电子设计从零开始_第二版

第1章走进电子技术一开始，我们用一个简单而实用的实例带领大家进入电子技术（electronics）的世界，并通过对这个实例的初步分析，掌握蕴藏其中的知识点和实用的设计技能。本书的前8章围绕着模拟电路（analogueelectronics）进行知识讲解和设计介绍，模拟电路中“行走”的都是连续变化的信号，更通俗地说就是直流（DC）、交流（AC）一类的信号。后9章介绍的是数字电路（digitalelectronics），其信号是一些由1和0组成的逻辑电平。尽管没有接触过电路设计，大家也尽可对本书的每一页放心，我们不会陷入复杂计算的泥潭，取而代之的是用生动、平实的叙述方法把实用而必要的电子技术和设计方法介绍给大家。电子技术是我们研制有价值、有技术含量的科技产品的基石。1.1从一个光控报警器的例子开始电池电阻器光敏电阻电位器开关第一次电路分析我们在中学时就接触过电路原理图（schematicdiagram），简称电路图。那时的电路图都是一些由电阻、电源、开关等组成的简单电路。而最初的电路分析也只是使用欧姆定律（Ohm’slaw）来计算电路中的电阻、电流或电压。从哪里能接触到更真实的电路图呢？今天当然首推互联网。在包括中文网站在内的世界许多站点里，各种电子系统的电路图比比皆是。小到一个单管收音机，大到一台液晶电视的电路图都可以找到。另一个查阅电路图的渠道是各种与电路相关的书籍和杂志，其中不乏复杂而实用的电子系统的电路图。这些电子系统的电路图大都比较复杂（当然除了调光灯、电吹风等一些简单的电器以外），成百上千的元器件“交织”在一起，使我们无从下手分析，更不要说设计。于是，我们从图1-1这样一个简单的光控报警器电路开始。20kΩR1RP100kΩRVT1BC547VT2BC5471kΩR26VHA＋S1图1-1光控报警器电路图1-1所示光控报警器电路的功能是：当照射到光敏电阻R（）的光线变暗至一2电子设计从零开始（第2版）定程度时，蜂鸣器HA（＋）开始报警，从而达到检测光线强度并适时报警的目的。电路图中，电阻（）、电源（）、开关（）的电路符号我们比较熟悉。可能有的朋友还会认识电位器（）、三极管（）等器件的电路符号。接下来，我们一起分析一下图1-1所示电路里包含的一些基础知识。1.1.1电池电源（powersupply）是提供电能的装置，用于给电路供电。电池（battery，电路符号）是一种常用的直流电源，碱性电池（alkalinebattery）普遍应用于电子产品中，其中以1.5V额定电压的最为常见，其外观及电路符号如图1-2（a）所示。电池有正（+）、负（-）极之分，电路符号中较长线一端表示正极，短线端表示负极。由于图1-1的光控报警器的工作电压为6V，一般可以使用电池盒（batterycase）把多节电池串联起来，如图1-2（b）所示，其电路图形符号与碱性电池相同。1.5V3V1.5V1.5V+-+-电池盒3V++--（a）碱性电池（b）电池的串联图1-2碱性电池及电池的串联还有一种常用于计算器、电子表、电子词典等小功率电子产品的钮扣电池（buttonbattery，图1-3（a）），其额定电压一般有1.5V和3V两种。其容量小，不适合给功率较大的电路供电。市场上还有一些电压较大的碱性电池，有时称为集成电池，也较适合作为电子产品的电源。其电压一般有6V、9V和15V等几种，它们的外形如图1-3（b）所示。（a）钮扣电池（b）集成电池图1-3其他电池以上介绍的几种电池都可用来给图1-1所示的光控报警器供电，只要单个电池或多个电池串联后电压达到6V就可以。3第1章走进电子技术USB电池这几年出现了一种非常有意思的电池——USB电池（usbcell，图1-4），它的外形与一般的碱性电池没有什么两样，可以放到数码照相机、MP3播放机等电子产品中正常使用。但是如果摘下它的帽子，就会发现电池上有一个USB接口。原来，这个USB电池可以插到计算机的USB接口上，进行反复充电。