硬件电路及电子元器件基础知识

硬件电路及电子元器件基础知识
1基本概念
1.1常用电量
1.1.1电流
电荷的定向运动成为电流，用I表示，单位是安培（A），也常用mA （1A=1000mA，电子元器件运行时其中电流通常在mA量级）、μA （1mA=1,000μA，电子元器件低功耗待机状态时电流通常在μA，长时间积累可使电池耗尽）等单位。

电流所意味的电荷定向运动为电路的运行提供能量，只有当电流存在时电路中的元器件才能工作，并且电流也是驱动机电系统中机械部件的动力，使电磁原理工作的设备产生磁场，此外照明、加热等电气设备的运行也必须依靠电流提供能量。

电流通常通过电流表（万用表中包含电流表功能）串联在测点两端直接接触测量，也可以通过霍尔器件通过电磁原理进行非接触式测量（示波器所使用的电流钳）。

1.1.2电压
河水之所以能够流动，是因为有水位差；电荷之所以能够流动，是因为有电位差。

电场中两点之间的电位差就是电压，电压是形成电流的根源，有电压存在自由电荷才能在电场力作用下运动。

在电路中，电压常用U表示。

电压的单位是伏（V），也常用毫伏（mV）、微伏（μV）做单位。

1V=1000mV，1mV=1000μV。

电压有直流和交流两种形式，交流电压通常使用有效值，即在同样的负载中产生与直流电压同样功率时，对应的直流电压。

电压通常通过电压表（万用表中包含电压表功能）并联在测点两端直接接触测量，测量时需要设定交流档或直流档
2无源元件
2.1电阻
2.1.1简介
器件特性为阻碍电流通过并消耗能量，通常以R代表，单位是欧姆（Ω），数学模型：I=V/R，即欧姆定律。

电阻消耗的电能转化为热量，功率P=I2R=V2/R。

电阻是一种耗能器件，无储能作用，其伏安特性与时间无关，是线性变化的，属于线性器件。

电阻按制造方式分有金属膜电阻、绕线电阻、碳膜电阻、水泥电阻等，还有一类电位器，即可调电阻，如滑线变阻器、电位盘等。

2.1.2指标
电阻主要指标如下：
1)阻值。

通常采用标称值，并非任何数值都用，标称值与精度有关，电阻
产品的阻值为“标称值×10N”，N为整数（从0开始）。

例如最常用的10%
精度电阻有1Ω、10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ、1MΩ、1.2Ω、12Ω、120Ω、
1.2KΩ、12KΩ、120KΩ、1.2MΩ等，但不会有1.3Ω、13Ω、130Ω，1.3
标称值的电阻需要5%精度系列产品中寻找。

此外，还有更高精度如1%、
0.5%、0.1%等精密电阻，这些精密电阻包含有更多的阻值，而且可以根
据需要订制特殊阻值产品。

表格2-1常用电阻标称值
精度标称值
5% 1.0，1.1，1.2，1.3，1.5，1.6，1.8，2.0，2.2，2.4，2.7，3.0，3.3，
3.6，3.9，
4.3，4.7，
5.1，5.6，
6.2，6.8，
7.5，
8.2，
9.1
10% 1.0，1.2，1.5，1.8，2.2，2.7，3.3，3.9，4.7，5.6，6.8，8.2
20% 1.0，1.5，2.2，3.3，4.7，6.8
2)精度（允许误差）。

即电阻实际阻值与标称值之间的最大偏差范围，通常
以百分数表示，如1%、5%、10%等。

3)额定功率。

即电阻在通电后可承受的最大功率，以W表示，按照
P=I2R=V2/R计算。

通常使用1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等方式表示。

额定功率严格的定义是：在此功率下工作，在规定环境温度和湿度下，
空气不流通条件下，长时间加电持续运行时电阻不损坏且基本性能不改
变。

4)最大电流和电压。

考虑到可靠性降额以及使用中可能发生的浪涌或瞬变
电压情况，应该选择有足够高的最大电压和电流的电阻。

5)封装形式。

最常见的是贴片封装（按长度宽度表示，如1206、0805、0603
等，单位为英寸inch，电路设计时常用mil，即1/1000inch）、轴向安装封装（按引线直径表示，如AXIAL0.8、AXIAL0.6，单位为毫米mm）。

