電路設(shè)計與制作（含活頁式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項目1 電路基礎(chǔ)元件的使用

項目1電路基礎(chǔ)元件的使用

項目引入電路設(shè)計和制作是從電路中基礎(chǔ)元件的認(rèn)知開始的，本書以隔離控制器的設(shè)計制作為例幫助讀者掌握基礎(chǔ)的電路設(shè)計能力，該電路中包含最多的是大量電容、電阻、二極管等基礎(chǔ)元件。本項目旨在幫助讀者認(rèn)識和掌握部分最常用的基礎(chǔ)元件的使用方式，以此為起點(diǎn)開始隔離控制器電路的設(shè)計。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)掌握電路基礎(chǔ)元件的種類、特點(diǎn)和使用方法了解電路中各種元件之間的相互作用關(guān)系技能目標(biāo)能夠根據(jù)電路設(shè)計要求，選擇合適的電阻、電容、等二極管、晶體管元件，并計算其參數(shù)，完成簡單電路分析能夠根據(jù)電路設(shè)計要求，選擇合適的集成電路，并進(jìn)行電路設(shè)計和分析素養(yǎng)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生對電路基礎(chǔ)元件和電路原理的認(rèn)識和理解，提高科學(xué)思維和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)學(xué)生對電路基礎(chǔ)元件和電路原理的認(rèn)識和理解，提高科學(xué)思維和工程實(shí)踐能力提高學(xué)生對電子產(chǎn)品使用和維護(hù)的技能水平，提高信息化素養(yǎng)和社會適應(yīng)能力項目1電路基礎(chǔ)元件的使用

任務(wù)1元件準(zhǔn)備與工具認(rèn)知任務(wù)描述隔離數(shù)字量模塊是常用的一種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，用于數(shù)字量信號的輸入和輸出，本書幫助讀者學(xué)習(xí)認(rèn)識該設(shè)備的工作電路，并通過實(shí)踐操作，加工制作出實(shí)物設(shè)備。隔離數(shù)字量模塊電路較為簡單，所使用的元件均為電路設(shè)計中常用的部件，對該設(shè)備電路的學(xué)習(xí)要從這些常用電路元件的認(rèn)知開始。掌握基礎(chǔ)元件的工作原理和使用方法，需要一定的實(shí)踐操作，這些操作需要相關(guān)工具器材的配合。本任務(wù)引導(dǎo)讀者學(xué)習(xí)掌握相關(guān)這些器材的使用方法。知識儲備電路設(shè)計調(diào)試中會用到很多設(shè)備，這里只介紹一些較為基礎(chǔ)的實(shí)驗設(shè)備，幫助讀者完成一些基礎(chǔ)元件的認(rèn)知學(xué)習(xí)。這些必要的實(shí)驗設(shè)備有：（1）面包板；（2）供電板；（3）萬用表。一、面包板的使用基礎(chǔ)電路的搭建和測試需要在相關(guān)平臺基礎(chǔ)上完成。這里使用面包板作為測試平臺，在其上可以完成基礎(chǔ)電路的搭建。市場上常見的面包板如圖所示：一、面包板的使用面包板的外觀結(jié)構(gòu)主要分為上、中、下三個部分。上部分和下部分一般為一行或兩行插孔組成的窄條，中間部分由一條隔離凹槽和凹槽上下各5行的插孔寬條所組成。如圖所示，上部分和下部分的窄條，每五組插孔在內(nèi)部是橫向互相連通的，但是小窄條中間并不連通，一般用于供電，使用時可將正負(fù)極分別連接圖中“+”“-”標(biāo)號所對信號孔。中間部分，隔離凹槽上下五行（ABCDE）的插孔在內(nèi)部是縱向連通的，每列窄條之間不連通，并由凹槽隔離上下部分。一、面包板的使用使用面包板連接電路時，將上下部分的窄條的第一行與地連接，第二行連接電源正極。中間部分主要用于連接電路，而由于凹槽不連通的特性，因此集成塊可跨接在凹槽上?！