PCB组件及其功能相关知识

本文要点：

1. 核心网络分析值：电阻、电容和电感

2. 线性被动元件及其电路应用

3. 非线性和有源半导体器件在电路使用方面的区别

 

 常见的PCB组件及其功能定义了标准电路操作

学习网络分析有点像学习一门语言：就像一个基础的字母表可以构建单词、句子、段落等等，只需要几个离散的电路元件就可以构建出丰富的电子功能。虽然这是一个非常令人振奋的发现，但也令人惊讶。少数几个PCB组件及其功能如何涵盖整个电子设计的范围？关键是要理解电子设计是一个广泛的主题，包含多个子学科，而这些基本组件通常在每个子学科中都有独特的作用。

Major PCB Component Families 

Component	Description	Parameter(s)	Passive / Active	Linear / Non-linear
Resistor	Opposes flow of DC	Resistance	Passive	Linear
Capacitor	Opposes flow of AC, shifts the phase of current ahead of voltage	Capacitance	Passive	Linear
Inductor	Opposes flow of AC, shifts the phase of voltage ahead of current	Inductance	Passive	Linear
Diode	Impedes flow of current directionally	I-V curve	Passive	Non-linear
Transistor	Amplifies or switches signals and power	Gain	Active	Non-linear

 

 

 

被动线性PCB组件及其功能

电阻、电容和电感在最低抽象级别上代表了组件对系统中电流和电压的被动响应。电阻是无处不在的；从力学角度来看，它类似于摩擦。就像无摩擦运动是对真实世界表面相互作用的简化一样，零电阻是无法实现的。零欧姆电阻器 - 一种可以随时购买的组件 - 看起来似乎与此相矛盾，但这些电阻器只是提供一个在大多数情况下可以忽略不计的接近零的电阻值。 

 

电容和电感都存在，尽管不一定同时存在。这两个值代表了组件的电抗或对交流电的阻抗；电阻则是对直流电的阻抗，这两个测量值构成了阻抗的矢量分量。与电阻不同，电抗通常可以是正或负的，前者代表电感，后者代表电容。重要的是，电抗是频率依赖的，在低频和高频上分别偏向电容和电感。 

 

每个组件都包含一定量的电阻和电抗，如果在一个不打算提供该参数的组件中无意间包含了其中之一，这被称为寄生效应。理解理想化电路元件不能提供对真实电路响应的完整图像，考虑一下作为基本构建块的三个组件：

电阻器 - 电阻器抵抗直流电的流动；要求两个电阻器在终端上获得相同的电压降，需要相对较大的电流来实现较高电阻值。电阻器在电路中的一个主要作用是作为对敏感元件的电流限制器。然而，限制电流所产生的功耗会产生欧姆热，这个热量必须从其产生点和任何对热敏感的元件中热传导开来，以防止故障、减少使用寿命或火灾危险。电阻器还用于电压分压、偏置操作条件和终止传输线。  

电容器 - 电容器通过在两个电极之间建立电荷分离来以电场形式存储能量。电容器的充电和放电与其电阻和电容的乘积相当；较小的电容器存储的能量较少，但可以更动态地响应不断变化的电路条件（反之亦然）。由于电容在低频时增长，在高频时降为零（确切的值将取决于电容器的具体值），它们可以用作高通滤波器，阻挡直流信号并通过足够快速的交流信号。电容器还可以为信号提供较小的变化、调节天线频率，并实现电力系统的一致、可靠的分配。  

电感器 - 电感器在许多方面与电容器相反：它通过磁场存储能量，在高频下其电抗增加，并在通过直流信号时滤波交流信号。然而，它也执行与电容器相同甚至互补的功能，如纹波滤波、调节和构建开关电源。电感器是通过将绝缘线圈绕绕和穿过一个环形铁磁芯构建而成的。

 

 

非线性和半导体器件

 

 

仅由被动、线性元件组成的电路可以实现出人意料的功能，然而主动的半导体器件可以实现更广泛的应用。半导体存在于导体和绝缘体之间的空间，并且通过掺杂过程来控制其状态，引入过剩的电子、电子空穴和电子富集（n型）和电子贫穷（p型）区域之间的结。  

最基本的半导体器件是二极管。它是一个单个p-n结，表现出极化，在一个方向上导电非常好，在另一个方向上导电很差（理想情况下根本不导电）。从这个意义上讲，二极管的功能类似于流体系统中的单向阀，可以让电流单向通过，同时防止回流。二极管在电路中扮演着各种角色，包括电压调节、调谐、振荡和发光。 

 

与前面讨论过的组件不同，二极管是一个非线性元件：其电流和电压不成比例，而是通过I-V曲线相关。非线性在操作的阶梯区域中是显而易见的，比如阈值和雪崩电压，需要在一个结的方向上满足特定的电压最小值，才能发生非可忽略的导电。然而，I-V曲线的任何方向的指数增长是不可持续的，会导致在击穿区域永久损坏，或者在正向偏置方向产生焦耳热。 

 

另一个主要的半导体器件系列是晶体管。它也像二极管一样表现出非线性，但它是一个主动元件，能够将其他形式的能量转化为电能。晶体管有两个主要的分支：

双极性结型晶体管（BJT）- BJT由共享一个半导体结的两个二极管构成，即p-n-p或n-p-n设计。这三个掺杂的半导体区域对应于BJT的三个端子：基极、集电极和发射极。通过施加偏置电压，使基极处于活动状态，从而使集电极和发射极之间的导电路径成立。为了实现最佳性能，BJT被设计为从集电极到发射极导电，然而，它仍然可以从发射极到集电极导电，但增益较低。在正向或反向偏置基-发射结和基-集电结的情况下，BJT可以分别作为逻辑高电平或低电平工作。  

场效应晶体管（FET）- 与BJT类似，FET也包含三个端子-源极、栅极和漏极，这些端子类比于发射极、基极和集电极。相比之下，FET只用一种电荷载流子（电子或电子空穴）传导，而不是BJT中的电子和电子空穴的混合。FET在一般功率应用中具有几个优势。首先，由于栅极端子只在切换时消耗功耗，因此其功耗较低。这可以实现更小型化的封装。其次，FET是对称构造的，对正向和反向操作、增益等没有区别。