也有些大功率电阻采用机械安装形式，通过导线连接。

图表2-1电阻贴片封装
图表2-2电阻轴向封装
6)降额设计。

元器件使用中承受的应力（电应力、热应力等）低于其额定
值，以达到延续其参数退化，提高使用可靠性目的。

通常以比例系数表示。

表格2-2航天器元器件降额标准
降额参数
降额等级
I II III
电压0.750.750.75功率0.50.60.7环境温度按元件负荷特性曲线降额
2.1.3电阻常用电路设计
2.1.
3.1分压
图表2-3电阻分压电路2.1.3.2串联匹配
图表2-4电阻串联匹配电路2.1.3.3上拉/下拉
图表2-5电阻上拉/下拉电路
2.2电容2.2.1
简介
电容用于存储电荷，通常用C 表示，单位是法（F ），F 是一个很大的单位，常用的是微法（μF ）、纳法（nF ）、皮法（pF ），数学模型：C=Q/U ，1
v idt C =
⎰
，dv i C
dt =，dv
p vi Cv dt
==。

电容是一种储能器件，属于非线性器件，不同于电阻，其伏安特性与时间t 相关。

基本构成形式是在2块导电电极板之间用绝缘电介质隔开。

图表2-6电容构成示意图
电容的特性是：通交流、阻直流。

电容对交流电仍然有阻碍作用，其特性与信号频率相关。

电容对交流电的阻碍作用，类似电阻对直流的阻碍作用，叫做容抗，用Xc 表示：Xc=1/2πfC 。

容抗与通过的交流信号频率以及电容呈反比：交流信号频率越高，或者电容
量越大，电容的阻碍作用越小，交流信号越容易通过。

电容作为一种储能元件，在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换和延时。

电容按生产工艺分类包括：电解电容、钽电容、云母电容、陶瓷电容、纸介质电容等。

电解电容、钽电容等通常有+/-极性，使用时不能反接；云母电容、陶瓷电容、纸介质电容等通常无极性。

电容还分为液态电容和固态电容，液态电容内部有液体电解质，如铝电解电容等，出故障时会出现液体溢漏，即“爆浆”；
固态电容如固钽电容等无此问题，且体积小性能好，但成本较高，高端电子产品常以“全固态”标榜其先进性。

电容中也有可调节电容，许多无线设备中采用，用于频率特性调节。

2.2.2指标
电容的主要指标如下：
1)电容量。

通常采用标称值，并非任何数值都用，标称值与类别、允许误
差、容量范围等有关。

产品容值为“标称值×10N”，N为整数（通常为负
整数）。

具体情况参考电阻标称值。

表格2-3电容标称值表
电容类别允许误差容量范围标称值系列
纸介电容、金属化
纸介电容、纸膜复合介质电容、低频（有极性）有机薄膜介质电容±5%
±10%
±20%
100pF~1μF 1.0，1.5，2.2，3.34.7，6.8
1μF~100μF
1，2，4，6，8，10，15，20，30，50，60，80，
100
高频（无极性）有机薄膜介质电容、瓷介电容、玻璃釉电容、云母电容±5%
1pF~1μF
1.1，1.2，1.3，1.5，1.6，1.8，
2.0，2.4，2.7，
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
±10%
1.0，1.2，1.5，1.8，
2.2，2.7，
3.3，3.9，
4.7，
5.6，
6.8，8.2
±20% 1.0，1.5，2.2，3.3，4.7，6.8
铝、钽、铌、钛电解电容±10%
±20%
+50/-20%
+100/-10%
1μF~1000000μF 1.0，1.5，2.2，3.3，4.7，6.8
2)精度（允许误差）。