局R補(bǔ)充】Fritzing是一款開源的電子設(shè)計自動化軟件，利用該軟件可以模擬面包板電路搭建，方便規(guī)劃實(shí)驗電路連接。二、供電板的使用面包板在使用時，可以使用3.3V或5V的直流電接入，為了實(shí)驗方便，這里采用成熟的供電板供電，如圖所示。二、供電板的使用供電板各部分功能如圖所示。二、供電板的使用在使用供電板給面包板供電時，將兩邊的插針分別插入面包板的上下部分窄條即可供電，控制開關(guān)可選擇兩路供電電壓為3.3V或5V。供電板提供了三位供電插針，使用杜邦線便可與之相連。為了防止外接電源與正負(fù)極接反導(dǎo)致短路，供電板帶有防接反的二極管和保險絲。當(dāng)電流過大時，保險絲將熔斷，進(jìn)而起到保護(hù)電路的作用。三、萬用表的使用數(shù)字萬用表是電路設(shè)計調(diào)試中最常用的工具，萬用表也稱為萬用計、多用計、多用電表或三用電表，一般萬用表均包含安培計、電壓表、歐姆計等功能，常用于測量電阻、直流與交流電壓、直流與交流電流、二極管和三極管。三、萬用表的使用數(shù)字萬用表在市場上有很多規(guī)格，這里的UT89X是一款價格適中數(shù)字萬用表，其性能穩(wěn)定，可靠性高。該萬用表測量范圍廣泛，可測量電壓（可達(dá)1000V)、電流（最大可達(dá)20A)、電阻、電容、二極管、三極管、LED、溫度以及電路通斷。3.1電阻的測量測量步驟（1）紅表筆插入V/Ω孔黑表筆插入COM孔；（2）選擇量程，將旋鈕打到“Ω”量程的適當(dāng)位置；（3）將紅黑表筆分別接觸電阻兩端的金屬部分；（4）讀取顯示屏上的數(shù)據(jù)。注意事項（1）電路連通問題。確保電路已連接好，若儀表顯示為“1”，則表明存在開路問題；（2）測量準(zhǔn)確性。測量阻抗時，為盡可能保證準(zhǔn)確性，需先檢查電路中是否有電源和儲能元件。若有，則移除所有電源，且電容放電。（3）量程的選擇和轉(zhuǎn)換。當(dāng)顯示屏的數(shù)值將為“1”時，說明量程選小，此時應(yīng)選擇較大的量程；與此相反，當(dāng)顯示屏的數(shù)值將接近“0”時，說明量程選大，此時應(yīng)將旋鈕打至較小的量程。（4）關(guān)于讀數(shù)。所測量的讀數(shù)為顯示屏上的數(shù)字加檔位選擇的單位。旋鈕可以選擇量程3.2電壓的測量測量步驟（1）紅表筆插入VΩ孔，黑表筆插入COM孔；（2）根據(jù)所測量電壓的類型，選擇合適量程，將旋鈕打到V-或V～適當(dāng)位置；（3）讀出顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)。直流電壓的測量3.2電壓的測量注意事項（1）量程選擇。將旋鈕打至估計值的量程檔（直流檔V-，交流檔V～），表筆接觸電源或電池兩端，保持穩(wěn)定。若測量時讀數(shù)為“1”，則表明量程太小，需換用較大量程；（2）讀數(shù)顯示。測量直流電壓時，若顯示屏數(shù)值前有負(fù)號，說明極性與實(shí)際電源極性相反，即紅表筆接的是負(fù)極。交流電壓無正負(fù)極之分；（3）測量時注意人身安全，不可隨意用手觸摸表筆的金屬部分。交流電壓的測量3.3電流的測量測量步驟（1）斷開電路；（2）黑表筆插入com端口，紅表筆插入mA或者20A端口；（3）根據(jù)所測電流類型，估計電流大小，將旋鈕打至合適位置（直流電流A-，交流電流A～），選擇適當(dāng)量程；（4）斷開被測電路，將數(shù)字萬用表串聯(lián)至被測線路中，電流將從一端流入紅表筆，再流出黑表筆，最后流入被測線路中；（5）接通電路；（6）讀出顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)。注意事項（1）測量電流時，應(yīng)保持接觸穩(wěn)定。如果顯示屏數(shù)值一直為“1”，則需換用大量程；（2）測量直流電流時，需對電流的大小進(jìn)行估計。若估計電流大于600mA，紅表筆應(yīng)插入“10A”，反之則插入“600mA”，并將旋鈕打至合適量程。