基本元件

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基本元件

电阻

电阻器（Resistor）在日常生活中一般直接称为电阻。是一个限流元件，将电阻接在电路中后，电阻器的阻值是固定的一般是两个引脚，它可限制通过它所连支路的电流大小。阻值不能改变的称为固定电阻器。阻值可变的称为电位器或可变电阻器。

端电压与电流有确定函数关系，体现电能转化为其他形式能力的二端器件，用字母R来表示，单位为欧姆Ω。实际器件如灯泡，电热丝，电阻器等均可表示为电阻器元件。

$u = R i$

读数方法

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  • 3位读数：前2位为有效数字，第3位表示10的n次幂(也可以理解为0的个数)。精度为±5%

  • 4位读数：前3位为有效数字，第4位表示10的n次幂(也可以理解为0的个数)。读法和3位的原理一样，精度为±1%

  • 阻值小于10的读数：通常在两个数之间插入一个字母R，用字母R来代替小数点。

电容

电容：又叫电容器，是指容纳电荷本领的物理量。

电容一般用通常用“C”表示（Capacitance）

电容的单位是法拉，简称法，符号是F，常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）等，单位为千进行换算，如1uF=1000nF；1nF=1000pF。

实际的电子产品应用中，根据电容“通交流，隔直流”的特性，在电路中所起的作用主要是储能与滤波。

$u=\frac{1}{C} ∫ i dt$

类型

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电感

电感定义：是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。

电感（Inductor）：通常用字母“L”表示

电感的单位是亨利，简称亨，符号是H，常用的电感单位有亨（H）、毫亨（mH）、微法（μH），换算关系是：1H=1000mH；1mH=1000uH；

实际的电子产品应用中，根据电感“通直流，隔交流”的特性，在电路中所起的作用主要是滤波，扼流，谐振，储能。

$u=L \frac{di}{dt}$

类型

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读数

色码标注法

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数码标注法

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二极管

二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件 。二极管有两个电极，正极，又叫阳极；负极，又叫阴极，给二极管两极间加上正向电压时，二极管导通， 加上反向电压时，二极管截止。 二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开 。

二极管具有单向导电性能，导通时电流方向是由阳极通过管子流向阴极。

二极管是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。特别是在各种电子电路中，利用二极管和电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接，构成不同功能的电路，可以实现对交流电整流、对调制信号检波、限幅和钳位以及对电源电压的稳压等多种功能 。

类型

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伏安特性曲线

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正负极判断

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耗尽层

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

耗尽层，也叫耗尽区，阻挡区，势垒区。是指pn结中在漂移运动和扩散运动双重影响下载流子的数量非常少的一个高电阻区域。

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由于扩散作用，N区多的电子会向P区扩散，在中间形成正电荷区（磷原子失去电子，4电子结构）；同时，P区接收到来自N区扩散的电子（硼接受电子，4电子结构），就会在中间形成负电荷区。这个正负离子区不导电，被称为耗尽层。

如果给PN结加上反向偏压，这个区域就会增大。

三极管

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。

三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

作用：放大基极的微小电流变化

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原理

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PNP

PNP是一种BJT，其中一种n型材料被引入或放置在两种p型材料之间。在这样的配置中，设备将控制电流的流动。PNP晶体管由2个串联的晶体二极管组成。二极管的右侧和左侧分别称为集电极-基极二极管和发射极-基极二极管。

NPN

NPN中有一种 p 型材料存在于两种 n 型材料之间。NPN晶体管基本上用于将弱信号放大为强信号。在 NPN 晶体管中，电子从发射极区移动到集电极区，从而在晶体管中形成电流。这种晶体管在电路中被广泛使用。

三极管的3种工作状态

分别是截止状态、放大状态、饱和状态。

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1、三极管工作原理-截止状态

三极管的截止状态，这应该是比较好理解的，当三极管的发射结反偏，集电结反偏时，三极管就会进入截止状态。加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态。

2、三极管工作原理-放大状态

当三极管发射结正偏（VBE≈0.6–0.8V），集电结反偏（VBC<0，或VCE大于VBE），三极管就会进入放大状态。

在放大状态下，三极管就相当于是一个受控制的水龙头，水龙头流出水流的大小受开关（基极）控制，开关拧大一点，流出的水就会大一点。

也就是放大状态下，基极的电流大一点，集电极的电流也会跟着变大！并且ic与ib存在一定比例关系，$i_c = β * i_b$，β是直流电流放大系数，表示三极管放大能力的大小。

