集电极电流也基本基本也是四倍了。放大倍数：291。

线性关系

基极（Base）电流和集电极(Collector)电流统计数据填写到 Excel 表格中，然后转成曲线图：

从上面的曲线图可以看出：集电极电流和基极电流具有 很明显的线性关系。该直线的斜率即为放大倍数β。这也是三极管线性（Linear）工作区命名的来由。

实验技巧

• 基极电流取整。有利于速算出和集电极电流的关系。
• 万用表贴标签。知道哪个表是测哪个项目的。
• 电流表用指针表。方便看变化关系。
• 如果探讨的是两个变量之间的关系，考虑将数据转换为曲线图。曲线图有利于直观的查看两个变量的关系。

集电极电压变化

当集电极电压是 10V ， 基极电流是 30uA 时，集电极电流是 7.98 mA：

我们保持基极电压或者电流不变，将集电极电压由 10V 改为 5V, 集电极电流为 6.8mA:

集电极电压变为原来的 1/2， 集电极电流基本保持不变，仍为原来的：85%。

可见，集电极电压对集电极电流的影响，很小。这种小的集电极电流变化是由一种早期效应（early effect）造成的。我们改期再讲。

在这里，我们忽略集电极电压对集电极电流的影响，认为集电极电流只与基极电流有关。

开关电路实验

用作开关时，我们把三极管置于饱和状态，和放大区是一样的，发射结是正向偏置的，但是在饱和区，，负载两边的压差是如此之大，以至于能够把集电极的电压降低到基极和集电极之间的 PN 结被打开的程度。

一旦发生这种情况，你就会得到一个增大的基极电流，因为现在基极和集电极之间也有电流了。这使得看起来 β下降了。

你会发现，当放大到某个程度，饱和的三极管的集电极电流实际上只受到负载和电源的限制。也就是说在这种情况下，主要的电压降发生在LED和限流电阻上，因为通常在饱和状态下，这个集电极和发射极之间的电压可能只有几百毫伏，甚至更小，可能只有几十毫伏。所以一旦发生这种情况，你几乎可以认为这个三极管是短路的，集电极电流只由电源和负载决定。进一步增加基极电压只会导致更多的基极电流，这对我们没有任何用处。

实验电路：

搭建好的电路如下：

注意看上图，基极电压是 0.635V, 集电极电压是 0.05V.此时集电极和基极之间的压差 = 0.635-0.05= 0.585V. 基极和集电极之间的 PN 结也被打开了。

另外，此时的放大倍数已经非常低了：1.691mA / 45uA = 38

这时，我改变基极电压或电流，集电极电流几乎没有变化：

上图基极电流变由 45uA 变为 20uA, 集电极电流指针几乎没动。

下面是动图，基极电流变化，集电极电流几乎不动，在指针表上特别明显：

上图：基极电流指针在动，集电极电流指针几乎不动。说明，饱和状态下，基极电流的增大，已经不会对集电极电流产生影响了。

总结

学完本文，如果有几点你要记住的话，请记住下面这几点：

• 基极电压高于发射极电压
• 正向偏置B-E结
• 许多电子被吸引到基极
• 由于基极掺杂很轻，只有少量电子在此与空穴复合
• 由于基极很薄，许多电子被集电极的正电势吸引，穿过基极，
• 这些电子穿过C-B耗尽区域，形成集电极电流
• 只有约1%的电子在基极与空穴复合，形成基极电流
• 约99%的电子从发射极穿过基极，形成集电极电流

上面是三极管用作放大时的工作原理的关键点总结。

六、有刷电机与无刷电机的区别

直流电机分为有刷电机和无刷电机，这里所说的“刷”是指碳刷。那碳刷长什么样呢？

   那直流电机为什么要碳刷呢？有碳刷和没碳刷有什么不一样呢？我们接着往下看！

直流有刷电机原理

    如图1所示，这是一个直流有刷电机结构模型图。两个固定的异性磁铁，中间放置一个线圈，线圈两端分别接在两个半圆形的铜环上，铜环两端与固定的碳刷相接触，然后给碳刷两端分别接上直流电源。

图1

    接上电源以后，电流如图1中箭头所示。根据左手定则，黄色线圈受到垂直向上的电磁力；蓝色线圈受到垂直向下的电磁力。电机转子开始作顺时针旋转，旋转90度以后，如图2所示：

图2

    此时，碳刷刚好在两个铜环中间空隙处，整个线圈回路没有电流。但是在惯性的作用下，转子依然在继续旋转。

图3

    转子在惯性的作用下转到上述位置时，线圈电流如图3所示。根据左手定则，蓝色线圈受到垂直向上的电磁力；黄色线圈受到垂直向下的电磁力。电机转子继续作顺时针旋转，旋转90度以后，如图4所示：

图4

    此时，碳刷刚好也在两个铜环中间空隙处，整个线圈回路没有电流。但是在惯性的作用下，转子依然在继续旋转。然后又重复上述步骤，一直循环下去。

直流无刷电机

    如图5所示，这是一个直流无刷电机结构模型图。它是由定子和转子两部分组成，其中转子上有一对磁极；定子上面绕了有很多组线圈，图中画了有6组线圈。

图5

    当我们给定子线圈2、5通入电流，此时线圈2、5会产生磁场，定子相当于一个条形磁铁，其中2为S（南）极、5为N（北）极。由于同性磁极互相吸引，所以转子N极会旋转到线圈2位置，转子S极会旋转到线圈5位置，图6。

图6

    然后我们把定子线圈2、5电流撤掉，再给定子线圈3、6通入电流。此时线圈3、6会产生磁场，定子相当于一个条形磁铁，其中3为S（南）极、6为N（北）极。由于同性磁极互相吸引，所以转子N极会旋转到线圈3位置，转子S极会旋转到线圈6位置，图7。

图7

    同理，再把定子线圈3、6电流撤掉，再给定子线圈4、1通入电流。此时线圈4、1会产生磁场，定子相当于一个条形磁铁，其中4为S（南）极、1为N（北）极。由于同性磁极互相吸引，所以转子N极会旋转到线圈4位置，转子S极会旋转到线圈1位置。

    至此为止，电机已经旋转半圈....后半圈和前面原理一致，这里不在赘述。我们可以简单的把直流无刷电机理解成，就像在一头驴的前面钓一个胡萝卜就这样，驴会一直朝着胡萝卜方向前进。

    那怎么样才能在不同时刻给不同线圈通入准确的电流呢？这就需要电流换向电路了......在这里就不详细介绍了。

优缺点对比

    直流有刷电机：启动快速、制动及时、调速平稳、控制简单、结构简单、价格便宜。重点是价格便宜！价格便宜！价格便宜！而且它启动电流大，在低速时扭矩（旋转力）大，能带很重的负荷。

    但是由于碳刷和换向片之间存在摩擦，所以直流有刷电机容易产生火花、发热、噪音、对外界环境有电磁干扰，而且效率低、寿命短。因为碳刷属于损耗品，容易出故障，而且用一段时间需要更换。

    直流无刷电机：由于直流无刷电机省去了碳刷，所以噪音小、无需维护、故障率低、使用寿命长，而且运行时间和电压比较稳定，对于无线电的设备干扰要小。但是它的价格贵！价格贵！价格贵！

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七、无刷直流电机的基本工作原理

了解下STM32单片机开发时常见的无刷直流电机。

无刷直流电机简介

    无刷直流电机，英语缩写为BLDC（Brushless Direct Current Motor）。电机的定子是线圈，或者叫绕组。转子是永磁体，就是磁铁 。根据转子的位置，利用单片机来控制每个线圈的通电，使线圈产生的磁场变化，从而不断在前面勾引转子让转子转动，这就是无刷直流电机的转动原理。下面深入一下。

无刷直流电机的结构

    首先先从最基本的线圈说起。如下图。可以将线圈理解成长得像弹簧一样的东西。根据初中学过的右手螺旋法则可知，当电流从该线圈的上到下流过的时候，线圈上面的极性为N，下面的极性为S。

    现在再弄一根这样的线圈。然后摆弄一下位置。这样如果电流通过的话，就能像有两个电磁铁一样。

  再弄一根，就可以构成电机的三相绕组。

    再加上永磁体做成的转子，就是一个无刷直流电动机了。

无刷直流电机的电流换向电路

    无刷直流电机之所以既只用直流电，又不用电刷，是因为外部有个电路来专门控制它各线圈的通电。这个电流换向电路最主要的部件是FET（场效应晶体管，Field-Effect Transitor）。可以把FET看作是开关。下图将FET标为AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“开合”是由单片机控制的。