若測量交流電流時，無法預(yù)估電流大小，應(yīng)先選擇最大量程，并逐步減小；（3）測量交流電流完畢后，應(yīng)該將紅表筆插回“VΩ”孔，以免直接測電壓時，損壞萬用表和電源。（4）測量交流電流時，“600mA”量程有保險絲保護(hù)，因此出現(xiàn)電流過大燒壞保險絲的情況時，更換即可；而“20A”量程無保險絲保護(hù)，因此若選擇該量程，測量時間則不得超過15秒。3.4電容的測量測量步驟（1）為保證數(shù)字萬用表的安全，應(yīng)短接電容兩端，對電容放電；（2）將旋鈕打至電容“F”測量檔，選擇合適量程；（3）將電容插入萬用表CX插孔；（4）讀取顯示屏上的數(shù)據(jù)。注意事項為防止萬用表的損壞和保證安全，測量前與測量后都需對電容放電；由于儀器的電容檔存在保護(hù)措施，因此測試過程中無需考慮極性和電容充放電等情況；測量時，電容應(yīng)插入專用的電容測試座中；測量大電容時，需要等一段時間以穩(wěn)定讀數(shù)；電容的單位換算：1μF=106pF，lμF=103nF。3.5二極管的測量測量步驟（1）紅表筆插入VΩ孔，黑表筆插入COM孔；（2）將旋鈕打至二極管檔；（3）二極管的正負(fù)極，紅表筆接正極，黑表筆接負(fù)極；（4）讀取顯示屏上的數(shù)據(jù)；（5）兩只表筆換位，若顯示屏讀數(shù)為“1”，則表明該二極管工作正常，否則此管已被擊穿。注意事項（1）若二極管損壞，兩只表筆顛倒后讀數(shù)則相同，該數(shù)值表示二極管的正向壓降：硅材料為0.6V左右；鍺材料為0.2V左右；（2）若二極管正常，兩只表筆接引腳時，讀數(shù)顯示為“1”，則黑表筆一段為正極，反之為負(fù)極。3.6三極管的測量測量步驟：（1）紅表筆插入VΩ孔，黑表筆插入COM孔；（2）將旋鈕打至二極管檔；（3）判斷三極管的基極b，確定管型，即PNP或NPN類型；（4）將旋鈕打至hFE檔，并確保表筆沒有接觸任何電路；（5）根據(jù)管型將三極管插入PNP或NPN進(jìn)行測量讀取顯示屏上的數(shù)據(jù)。注意事項：（1）三個管腳的確定：紅表筆插入VΩ孔，黑表筆插入COM孔，黑表筆接觸三極管的某一未知管腳，紅表筆分別接觸其他兩個管腳，若兩次讀數(shù)均為0.7V左右，且使用紅表筆接觸同一未知管腳，黑表筆接其他管腳時，數(shù)值顯示為“1”，則該未知管腳為基極，且該三極管為PNP類型。（2）集電極與發(fā)射極的判斷：將旋鈕打至HFE檔位，該檔位旁有一排插孔，假定已知管型，將基極插入對應(yīng)管型的b孔，其余分別插入c、e孔，讀取數(shù)值；再次固定基極，對調(diào)兩腳，讀取讀數(shù)。對兩次讀數(shù)進(jìn)行比較，讀數(shù)較大的管腳位置與c、e相對應(yīng)。課堂思考萬用表是否可以進(jìn)行頻率/占空比測量？如何測量？項目1電路基礎(chǔ)元件的使用

任務(wù)2認(rèn)識電阻和電容任務(wù)描述認(rèn)識電阻和電容是學(xué)習(xí)電路基礎(chǔ)知識的重要一步。電阻是指電路中對電流產(chǎn)生阻礙作用的元件，電容是指電路中儲存電荷的元件。在電路中，電阻和電容分別扮演著不同的角色，了解它們的工作原理和特性對于理解電路的功能至關(guān)重要。同時，在實(shí)際應(yīng)用中我們也需要根據(jù)具體場景選擇不同類型和參數(shù)的電阻和電容以滿足設(shè)計需求。電阻和電容在隔離控制器電路的設(shè)計中大量使用，認(rèn)識并掌握其作用是設(shè)計隔離控制器電路的前提。知識儲備