3、三极管工作原理-饱和状态

当三极管发射结正偏，集电结正偏时，三极管工作在饱和状态。

在饱和状态下，三极管集电极电流ic的大小已经不受基极电流ib的控制，ic与ib不再成比例关系。

饱和状态下的三极管基极电流ib变大时，集电极电流ic也不会变大了，这就相当于水龙头的开关已经开得比较大了，开关再开大时，流出的水流也不会再变大了。

Note

- 正向偏置（正偏）：把P区接高电位、N区接低电位，使PN结两侧的势垒电压被抵消或减小，耗尽区变窄，载流子（多数载流子）容易跨越PN结，产生显著的注入电流（像二极管导通）。 - 反向偏置（反偏）：把P区接低电位、N区接高电位，使势垒加大，耗尽区变宽，通过的电流只有很小的反向饱和电流（泄漏），除非达到击穿电压。

个人理解

以NPN为例。

左N（E）为高密度掺杂，中P狭窄，右N（C）大宽度正常掺杂。

当EB间产生电压（B高），P中会有空穴产生。E区电子会填充。当BC也有电压（C高），PN中电子往右侧靠（C）中间耗尽层增大。而E中的密集电子争抢P中的空穴，导致其产生漂移，穿过右侧耗尽层，导通了PN形成电流$i_c$。所以我们得到了$i_c = β * i_b$，$i_b$其实就是$U_{EB}$的反应，而$\beta$的大小取决于漂移的强度。

给定C极和E极一定电压$U_C>U_E$ 。基极电压$U_B$就是一个控制阀门。

我们从$U_B=0$开始分析（$I_B>0$），此时集电极和发射极全部反偏，几乎没有电流流过。

然后缓慢增大$U_B$，直到$U_B$来到$U_E$和$U_C$之间，这时先是发射极正偏，而集电极还是反偏，达到了上面说到的状态，此时处于放大状态，$i_C = β * i_B$，$i_E = i_C + i_B$

三极管的3种工作类型（接线类型）

这里主要有三种类型：共基极 (CB)、共集电极 (CC) 和共发射极 (CE)。

1、三极管共基极型（CB）

在共基极 (CB) 配置中，晶体管的基极端子在输入和输出端子之间是公共的。

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2、三极管共集电极型（CC）

在公共集电极 (CC) 配置中，集电极端子在输入和输出端子之间是公共的。

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3、三极管共射极型（CE）

在公共发射极 (CE) 配置中，发射极端子在输入和输出端子之间是公共的。

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功能应用

1. 放大电路

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2. 开关电路

场效应管

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场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。它是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。

“用电压控制电流的半导体开关 / 放大器件”——栅极只需极小的电流（甚至零电流），就能精确地控制漏-源之间的大电流，从而实现 开关、放大、稳压、驱动 等多种功能。

由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

根据制作主要工艺主要分为结型场效应管(Junction Field Effect Transistor，JFET)和绝缘栅型场效应管(MOS管)，下面来具体来看这两种管子。

和三极管对比

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结型场效应管

JEFT如下图结构：

原理

以N沟道为例

判别：电流方向由P到N，在N沟道中是由外向里，因此箭头如左图。

当G栅极给$0V$电压时，沟道是打开的，电子从S极涌入，从D极涌出。

当给G栅极加上一定的反向偏压(比如$-5V$,低于D和S极)，就会形成耗尽层（PN、NP间的耗尽层扩大，直到堵塞N沟道），把沟道关闭。

绝缘栅型场效应管

增强型MOS如下图所示：

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原理

以N-MOS为例

给G栅极加上正电压，就会产生电场，把P中电子吸引到绝缘层附近。当吸引的电子足够多（电压足够大）时，就会形成N沟道（N之间的沟道，也因为这里电子很多，几乎成了N），此时可以看成三块N相连，MOS管导通。

特性

  1. 栅极高阻抗（上亿欧），几乎不分电流。
  2. 栅极容易被击穿。

符号

按沟道分类，场效应管分为PMOS管（P沟道型）和NMOS（N沟道型）管。

按材料分类，可以分为分为耗尽型和增强型：

  • 增强型管：栅极-源极电压 Vgs 为零时漏极电流也为零；
  • 耗尽型管：栅极-源极电压 Vgs 为零时漏极电流不为零。

其实归纳一下，就 4种类型的MOS管：增强型 PMOS，增强型 NMOS，耗尽型 PMOS，耗尽型 NMOS。

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封装

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芯片/IC

芯片 / IC（Integrated Circuit） 就是把大量晶体管、电阻、电容等电子元件通过半导体工艺“集成”在一块小小的硅片上，形成能完成特定功能的完整电路，简称“集成电路”或“芯片”。

示例

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运算放大器

这个元器件能把电压放大100万倍。计算方法很简单，同相输入端电压，减去反向输入端电压，再乘以100万倍，就等于输出电压。假设同相输入是0.5V，反相输入是0.3V，再乘以100万，得出200,000V。当然实际应用中不可能这么猛。运放还要接上电源，假设接上10V的电源，那么此时输出的电压，最高只能达到10V。

