PCB組件及其功能相關(guān)知識(shí)

本文要點(diǎn)：

1. 核心網(wǎng)絡(luò)分析值：電阻、電容和電感

2. 線性被動(dòng)元件及其電路應(yīng)用

3. 非線性和有源半導(dǎo)體器件在電路使用方面的區(qū)別

常見的PCB組件及其功能定義了標(biāo)準(zhǔn)電路操作

學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)分析有點(diǎn)像學(xué)習(xí)一門語言：就像一個(gè)基礎(chǔ)的字母表可以構(gòu)建單詞、句子、段落等等，只需要幾個(gè)離散的電路元件就可以構(gòu)建出豐富的電子功能。雖然這是一個(gè)非常令人振奮的發(fā)現(xiàn)，但也令人驚訝。少數(shù)幾個(gè)PCB組件及其功能如何涵蓋整個(gè)電子設(shè)計(jì)的范圍？關(guān)鍵是要理解電子設(shè)計(jì)是一個(gè)廣泛的主題，包含多個(gè)子學(xué)科，而這些基本組件通常在每個(gè)子學(xué)科中都有獨(dú)特的作用。

Major PCB Component Families

被動(dòng)線性PCB組件及其功能

電阻、電容和電感在最低抽象級(jí)別上代表了組件對(duì)系統(tǒng)中電流和電壓的被動(dòng)響應(yīng)。電阻是無處不在的；從力學(xué)角度來看，它類似于摩擦。就像無摩擦運(yùn)動(dòng)是對(duì)真實(shí)世界表面相互作用的簡(jiǎn)化一樣，零電阻是無法實(shí)現(xiàn)的。零歐姆電阻器 - 一種可以隨時(shí)購(gòu)買的組件 - 看起來似乎與此相矛盾，但這些電阻器只是提供一個(gè)在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)的接近零的電阻值。

電容和電感都存在，盡管不一定同時(shí)存在。這兩個(gè)值代表了組件的電抗或?qū)涣麟姷淖杩?；電阻則是對(duì)直流電的阻抗，這兩個(gè)測(cè)量值構(gòu)成了阻抗的矢量分量。與電阻不同，電抗通常可以是正或負(fù)的，前者代表電感，后者代表電容。重要的是，電抗是頻率依賴的，在低頻和高頻上分別偏向電容和電感。

每個(gè)組件都包含一定量的電阻和電抗，如果在一個(gè)不打算提供該參數(shù)的組件中無意間包含了其中之一，這被稱為寄生效應(yīng)。理解理想化電路元件不能提供對(duì)真實(shí)電路響應(yīng)的完整圖像，考慮一下作為基本構(gòu)建塊的三個(gè)組件：

電阻器 - 電阻器抵抗直流電的流動(dòng)；要求兩個(gè)電阻器在終端上獲得相同的電壓降，需要相對(duì)較大的電流來實(shí)現(xiàn)較高電阻值。電阻器在電路中的一個(gè)主要作用是作為對(duì)敏感元件的電流限制器。然而，限制電流所產(chǎn)生的功耗會(huì)產(chǎn)生歐姆熱，這個(gè)熱量必須從其產(chǎn)生點(diǎn)和任何對(duì)熱敏感的元件中熱傳導(dǎo)開來，以防止故障、減少使用壽命或火災(zāi)危險(xiǎn)。電阻器還用于電壓分壓、偏置操作條件和終止傳輸線。

電容器 - 電容器通過在兩個(gè)電極之間建立電荷分離來以電場(chǎng)形式存儲(chǔ)能量。電容器的充電和放電與其電阻和電容的乘積相當(dāng)；較小的電容器存儲(chǔ)的能量較少，但可以更動(dòng)態(tài)地響應(yīng)不斷變化的電路條件（反之亦然）。由于電容在低頻時(shí)增長(zhǎng)，在高頻時(shí)降為零（確切的值將取決于電容器的具體值），它們可以用作高通濾波器，阻擋直流信號(hào)并通過足夠快速的交流信號(hào)。電容器還可以為信號(hào)提供較小的變化、調(diào)節(jié)天線頻率，并實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的一致、可靠的分配。