一、面包板的使用電阻，是一種擁有兩個引腳的限流元件，在電路中有分壓、分流的作用，常用字母R表示，單位為歐姆（Ω）。接入電路中的電阻可以限制通過該支路的電流大小，其阻值一般固定。電路中針對電阻阻值范圍不同，可以有不同的單位標(biāo)號，如千歐和兆歐（kΩ、MΩ），其換算如下：1000Ω=1kΩ1000kΩ=1MΩ一、面包板的使用電阻兩端的電壓與電流有一定的函數(shù)關(guān)系。理想狀態(tài)下，通過電阻器的電流與瞬間電壓成正比，即電阻器是線性的。但在實(shí)際應(yīng)用中，阻值一般與溫度、材料、長度、橫截面積有關(guān)。電阻溫度系數(shù)則是用于度量阻值受溫度影響的物理量，主要定義為溫度每升高1℃，所增加的阻值與原阻值的比率，單位為ppm/℃。電阻器可以將電能轉(zhuǎn)為其他形式的能量，最主要的是熱能。在現(xiàn)實(shí)生活中，燈泡、電熱絲等都為電阻器元件。一、面包板的使用實(shí)際電路中常用的電阻可分為兩類：固定電阻與可變電阻。前者阻值不能改變，后者則可以變化。電路中最常見的固定電阻包括碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻、水泥電阻、貼片電阻等，功率從1/16W到幾十W不等，甚至更大。一、面包板的使用圖為電路中的電阻圖形符號，其擁有兩個引腳，無正負(fù)極。使用R加數(shù)字代表該電阻在電路中的編號，使用數(shù)字加單位表示阻值。圖(a)為電阻R1，其阻值為10Ω；圖(b)為電阻R2,其阻值為1kΩ。（a）

（b）一、面包板的使用可變電阻的電路圖符號如圖所示。圖中2號引腳為分壓端，實(shí)際物理器件上往往對應(yīng)可調(diào)旋鈕的觸點(diǎn)，調(diào)節(jié)旋鈕可實(shí)現(xiàn)1、2和2、3之間電壓的調(diào)整。注意：這里電阻元件的電路符號并非唯一形式，美國標(biāo)準(zhǔn)中電阻往往采用折線的形式，可變電阻更是有多種畫法。二、電阻的識別實(shí)際電路中，電阻有多種樣式，對于普通固定電阻，最常用的有直插的色環(huán)電阻和貼片電阻。電路中所用電阻功率不同，其封裝外形也有差別。色環(huán)電阻往往用彩色的標(biāo)記線給出實(shí)際的阻值，貼片電阻往往用絲印標(biāo)記給出阻值。二、電阻的識別由于成本和技術(shù)的限制，在電阻的制造過程中，電阻上所標(biāo)示的阻值與實(shí)際阻值會存在一定的誤差，電阻的精度決定了誤差。精度高的電阻，其制造難度、成本、售價等方面都會高于精度較低的電阻。在應(yīng)用中，我們需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的電阻，而有的電路受電阻允許誤差的影響較小，而有的電路則要求電阻精度較高。電阻的精度也會反映在色環(huán)電阻的標(biāo)記線以及貼片電阻的絲印上。無論是色環(huán)電阻還是貼片電阻，都有其特有的識別方法。1.色環(huán)電阻的識別小功率電阻體上都標(biāo)有色環(huán)，這些色環(huán)代表不同的阻值和誤差。常見的有兩種表示方法：（1）四色環(huán)，（2）五色環(huán)。四色環(huán)電阻如圖所示。1.色環(huán)電阻的識別表1-1為四色環(huán)的具體含義，前兩道色環(huán)代表有效位，第三道是阻值倍率，用10的N次方表示，第四環(huán)表示誤差。例如，某一電阻的色環(huán)為“紅、紅、棕、金”，紅代表2，棕代表101，金代表±5%，則其阻值為22×101Ω=220Ω，該阻值誤差范圍為±5%。1.色環(huán)電阻的識別表1-1四色環(huán)電阻的表示方法色環(huán)顏色第一道色環(huán)第二道色環(huán)第三道色環(huán)第四道色環(huán)黑00100#棕11101#紅22102#橙33103#黃44104#綠55105#藍(lán)66106#紫77107#灰88108#白99109#金###±5%銀###±10%1.色環(huán)電阻的識別五色環(huán)電阻與四色環(huán)電阻的主要區(qū)別在于有效位數(shù)不同，因此精度更加準(zhǔn)確。五色環(huán)電阻如圖所示。五色環(huán)電阻有3位有效位電阻，見表1-2。例如，某一電阻的色環(huán)為“棕、綠、黑、橙、棕”，第一個棕代表1、綠代表5、黑代表0、橙代表103、最后一個棕代表±1%，則其阻值為150×103Ω=150kΩ=150’000Ω，誤差范圍為±1%。1.色環(huán)電阻的識別表1-2五色環(huán)電阻的表示方法色環(huán)顏色第一道色環(huán)第二道色環(huán)第三道色環(huán)第四道色環(huán)第五道色環(huán)黑000100#棕111101±1%紅222102±2%橙333103#黃444104#綠555105±0.5%藍(lán)666106±0.25%紫777107±0.1%灰888108