现在将正输入端电压值固定，然后负输入端抬高，同样遵循正输入减负输入，得出的是负数，那么此时输出的电压就变成接地0V。

由于放大倍数过于大，假设差异只有0.0001V，只要Vp大于Vn，输出就等于(正)电源电压，反过来Vp小于Vn，输出就等于接地/负电源电压。也就是此时输出只有两种状态，要么最高，要么最低。

现在将输出和负输入端相连，也就是输出端和Vn相等。此时当Vn大于Vp，输出端会往下降。一旦降到Vn反而小于Vp，输出端又会往上提，所以最终会使得输出端无限接近等于Vp，也就是这三个的电压值会相等。

线性稳压器

线性稳压器是通过线性方式调节输出电压的电源管理芯片，与开关稳压器是两大主流稳压技术。

可以利用运算放大器的特性，制作一个线性稳压电路如下图。左边电源提供15V，然后在右边这个位置给负载输入5V的电压，但是电源和负载会有波动，导致这个点的输入会变化。我们要做的，是将它锁定在5V，如果比5V高了它能自动降下来，如果比5V低了，又能自动提高。我们来看看，这个电路是怎么实现的。

当上边等于5V时，也就是这个点Vn等于Vp，输出Vo控制三极管导通，5V保持不变。

当上边大于5V时，意味着这个点电压跟着升高，也就是就Vn大于Vp，所以运放控制Vo下降，使得三极管基极导通电流减小，从而控制上边这条路线电流减小，那么这个点电压就会下降。同理如果这个点低于5V，就会使这个点电压下降，也就是Vn小于Vp，那么Vo输出增大，基极导通电流增大，控制上边通过电流增大，从而使这个点电压回升。

LDO

LDO(Low Dropout Regulator,低压差线性稳压器)

原理图

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电气特性

  • LDO外围器件少，电路简单，成本低，通常只需要一两个旁路电容

  • LDO负载响应快，输出纹波小，噪声小

  • LDO效率低（损耗式降压），输入输出压差不能太大（否则电阻发热严重）

  • LDO只能降压。

  • LDO输出电流有限，最高可能就只有几A（否则电阻发热严重）

DC/DC稳压器

DC/DC转换器一种是开关电源稳压器，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。

以降压为目的 DCDC 电源电路称为 BUCK 电路

以升压为目的的 DCDC 电源电路称为 BOOST 电路。

BUCK电路

电路图

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  • 直流电源
  • MOS管：作电子开关，负责产生PWM波，但是这个上述PWM波不稳定，需要后续滤波处理。一般通过开关电源芯片控制。
  • 电容：储能、滤波。

  • 电感：通直流阻交流，把PWM波的尖锐变化平滑掉，防止电容两端电压变化率极大而产生极大电流，参考公式$i=C\times\frac{du}{dt}$

  • 二极管：续流二极管。在$S1$关断的时候，$L$中的惯性电流可以通过$LCD$回路继续流通。（LC释放能量）

工作电压示意

我们发现：

  • 输出电压并不是完美直流，也就是我们所说的输出纹波存在。
  • 效率高。

BOOST电路

电路图

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  • 利用电感的感应电动势，来达到升压的目的。
  • $S_1$闭合，L感应电动势增加。

  • $S_1$断开，L和电源一起供电。

  • 利用电容储能特性，能够在$S_1$闭合时仍维持给负载供电。

工作电压示意

  • $V_{out}=\frac{1}{1-\eta}$，其中 $\eta$ 是占空比。

电气特性

  • DC-DC外围器件多，电路复杂，成本高

  • DC-DC负载响应比LDO慢，输出纹波大（PWM的存在），噪声大

  • DC-DC效率高，输入电压范围宽泛

  • DC-DC支持降压和升压-

  • DC-DC输出电流高，功率大

DCDC与LDO对比

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基准电压源

基准电压源是一种能提供稳定、精确、不随温度、负载、电源电压变化而波动的电压源。它广泛应用于电子电路中，尤其是在需要高精度和稳定性的场合，如模数转换（ADC）、 数模转换（DAC）、稳压电路、传感器电路等。

示例TL431

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原理图

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简化版

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  • 将阴极和阳极的电压维持相同（均为阳极的$V_{ref}$）

应用电路

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  • 供电范围$V_{ref}$ ~ $V_{max}$

TYPE-C-16P

一、16pin Type-C引脚布局（常见卧式贴装）

正面（插座视图）：
从左到右：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

背面（焊盘视图）：
GND  VBUS  D-   D+   CC1  SBU1  VBUS  RX2-  RX2+  GND  TX2-  TX2+  VBUS  SBU2  CC2  GND
 1    2     3    4    5     6     7     8     9    10   11    12   13    14   15   16