用霍尔传感器确认转子位置

    霍尔传感器通过霍尔效应（Hall Effect），能检测出磁场强度的变化。根据高中物理所学的左手定则（用来判断带电导体在磁场中的受力方向），在霍尔传感器所在的回路中，磁场使带电粒子的运动发生偏转，带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边，产生电位差。这时就可以用电压计接到霍尔传感器的两边，检测出这种电压变化，从而检测出磁场强度的变化，原理如下图所示。

电气角度和机械角度关系

    虽然在这里插入这么个小知识有点怪，但我还是觉得有必要的，因为我觉得当时学的时候不太好理解。在这里配合霍尔传感器的实例说可能好懂一点。机械角度就是电动机转子实际转过的角度。电气角度和机械角度的关系与转子的极对数有关。

电气角度 = 极对数 x 机械角度

    因为实际上线圈生成的磁场要吸引的是转子的磁极。所以对于电机的转动控制来说，我们只关心电气角度就好。

怎样控制无刷直流电机的转速？

    线圈两端的电压越大，通过线圈的电流越大，生成磁场越强，转子转动得就越快。因为接的电源是直流的，所以我们通常用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）来控制线圈两端电压的大小。PWM的简单原理如下。

  所以给无刷直流电机通电的时候，用单片机产生的PWM不断地控制FET的开合，能使线圈反复处于通电断电，通电断电的状态。通电时间长（Duty大），线圈两端的等效电压就大，产生的磁场强度就强，转子转动就快；通电时间短（Duty小），线圈两端的等效电压就小，产生的磁场强度就弱，转子转动就慢。STM32中PWM相x关文章:STM32中PWM的配置与应用详解。

    PWM波形接到FET的Gate（门极）上，控制FET的开合。假设Gate上的电压为高时，FET闭合导通；Gate上的电压为低时，FET断开不通电。

    而且同一相上的上下两个FET须由反相的PWM波形控制，以防止上下两个FET同时导通，造成电流不通过电机而上下相同，造成短路。

    无刷直流电机的关键有三点：

• 线圈绕组电流的换向顺序。电流的换向顺序决定了由线圈产生的磁场的旋转方向，从而决定了转子的转动方向
• 霍尔传感器或其它手段来估计永磁体转子所处的位置，用于决定电流什么时候换向
• 使用单片机产生的PWM波形来控制电机绕组的通电时间，来控制转子转动的速度

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八、PWM原理及其应用

什么是PWM

    PWM（Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、工控等方面。

PWM的频率

    是指在1秒钟内，信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期，单位Hz。

PWM的周期

    T=1/f，T是周期，f是频率。

    如果频率为50Hz ，也就是说一个周期是20ms，那么一秒钟就有 50次PWM周期。

占空比

    是一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例，单位是% (0%-100%)

    一个周期的长度，如下图所示。

其中，周期是一个脉冲信号的时间，1s内的周期T次数等于频率f，脉宽时间是指高电平时间。

    上图中，脉宽时间占总周期时间的比例，就是占空比。

    比方说，周期的时间是10ms，脉宽时间是8ms，那么占空比是8/10= 80%，这就是占空比为80%的脉冲信号。

    PWM就是脉冲宽度调制，通过调节占空比就可以调节脉冲宽度。

PWM原理

    以STM32单片机为例，其IO口只能输出高电平和低电平。

    假设高电平为5V、低电平则为0V，那么要输出不同的模拟电压就要用到PWM。通过改变IO口输出的方波的占空比，从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。

    电压是以一种脉冲序列被加到模拟负载上去的，接通时是高电平1，断开时是低电平0。接通时直流供电输出，断开时直流供电断开。通过对接通和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值5V的模拟电压。

    比方说，占空比为50%那就是高电平时间一半，低电平时间一半。在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压。那么75%的占空比，得到的电压就是3.75V，如下图所示。

    也就是说，在一定的频率下，通过不同的占空比即可得到不同大小的输出模拟电压，PWM就是通过这种原理实现数字模拟信号转换的。

PWM应用

LED呼吸灯

    以经常使用的呼吸灯举例。

    一般人眼睛对于80Hz以上刷新频率则完全没有闪烁感，那么我们平时见到的LED灯，当它的频率大于50Hz的时候，人眼就会产生视觉暂留效果，基本就看不到闪烁了，而是误以为是一个常亮的LED灯。

    由于频率很高时看不到闪烁，占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗，在频率一定时，可以用不同占空比改变LED灯的亮度，使其达到一个呼吸灯的效果。

PWM对电机转速的控制

    调节占空比可以实现不同电压的输出，实现对电机转速的调节。

    对于直流电机来讲，电机输出端引脚是高电平电机就可以转动，当输出端高电平时，电机会转动，但是是一点一点的提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速，以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上我们调速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一个周期的平均速度就是我们占空比调出来的速度了。

    在电机控制中，电压越大，电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速，当然，在电机控制中，不同的电机都有其适应的频率。

    频率太低会导致运动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声。频率太高时，电机可能反应不过来，正常的电机频率在 6-16kHZ之间为好。

PWM对舵机的控制

    舵机的控制就是通过一个固定的频率，给其不同的占空比来控制舵机不同的转角。

    舵机的频率一般为频率为50HZ，也就是一个20ms左右的时基脉冲，而脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围，来控制舵机不同的转角。

    500-2500us的PWM高电平部分对应控制180度舵机的0-180度。

    以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

0.5ms-------------0度；
1.0ms------------45度；
1.5ms------------90度；
2.0ms-----------135度；
2.5ms-----------180度；

    下图演示占空比从1ms变化到2ms时，转角的变化。

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九、WiFi知识点

WiFi名字的由来

    Wi-Fi这个术语经常被误以为是指无线保真（Wireless Fidelity），类似历史悠久的音频设备分类：长期高保真（1930年开始采用）或Hi-Fi（1950年开始采用）。即便是Wi-Fi联盟本身也经常在新闻稿和文件中使用“Wireless Fidelity”这个词，事实上，Wi-Fi一词是没有任何意义。

    1999年，几家富有远见的公司联合起来组成了一个全球性非营利性协会——无线以太网兼容性联盟（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA），其目标是使用一种新的无线网络技术，无论品牌如何，都能带来最佳的用户体验。在2000年，该小组采用术语“Wi-Fi”作为其技术工作的专有名称，并宣布了正式名称：Wi-Fi Alliance。

无线频率

    无线是通过电磁波来传输数字信号的一种方式。使用网线上网，是有物理的网线，使用无线上网，可以想象成是你的手机，电脑与无线路由器之间有一条（或者几条）虚拟的网线。

主要的无线分类和频率和用途：

    2.4G工作在UHF频段，属于分米波。2.4G非常拥挤，蓝牙，微波炉，zigbee（物联网设备），业余无线电等都在这个频段，所以日常生活中，2.4G的WiFi干扰非常严重。但是2.4G的覆盖范围比5G要大，这也就是在家里，可以搜到左右邻居的无线信号的原因。能搜到的信号基本都是2.4G信号。

    5G工作在SHF频段，属于厘米波。日常生活中干扰较少。主要的干扰源是雷达等。5G的覆盖范围相对2.4G小很多。

    无线在传输过程中。会被不同的材质吸收，导致信号的衰减，这是无线衰减的主要形式。一般来说，材质的密度越高，含有的金属越多，对无线信号的吸收越强烈。会造成无线信号损耗的，还包括反射，散射，折射，衍射等。

    我国房屋周中，大部分是承重墙，钢筋水泥结构，对无线的损耗非常强，所以在家中使用的无线路由器，号称的穿墙能力，在承重墙面前是不堪一击的。

电磁波穿透不同材质的损耗情况：

因为电磁波既有波的属性，也有粒子的属性，在传输的过程中，遇到障碍物，会发生穿透，反射，衍射，折射，散射等现象，我们连接的无线信号，是经过这些复杂过程之后的综合结果。

802.11标准

    Wi-Fi与IEEE 802.11常常被混淆，两者的区别可以概述为IEEE 802.11是一种无线局域网标准，而Wi-Fi是IEEE 802.11标准的一种实现。