即电容实际容值与标称值之间的最大偏差范围。

表格2-4电容允许误差表
C<10pF C≥10pF
符号允许偏差
pF
符
号
允许偏差
%
符
号
允许偏差
%
符
号
允许偏差
%
B±0.1F±1J±5S+50/-20
C ±0.25G ±2K ±10Z
+80/-20D ±0.5H ±3M ±20P +100/-20表格2-5电容允许误差级别允许误差±2%±5%±10%±20%(+20%-30%)(+50%-20%)
(+100%-10%)
级别
02
ⅠⅡⅢⅣ
Ⅴ
Ⅵ
3)耐压（额定电压）。

电容能承受的最高电压。

在规定的工作温度范围内，
电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压，就是电容的耐压，也叫做电容的直流工作电压。

如果在交流电路中，要注意所加的交流电压有效值或脉冲电压的峰值最大值不能超过电容的直流工作电压值。

常用的电容固定耐压有6.3V 、10V 、16V 、25V 、50V 、63V 、100V 、2500V 、400V 、500V 、630V 、1000V 。

4)等效串联电阻/电感。

在实际应用中，电容器并不是一个纯电容，其内部
还有等效串联/并联电阻和等效串联电感，它的简化等效电路如图表2-6所示。

其中需要重点关注的是等效串联电阻，电容器会因等效串联电阻而自身发热，并影响频率特性，实际应用中应注意施加合适的电压频率。

对于电子设备来说，要求Rs 越小越好，也就是要求损耗功率小，其与电容的功率的夹角（tgδ=2πfCRs ）要小，通常固态钽电容这方面特性优秀。

Ls
Rs
Rf
C
图表2-7
电容等效电路
5)频率特性。

电容在某些频率下会出现谐振，为了防止电容器产生谐振，
所以不同的电容器有不同的频率应用范围。

电容的谐振频率是
01
S L C
ω=
，ω=ω0时电容呈纯阻性，ω<ω0时电容呈容性，ω>ω0时电容呈纯感性，通常电容的实际工作频率应远低于谐振频率ω0。

表格2-6
瓷介电容器和电解电容器的主要频率应用范围
频率范围（Hz ）
1类瓷介电容器102~1082类瓷介电容器102~104电解质钽电容器
<102
6)绝缘电阻。

电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或称漏电电阻，是额定
工作电压下的直流电压与通过电容的漏电流的比值。

电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，其电阻不是无限大而是一个有限的数值，一般在1000MΩ以上。

漏电电阻越小，漏电越严重。

电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作，因此漏电电阻越大越好。

表格2-7常用电容特性列表
电容种类容值范围直流工作电压
（V）
频率范围
（MHz）
误差等级
绝缘电阻
（MΩ）
中小型纸介电容470pF-0.22μF63-6308以下-Ⅲ>5000
金属壳密封纸介
电容
0.01μF-10μF250-1600直流，脉动直流Ⅰ>-Ⅲ>1000-5000中小型金属化纸
介电容
0.01μF-0.22μF160、250、4008以下Ⅰ>-Ⅲ>2000
金属壳密封金属
化纸介电容
0.22μF-30μF160-1600直流，脉动电流Ⅰ>-Ⅲ>30-5000
薄膜电容3pF-0.1μF63-500高频、低频Ⅰ>-Ⅲ>10000
云母电容10pF-0.51μF100-700075-250以下02-Ⅲ>10000
瓷介电容1pF-0.1μF63-630低频、高频02-Ⅲ>10000
铝电解电容1μF-10000μF4-500直流，脉动直流Ⅳ、Ⅴ
钽、铌电解电容0.47μF-1000μF 6.3-160直流，脉动直流Ⅲ、Ⅳ
瓷介微调电容2/7pF-7/25pF250-500高频>1000-10000可变电容7pF-1100pF100以上低频，高频>500
7)封装形式。

