60条硬件设计基础知识

硬件是一个非常复杂的系统，在设计过程中都会遇到或多或少的问题，本文中总结了非常基础的60个问题，供大家参考。

 01 

1、请说明一下滤波磁珠和滤波电感的区别。

磁珠由导线穿过铁氧体组成，直流电阻很小，在低频时阻抗也很小，对直流信号几乎没有影响。

在高频（几十兆赫兹以上）时磁珠阻抗比较大，高频电磁场在铁氧体材料上产生涡流，使高频干扰信号转化为热量消耗掉。

磁珠常用于高频电路模块的电源滤波和高频信号回路滤波，抑制EMI干扰。

电感由线圈和磁芯组成，直流电阻较小，电感量较大。电感多用于中低频电路的滤波，侧重于抑制传导性干扰，其应用频率在几十兆赫兹以下。

 02 

2、请解释电阻、电容、电感封装的含义：0402、0603、0805。

表示的是封装尺寸参数：0402:40*20mil；0603:60*30m；0805:80*50mil。

 03 

3、请说明以下字母所代表的电容的精度：J、K、M、Z。

J——±5%；

K——±10%；

M——±20%；

Z——+80%~-20%

 04 

4、请问电阻、电容、电感的封装大小分别与什么参数有关？

电阻封装大小与电阻值、额定功率有关；

电容封装大小与电容值、额定电压有关；

电感封装大小与电感量、额定电流有关。

 05 

5、电阻选型需要注意哪些参数？

电阻值、精度、功率（在实际电路上换算出承受最大电流、最大电压）、封装。

 06 

6、电容选型需要注意哪些参数？

电容值、精度、耐压、封装。

 07 

7、电感选型需要注意哪些参数？

电感量（包括测量频率）、精度、最大承受电流、封装。

 08 

8、磁珠选型需要注意哪些参数？

阻抗值（包括测量频率）、精度、最大承受电流、直流电阻（换算出最大直流压降）、封装。

 09 

9、整流二极管选型需要注意哪些参数？

最大整流电流、最大反向工作电压、正向导通压降、封装。

 10 

10、开关MOS管选型需要注意哪些参数？

最小开启电压Vgs（th）、最大栅源电压Vgs（max）、最大漏源电压Vds、最大漏源电流Id、导通电阻Rds（on）、耗散功率、封装。

 11 

11、直流电源的输出滤波电容，应如何根据实际工作电压选择电容的额定电压参数？

电容的额定电压应该稍大于直流输出电压，根据电容额定电压标称值，选1.2~2倍直流输出电压即可。

 12 

12、理想电容两端的电压和电流的相位关系是：同相、反相、电压超前电流90°、电流超前电压90°？

电流超前电压90°。

 13 

13、请列举您知道的二极管品牌？

DIODES、FAIRCHILD、FH风华、FormosaMS、IR、MCC、MOTOROLA、ONSemi、PHILIPS、RECTRON、ROHM、TOREX、TSC、VISHAY、WTE、XUYANG

 14 

14、请列举一下零电阻的作用。

1）线路上的跨接跳线；

2）可选的配置电路；

3）调试预留位置；

4）保险丝；

5）不同地的单点连接。

 15 

15、请简述压敏电阻工作原理。

当压敏电阻上的电压超过一定幅度时，电阻的阻值降低，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压限制在一定的幅度。