    802.11标准的制定周期大概是4，5年左右，基本在最新一代标准出台的时候，上一个标准仍然是目前的主流。

    技术上不需要立刻的追求新，需要根据的自己的实际需求。目前的路由器，主要还是WIFI5和WIFI6。WIFI标准向下兼容。

 802.11标准的发展大事记：

    现在支持802.11a，802.11b的设备已经非常少了。

WiFi1：802.11b 1999年 2.4G 11Mbps

WiFi2：802.11a 1999年 5G 54Mbps

WiFi3：802.11g 2003年 2.4G 54Mbps

WiFi4，WiFi5，WiFi6对比表

2.4G频段信道

    各国对2.4G频段的支持情况，我们国家支持的2.4G频段是1到13。

 每个信道之间的中心频率都是相隔5MHz的整数倍。

    部分的终端，无法支持超过11的信道，设置的时候需要注意。

    2.4G互不干扰的信道少，而且很多民用设备也在使用2.4G的频段，这就是2.4G信道拥挤的原因。

    所以2.4G信道中的干扰非常大，很多人的手机经常出现无线满格，但是实际上根本不能上网就是这样的原因。

    工信部规定的2.4G频段的最大功率是EIRP≤500mw或者EIRP≤27dBm。

传统的802.11标准中，每20MHz预留小部分带宽，可以绑定为40MHz带宽，增强带宽，但是2.4G频段中干扰大，不是很建议使用40MHz。

    2.4G中互不干扰的信道是1，6 ，11，但是因为2.4G的传播范围广，经常在家中可以搜索到很多附近邻居家的2.4G信号，很多信道占用很多，几乎找不到干净的信道可以使用，而且大多数路由器都可以自己优化信道，所以手工给2.4G设置一个信道的意义并不大，不会对网络性能起到明显的改善作用。

    5G可以使用20MHz，40MHz，80MHz，160MHz，具体可以支持什么频率，由路由器使用的SOC决定。

5G频段信道

    我国支持的5G频段是：36，38，40，42，44，46，48，149，153，157，161。

    如果购买了日版的电子设备，想连接5G的无线，就需要将5G的频段，改为日本和中国都支持的频段（36，40，44，48），设备才能搜索到5G信号，正常连接。还有一些老旧的设备，也许无法支持149以上的5G信道，也需要进行信道调整。

   与路由器的距离相同时，5G信号相对2.4G信号较弱，这是由电磁波的物理特性决定的：波长越长衰减越少，也更容易绕过障碍物继续传播。5G信号频率高、波长短，而2.4G信号频率低、波长长，所以5G信号穿过障碍物时衰减更大，穿墙能力比2.4G信号弱，所有双频无线路由器都存在这样的情况。

如下是2.4G和5.8G在自由空间传播的损耗公式（其中F是频率，单位是MHz；D是距离，单位是km）
无线电磁波在自由空间的衰减公式：L=32.5+20lgF+20lgD。
2.4G频段的衰减公式：L1=100+20lgD；
5.8G频段的衰减公式：L2=108+20lgD。
以上公式可以看出5.8G的衰减相对于2.4G要高，相应的覆盖的距离要小一些。

2.4G与5G的优缺点

    如果终端（电视等）距离路由器比较近，周围障碍物少，建议连接5G，如果终端（手机等）距离路由器很远，障碍物多，根据情况可以选择2.4G。

无线传播示意图

    可以看到墙体对无线的阻隔作用。

无线功率和天线

    我们看到的路由器，经常将【穿墙】和多个硕大的外置天线作为卖点，很多人在买路由器的时候，觉得天线多，粗，长，信号就好。没有外置天线的路由器信号就不好。那么实际上，天线数量的多少对无线的覆盖有多大的影响呢？

    根据木桶原理，终端的无线速度，取决于终端和路由器的协商，根据终端的类型，无线的衰减等，无线终端会与路由器之间，最终协商为一个合适的速率，这个协商速率通常会小于路由器支持的最大速率。上限是路由器支持的最大速率。所以单纯的提高路由器的无线功率，并不一定可以取得好的效果，同时各个国家也对路由器的无线功率有严格的规定。

无线功率

毫瓦（mW）

    功率单位，2.4G的最大功率是100mW。5G的最大功率是500mw。

    无线路由器的功率很低，而且严格受到国家的管控，只要是符合国家标准的产品，都是安全的，可以放心使用。认为路由器的无线有危险的同学，都是心理作用了。

分贝毫瓦（dBm）

    无线功率绝对值单位是dBm。

dbm的计算公式 ：10lgP P=无线功率/1mw

0dBm=1mw

17dBm=50mw

20dBm=100mw

[例1] 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。

[例2] 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：

10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=46dBm

dBi

    dBi为无线天线的增益大小单位。高dBi不是将WiFi信号增强了，而是将信号更集中的发射和接收。dBi数值越大，增益越高，垂直角度越小，传输距离相对越远。

等效全向辐射功率（EIRP）

    无线电通信领域的一个常见概念，它指的是卫星或地面站在某个指定方向上的辐射功率，理想状态下等于功放的发射功率乘以天线的增益。通常理解配置EIRP就是配置发射的功率。体现为最强点的功率。单位是dBW

EIRP=有效功率+天线增益-天线馈线线路损耗

天线和增益

    路由器的天线的作用是收发无线电波。

    无线路由器上，外置的天线，常见的是鞭状全向天线，内置的天线，也是全向天线。室外的基站等，会使用全向天线和定向天线。

    天线在进行辐射的时候，与电磁场强度的方向，一般为垂直极化和水平极化两种。

水平极化由于受大地磁场影响，损耗较大，较少采用，单极化天线一般采用垂直极化天线。

    在相同功率下，增益越多，天线的定向性越强，定向角度越小。

    增益值的单位是dbi。天线的增益，在最大的辐射方向上，与无方向的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

    全向天线的信号强度图，面包圈的样子。

    增益后，面包圈变得更扁平，增加了覆盖的范围。能量更集中，水平方向上信号越强，抗干扰能力越强，在某些方向上信号减弱。

    天线的数量实际上要与路由器支持的MIMO技术匹配，无论是外置天线，还是内置天线。

    如果是2*2的MIMO，则只需要2根天线，因为很多路由器是2.4和5G的双频路由器，可以使用独立天线来分别传输2.4G信号和5G信号，则天线数量更多一些。

    比如Redmi AX6，有6根天线，其中2根负责2.4G，4根负责5G。

路由器的摆放位置

    正是基于前面的天线，无线的特定，路由器在摆放的时候，位置尽量高一些，尽量摆放在房间 中央，周围少遮挡，路由器的天线与地面垂直90度摆放。这样水平方向的无线信号最强，覆盖范围最广。如果路由器的天线多余2个，其他天线也可以调整一些角度，让覆盖更均匀。

MIMO技术

    MIMO（multiple input multiple output）（多输入多输出）

    MIMO是更能提升无线性能的关键技术，在802.11n标准中首次提出。

    在发送端和接收端，都使用多天线的MIMO技术，则可以极大的提高信道容量。提高传输的可靠性，传输范围和吞吐量。

    在MIMO之前是SISO（Single-Input Single-Output）（单输入单输出）

我们在使用网线上网的时候，网线就是一个物理上的信道。当使用无线上网的时候，要想网速更快，就需要将虚拟的网线（信道）合并到一起进行数据的收发。

    MIMO的写法是AxB MIMO，A表示发送端的天线数量，B表示接收端的天线数量。

    MIMO又细分为SU-MIMO和MU-MIMO

    SU-MIMO（Single-User Multiple-InputMultiple-Output）（单用户多输入多输出）

    MU-MIMO（ Multi-User Multiple-Input Multiple-Output ）（多用户多输入多输出）

    其中，MU-MIMO，可以进一步的提升速率。MU-MIMO在WIFI5中首次提出。

    如上，MU-MIMO。

WIFI6

    2020年1月3日的802.11ax标准，Wi-Fi联盟，采用新的命名Wi-Fi6。便于记忆和推广。

    Wifi6向下兼容11a/b/g/n/ac

WIfi6的主要功能点：

WIFI6的主要功能增强的特性：

• WIFI6支持上下行的MU-MIMO，WIFI5只支持下行，
• WIFI6支持OFDMA（正交频分多址）。WIFI5支持OFDM（正交频分复用）

OFDM与OFDMA的区别：

 因为WIFI6的理论速度达到9.6Gbps。适合内网有大量数据传输的场景。因为目前的家用宽带主流还在1G以内。WIFI6支持的外网带宽，达到10G的时候，WIFI6才会是瓶颈。但是WIFI6带来的新特性，与支持WIFI6的终端配合，会带来更好的无线体验。

CPU和无线芯片

    对于无线路由器来说，功能的多少和性能的强弱，主要取决于CPU和无线功放芯片。路由器的系统更多是锦上添花。如果追求特殊的OS层面的需求，可以考虑可以进行刷新系统的路由器型号。