通常采用贴片封装、引线直插封装、穿心轴向封装。

贴片封
装通常有2种表示方法，一种类似贴片电阻的标记法，如0805、1206
等，一种是外壳代号，如A、B、C、E、F封装规格（常用于固态钽电
容）。

其余封装形式与电阻类似。

对于有极性电容需要有极性标识。

8)降额设计。

参考电阻降额设计部分。

2.2.3电容常用电路设计
2.2.
3.1旁路电容
旁路电容设置在器件电源引线附近，一端接电源，一端接地。

其作用是为了提高系统配电的质量，降低印制电路板上从元器件电源、地脚转移出的多余的共
模射频能量。

主要通过旁路电容产生的交流旁路来消除多余的能量，降低电器的
EMI分量，另外提供滤波功能。

作为高频旁路器件的电容一般在10μF~470μF范
围内。

电容的阻抗很大程度上依赖数字信号的频谱成分，通常选择最大频率为基频的5次谐波。

例如，如果总线的频率为500MHz ，则它的5次谐波为2500MHz 。

由于数字信号的上升和下降沿产生最高的频率成分，下面的公式可以来大致计算旁路电容必须通过的最高频率：
/0.35bypasss rise fall
f t ≈
bypass f ：旁路电容的最高频率；/rise falls
t ：数字信号上升/下降沿的时间。

2.2.
3.2去藕电容
许多元器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线（或电源平面）传播，数字芯片在状态发生变化时，电源功耗的变化也会在电源和地之间产生噪声，例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。

去藕电容用来滤除高频器件在PCB 电源或芯片电源脚上引起的辐射电流，为器件提供一个局域化的直流电源通路，减少开关噪声在板上的传播并抑制噪声对其他芯片的干扰，降低印制电路中的电流冲击的峰值，在减少电源和地平面上纹波、噪声和“毛刺”方面很有效果。

1)确定去藕电容的容值
当电容容值很大时，其谐振频率很低，电容提供电流的能力在较低的频率就开始变差，使得高频去藕效果变差。

因此，为了保证电容提供高频电流的能力，电容值不能太大，在能达到电流补偿目的的前提下，越小越好。

在选择去藕电容时，一般根据如下公式确定其电容值：
t
C I
V
∆=∆∆：器件导通和截止二种状态下流过电源引脚电流的差值；：开关时间，是器件输出脉冲信号的上升沿或下降沿；：逻辑器件工作允许的电源电压值的变化。

2)去藕电容配置原则
电源输入端跨接一个10～100μF 的电解电容器，如果印制电路板的
位置允许，采用100μF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。

也
可以用固态钽电容替代电解电容；
●为每个集成电路芯片配置一个0.01μF的陶瓷电容器。

如遇到印制电
路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10μF钽电
解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内
阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5μA以下）；
●对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存
储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去
耦电容；
●片式电容有较好的去藕效果，应尽可能采用。

电路布局时去藕电容
距离芯片越近，其补充电流的环路面积就越小，则电路的辐射就会
很小，因为电路的辐射强度跟电流的环路面积成正比；
●去耦电容的引线不能过长，特别是高频电容不能带引线（即需要贴
片封装形式）。

在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。

所
有电容器都存在引线电感和器件电感，过孔也会增加电感值，如果
引线太长就会认为增加电容的等效串联电阻和串联电感量，从而导
致电容的作用不能发挥。

在任何时候都必须减小引线电感，否则在
与元件接地引脚和接地层之间，将会出现高阻抗失配，当存在走线
阻抗失配时，在导线的两端之间就产生电压差，导致瞬间电流的存
在，从而出现EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）影响。

必须使去藕电容引线电感最小化，也包括过孔和元件引脚连线；
●当供电电源线比较长时，瞬变电流引起较大的压降，此时可使用去
藕电容以便维持器件要求的电压值。

2.2.
3.3储能电容
数字电路的功能就是实现对0、1信号的传递，完成对这两种状态的转换。

当数字电路逻辑门的状态发生变化，即负载发生变化时，电源线上有电流突变，使电源线的电感较大，从而会在电源线上产生电压降并且会产生辐射。

有效的减小辐射方法就是使用储能电容。

储能电容可为芯片提供所需的电
流，并且将电流变化局限在较小的范围内，从而减小辐射，为电路提供能量储存及稳定的电压和电流供应。

由于芯片需要的补充电荷所要求的电流频率并不高，因此对储能电容容量并不严格要求，一般是所补充的电容容量的10倍以上，这个电容同样需要较小的串联电感，所以应使用钽电容，而不使用铝电解电容，后者具有较大的内部电感，并且铝电解电容的封装决定其不能在芯片附近使用很多。