 16 

16、请简述PTC热敏电阻作为电源电路保险丝的工作原理。

当电源输入电压增大或负载过大导致电流异常增大的时候，PTC热敏电阻因为温度增大而使其等效电阻迅速增大，从而使输出电压下降，减小输出电流。

当故障去除，PTC热敏电阻恢复到常温，其电阻又变的很小，电源电路恢复到正常工作状态。

 17 

17、常见贴片电容的材质有：X7R、X5R、Y5V、NPO（COG）、Z5U。请问电容值和介质损耗最稳定的电容是哪一种？

电容值和介质损耗最稳定的是NPO（COG）材质电容。

 18 

18、某磁珠的参数为100R@100MHz，请解释参数的含义。

在100MHz频率下的阻抗值是100欧姆。

 19 

19、请列举一下上拉电阻的作用。

1）上电复位时，端口电平配置；

2）OC和OD门上拉确定高电平；

3）提高输出端口的高电平；

4）加大输出引脚的驱动能力；

5）降低输入阻抗，防止静电损伤；

6）提高总线的抗电磁干扰能力；

7）匹配电阻，抑制反射波干扰。

 20 

20、请问共模电感的作用是什么？

抑制共模干扰。

 21 

21、半导体或芯片的 0.25um、 0.18um、 90nm、 7nm工艺指的是什么？。

这些数字表示制作半导体或芯片的技术节点，也称作工艺节点。实际物理意义有“半节距”、“物理栅长”、“制程线宽”等。

半导体业界通常使用“半节距”、“物理栅长（ MOS管栅极的长度）”和“结深”等参数来描述芯片的集成度，这些参数越小，芯片的集成度越高。

举个例子，某种芯片采用 90nm工艺，其中半节距为 90nm，而晶体管的物理栅长为 37nm。半节距，是指芯片内部互联线间距离的一半， 也即光刻间距的一半。

由于历年来每一个新的技术节点总是用于制造 DRAM芯片， 因此最新的技术节点往往是指 DRAM的半节距。

另外， 在技术文章中还有两种与“半节距”意义相近的表达方式，就是“线宽”、“线距”和“特征尺寸”，如果线宽等于线距，则半节距就等于线宽、线距，它们不过是对同一个数据的不同表达。

 22 

22、绿色发光二极管的导通压降大概是多少伏？

2V 左右。

 23 

23、变容二极管和稳压二极管正常工作状态下，应该加什么样的电压：正向、反向、前者正向后者反向、前者反向后者正向？

均应加反向电压。

 24 

24、如果一个 LED指示灯没有定义颜色，红、绿、黄、橙、蓝、白色你会选择哪一种，为什么？

按照使用习惯，电源指示灯用红色，信号指示灯用绿色，这两种颜色的LED灯技术最成熟，价格最便宜。

 25 

25、请简述 TVS瞬态电压抑制二极管的工作原理。

当 TVS上的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压限制在一定的幅度。

 26 

26、现今最流行的两类可编程逻辑器件是什么，他们有什么区别？

FPGA（现场可编程门阵列）和 CPLD（复杂可编程逻辑器件）是现今最流行的两类可编程逻辑器件。FPGA是基于查找表结构的， CPLD是基于乘积项结构的。

 27 

27、请列举您知道的二极管类型？

开关二极管（小信号二极管）、肖特基二极管、整流二极管、稳压二极管（齐纳二极管）、瞬态电压抑制二极管（ TVS）、变容二极管、发光二极管（ LED）。

 28 

28、请简要说明基尔霍夫电流定律（ KCL）和基尔霍夫电压定律（ KVL）。

基尔霍夫电流定律（ KCL）是指集总电路中任何时刻流进任一电路节点的电流等于流出该节点的电流。基尔霍夫电压定律（ KVL）是指集总电路中任何时刻任一闭合电路支路的电压之和都为零。

 29 

29、模拟集成电路的输入一般采用何种电路：共发射极电路、共基极电路、差分电路、共集电极电路？

为了抑制温飘和提高精度，一般采用差分输入电路。

 30 

30、什么是反馈？反馈的作用是什么？

反馈是将放大器输出信号 ( 电压或电流 ) 的一部分或全部， 回收到放大器输入端与输入信号进行比较 ( 相加或相减 ) ， 并用比较所得的有效输入信号去控制输出， 负反馈可以用来稳定输出信号或者增益， 也可以扩展通频带， 特别适合于自动控制系统。正反馈可以形成振荡， 适合振荡电路和波形发生电路。