CPU

    CPU决定着路由器可以提供的功能。CPU也会进行大量的计算，所以高端路由器的发热都会较大。

    目前路由器上，主要使用高通，博通，MTK的CPU。之前还有华为海思的CPU。

    以高通芯片为例。高通的WiFi6芯片方案，最高端的平台是Qualcomm Networking Pro 1200 Platform，可以有12个空间流；后面依次是Pro 800、Pro 600和Pro 400，分别最多带8、6和4个空间流，具体规格如下：

    NETGEAR的RAX120 AX6000M的拆解图，源自koolshare，最重要的就是这个CPU芯片。

无线芯片

    与CPU配合工作，分为2.4G芯片和5G芯片。高端路由器，可以采用多个无线芯片，倍数增加无线的带宽。

    下图是NETGEAR的RAX120 AX6000M的拆解图，源自koolshare

    其中的无线芯片是高通的QCN5024，2.4G芯片，支持4x4MIMO，支持802.11ax，最高速率为1200Mbps

  下图中的无线芯片是高通的QCN5054，5G芯片，支持802.11ax，支持4x4 MU-MIMO，80MHz。

路由器的芯片拓扑图：

MESH技术

    MESH分布式技术，在路由器之间，生成一种网状网络，不同接入点可以以星状、树状、串联和总线方式，混合组成一整张网状网络。在这张大网中不仅SSID统一，无线设备还可以自由寻找信号最好的节点去连接传输数据，用户手持设备在不同节点穿梭时连接是无缝切换的。

    对于大面积的无线覆盖，MESH具有部署简单，灵活，同时兼顾漫游体验。但是大部分产品的MESH组网，都需要占用无线带宽，为了使用体验，最佳的状态是使用有线进行MESH组网，或者选择三频路由器，三频路由器有无线MESH的专用频段，终端的网速不会受到影响，体验会更好一些。

MESH组网适合同时满足下面需求的用户

1、需要无线覆盖面积在100平米以上，或者覆盖范围内有大量的承重墙

2、装修的时候，没有预留网线

3、需要良好的无线漫游体验

MESH联网示意图：

AC+AP

    AC+AP介绍：

    对于大户型，复式的建筑，别墅，酒店，商场，企业来说，需要多个路由器进行覆盖，并且需要很好的漫游体验。这个时候，最佳的体验是AP方式组网，搭配AC进行统一管理。AC可以是独立硬件，或者使用软件来实现。一些品牌的产品，所有的数据都需要AC进行处理，AC的性能决定着整个网络的性能。一些品牌的产品，AC仅是管理作用，不进行数据转发。AP需要配合支持POE的交换机进行供电，所以在部署AC+AP的网络的时候，不仅需要预先部署网线，同时涉及到的设备比较多，需要对使用人的网络技术要求较高。

    AP是无线接入点（Wireless AccessPoint），负责释放无线信号，转发无线数据的作用，无线覆盖范围，依靠多个AP来实现。AP因为安装方式的原因，AP的天线都是内置天线。AP的安装类型又分为吸顶式AP和面板式AP。吸顶式AP可以做的比较大，性能更强。面板式AP，受限于体积和安装的位置，无论是性能，散热，信号覆盖范围，都会差一些。只要条件允许，尽量选择吸顶式AP。

 吸顶式AP示意图：

    面板式AP示意图：

AC无线控制器（Wireless AccessPoint Controller）

    负责控制AP的所有设置。有的品牌，AC会集中进行数据转发，有的品牌，AC只进行管理，不参与数据转发。对于集中进行数据转发的AC，AC的性能会是网络中的一个瓶颈，一定要选择性能强的AC。AC与AP的品牌要一致。

    常见的AC与交换机的形状类似：

POE交换机

    POE（Power Over Ethernet）（基于局域网供电系统）

    基于网线，可以为基于IP的终端进行供电（摄像头，IP电话，AP等），在传输数据的同时，可以提供直流电的供电。可以减少额外的电线需求，节省成本。需要注意的是POE的供电标准和供电功率，供电标准需要与AP支持的标准一致，供电功率需要大于AP的功率。

    POE交换机示意图：

    POE系统架构图：

    POE供电有802.3af（PoE）、802.3at（PoE+）、802.3bt（PoE++）三种标准。

不同的标准，供电的电压，功率都不同。POE供电，最好6类网线起步。

AC+AP组网的设备清单：

AC：必须，有的品牌是硬件AC，有的是软件AC，软件AC，需要安装在一个主机上或者其他系统上。

AP：必须，无线的性能和覆盖就靠他了，性能越高越好，注意AP和AC必须是同一个品牌。

POE交换机：必须，需要是千兆POE交换机，注意POE的协议与AP支持的协议一致。有些品牌会将AC和POE集成在一起，可以节省费用，高端产品一般都是独立型号。可以是其他品牌。

网关设备：必须，用来接入宽带，不需要释放无线信号，注重网络转发性能。可以是其他品牌。

网线：必须，需要提前进行布线，网线至少6类。确保施工的网线质量。保障网线8芯都需要连通。

机柜：非必须，如果用到的设备众多，需要配置一个小型机柜，用来安装设备，综合布线和散热。如果是少量的设备，根据设备的大小和多少，可以安装在弱电箱内，但是为了系统稳定，一定要注意散热问题。

无线漫游

    当使用AP或者MESH方式组网的时候，多个路由器，提供一个相同的无线信号，终端在移动的过程中，实现无缝的漫游，终端自动连接到合适的路由器上，漫游时候不会发生数据丢包，或者有少量的数据丢包。

  无线漫游示意图：

 漫游的前提是没有无线信号覆盖的盲区，如果存在盲区，那么终端在移动到盲区的时候，无法连接到无线信号，肯定是断网的状态。或者处在信号覆盖的边缘，即使可以联网，但是性能很差。

    终端在进行漫游的时候，越是复杂的认证方式，比如Radius认证，需要的重新认证的步骤越多，重新连接的时间就越长。为了加快认证速度，有3个与快速漫游有关的标准推出。

    和快速漫游有关的标准主要是三个：802.11k、802.11v、802.11r。

STA：终端

• 802.11k负责让STA了解附近的AP分布状况。
• 802.11v负责让AC引导STA切换AP，而不是由STA自行决定，从而更好的切换。
• 802.11r负责让STA在AP间切换时，不用重新认证，加速连接。

    苹果官网上明确说明了哪些产品支持802.11kvr协议，但是安卓手机品牌众多，三星的一些型号有明确的标识，一般安卓手机可能并不支持。如果AP开启了kvr协议的支持，但是终端不支持的时候，有可能会引起终端的漫游异常。这个功能在复杂的网络环境下，建议不要开启。网络的兼容和稳定最重要。

结束语

    WiFi的相关知识就介绍完了，这是一个比较概括的描述，每个小的知识点，都可以写一篇文章，希望对大家了解WiFi技术有所帮助，在您选择路由器的时候，多一些技术参考。

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十、单片机中常用的负电压是怎样产生的

负电压的产生电路图原理

    在电子电路中我们常常需要使用负电压，比如说我们在使用运放的时候常常需要建立一个负电压。下面就简单的以正5V电压到负电压5V为例说一下它的电路。

    通常需要使用负电压时一般会选择使用专用的负压产生芯片，但这些芯片都比较贵，比如ICL7600，LT1054等。差点忘了MC34063了，这个芯片使用的最多了，关于34063的负压产生电路这里不说了，在datasheet中有的。下面请看我们在单片机电子电路中常用的两种负电压产生电路。

    现在的单片机有很多都带有了PWM输出，在使用单片机的时候PWM很多时候是没有用到的，用它辅助产生负压是不错的选择。

    上面的电路是一个最简单的负压产生电路了。使用的原件是最少的了，只需要给它提供1kHz左右的方波就可以了，相当简单。这里需要注意这个电路的带负载能力是很弱的，同时在加上负载后电压的降落也比较大。

    由于上面的原因产生了下面的这个电路：

负电压产生电路分析

    电压的定义：电压（voltage），也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。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B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。

    说白了就是：某个点的电压就是相对于一个参考点的电势之间的差值。V某=E某-E参。一般把供电电源负极当作参考点。电源电压就是Vcc=E电源正-E电源负。

    想产生负电压，就让它相对于电源负极的电势更低即可。要想更低，必须有另一个电源的介入，根本原理都是利用两个电源的串联。电源2正极串联在参考电源1的负极后，电源2负极就是负电压了。