二、详细引脚功能表

Pin 名称 功能 说明
1 GND 接地 电源回流路径
2 VBUS 电源正极 +5V供电，必须连接
3 D- USB 2.0数据负 低速数据传输
4 D+ USB 2.0数据正 低速数据传输
5 CC1 配置通道1 关键！用于检测插入、方向、功率协商
6 SBU1 边带通道1 备用功能（音频、DP Alt Mode）
7 VBUS 电源正极 另一组VBUS，建议并联到Pin2
8 RX2- USB 3.1接收负 高速数据接收（SSRX-）
9 RX2+ USB 3.1接收正 高速数据接收（SSRX+）
10 GND 接地 高速信号接地
11 TX2- USB 3.1发送负 高速数据发送（SSTX-）
12 TX2+ USB 3.1发送正 高速数据发送（SSTX+）
13 VBUS 电源正极 第三组VBUS，建议并联
14 SBU2 边带通道2 备用功能
15 CC2 配置通道2 关键！另一侧CC引脚
16 GND 接地 电源接地

三、关键引脚详解

1. 电源引脚（必须连接）

  • VBUS（Pin2,7,13）：+5V电源输入
  • 作用：为主板供电
  • 处理：所有VBUS并联，走线加粗（承载3A以上）

  • 保护：建议加保险丝、TVS、滤波电容

  • GND（Pin1,10,16）：接地

  • 作用：电流回流路径
  • 处理：直接连接到电源地层，多引脚并联降低阻抗

2. 配置通道（CC引脚 - 最关键！）

  • CC1（Pin5）、CC2（Pin15）
  • 功能：
  • 检测插入：判断Type-C是否插入
  • 识别方向：确定正插还是反插
  • 功率协商：通过USB PD协议协商电压/电流

  • 线缆识别：检测线缆是否带E-Marker芯片

  • 电路设计： ```text CC1 ──┬── 5.1kΩ ── GND （下拉电阻） └── 到MCU的CC检测引脚（可选）

CC2 ──┬── 5.1kΩ ── GND └── 到MCU的CC检测引脚（可选） ``` 注意：如果只做供电（Sink设备），CC引脚接5.1kΩ下拉电阻到GND即可。

3. USB 2.0数据引脚

  • D+（Pin4）、D-（Pin3）
  • 功能：标准USB 2.0数据传输（480Mbps）
  • 处理：差分走线，90Ω阻抗控制（如果不需要数据传输可悬空）

4. USB 3.1高速引脚（可选）

  • TX2+/TX2-（Pin12,11）：发送差分对
  • RX2+/RX2-（Pin9,8）：接收差分对
  • 功能：10Gbps高速数据传输
  • 处理：如果只供电，这些引脚可以悬空不接

5. 边带通道（SBU - 可选）

  • SBU1（Pin6）、SBU2（Pin14）
  • 功能：备用功能，如DisplayPort音频、模拟音频
  • 处理：一般应用可悬空

四、不同应用场景的连接方案

场景1：仅供电（你的需求）

必须连接： - VBUS：Pin2,7,13 → 并联到电源输入 - GND：Pin1,10,16 → 连接到地平面 - CC1：Pin5 → 5.1kΩ下拉到GND - CC2：Pin15 → 5.1kΩ下拉到GND

可选连接： - D+/D-：可悬空（不传数据） - USB3.1引脚：全部悬空 - SBU引脚：悬空

场景2：供电+USB2.0数据

在场景1基础上增加： - D+（Pin4）、D-（Pin3）→ 连接到USB控制器

场景3：全功能（供电+USB3.1+视频）

所有引脚都需要正确连接。

五、PCB设计注意事项

1. 电源处理

Type-C VBUS ──┬── 保险丝(3A) ──┬── 10μF电解电容 ──→ 板子电源
               │                └── 0.1μF陶瓷电容 ──→ GND
               └── TVS二极管 ──→ GND（防浪涌）

2. CC引脚布局

  • 5.1kΩ电阻尽量靠近Type-C插座
  • 走线短而直，避免干扰

3. 差分对处理（如果接数据）

  • D+/D-：差分90Ω，等长控制
  • TX/RX对：差分100Ω，严格等长

4. 插座固定

  • 外壳接地引脚（如有）连接到金属外壳或GND
  • 增加固定孔，防止插拔时脱落

六、常见问题

Q1：为什么需要多个VBUS/GND引脚？

A：提高电流承载能力、降低接触电阻、保证正反插都能供电。

Q2：CC引脚不接会怎样？

A：设备可能无法识别，只能获得默认5V/0.5A（500mA）供电，无法协商更高功率。

Q3：正反插如何工作？

A：通过CC1/CC2检测： - 正插：CC1有效，CC2无效 - 反插：CC2有效，CC1无效 - 设备自动切换数据路径

Q4：如何支持USB PD快充？

A：CC引脚需要连接PD协议芯片（如FUSB302、IP2721）或MCU的PD PHY。