 31 

31、三极管的 β 参数反映的是什么能力：电流控制电流、电流控制电压、电压控制电流、电压控制电压？ 

β 值反映的是基极电流对集电极和发射极电流的控制能力， 所以属于电流控制电流的能力。

 32 

32、为什么 OD（开漏）门和 OC（开集）门输出必须加上拉电阻？

因为 MOS管和三极管关闭时，漏极D和集电极 C是高阻态，输出无确定电平，实际应用必须通过电阻上拉至确定电平。

 33 

33、电路产生自激振荡的幅值条件和相位条件是什么？

幅值条件是：|AF| ≥1

相位条件是：φ A+φ F=2nπ （ n=0,1,2,... ）

 34 

34、请列举三种典型的ESD模型。

人体模型（ HBM）、机器模型（MM）、带电器件模型（CDM）。

 35 

35、请简述一下 DC-DC和 LDO的区别。

DC-DC 通过开关斩波、电感的磁电能量转换、电容滤波实现基本平滑的电压输出。

关电源输出电流大，带负载能力强，转换效率高，但因为有开关动作，会有高频辐射。

LDO是通过调整三极管或MOS管的输入输出电压差来实现固定的电压输出，基本元件是调整管和电压参考元件，电压转换的过程是连续平滑的，电路上没有开关动作。

LDO电路的特点是输出电压纹波很小，带负载能力较弱，转换效率较低。

 36 

36、请问电荷泵升压电路一般应用在什么场合？电荷泵可以胜任大电流的应用吗， 为什么？

电荷泵通过开关对电容充放电实现升压，因为电路没有电感元件储能，驱动能力较弱，只可以用于小电流场合。

 37 

37、常规 EMC测试项目有哪些？

1） 传导发射干扰测试

2） 辐射发射干扰测试

3） 传导干扰抗扰度测试

4） 辐射干扰抗扰度测试

5） ESD 抗扰度测试

6） 电快速瞬变脉冲群抗扰度测试

7） 浪涌抗扰度测试

8） 工频磁场抗扰度测试

9） 谐波与闪烁测试

10） 电压跌落、短时中断和电压变化抗扰度测试

 38 

38、请列举您知道的各国电子产品电气安全认证标准？

美国：FCC、欧洲：CE、德国：TUV-GS、中国：CCC、台湾：BSMI、日本：VCCI、澳洲：C-Tick。

 39 

39、请问RoHS指令限制在电子电气设备中使用哪六种有害物质？

限制使用铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯（ PBB）和多溴二苯醚（PBDE）等六种有害物质。

 40 

40、请解释 WatchDog（看门狗）的工作原理。

看门狗有两个重要信号：时钟输入和复位输出。电路工作时， CPU送出时钟信号给看门狗，即喂狗。

如果系统出现故障， CPU无法送出连续的时钟信号，看门狗即输出复位信号给 CPU，复位系统。

 41 

41、晶体管基本放大电路有共射、共集、共基三种接法，请简述这三种基本放大电路的特点。

共射：共射放大电路具有放大电流和电压的作用，输入电阻大小居中，输出电阻较大，频带较窄，适用于一般放大。

共集：共集放大电路只有电流放大作用，输入电阻高，输出电阻低，具有电压跟随的特点，常做多级放大电路的输入级和输出级。

共基：共基电路只有电压放大作用，输入电阻小，输出电阻和电压放大倍数与共射电路相当，高频特性好，适用于宽频带放大电路。

 42 

42、多级放大电路的级间耦合方式有哪几种？哪种耦合方式的电路零点偏移最严重？哪种耦合方式可以实现阻抗变换？

有三种耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合。直接耦合的电路零点漂移最严重，变压器耦合的电路可以实现阻抗变换。

 43 

43、名词解释：耦合、去耦、旁路、滤波。

耦合：两个本来分开的电路之间或一个电路的两个本来相互分开的部分之间的交链。可使能量从一个电路传送到另一个电路，或由电路的一个部分传送到另一部分。

去耦：阻止从一电路交换或反馈能量到另一电路，防止发生不可预测的反馈，影响下一级放大器或其它电路正常工作。

旁路：将混有高频信号和低频信号的信号中的高频成分通过电子元器件（通常是电容）过滤掉，只允许低频信号输入到下一级，而不需要高频信号进入。

滤波：滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。

 44 

44、什么是竞争与冒险？

逻辑电路中，由于门的输入信号经过不同的延时，到达门的时间不一致，这种情况叫竞争。由于竞争而导致输出产生毛刺（瞬间错误），这一现象叫冒险。

 45 

45、无源滤波器和有源滤波器有什么区别？

无源滤波器由无源器件R、L、C组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。

无源滤波器可分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。无源滤波器结构简单、成本低廉、运行可靠性高，是应用广泛的被动式谐波治理方案。有源滤波器由有源器件（如集成运放）和R、C组成，不用电感L、体积小、重量轻。

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。集成运放的开环电压增益和输入阻抗很高，输出电阻很小，构成有源滤波电路后有一定的电压放大和缓冲作用。集成运放带宽有限，所以有源滤波器的工作频率做不高。

 46 

46、请问锁相环由哪几部分组成？

由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成，有的锁相环还多一个1/N分频器。

 47 

47、请问RS-232C标准的逻辑0和逻辑1电压范围是多少？CAN和RS485收发器工作电平是几伏？

RS-232C电气标准是负逻辑，逻辑0的电压范围是+5V~+15V，逻辑1的电压范围是-5V~-15V。

CAN收发器工作电平是5V，RS485收发器工作电平是3.3V。

 48 

48、名词解释：UART、USRT、USART。

UART：UniversalAsychronous Receiver/Transmitter，通用异步接收器/发送器，能够完成异步通信。

USRT：UniversalSychronous Receiver/Transmitter，通用同步接收器/发送器，能够完成同步通信。

USART：UniversalSychronous Asychronous Receiver/Transmitter，通用同步异步接收器/发送器，能完成异步和同步通信。