    一个负电压产生电路：利用电容充电等效出一个新电源，电容串联在GND后，等效为电源2，则产生负电压。

    1、电容充电：当PWM为低电平时，Q2打开，Q1关闭，VCC通过Q2给C1充电，充电回路是VCC-Q2-C1-D2-GND，C1上左正右负。

    2、电容C1充满电。

    3、电容C1作为电源，C1高电势极串联在参考点。C1放电，从C2续流，产生负电压。

    当PWM为低电平时，Q2关闭，Q1打开，C1开始放电，放电回路是C1-C2-D1，这实际上也是对C2进行充电的过程。C2充好电后，下正上负，如果VCC的电势为5点几伏，就可以输出-5V的电压了。

    产生负电压（-5V）的方案。

  7660和MAX232输出能力有限，做示波器带高速运放很吃力，所以也得用4片并联的方式扩流。第一版是7660两片并联的。
    用普通的DC/DC芯片都可以产生负电压，且电压精确度同正电压一样，驱动能力也很强，可以达到300mA以上。
    一般的开关电源芯片都能产生负电压，实在不行用开关电源输出的PWM去推电荷泵，也可以产生较大的电流，成本也很低，不知纹波要求多少，电荷泵用LC滤波之后纹波相当小的。7660是电荷泵，所以电流很小。
    整个示波器的设计，数字电源的+5V和模拟电源的+５V是分开供电的，但是数字地和模拟地应该怎么处理呢？
    数字地和模拟地是一定要连在一起的，不然电路没法工作。
    数字部分的地返回电流不能流过模拟部分地，两个地应该在稳定的地参考点连在一起。

负电压的意义

• 人为规定
  例如电话系统里是用-48V来供电的，这样可以避免电话线被电化学腐蚀。当然了，反着接电话也是可以工作的，无非是电压参考点变动而已。
• 通讯接口需要
  例如RS232接口，就必须用到负电压。-3V～-15V表示1，+3～+15V表示0。这个是当初设计通讯接口时的协议，只能遵守咯。PS:MAX232之类的接口芯片自带电荷泵，可以自己产生负电压。
• 为（非轨到轨）运放提供电源轨
  老式的运放是没有轨到轨输入/输出能力的，例如OP07，输入电压范围总是比电源电压范围分别小1V，输出分别小2V。这样如果VEE用0V，那么输入端电压必须超过1V，输出电压不会低于2V。这样的话可能会不满足某些电路的设计要求。为了能在接近0V的输入/输出条件下工作，就需要给运放提供负电压，例如-5V，这样才能使运放在0V附近正常工作。不过随着轨到轨运放的普及，这种情况也越来越少见了。
• 自毁电路
  一般来说芯片内部的保护电路对于负电压是不设防的，所以只要有电流稍大，电压不用很高的负电压加到芯片上，就能成功摧毁芯片。

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十一、电机控制器中的MOS驱动

通用MCU或DSP的IO电压通常是5V\3.3V，IO的电流输出能力在20MA以下，不足以直接驱动功率MOSFET。所以使用通用MCU或DSP来设计电机驱动器时，通常需要搭配外部的MOSFET驱动器，我们称之为“预驱”。在设计汽车风机、水泵、油泵等电机驱动控制器时，使用车规MCU+车规预驱+车规N沟道功率MOSFET，可以适配不同功率、各种通信方式和各种驱动方式。

控制器中的功率MOS驱动

 如上图直流无刷电机驱动电路，三相直流无刷电机（包括BLDC和PMSM）功率级驱动电路使用6个N沟道功率MOS构成三相全桥，分为三个连接到电源正极（VBus）的高边MOS和三个连接到电源负极的低边MOS。

    控制器通过控制六个MOS的通断，完成换相，使电机按照预期转动。电机在运转过程中可能会遇到堵转而导致过流，因此MOS驱动电路需要具有保护功能，以防止烧坏控制器或电机。

    对于单个NMOS来说，在开通时，需要提供瞬间大电流向MOS内的寄生电容充电，栅源电压（VGS）达到一定阈值后，MOS才能完全开通。在MOS开通后，还需要维持合适的栅源电压（VGS），才可以保持开通状态。

    对于低边MOS，其源极（S）接到电源负极，栅源电压容易满足，驱动较简单。

    对于高边MOS，其源极（S）接到电机相线，其电压是不确定的，如果需要开通，需要通过自举电路提供栅极电压，驱动较复杂。

 上图是VGS与RDSON的关系图，一般情况下，MOS的导通内阻都如上图所示，随着VGS的增大而降低，但VGS大于10V之后，下降曲线变得平缓。为了达到最小的导通电阻(RDSON)，VGS的取值通常为10~15V。

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十二、运算放大器

高精度运算放大器可用于配置分流电阻电流传感器。使用高精度运算放大器，特别是ABLIC的零漂移放大器，可以在整个温度和工作电压范围内实现高精度电流传感器。但是您是否遇到过运算放大器振荡、未能达到检测精度的设计目标或无法降低外部噪声影响等设计问题?

介绍使用高精度运算放大器设计低侧或高侧分流电阻电流传感器的一个易于遵循的示例。

目录表

1.电流传感器的类型和特性以及为什么要使用分流电阻电流传感器

2.分流电阻电流传感器需要什么类型的运算放大器(信号放大器电路)?

3.高精度运算放大器的类型和零漂移放大器的优点

4.解决您的设计问题!

5.ABLIC的开发支持服务与客户的设计努力相吻合

6.ABLIC推荐的零漂移放大器

1. 电流传感器的类型和特性以及为什么要使用分流电阻电流传感器

●电流传感器的类型和特性

电流传感器用来测量流过电路的电流。

电流传感器有多种类型(分流电阻，磁性等)如下图所示，所需传感器的类型取决于其要用于的电流区域。

因此，了解不同的传感器类型并为应用使用正确的电流传感器至关重要。

●为什么使用分流电阻电流传感器?

分流电阻电流传感器的低成本和高精度电流检测使其成为上述三种电流传感器中最常用的一种。因此，它被广泛用于汽车和工业设备中的电池电流监测等应用，这些应用需要高精度检测到几十安培或更低，以及电磁阀操作液压执行器的电流控制应用。

2. 分流电阻电流传感器需要什么类型的运算放大器(信号放大器电路)?

分流电阻电流传感器由分流电阻和放大器(信号放大电路)组成，用于放大传感器中的压降。

由于几十安培流过分流电阻就足以引起功率损失和发热问题，因此使用了具有低电阻的分流电阻。由于在分流电阻中发生的电压降是微小的，这需要一个能够精确放大微小输入信号的放大器。该放大器采用高精度运算放大器。

使用1mΩ分流电阻检测10A电流，精度为±1%

3.高精度运算放大器的类型和零漂移放大器的优点

输入偏置电压随输入信号放大。因此，具有低输入偏置电压和低温度漂移的高精度运算放大器广泛用于电流传感器和其他需要高精度放大微小信号的应用。

●高精度运算放大器的种类

根据输入偏置电压的校正方式，高精度运算放大器分为两种。

1.零漂移的普通高精度运算放大器

这是一种不自动校正输入偏置电压的运算放大器。每个运算放大器在出厂前都经过修整，以尽量减少输入偏置电压。

2.零漂移放大器

这种类型的运算放大器可以自动校正输入偏置电压。这个运算放大器集成了一个电路，在工作期间自动最小化输入失调电压。

●零漂移放大器的优点

输入偏置电压如何校正的差异反映在输出电压特性上。零漂移放大器自动校正输入偏置电压，并将在任何时候最小化输入偏置电压，而不受环境温度或运放共模输入电压波动的影响。

ABLIC提供全系列的通用和汽车用零漂移运算放大器产品。

3.解决您的设计问题!