帽子+极-极USB充电口图1-4USB电池1.1.2电阻器电阻器（resistor，电路符号），简称电阻，是一种两端电子器件，当电流流过时，其两端的电压与电流成正比。任何材料都会对流经的电流产生一定的“阻力”，这种阻碍电流的作用叫阻抗（resistance），电阻就是利用材料的这一特性制作出来的。电阻是电路中使用得最多的器件，由于电流流经它时会在其两端形成不同的电压，于是可利用电阻改变电路节点的电压。欧是电阻阻值的单位，通常用希腊字母Ω来表示。比Ω更大的阻值单位有kΩ（千欧）和MΩ（兆欧）。以下是它们之间的换算关系。1MΩ=103kΩ=106Ω【例1.1】改变电压：分析一下图1-5所示电路中，电路节点P的电压是多少。3V2kΩR21kΩR1APBI2V4电子设计从零开始（第2版）图1-5电阻改变电压图1-5所示电路中，电阻R1、R2串联，电流I从3V电源正极流出，从节点A流向P点，继而流经B点后回到电源负极。接地符号定义电源负极（也就是节点B）为电势零点，于是B点电压VB=0V。因电源为3V，得A点电压VA=3V。根据欧姆定律，可计算电路的干路电流A3V1mA121k+2kVVIRRR====+ΩΩ，则P点电压P21mA2kΩ2VVIR==×=。从例1.1可以看到，节点A，即电源正极的电压为3V，通过两个电阻R1、R2的“努力”，节点P出现了一个2V的电压。这个2V电压异于电源电压，是一个人为设计的电压。说明电阻可以在电路中改变节点的电压。在电子市场或网上选购电阻时，至少有3个有关参数是需要提供的：一是电阻的阻值，二是电阻的功率，三是电阻的种类。1.电阻的阻值拿到一支电阻，我们会看到电阻的表面有五颜六色的色环，这不是出于美观而设计的，它标示着电阻的阻值。图1-6所示为常用的5（色）环电阻及颜色所代表的数值。5（色）环电阻使用前4个色环标示电阻的阻值，第5个色环标示电阻的允许误差。颜色数值第1位数值第2位数值第3位倍数第4位误差第5位银色---×0.01±10%金色---×0.1±5%黑色000×1—棕色111×10±1%红色222×100±2%橙色333×1,000—黄色444×10,000—绿色555×100,000—蓝色666×1,000,000—紫色777——灰色888——白色999——5（色）环电阻图1-65（色）环电阻的色环含义比如图1-7所示的5（色）环电阻，其色环颜色依次为：红、黑、黑、棕、金。那么它的阻值应该如何计算呢？对照图1-6中的颜色对应数值关系表：第1环红色代表数值2；第2环和第3环都是黑色，代表数值0；第4环棕色代表的是×10（倍数）。所以图1-7所示5第1章走进电子技术电阻的阻值为前3环代表的数值200乘以倍数10，单位是Ω，结果是2000Ω，即2kΩ。另外，第5环金色代表的允许误差是±5%，于是该电阻的准确读数是：2kΩ，误差±5%。±5%的误差说明该2kΩ电阻的阻值与标称值有±5%的偏差，即在1.9kΩ~2.1kΩ范围之内都是允许的。除了使用图1-6中色环与数值关系表判断电阻阻值外，还可以用万用表直接测量电阻，得到阻值的读数。(红色)(黑色)(黑色)(棕色)(金色)2kΩ，误差±5%图1-75（色）环电阻阻值在电路设计选择电阻时应该注意阻值是不可任意选定的，比如标称值为122Ω的电阻就不存在。原因是在大部分电路中并不要求极其精确的电阻值，于是为了便于工业上大量生产和使用者在一定范围内选用，EIA（美国电子工业联盟，ElectronicIndustriesAlliance）规定了若干系列的阻值取值基准，其中以E12基准和E24基准最为常用。E12（允许误差±10%）基准中电阻阻值为1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2乘以10、100、1000……所得到的数值。E24（允许误差±5%）基准中电阻阻值为1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1分别乘以10、100、1000……所得到的数值。