白999109#金###10-1#銀###10-2#1.色環(huán)電阻的識別電阻雖然沒有極性之分，但其阻值是唯一的，因此其色環(huán)的讀數(shù)方向也是唯一的。廠商在設(shè)計時，盡量考慮了色環(huán)順序的唯一性，以免讀數(shù)出現(xiàn)歧義。例如在四色環(huán)電阻中，金色與銀色僅代表誤差范圍，其位置必然在結(jié)尾。除此以外，也往往用色環(huán)間距的不同來明確讀數(shù)方向。但是對于小功率、小體積電阻來說，色環(huán)排布密集，且顏色色差有時不明顯，讀數(shù)十分困難。因此建議在焊接色環(huán)電阻時可以使用萬用表進(jìn)行測量，以免因阻值讀數(shù)錯誤而影響電路。2.貼片電阻的識別貼片電阻具有體積小、重量輕、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。貼片電阻有多種形態(tài)，如矩形兩腳的片狀電阻和圓柱兩腳的色環(huán)電阻，多腳的矩形排阻也較為常見。貼片電阻的阻值往往會在電阻體上標(biāo)明，其有三種標(biāo)稱法：數(shù)字索位標(biāo)稱法、色環(huán)標(biāo)稱法和數(shù)字代碼與字母混合標(biāo)稱法。2.貼片電阻的識別數(shù)字索位標(biāo)稱法常見于矩形片狀電阻，如圖所示，其用多位數(shù)字來標(biāo)明阻值。例如以三位數(shù)字標(biāo)注的電阻，第一位和第二位為有效數(shù)字，第三位代表加“0”的個數(shù)，如“161”表示160Ω，“122”表示1200Ω。若阻值不是整數(shù)，則使用“R”代表小數(shù)點(diǎn)，并占用一個有效位，如“3R6”表示3.6Ω，“R36”則表示0.36Ω。如果電阻體上是四位數(shù)字，則前三位代表有效位，第四位表示倍率，如“1502”表示15000=15kΩ。3.可變電阻器的識別可變電阻器又稱為可調(diào)電阻器，即阻值可調(diào)整，在一些有特殊需求的電路中經(jīng)常會使用到，常用大寫字母RP表示，其電路圖形如圖所示。3.可變電阻器的識別可變電阻種類、款式眾多，圖為臥式可變電阻，使用螺絲刀插入頂部十字型槽便可調(diào)整阻值。這類可變電阻有3個引腳，左右兩端引腳內(nèi)部連接是定片，進(jìn)而兩端的阻值是固定的，但是中間引腳在內(nèi)部連接的為動片，使用螺絲刀轉(zhuǎn)動十字型槽時，內(nèi)部的動片滑動，中間引腳與左右兩邊引腳之間的電阻阻值就會相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)阻值和電壓的分配。3.可變電阻器的識別可變電阻的標(biāo)稱值一般會直接標(biāo)示在阻體上，使用三位數(shù)標(biāo)示，前兩位標(biāo)示有效位，第三位表示倍率，即乘以10的N次方，單位為Ω。例如可變電阻實(shí)物上標(biāo)為“103”，表示10kΩ，如為“203”，則代表20’000Ω，即20kΩ。一般來說，使用可變電阻器改變阻值,可以讓電路按要求進(jìn)行功能調(diào)整，而有些電路在調(diào)整達(dá)到需求后，就不會再頻繁進(jìn)行調(diào)整。與其功能相似的還有電位器，電位器結(jié)構(gòu)更加堅固，調(diào)整頻率也更高，常見的音響音量、音調(diào)的調(diào)整等，就是使用電位器實(shí)現(xiàn)的。一種常見的變阻器應(yīng)用場合是在DC-DC供電電路中,往往使用電位器來調(diào)整模塊的輸出電壓值，以方便用戶應(yīng)用；而有些電路板則通過計算直接用固定電阻代替變阻器，以實(shí)現(xiàn)確定的電壓供電輸出。