介绍了一种采用零漂移放大器构成的并联电阻电流传感器的设计实例

下面描述了一个使用S-19630A零漂移放大器配置的分流电阻电流传感器的详细设计示例。

S-19630A是一款零漂移运算放大器，工作范围宽(4.0至36V)，输入失调电压低，最大±50μV。±25nV/°C的低输入偏置电压漂移

使用S-19630A设计电流传感器可以做到以下几点。

●由于其低输入偏置电压和低输入偏置电压漂移特性，可以设计出非常高精度的电流传感器，其电流检测结果不受温度和电源电压波动的影响。

●其广泛的工作范围可以直接连接到5V, 12V或24V系统。

●输入轨对轨允许低侧和高侧电流检测。

1. 低侧电流检测设计实例

●电流传感器设计规范

●设计过程

●电流传感器设计结果

●线路图

2.高侧电流检测设计实例

●电流传感器设计规范

●设计过程

●电流传感器设计结果

●线路图

5. ABLIC的开发支持服务与客户的设计努力相吻合

ABLIC的运算放大器产品提供各种服务，以帮助客户克服电路开发的每个步骤中的问题或问题。我们的产品符合所有主要的汽车标准。

●协助建议电路和设置常量的支持服务

ABLIC提供电路设计咨询。为了减少原型的数量、开发时间和开发成本，并优化应用的性价比，我们提出了外设部件和集成电路的最佳组合。

●电路仿真服务

电路设计完成后，运算放大器在器件评估中开始振荡!你遇到过这样的问题吗?ABLIC执行电路仿真服务，以确认运算放大器将在没有振荡的情况下工作

●提供PSpice模型的服务

ABLIC的零漂移放大器产品提供PSpice模型，以减少客户必须开发的原型数量。您可以从下面列出的页面下载模型。我们还提供咨询服务，帮助客户使用PSpice模型分析仿真结果。如果您感兴趣，请随时打电话给我们的销售部。

●评估板服务

ABLIC提供评估板，帮助客户对设备进行评估。而且不仅仅是评估板，还有安装有运算放大器ic和其他外围部件的板。如果您感兴趣，请随时打电话给我们的销售部。

6.ABLIC推荐的零漂移放大器

ABLIC提供广泛的通用和汽车用运算放大器系列。这些运算放大器推荐用于高精度，高耐压和轨对轨电流检测应用。

它们已被我们的客户用于广泛的应用。强烈推荐使用ABLIC零漂移运算放大器。

●车载运算放大器

●一般用途运算放大器

四、电机控制器中的MOS驱动

通用MCU或DSP的IO电压通常是5V\3.3V，IO的电流输出能力在20MA以下，不足以直接驱动功率MOSFET。所以使用通用MCU或DSP来设计电机驱动器时，通常需要搭配外部的MOSFET驱动器，我们称之为“预驱”。在设计汽车风机、水泵、油泵等电机驱动控制器时，使用车规MCU+车规预驱+车规N沟道功率MOSFET，可以适配不同功率、各种通信方式和各种驱动方式。

控制器中的功率MOS驱动

 如上图直流无刷电机驱动电路，三相直流无刷电机（包括BLDC和PMSM）功率级驱动电路使用6个N沟道功率MOS构成三相全桥，分为三个连接到电源正极（VBus）的高边MOS和三个连接到电源负极的低边MOS。

    控制器通过控制六个MOS的通断，完成换相，使电机按照预期转动。电机在运转过程中可能会遇到堵转而导致过流，因此MOS驱动电路需要具有保护功能，以防止烧坏控制器或电机。

    对于单个NMOS来说，在开通时，需要提供瞬间大电流向MOS内的寄生电容充电，栅源电压（VGS）达到一定阈值后，MOS才能完全开通。在MOS开通后，还需要维持合适的栅源电压（VGS），才可以保持开通状态。

    对于低边MOS，其源极（S）接到电源负极，栅源电压容易满足，驱动较简单。

    对于高边MOS，其源极（S）接到电机相线，其电压是不确定的，如果需要开通，需要通过自举电路提供栅极电压，驱动较复杂。

    上图是VGS与RDSON的关系图，一般情况下，MOS的导通内阻都如上图所示，随着VGS的增大而降低，但VGS大于10V之后，下降曲线变得平缓。为了达到最小的导通电阻(RDSON)，VGS的取值通常为10~15V。

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十三、MOS管驱动电路有几种

 MOS管因为其导通内阻低，开关速度快，因此被广泛应用在开关电源上。而用好一个MOS管，其驱动电路的设计就很关键。下面分享几种常用的驱动电路。

1 电源IC直接驱动

    电源IC直接驱动是最简单的驱动方式，应该注意几个参数以及这些参数的影响。

①查看电源IC手册的最大驱动峰值电流，因为不同芯片，驱动能力很多时候是不一样的。

②了解MOS管的寄生电容，如图C1、C2的值，这个寄生电容越小越好。如果C1、C2的值比较大，MOS管导通的需要的能量就比较大，如果电源IC没有比较大的驱动峰值电流，那么管子导通的速度就比较慢，就达不到想要的效果。

2 推挽驱动

    当电源IC驱动能力不足时，可用推挽驱动。

    这种驱动电路好处是提升电流提供能力，迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需要的时间，但是减少了关断时间，开关管能快速开通且避免上升沿的高频振荡。

3 加速关断驱动

MOS管一般都是慢开快关。在关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压快速泄放，保证开关管能快速关断。

    为使栅源极间电容电压的快速泄放，常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管，如上图所示，其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小，同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大，把电源IC给烧掉。

  如上图，是我之前用的一个电路，量产至少上万台，推荐使用。

    用三极管来泄放栅源极间电容电压是比较常见的。如果Q1的发射极没有电阻，当PNP三极管导通时，栅源极间电容短接，达到最短时间内把电荷放完，最大限度减小关断时的交叉损耗。

    还有一个好处，就是栅源极间电容上的电荷泄放时电流不经过电源IC，提高了可靠性。

4 隔离驱动

    为了满足高端MOS管的驱动，经常会采用变压器驱动。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的电感与C1形成LC振荡，C1的目的是隔开直流，通过交流，同时也能防止磁芯饱和。

十四、PCB焊盘の讲究

在PCB设计中，焊盘是一个非常重要的概念，PCB工程师对它一定不陌生。不过，虽然熟悉，很多工程师对焊盘的知识却是一知半解。

今天，带大家来了解下焊盘的种类，以及在PCB设计中焊盘的设计标准。

焊盘，表面贴装装配的基本构成单元，用来构成电路板的焊盘图案(land pattern)，即各种为特殊元件类型设计的焊盘组合。焊盘用于电气连接、器件固定或两者兼备的部分导电图形。

PCB焊盘的种类

        1、常见焊盘

• 方形焊盘：印制板上元器件大而少、且印制导线简单时多采用。在手工自制PCB时，采用这种焊盘易于实现。

• 圆形焊盘：广泛用于元件规则排列的单、双面印制板中。若板的密度允许，焊盘可大些，焊接时不至于脱落。
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• 岛形焊盘：焊盘与焊盘间的连线合为一体。常用于立式不规则排列安装中。
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• 多边形焊盘：用于区别外径接近而孔径不同的焊盘，便于加工和装配。
• 椭圆形焊盘：这种焊盘有足够的面积增强抗剥能力，常用于双列直插式器件。
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• 开口形焊盘：为了保证在波峰焊后，使手工补焊的焊盘孔不被焊锡封死时常用。
• 梅花焊盘

        2、特殊焊盘

• 梅花焊盘通常用在大的过孔接地的位置，这样设计有以下几点原因：

1）固定孔需要金属化和GND相连， 如果该固定孔是全金属化的，在回流焊的时候容易将该孔堵住。

2）采用内部的金属螺孔可能由于安装或多次拆装等原因，造成该接地处于不良的状态。而采用梅花孔焊盘，不管应力如何变化，均能保证良好的接地。

• 十字花焊盘
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• 十字花焊盘又称热焊盘、热风焊盘等。其作用是减少焊盘在焊接中向外散热，以防止因过度散热而导致的虚焊或PCB起皮。
  1）当你的焊盘是地线时候。十字花可以减少连接地线面积，减慢散热速度，方便焊接。
  2）当你的PCB是需要机器贴片，并且是回流焊机，十字花焊盘可以防止PCB起皮（因为需要更多热量来融化锡膏）。
• 泪滴焊盘

当焊盘连接的走线较细时常采用，以防焊盘起皮、走线与焊盘断开。这种焊盘常用在高频电路中。

PCB设计中焊盘的设计标准

1、PCB焊盘的形状和尺寸设计标准

• 调用PCB标准封装库。
• 有焊盘单边最小不小于0.25mm，整个焊盘直径最大不大于元件孔径的3倍。
• 尽量保证两个焊盘边缘的间距大于0.4mm。
• 孔径超过1.2mm或焊盘直径超过3.0mm的焊盘应设计为菱形或梅花形焊盘。
• 布线较密的情况下，推荐采用椭圆形与长圆形连接盘。单面板焊盘的直径或最小宽度为1.6mm；双面板的弱电线路焊盘只需孔直径加0.5mm即可，焊盘过大容易引起无必要的连焊。

2、PCB焊盘过孔大小标准

焊盘的内孔一般不小于0.6mm，因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径，如电阻的金属引脚直径为0.5mm时，其焊盘内孔直径对应为0.7mm，焊盘直径取决于内孔直径。