E24基准中的电阻阻值选择可以满足一般电路设计对阻值的要求，如果在某些电路如滤波器中对电阻阻值要求非常精确，而非要选择E24以外的阻值，如2.43kΩ等，则可以根据附录A中的其他取值基准设计。当然，对阻值要求越精确，电阻器的价格也就越高（有时高得离谱）。2.电阻的功率根据焦耳定律（Joule’slaws，2QIRt=）知道：电流通过电阻时会产生热量，电阻越大、电流越大、时间越长，电阻发热也就越厉害。假设一个阻值为100Ω的电阻，通过100mA的电流，则电阻的消耗功率22100mA100WPIR=⋅=×Ω（）=1，如果该电阻的额定功率没有这么大，那在此工作条件下就会被烧毁。表现为电阻焦黑、发臭，严重时甚至起火、爆炸。图1-8所示为某电路板中电阻被烧毁的情形。由于电阻在烧毁时已经被超限的热量袭击过，其阻值几乎不可能保证在原来正常的范围内，所以如果电阻出现烧毁的情况，一般都需要更换。“城门失火，殃及池鱼”，有时甚至还要考虑更换邻近的器件，因为热量可能已经殃及它们。之所以出现烧毁电阻的情况，一般有以下两种可能：一是电阻选择不合理，其额定功率小于实际功率；二是电路突然出现故障，导致电阻上的电流激增而被烧毁。这两个问题6电子设计从零开始（第2版）都需要在实际电路设计及制作中预防。电路设计时需要充分考虑该电阻的实际功率最大能达到多少，从而选择一个额定功率比这个最大实际功率还要大的电阻。电阻的额定功率一般有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W等几种，如果电阻功率大于1/8W，必须在电路图中按照图1-9所示的大功率电阻电路符号标明，否则很容易让自己或他人因误用电阻而导致事故的发生。如果电路中使用的是电阻的一般符号，则可使用额定功率为1/16W或1/8W的电阻。轻度烧毁的电阻（中部焦黑）严重烧毁的电阻（整个焦黑）图1-8被烧毁的电阻1/8W1/4W1/2W1W2W3W5W10W20W20W图1-9标有额定功率值的电阻器的电路符号一般来说，电阻的功率越大，体积也就越大，价格也就越高。1/8W金属膜电阻的市场价格约为0.01元/支（MΩ级的电阻价格稍高），而1W的电阻则为0.05元/支。通常3W以上的电阻，由于体积较大，其表面可以直接印上阻值和功率，而不再使用色环作为阻值标记。如图1-10所示为阻值为3.3Ω（误差±5%）、功率为5W的电阻。图1-10大功率电阻7第1章走进电子技术3.电阻的种类按材料和结构等特征，电阻主要分成了绕线电阻、非绕线电阻、敏感电阻等几种。绕线电阻（wire-woundresistor）是用电阻丝在绝缘的骨架上绕制而成的。电阻丝一般由具有一定电阻率的镍铬、锰铜等合金制成。绝缘骨架则是由陶瓷、塑料等材料制成，有管形、扁形等各种形状，如图1-11所示。这种电阻误差小（精度高）、稳定性高、体积大，一般在大功率场合中考虑使用。（a）管形（b）扁形图1-11绕线电阻非绕线电阻包括了我们常用的碳膜电阻（carbonfilmresistor）和金属膜电阻（metalfilmresistor）。此外，还有金属氧化膜电阻（metaloxideresistor）、金属玻璃釉电阻（metalglaze）、厚膜电阻（thickfilmresistor）、薄膜电阻（thinfilmresistor）等。实际应用中，如果电路没有特别说明，我们一般都采用1/8W的金属膜电阻。金属膜电阻的精度高、成本低，使得它在现代电子电路中应用最为广泛。还有一类电阻，其阻值会随着环境中的某一物理参数（如温度、湿度、压力、光强等）变化而改变，如1.1.3节将要介绍的光敏电阻，其阻值随着光线强度的变化而改变；再如热敏电阻，其阻值随着温度的变化而改变等。今天，随时各种便携电子产品如手机、MP3播放机、数码照相机等的普及，贴片电子器件（SMD）需求直线增长。电子产品中往往使用帖