知識補(bǔ)充電阻功率是指電阻器能夠承受的最大功率，它通常以瓦特（W）為單位來表示。當(dāng)電阻器通過電流時，會產(chǎn)生熱量。如果這個熱量超過了電阻器所能承受的極限，電阻器就會變熱、燒毀甚至損壞。因此，一般情況下，我們要選擇功率比實(shí)際需要稍大的電阻器，以保證其在長時間使用中不會因為溫度升高而導(dǎo)致出現(xiàn)故障。常用的電阻器功率規(guī)格有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等，具體選擇應(yīng)根據(jù)電路實(shí)際需求來決定。三、電容簡介電容器是電路中一類重要的原件，常用字母C表示，單位為法拉（F）。其主要功能為存儲電荷，即存儲能量，“通交流、隔直流”是其重要特性，它能根據(jù)交流信號頻率的不同而改變?nèi)菘埂ｋ娙萜鞯闹饕猛居幸韵氯N。1.儲能用途當(dāng)瞬間切斷電源或IC（IntegratedCircuit）芯片所耗電流過快導(dǎo)致負(fù)載電流變化較大時，易造成IC故障。為了防止這種情況的發(fā)生，在IC供電引腳接入電容儲能，便可暫時保持電源線電壓的穩(wěn)定，以避免出現(xiàn)故障，如圖所示。2.去耦用途電源電路中，為提供穩(wěn)定的直流電壓，除了使用稍大的電容來進(jìn)行濾波，還可以利用交流電流的特點(diǎn)，使用較小的電容，利用其充放電速度快的特點(diǎn)去除電源線外部感應(yīng)性噪聲和高速驅(qū)動電路引發(fā)的高頻噪聲，如圖1-21所示。3.耦合用途利用電容串聯(lián)時通交流隔直流的特性，可以去除前段電路的直流偏置電壓，向后段電路僅傳送交流信號電壓，常用于音頻電路，如圖所示。3.耦合用途電路中針對電容容值范圍不同，可以有不同的單位標(biāo)號，如微法、納法、皮法等（μF、nF、pF），其換算如下：1F=1’000’000μF1μF=1’000nF1nF=1’000pF四、電容的識別電容器的種類眾多，規(guī)格不一。常用的直插形態(tài)電容有瓷介電容、電解電容、獨(dú)石電容等，貼片形態(tài)的電容有片式陶瓷電容、鉭電容等。電容還分為無極性電容和極性電容。理想的電容本來是沒有極性的，但是在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得大容量，就使用了某些特殊的材料和結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致了實(shí)際的電容有些是有極性的。有極性的電容實(shí)際上是一個只能按一個電壓方向使用的電容。而無極性的電容，則兩個電壓方向都能使用。實(shí)際上，使用無極性的電容代替有極性的電容是完全可以的，只要容量、工作電壓、體積等能滿足要求即可。這里分別就無極性電容和極性電容列舉一些常見電容元件，說明其形態(tài)和參數(shù)標(biāo)注。1.無極性容器無極性電容往往不能做得很大。實(shí)際應(yīng)用中，低于1μF的低值電容大多數(shù)是無極性的，但是有1μF或更大電容值的電容大多數(shù)是有正負(fù)極的。無極性電容在電路中的符號如圖所示。1.無極性容器瓷介電容是一種常見的直插型無極性電容，又稱為瓷片電容，其將高介電常數(shù)的陶瓷材料擠壓成圓片作為介質(zhì)，通過燒滲方式將銀鍍于陶瓷片上并將其作為電極，兩個引腳連接電極，且不區(qū)分極性，如圖所示。瓷片電容具有性能穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點(diǎn)，適用于高穩(wěn)定的震蕩電路，但其容量小，偏差較大。1.無極性容器瓷片電容的容量多采用三位數(shù)字來表示，與可變電阻類似，前兩位代表有效數(shù)字，第三位代表倍率，即乘以10的N次方，單位為pF，常簡化為p。但對于容量在100pF以下的瓷片電容，一般僅用兩位數(shù)字表示。例如，瓷片電容印有“104”，則代表電容容量有100’000pF，即0.1μF；若印有“21”，則表示電容容量為21pF。1.