3、PCB焊盘的可靠性设计要点

• 对称性：为保证熔融焊锡表面张力平衡，两端焊盘必须对称。
• 焊盘间距：焊盘的间距过大或过小都会引起焊接缺陷，因此要确保元件端头或引脚与焊盘的间距适当。
• 焊盘剩余尺寸：元件端头或引脚与焊盘搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。
• 焊盘宽度：应与元件端头或引脚的宽度基本一致。

十五、分析4种5V太阳能路灯电路图

    太阳能路灯电路包括光伏电池、蓄电池、路灯和控制器四部分。设计中采用AT89S52单片机，并将其作为智能核心模块。外围电路主要包括太阳能电池电压采样模块、蓄电池电压采样模块、键盘电路模块、LED显示模块、充放电控制模块等。

    描述TPS61165的工作输入电源电压介于3V～18V之间，可提供高达38V的输出电压。该器件具有额定40V集成型开关FET，可驱动多达10个串联LED。其可在1.2MHz固定开关频率下工作，不仅能够显著降低输出纹波、提升转换效率，而且还允许使用小型外部组件。在默认情况下，白光LED（WLED）的电流由外部感测电阻RSET设定，反馈电压稳定在200mV。

    无论采用数字还是PWM调光方法，TPS61165在输出电容上的输出纹波均非常小，而且不会产生普通开启/关闭控制调光所产生的音频噪声。为了在开路LED条件下提供保护，TPS61165可禁用开关，以防止输出超过最大绝对额定值。PMP3598将TPS61165用于非同步升压设计。在运算放大器周围构建的额外电路不仅能实现电池欠压/充电指示功能，而且还能在太阳能板和电池输入之间提供ORing功能。此外，该电路还集成了必备的过热与过流保护功能，并具备负载断连特性。

该设计的重要优势在于拥有极高的效率和良好的LED稳流性能。TPS61165可在能够稳定LED电流的恒流模式下工作。CTRL引脚可同时用于数字与PWM调光的控制输入。每次启用器件时即可选择TPS61165的调光模式。通过改变反馈参考电压也可实施模拟调光。可使用20k欧的可变电阻来改变LED电流，以达到调光的目的。转换器可在350mA条件下将电压从6V提升至10.5V，转换效率不低于85%。该电路可用于驱动三个1W的LED或输入总功率不超过3W的多个50mA的LED。

硬件电路设计

    选择DS1302计时器、AT24C02存储器、4位数码显示器、过充过放电路、STC12C2051单片机等组成智能控制系统。根据各部分电路的功能不同，整体电路可分为以下几个部分：太阳能电池板组件、过充过放电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。

电源电路设计

    电源电路如下图所示。系统由太阳能电池板供电，24V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C1为滤波电容。

方案选择

    采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工调整开关时间，费时费力，不利于节能。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。

    电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LＲ6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。下图为与单片机的连接图，其中VCC1为主电源，VCC2为后备电源。在一般情况下，SCL、I/O、ＲST与单片机连接实现1302的读写控制。

存储器AT2402的1，2，3脚为空脚，4脚为接地端，5脚为数据端，6脚为时钟端，7脚为写保护端口，8脚为电源。

    AT24C02在设计中的作用是掉电存储器，是为防止电源突然断开时，用户信息不会丢失，存储当前设定的信息。AT24C02是Atmel公司的2kB的电可擦除存储芯片，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。电压最低可达2.5V，额定电流为1mA，静态电流10μA（5.5V），芯片内的资料可在断电的情况下保存相当长的时间，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。其与单片机的连接如下图所示。

 太阳能路灯与普通路灯控制电路功能基本相同，均是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯以及对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

太阳能路灯控制器设计

    路灯控制系统工作原理：白天光伏电池向蓄电池充电，晚上蓄电池提供电力供路灯照明。所以蓄电池将构成一个充放电循环。太阳能路灯照明控制电路包括光伏电池、蓄电池、路灯和控制器四部分。设计中采用AT89S52单片机，并将其作为智能核心模块。外围电路主要包括太阳能电池电压采样模块、蓄电池电压采样模块、键盘电路模块、LED显示模块、充放电控制模块等。下图是太阳能路灯控制器结构设计图。

单片机智能控制模块

    太阳能路灯控制器选择ATMEL公司的8位单片机AT89S52为核心的智能控制模块，在整体上具有低功耗、性能高的特点。

单片机振荡电路

    单片机振荡电路如下图所示。

复位电路

    复位电路如下图所示，电路结构简单，稳定可靠。

电源电路模块设计

    系统正常工作电压为5V，系统采用12V／24V的铅酸蓄电池供电，蓄电池电压不稳定，所以需要对电源进行稳压。本系统采用LM7805三端稳压器，其输入电压在5～24V时均可以保证输出为稳定的+5V。LM7805组成稳压电源只需要很少的外围元件，使用起来非常方便，工作稳定可靠J。系统电源电路如下图所示。

采样模块设计

    太阳能电池采样和蓄电池采样对于系统正常运行起着非常重要的作用。太阳能路灯控制器要对蓄电池充放电进行合理控制，即需对蓄电池、太阳能电池板电压进行采样。为此，AT89S52单片机就要外接A／D转换模块，把电压转换为数字信号，系统选用v／F转换芯片LM331组成数模转换电路。在系统采样设计中，为了防止因为外部因素导致AT89S52程序跑飞或死机，提高系统稳定性，在LM331与单片机之间还需增加单通道的高速光电隔离器6n137J。下图为太阳能电池板采样电路图。系统蓄电池采样和太阳能电池板采样电路相同。

下图所示太阳能灯电路是一种低损耗电路，使用一只7W四引脚CFL（小型荧光灯）和一块12V、7-Ahr密封免维护电池。逆变器的效率大于85%，静态电流小于2mA。它有一个带电池过放电保护功能和过充电保护功能的并联充电控制器。低静态电流、过放电保护功能和过充电保护功能三者确保电池使用寿命很长。逆变器的预热功能可以避免CFL两端变黑，从而延长其使用寿命。这一电路可在农村地区用作一种可靠小巧的便携式光源，在城市用作应急灯系统。并联充电控制器电路包括IC1（低电流2.5V电压基准源LM385）和IC2（LM324比较器）。配有电阻R1 ~ R8和三极管Q1的IC2A可防止电池过放电。 

这种太阳能供电的电灯驱动器可用作应急灯系统。

    当电池电压低于10.8V时，该电路切断负载（逆变器和灯管），从而防止电池过放电。在无负载状况下，电池放电后的电压约为12.2V，因此，为防止出现振荡现象，电路提供的过放电复位电压为12.3V。红发光二极管LED1指示低电压状态。配有电阻R9 ~ R14和三极管Q2的IC2B可防止电池过充电。当电池电压超过14.8V时，Q2导通，并使太阳能电池阵列旁流，从而防止电池过充电。当电池电压低于12.5V时，Q2截止，太阳能板电池阵列对电池进行充电。D2为一支反向阻隔二极管。它能防电池在太阳能电池不产生电能时对太阳能电池放电。黄发光二极管LED2指示电池充满电。绿发光二极管LED3与IC2c和电阻R15 ~ R20一起，提供充电指示。

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十六、红外线遥控电动窗帘电路设计

红外窗帘遥控器的系统框图如图3-1所示，红外窗帘接收控制器的系统框图如图3-2所示。

    该系统主要有两个部分组成：一是遥控器部分，其功能为：单片机扫描遥控器上的6个按键（启动/停止，打开，关闭，速度减小，速度增加和自动），当某个按键按下后，单片机便通过红外发光二极管发射该按键的编码。二是接收控制器部分，其功能是用单片机通过红外一体化接收头接收遥控器发出的编码并进行解调，解调后根据编码的功能来控制步进电机的状态，从而实现窗帘的打开、关闭或停止等功能。

  硬件电路设计主要包括：红外发射模块、红外接收模块、显示模块、光控模块、电机驱动模块、窗帘框架构造设计。

1 红外发射模块

    红外发射模块主要包括单片机最小系统，按键，红外发射电路组成。本设计所要实现的功能不是很多，所以控制按键采用4X4 的矩阵键盘即可达到要求，另外发射过程中单片机输出端产生的脉冲信号为38KHz，所以采用一12M 晶体振荡器即可发出满足要求的频率。

    红外线的发射过程如图3-3所示。

  硬件电路设计主要包括：红外发射模块、红外接收模块、显示模块、光控模块、电机驱动模块、窗帘框架构造设计。

根据红外发射管本身的物理特性，必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”，然后将相“与”后的信号送给发射管，才能进行红外信号的发射与传送，而在频率为38KHZ 的载波信号下，发射管的性能最好，发射距离最远，所以在硬件设计上，本设计利用单片机产生38KHZ 载波信号，与发射信号进行逻辑“与”运算后，通过极管的功率驱动到红外发光二极管上。