電感器 - 電感器在許多方面與電容器相反：它通過磁場(chǎng)存儲(chǔ)能量，在高頻下其電抗增加，并在通過直流信號(hào)時(shí)濾波交流信號(hào)。然而，它也執(zhí)行與電容器相同甚至互補(bǔ)的功能，如紋波濾波、調(diào)節(jié)和構(gòu)建開關(guān)電源。電感器是通過將絕緣線圈繞繞和穿過一個(gè)環(huán)形鐵磁芯構(gòu)建而成的。

非線性和半導(dǎo)體器件

僅由被動(dòng)、線性元件組成的電路可以實(shí)現(xiàn)出人意料的功能，然而主動(dòng)的半導(dǎo)體器件可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體存在于導(dǎo)體和絕緣體之間的空間，并且通過摻雜過程來控制其狀態(tài)，引入過剩的電子、電子空穴和電子富集（n型）和電子貧窮（p型）區(qū)域之間的結(jié)。

最基本的半導(dǎo)體器件是二極管。它是一個(gè)單個(gè)p-n結(jié)，表現(xiàn)出極化，在一個(gè)方向上導(dǎo)電非常好，在另一個(gè)方向上導(dǎo)電很差（理想情況下根本不導(dǎo)電）。從這個(gè)意義上講，二極管的功能類似于流體系統(tǒng)中的單向閥，可以讓電流單向通過，同時(shí)防止回流。二極管在電路中扮演著各種角色，包括電壓調(diào)節(jié)、調(diào)諧、振蕩和發(fā)光。

與前面討論過的組件不同，二極管是一個(gè)非線性元件：其電流和電壓不成比例，而是通過I-V曲線相關(guān)。非線性在操作的階梯區(qū)域中是顯而易見的，比如閾值和雪崩電壓，需要在一個(gè)結(jié)的方向上滿足特定的電壓最小值，才能發(fā)生非可忽略的導(dǎo)電。然而，I-V曲線的任何方向的指數(shù)增長(zhǎng)是不可持續(xù)的，會(huì)導(dǎo)致在擊穿區(qū)域永久損壞，或者在正向偏置方向產(chǎn)生焦耳熱。

另一個(gè)主要的半導(dǎo)體器件系列是晶體管。它也像二極管一樣表現(xiàn)出非線性，但它是一個(gè)主動(dòng)元件，能夠?qū)⑵渌问降哪芰哭D(zhuǎn)化為電能。晶體管有兩個(gè)主要的分支：

雙極性結(jié)型晶體管（BJT）- BJT由共享一個(gè)半導(dǎo)體結(jié)的兩個(gè)二極管構(gòu)成，即p-n-p或n-p-n設(shè)計(jì)。這三個(gè)摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域?qū)?yīng)于BJT的三個(gè)端子：基極、集電極和發(fā)射極。通過施加偏置電壓，使基極處于活動(dòng)狀態(tài)，從而使集電極和發(fā)射極之間的導(dǎo)電路徑成立。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，BJT被設(shè)計(jì)為從集電極到發(fā)射極導(dǎo)電，然而，它仍然可以從發(fā)射極到集電極導(dǎo)電，但增益較低。在正向或反向偏置基-發(fā)射結(jié)和基-集電結(jié)的情況下，BJT可以分別作為邏輯高電平或低電平工作。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）- 與BJT類似，F(xiàn)ET也包含三個(gè)端子-源極、柵極和漏極，這些端子類比于發(fā)射極、基極和集電極。相比之下，F(xiàn)ET只用一種電荷載流子（電子或電子空穴）傳導(dǎo)，而不是BJT中的電子和電子空穴的混合。FET在一般功率應(yīng)用中具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，由于柵極端子只在切換時(shí)消耗功耗，因此其功耗較低。這可以實(shí)現(xiàn)更小型化的封裝。其次，F(xiàn)ET是對(duì)稱構(gòu)造的，對(duì)正向和反向操作、增益等沒有區(qū)別。