此外，对于开关电源、电荷泵等电源电路设计，储能电容也是其反馈控制环节的重要节点。

在使用储能电容时，需要对使用电压进行降额，防止在电压冲击下引起电容的击穿造成失效。

储能电容一般放在下列位置：
1)PCB板的电源端；
2)子卡、外围设备和子电路I/O接口和电源终端连接处；
3)功率损耗电路和元器件的附近；
4)输入电压连接器的最远位置；
5)远离直流电压输入连接器的高密元件位置；
6)时钟产生电路和脉冲敏感器件附近。

2.2.
3.4RC积分电路及延迟电路
电容具有存储电荷的能力，与电阻连接时可构成RC积分电路（电路运行行
为符合公式
1
v idt
C
=⎰，表现出积分特性）。

当有高电压输入时电容开始充电，达
到最高值需要一定的时间，当高电压消失时电容会放电，也需要一定时间完成放电。

这个时间称之为积分电路的时间常数τ=RC，单位是秒（s）。

时间常数τ在充电过程中反映了电容两端电压从0V变化至高电平V H的2/3（0.632）所需时间；在放电时反映了电容两端电压从高电平V H变化至低电压，即V H的1/3（0.368）所需时间。

时间常数τ越小变化越快，越大变化越慢。

图表2-8RC积分电路及信号变化
利用RC电路这一特性，配合施密特触发器，可以设计延迟电路。

Vin为系统供电电源，在时刻t1上电后经RC积分电路延迟τ秒，在t1’时刻达到高电平，并触发施密特触发器（反向逻辑）由高电平变为低电平，这一低电平可作为系统复位信号使用，延迟所需时间根据τ=RC调整电阻值R和电容值C即可定量设定（通常还需考虑器件的允许误差，留出足够余量）。

延迟电路通常用于电路系统上电复位操作，数字电路上电后通常需要一定的准备时间使器件达到稳定状态（如各器件端口确定稳定的输入输出状态以及初始值等），之后才能发出复位信号给处理器、FPGA等器件复位，启动其工作状态。

图表2-9RC积分延迟电路及信号变化
2.2.
3.5直流隔离
电容具有通直流阻交流特性，可以用于直流隔离电路，滤除信号中的直流分量，保护接收电路，如射频信号的直流隔离。

利用电容隔离直流信号需要根据信号频率选择隔直电容的容值，以及电容的交流特性和频率特性。

图表2-10电容直流隔离电路
3有源元件
3.1二极管
二极管由PN结构成，具有单向导通性，即只有当电流由正极流向负极（正极电压高于负极）时是低阻导通状态，反向（负极流向正极，亦即正极电压低于负极）时呈现高阻截止状态。

但导通时有一开启电压，即当正极电压高于负极超过一定幅度时才会呈现低阻态，这一电压通常为0.3V或0.7V。

图表3-1二极管示意图
图表3-2二极管伏安特性曲线
当反接时如果负极电压高于正极超过一定限度，二极管会击穿。

特例是稳压
管，稳压管需要工作在反接状态，此时无论负极和正极电压始终维持一固定值，可用于保护电路。

图表3-3稳压二极管及其伏安特性曲线
二极管重要参数为：
(1)最大正向电流I F，即二极管允许通过的最大正向平均电流，如果超过此
电流值二极管会过热烧毁，这一参数由制造工艺和材料决定。