    红外遥控器由51单片机、矩阵键盘、红外发射二极管、NPN 型三极管等组成。键盘用于输入控制指令，51单片机检测键盘上的按键状态，并对红外信号进行调制。发射二极管发射红外线，当单片机P3.4 口输出为“0”时，红外发射管不发光，当单片机P3.4 口输出为“1”时，红外发射管发出38KHZ 调制红外线。

    红外信号调制过程如图3-5所示。

2 红外接收模块

    红外一体化接收头（HS0038） 实物图如图3-6 所示。

    红外线接收电路使用的是集成红外接收器，型号为HS0038，它接收红外信号的频率为38kHz，周期约26us，采用黑色环氧树脂封装，提供了一个特殊的红外滤光器，可防止自然光、荧光灯等光源的千扰，内附磁屏蔽， 功耗低，灵敏度高。在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m。它能与TTL、COMS电路兼容。

    静态时输出端输出高电平，当接收到红外信号后，按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。红外信号输出到单片机的P3.2 口，该口对应的第二功能是外部中断0（INT0），利用这一功能，一旦接收到红外信号，P3.2 即被拉低，单片机产生中断，处理红外信号”。

    红外接收头完成对红外信号的接收、放大、检波、 整形，并解调出遥控编码脉冲，输出可以让单片机识别TTL 信号，再送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象。三个管脚分别是GND、+5V 电源、OUT（解调信号输出端），红外接收头电路如图3-7 所示。

3 显示模块

    LCD1602 采用标准的14脚（无背光） 和16脚（有背光） 接口，各接口信号说明如表3-1所示。液晶是一种高分子材料， 因为其特殊的物理、化学、光学特性，20 世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。

    液晶显示器 （LCD） 的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、 线、面并配合背部灯管构成画面。液晶显示器采用目前使用的比较广泛的字符型液晶显示器LCD1602。1602 液晶每行可显示16 个字符，一共可以显示两行。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM） 已经存储了160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

    在本设计中LCD1602 的主要功能为显示所接收到的遥控器按键编码、运行状态（RUN，STOP或AUTO）、速度等级等内容。

    （1）引脚功能说明

当向00~0F、40~4F 地址中的任一处写显示数据时，液晶都可以立即显示 出来，当写到10~27、50~67 地址时，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。

    （3）LCD1602 电路接线说明

    PO 口作为数据口，P0.0~P0.7 分别连接LCD1602 的D0~D7 数据口，来传输数据及指令，由于PO 口带负载驱动能力差，故需接上拉电阻。P2.4 接LCD1602 的4脚RS （数据/命令选择端），P2.5接LCD1602的5脚RW （读写，/选择端），P2.6接LCD1602的6脚EN （使能信号） VSS接地（电源地），VDD接5V 电源 （电源正极），VEE 为液晶显示偏压信号。显示模块电路接线图如图3-9所示。　　

4 光控模块

    光敏电阻模块由光敏电阻传感器、可调电位器、宽电压LM393 比较器、 电源 指示灯、电容等元器件组成。光敏电阻对环境光线非常敏感，在黑暗的环境下，它的阻值很高，当受到光照并且光辐射能量足够大时，电阻变小。

    光敏电阻的管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。

    电压比较器（LM393） 是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生越变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。参考电压加在运放的反相输入端，输入电压加在同相输入端，当输入电压小于参考电压时， 运放输出高电平（D0=1），当输入电压大于参考电压时，运放输出低电平（D0=0）。光敏电阻模块上有一个可调电位器用来调节光敏电阻的触发灵敏度，使光线控制在一定的范围之内。光敏电阻模块的DO输出端与单片机的P2.0 口相连，通过单片机来检测DO端口高低电平，以此来判断光线的强度，当环境光线亮度达不到设定阈值时，DO 端输出低电平（光线较暗） 步进电机正转，当外界环境光线亮度超过设定阈值时， DO 端输出高电平（光线较亮） 步进电机反转，从而实现窗帘的打开和关闭。光敏电阻检测电路如图3-10所示。

 5 步进电机驱动模块

    步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，具有瞬时启动和急速停止的优越特性，通过改变脉冲的顺序就可以方便的改变转动的方向，步进电机必 须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候步进电机静止， 当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一 个固定的角度（即步进角）。转动的速度与脉冲的频率成正比。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的; 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

    步进电机驱动电路如下图所示。本系统采用的是额定电压为5V DC，相数为4相的步进电机，驱动方式为4 相8拍，一共有5根连接线，其中红色为电源线，采用单极性直流电源供电。由于单片机I/0 口输出的电流比较弱不能直接驱动步进电机。所以要加一个ULN2003 芯片（步进电机驱动芯片） 来放大电流使之能够驱动步进电机工作。

    ULN2003芯片是高耐压、大电流，内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。经常在以下电路中使用，显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、伺服电机驱动、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿管都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

    ULN2003 的封装采用DIP-16 或S0P-16，ULN2003 可以驱动7 个继电器具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿管还可以并联使用以达到更高的电流输出能力。

当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，对应转 子也就转过一定的角度（一个步距角）， 步距角为对应一个脉冲信号， 电机转子 转过的角位移，当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。由于单片机I/0 口没有上拉电阻驱动能力有限，需要通过ULN2003来驱动步进电机”。驱动端口为P1.0（A）， P1.1（B）， P1.2（C），P1.3（D）。红色电线接电源+5V，橙色 电线接P1.3 口，黄色电线接P1.2 口，粉色电线接P1.1口，蓝色电线接P1.0 口。如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电。则步进电机的控制字见表3-2。 

6 窗帘框架构造设计

    窗帘框架构造设计包括位置传感器开关电路和窗帘架结构的设计。

    本设计中采用两个位置传感器接在单片机的P2.1引脚上，位置传感器电路图如图3-12所示。

    位置传感器固定在窗帘滑杆上，一个安装在窗帘杆的正中间，另一个安装 在窗帘杆的最左端或最右端。当窗帘完全打开或完全关闭时，位置传感器便产生有效信号并送给单片机，通过程序使步进电机停转，窗帘停止运动，防止在窗帘完全打开（关闭） 时步进电机继续运行损坏窗帘，窗帘框架构造如图3-13 所示。

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十七、二极管常用电路

1 防反接功能

在主回路中，串联一个二极管，是利用二极管的单向导电的特性，实现了最简单可靠的低成本防反接功能电路。这种低成本方案一般在小电流的场合，类似小玩具等。因为二极管导通会有一个0.7V（硅管）的导通压降，如果实际电流很大的话，那么就会产生一个热损耗，会导致发热。而且如果反接的电压很大的话，超过反向截止电压，也会击穿二极管本身，导致二极管失效，起不到防反接的功能，从而不能起到保护后级电路的作用了。

2 整流作用

    整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。

3 稳压作用

    具备稳压作用的二极管叫做稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变，其基本电路结构如下图所示。

4 续流作用

    续流二极管都是并联在线圈（感性元器件）的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。续流二极管并联在线 两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。常见的电路结构如下。

     又或者BUCK芯片电路中的续流二极管

5 检波作用

    峰值检波电路是对输入信号幅值的最大值进行检测，其工作原理是：当输入电压幅度大于二极管正向电压时，二极管导通，输出电压加在电容C1上，电容两端充电完毕，当输入电压幅值低于先前输入电压幅值时，二极管处于反偏截止状态，此时，电容两端的电压基本保持不变；若再输入信号，输入电压幅度必须高于此时电容两端的电压（即加在二极管的正向电压），二极管才能导通。 

6 倍压作用

    下图是一个2倍压电路原理图，其工作过程大概分析如下：

    电源负半周时，二极管D1导通，D2截止，电流从电源下端流出经过D1, C1回到电源，因此电容C1右正左负，如下图中红色箭头。电源正半周时，电容C1上的电压叠加电源电压，使二极管D2导通，二极管D1截止，电容C2上正下负，峰值电压可达2倍电源的峰值电压，即实现二倍压，该半周期时电流走向如下图中桔色箭头所示。

7 ADC检测口电压钳位作用

    在一些ADC检测电路中会用两个二极管进行钳位保护，原理很简单，0.7V为D1和D2的导通压降，Vin进来的电压大于等于3.3V+0.7V时，D35导通，Vout会被钳位在4V；Vin小于等于-0.7V时，Vout被钳位在-0.7V左右。

8 包络线检测作用

    电路结构如下所示，设计要点是RC的时间常数需远大于载频的周期，又要远小于调制信号的周期。