 49 

49、请问串口异步通信的字符帧格式由哪几部分组成？

由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成。

 50 

50、请简述USBHOST、USB Slave和USB OTG的区别。

USB HOST是主机，实现控制功能，也可以存取数据，如电脑PC。USB HOST主机只可以和USBSlave设备连接。

USB Slave是从设备，属于被控制设备，可输入输出数据，如U盘、移动硬盘、MP3、MP4、鼠标、键盘、游戏手柄、网卡、打印机、读卡器等USB设备。

USB OTG全称是USBOn-The-Go，属于直接控制和传输设备，既可以做USB HOST也可以做USB Slave，通过ID信号来控制主、从切换。

 51 

51、请列举您知道的逻辑电平。

低速：RS232、RS422、RS485、TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL

高速：LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL

 52 

52、请列举您知道的差分平衡电平接口。

RS422、RS485、RJ45、CAN、USB、LVDS。

 53 

53、电磁干扰的三要素是什么？

电磁干扰源、干扰传播路径和干扰敏感设备。

 54 

54、请解释一下什么是串扰和振铃。

串扰：串扰是指一个信号被其它信号干扰，作用原理是电磁场耦合。信号线之间的互感和互容会引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。

振铃：是因为信号线本身阻抗不匹配导致信号发生反射和叠加，从而使信号出现了振荡波形。

 55 

55、您所遇到的需要控制单端阻抗为50欧姆、75欧姆的信号有哪些？您所遇到的需要控制差分阻抗为90欧姆、100欧姆、120欧姆的信号有哪些？

一般的高频信号线均为50欧姆~60欧姆。75欧姆主要是视频信号线。USB信号线差分阻抗为90欧姆，以太网差分信号线差分阻抗为100欧姆。RS422、RS485、CAN差分信号的差分阻抗为120欧姆。

 56 

56、差分线走线有两个原则：等长和等距。但在实际布线中可能无法两者都完全满足，那么请问是等长优先还是等距优先？

应该等长优先，差分信号是以信号的上升沿和下降沿的交点作为信号变化点的，走线不等长的话会使这个交点偏移，对信号的时序影响较大，另外还给差分信号中引入了共模的成分，降低信号的质量，增加了EMI。

小范围的不等距对差分信号影响并不是很大，间距不一致虽然会导致差分阻抗发生变化，但因为差分对之间的耦合本身就不显著，所以阻抗变化范围也是很小的，通常在10%以内，只相当于一个过孔造成的反射，这对信号传输不会造成明显的影响。

 57 

57、为什么高频信号线的参考地平面要连续（即高频信号线不能跨岛）？

参考地平面给高频信号线提供信号返回路径，返回路劲最好紧贴信号线，最小化电流环路的面积，这样有利于降低辐射、提高信号完整性。

如果参考地平面不连续，则信号会自己寻找最小路径，这个返回路径可能和其他信号回路叠加，导致互相干扰。而且高频信号跨岛会使信号的特征阻抗产生特变，导致信号的反射和叠加，产生振铃现象。

 58 

58、请问什么是半固化片？

半固化片是PCB中的介质材料和粘合材料，由玻璃纤维和环氧树脂组成，介电常数大概是4.0~4.5。在常温下半固化片是固态，高温加热时半固化片胶状化将上下两侧铜箔粘合起来，半固化片成为中间的介质。

 59 

59、请问什么是通孔、盲孔和埋孔？孔径多大可以做机械孔，孔径多小必须做激光孔？请问激光微型孔可以直接打在元件焊盘上吗，为什么？

通孔是贯穿整个PCB的过孔，盲孔是从PCB表层连接到内层的过孔，埋孔是埋在PCB内层的过孔。

大多数PCB厂家的加工能力是这样的：大于等于8mil的过孔可以做机械孔，小于等于6mil的过孔需要做激光孔。对小于等于6mil的微型孔，在钻孔空间不够时，允许一部分过孔打在PCB焊盘上。

 60 

60、请问过孔有哪两个寄生参数？这两个寄生参数对电路有什么影响？

过孔有两寄生参数：寄生电容和寄生电感。

寄生电容会延长信号的上升时间，降低电路的速度。寄生电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效果。

 

　　审核编辑：汤梓红