(2)最大反向电压U R，即二极管允许的最大反向电压，超过此电压值二极管
会击穿，这一参数由制造工艺和材料决定。

(3)反向电流I R，即二极管接反向电压且未击穿时通过的电流，亦即漏电流。

(4)最高工作频率f M，二极管在接入交流信号，即处于正向、反向交替变化
时，允许的最大交替频率，这是因为二极管的PN结中载流子在正向导
通和反向截止之间变化时需要一个过渡过程，超过此频率信号会发生预
期之外的畸变。

(5)直流电阻R D，R D=U F/I F，即加在二极管两端的直流电压与流过二极管的
电流之比，是一伏安特性的等效值。

(6)交流电阻r d，r d=dU/dI，二极管上交流电压、电流信号的瞬时值之比。

图表3-4二极管直流电阻
图表3-5二极管交流电阻
二极管通常用于交流直流转换的整流电路，也用于多路电源并联时的隔离保护。

图表3-6二极管用于电源并联隔离
图表3-7光电二极管
3.2三极管
三极管可被视为一种受控源，双极结型晶体三极管可视为受控电流源（基极电流控制集电极或发射极电流），场效应晶体三极管可视为受控电压源（栅极电压控制源极或漏极电压）。

控制极的变化可以影响受控极行为，实现各种电路控制要求。

三极管主要有三个区，表示三种不同特性：
(1)截止区：相当于三极管近似处于关断状态，只有微弱的漏电流；
(2)放大区：控制极（基极或栅极）的变化放大后反映在其它受控极，基本
呈线性变化；
(3)饱和区：控制极的变化不再影响受控极变化规律，类似直通状态。

数字电路中三极管通常工作在截止区和饱和区，实现开关状态控制，模拟电路中三极管通常工作在线性区，实现按比例受控放大作用（放大倍数可小于1，即衰减效果）。

在截止区和饱和区器件消耗功率都很低，放大区器件消耗功率高（放大效果就是能量转化过程），因此模拟电路通产需要考虑更多散热设计。

3.2.1双极结型晶体三极管
将两个PN接通过制造工艺背靠背连接起来组成的三极管，称为双极结型晶体三极管，或称双极晶体管。

图表3-8双极结型晶体三极管示意图
通过双极结型晶体三极管构成的数字器件成为TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑）器件，但有时只是指一种来自于TTL器件的电平标准，器件实现方式可能还是CMOS等工艺，尤其是LVTTL经常属于这种情况。

TTL开关速度较快，但是功耗较大，特别是电路无切换动作时的静态功耗也很大，目前在绝大多数领域已经被CMOS器件取代。

此外，ECL（发射极耦合逻辑）是另一个逻辑种类，它使用的也是双极结型晶体三极管，是所有硅片逻辑电路中速度最快的逻辑种类，以前主要用于构造大型主机。

ECL功耗大发热量大，所以在许多计算机系统中已被CMOS技术所代替。

虽然如此，ECL在高速数字网络应用中仍然十分普及，比如用于光纤网络和其他通信系统中的ECL电路。

3.2.2场效应晶体三极管
场效应晶体三极管是通过改变输入电压（即利用电场效应）来控制电荷运动的，属于电压控制制器件。

它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此其输
入电阻十分高，可高达达上百兆欧。

除此之外，场效应管还具有温度稳定性好、抗幅射能力强、噪声低，制造工艺简单、便干集成等优点，所以得到广泛的应用。

场效应管分为结型场效应晶体管（JFET）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET，基于绝缘栅效应），目前最常用的是MOS管。

图表3-9结型场效应管示意图
图表3-10N沟道耗尽型MOS管示意图
图表3-11N沟道MOSFET开关效应示意图
图表3-12P沟道MOSFET开关效应示意图
CMOS逻辑电路使用的是排列成互补对的nFET和pFET晶体管。