無極性容器注意：瓷片電容必須在低于額定電壓的情況下工作，且應(yīng)留有余量。普通瓷片電容一般不會在元件上標(biāo)示耐壓值，但在外包裝袋上會附有說明耐壓值標(biāo)簽，多為50V，一些高耐壓的瓷片電容才會直接在元件上標(biāo)示耐壓值。除此以外，可用于高頻電路的瓷片電容常在頂部刷有黑漆。1.無極性容器無極性電容中，貼片電容也較為常用。常見的無極性貼片電容如圖1-25所示。無極性貼片電容往往不會在表面印刷容值，但在其所在的半導(dǎo)體貼片載盤上會標(biāo)注容值、封裝、耐壓等參數(shù)，如圖1-26所示。1206是指電容的封裝尺寸，68nF是其電容值，250V是其耐壓值。圖1-25無極性貼片電容圖1-26整盤貼片電容2.極性電容由于材料所限，較大的電容往往只能是極性電容，其在電路中的符號如圖1-27所示，符號上標(biāo)有“+“，表明該端為正極，另一端為負(fù)極。鋁電解電容是較為常見的極性電容，應(yīng)用廣泛。直插封裝的電解電容外形為圓柱形，有兩個引腳，一長一短，如圖1-28所示。電解電容需要區(qū)分極性，長引腳為正極，短引腳為負(fù)極。除此以外，在外殼上標(biāo)有“-”，代表該引腳為負(fù)極。圖1-27極性電容符號圖1-28直插電解電容2.極性電容還有貼片鋁殼電解電容，也是常用的電解電容，在使用時采用貼片焊接工藝，電容無縫貼合在電路板上，電路板背面沒有任何焊點(diǎn)。貼片的電解電容如圖1-29所示，帶黑色標(biāo)記的為電容負(fù)極。除了直插和貼片的電解電容外，體積較小的貼片鉭電容也是較為常用的極性電容，常用在一些高密度組裝且內(nèi)部空間狹小的產(chǎn)品中。鉭電容的外形是一個長方體，如圖1-30所示，帶有條紋的一極是正極，另一極是負(fù)極。圖1-29貼片鋁殼電解電容圖1-30鉭電容2.極性電容鉭電容在其表面印有容值等參數(shù)，具體參數(shù)含義如圖1-31所示。圖的左邊條紋表示電容正極，絲印中上面一行中的227就是容值，表示22×107pF，A表示其耐壓值為10V，這是鉭電容最重要的參數(shù)。此外，鉭電容也往往用A、B、C、D、E、Y、V、J、P等來表示其封裝尺寸，具體可參考廠商資料。五、理論計算我們設(shè)計電路，以實(shí)現(xiàn)一些功能需求。這些功能往往是電荷能量的輸送和分配，或者是信號的傳輸和處理，這些都要通過電壓、電流和電功率來表征和實(shí)現(xiàn)。在電路分析中，人們關(guān)心電流、電壓和電功率等物理量，這些物理量之間的關(guān)系從微觀來看較為復(fù)雜。這里，我們只從應(yīng)用的角度簡單說明這些物理量之間的關(guān)系，不涉及一些基礎(chǔ)定理的物理和數(shù)學(xué)的分析、推導(dǎo)。1.歐姆定律的使用我們以發(fā)光二極管的使用為例來說明歐姆定律。發(fā)光二極管簡稱LED，是一種常用的發(fā)光器件，在元件兩端施加2V電壓即可釋放能量。1.歐姆定律的使用如圖1-32所示，一節(jié)干電池的電壓為1.5V，電壓不足導(dǎo)致LED無法發(fā)光；若串聯(lián)兩節(jié)干電池，電壓達(dá)到3V，經(jīng)過LED的電流過大，會損壞LED；若在電路中串聯(lián)電阻，使得LED兩端達(dá)到最佳工作電壓，LED將正常發(fā)光，順利工作?？梢钥闯?，選擇合適的電阻阻值能使電路正常工作，而要多大的電阻，則需要運(yùn)用歐姆定律來計算。1.歐姆定律的使用歐姆定律是指在同一電路中，經(jīng)過導(dǎo)體的電流與電壓成正比，與電阻成反比，三者的關(guān)系為：U=I×R（1-1）式中，U為電壓，R為阻值，I為電路中的電流。1.歐姆定律的使用這里假設(shè)通過LED的電流為20mA，求解電阻阻值的過程如下：（1）電池電壓為3V，LED兩端電壓為2V，則電阻兩端電壓為UR=U-ULED=3V-2V=1V。（2）電流單位換算：20mA=0.02A（3）電阻阻值R=U/I=1/0.02A=50Ω歐姆定律是電路分析中最常用的基本定理之一，其揭示了電路中一些最基礎(chǔ)的現(xiàn)象，電路中很多復(fù)雜計算都以此為基礎(chǔ)。