这就是首字母缩写词CMOS中“C”的由来。

互补对由一个nFET和一个pFET组成，它们的栅极连接在一起形成一个信号端。

共同的门信号同时控制着这两个晶体管。

但是，由于这两个晶体管具有相反的特征，这个互补对可产生一个有用的特征，即一个晶体管的状态为ON而另一个晶体管的状态为OFF。

当G=0时，pFET为ON而nFET为OFF。

如果G=1，那么情形正好相反：pFET为OFF而nFET为ON。

术语“互补”就是因为这种行为与门信号G的值无关而被采用。

互补对的操作可以通过MOSFET开关模型来理解。

当所加的控制信号G=0时，pFET开关的状态为CLOSED而nFET开关的状态为OPEN。

与之相反，G=1将导致相反的情形，此时pFET开关为OPEN而nFET开关为CLOSED。

互补对的一个重要的特征就是一个稳定的G值产生的输出的情形总是一个开关为打开的，而另一个开关为关闭的。

在基本的CMOS电路中，逻辑门的每个输入都连接到一个互补对上。

一个单输入的逻辑门，比如反相器，是由两个MOSFET组成的，而一个2-输入的逻
辑门需要4个晶体管(两对)，以此类推。

互补对用于在输出与电源或输出与地之间产生电流流动的路径。

这使得CMOS逻辑电路具有许多独特的特征。

从逻辑的角度来看，互补对的使用为仅仅通过nFET和pFET晶体管对的适当排列来设计基本的和复合的逻辑门提供了一个简单的方法。

图表3-13CMOS管开关效应示意图
4电源
4.1电源分类
电源主要分为电压源和电流源两类，电压源在额定范围内电压恒定，电流由负载决定，电流源在额定范围内电流恒定，电压由负载决定。

通常测试使用较多的是直流电压源，LED等负载通常使用电流源。

另一个电源分类方法是交流和直流，直流电源输出值恒定，交流电源输出值
按照频率、相位要求周期性变化。

电源转换通常是将一种电源输出转换为另一种电源输出，常用的是直流-直流转换，即DC-DC转换，将一种直流电压转换为另一种电压，主要有3种形式：开关电源、线性电源、电荷泵。

4.2开关电源
开关电源可以升压和降压，采用开关模式工作，转换比例由开关的占空比确定，效率很高。

隔离式的开关电源（输入和输出之间的地线相互隔离）通常在70%以上，非隔离的能达到90%以上，这样热耗就很低。

但开关电源的效率不是固定的，不同负载情况效率是变化的，通常在电源额定负载70%左右可达到效率最高点，因此选择时要根据具体负载情况，尽量按效率最优化确定电源型号。

但是开关电源也有很多需要解决的问题：1、成本高，无论开发还是生产成本都很高。

2、电路复杂，需要开关管、电感线圈或变压器、控制电路以及许多驱动管、二极管、高容量电容等辅助器件和电路。

3、噪声大、纹波大，开关信号是方波，谐波波及范围很大（利用傅立叶分析可知），这会带来严重EMI问题。

因此开关电源通常做成模块形式，这样用户可以直接使用，通过专业划分避免用户因不擅长开关电源设计而用不好或不愿意用，所以要尽量使用电源模块。

此外开关电源为解决噪声和纹波问题会提供各种配套的滤波器等辅助器件，使用时要了解这方面情况，按要求使用，否则会造成严重的EMI问题。

开关电源一般用在电源的一次转换，以及为大功率负载供电。

4.3线性电源
线性稳压器可简单认为是利用晶体管的线性工作区实现一个可调电阻，用分压电路原理转换电压，因此线性稳压器只能降压。

线性稳压器输入输出电流相同，但输入输出电压不同，输出电压低于输入电压，且输入输入电压差有一定要求（目前常用的低压差线性稳压器LDO特点就是输入输入电压差很低），这里就有个效率问题，线性稳压器效率就是（输出电压/输入电压），因为输入输出电流相同，器件自身转换时产生的热耗就是（输出电压-输入电压）*电流，也就是说电压差越大效率越低，热耗越大，且电流越大热耗也越大。

但是线性稳压器的好处是纹波很低，动态响应很快，能适应负载的剧烈突变，而且使用起来最简单，将输入端接输入电压，输出端接负载即可，最多也就是在输出端加个滤波电容（对电容。