2.消耗功率和額定功率電路設(shè)計中，對能量的計算要求非常高，電路的能耗、元件的選擇、功能的實(shí)現(xiàn)都需要對電路能量有較為準(zhǔn)確的計算。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律，能量不會憑空出現(xiàn)，也不會憑空消失，但是不同能量之間可以相互轉(zhuǎn)移。同樣地，LED、電阻等器件工作時，需要消耗電能。消耗功率就是度量元件單位時間內(nèi)消耗了多少能量，常用大寫字母P表示，單位為瓦特（W）。在電路中，功率和電壓、電流的關(guān)系式為：

P=I×U（1-2）2.消耗功率和額定功率例如，有一個10Ω的電阻，電源電壓為20V，該電路中無其他元件，關(guān)于電阻消耗功率的求解步驟如下：（1）根據(jù)歐姆定律，經(jīng)過該電阻的電流為I=U/R=20/10=2(A)（2）根據(jù)公式計算可得電阻消耗功率P=2×20=40(W)我們可以根據(jù)歐姆定律推導(dǎo)得到一些常用的計算式，如：

P=I×U=I2×R=U2/R（1-3）當(dāng)已知電阻兩端電壓、電阻、電流中任意兩個參數(shù)時，便可求出電阻的消耗功率。2.消耗功率和額定功率一般情況下，電阻會將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)消耗功率過高時，可能會導(dǎo)致電阻被熔斷。因此，電阻的額定功率就是其在正常工作時的功率。為了安全考慮，其他元件甚至電器都會標(biāo)注明確的額定功率，當(dāng)電路設(shè)計時選擇的所有器件都不超過其標(biāo)稱的額定功率時，電路才能正常工作，否則有可能燒毀器件。3.電阻的串聯(lián)和并聯(lián)為了滿足設(shè)計需求，電路中元件的連接方式主要分為兩種：串聯(lián)和并聯(lián)。圖1-31為電阻的串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)是將元件首尾相連，而并聯(lián)則是首首連接，尾尾相連。當(dāng)多個電阻器連接時，串聯(lián)和并聯(lián)的合并阻值會發(fā)生變化，合并阻值R的關(guān)系式如下：串聯(lián)：R=R1+R2+…+Rn并聯(lián)：1/R=1/R1+1/R2+…+1/Rn（a）串聯(lián)連接

（b）并聯(lián)連接3.電阻的串聯(lián)和并聯(lián)根據(jù)以上公式，可計算上圖中的合并電阻值：串聯(lián)：R總=R1+R2=20+60=80(Ω)并聯(lián)：1/R總=1/R3+1/R4=1/20+1/60=1/15所以R總=15Ω。通過該例可知，串聯(lián)電阻越多，合并電阻值越大；并聯(lián)電阻越多，合并電阻值反而越小。4.電容的串聯(lián)和并聯(lián)基本在所有電路中，都會使用電容，其作用也多種多樣，如濾波、充放電等。電容串聯(lián)或并聯(lián)時，效果也各不相同，多個電容組合使用時，其合并電容值如下：串聯(lián)時：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn并聯(lián)時：C=C1+C2+…+Cn（a）串聯(lián)連接

（b）并聯(lián)連接圖1-32電容的串聯(lián)和并聯(lián)4.電容的串聯(lián)和并聯(lián)與電阻不同，多個電容串聯(lián)時，容量為所有電容量的倒數(shù)和，而耐壓值為所有電容的耐壓和。如圖1-32(a)所示，C1的電容量為10μF，耐壓50V，C2的電容量為40μF，耐壓25V，則串聯(lián)后的電容值為8μF，耐壓75V。多個電容并聯(lián)后，容量是所有電容量之和，而耐壓是所有電容中的最低耐壓。如圖1-32(b)所示，C3的電容量為10μF，耐壓50V，C4的電容量為20μF，耐壓25V，則串聯(lián)后的電容值為30μF，耐壓25V?？梢钥闯?，多個電容串聯(lián)會減少容值，提高耐壓值，而并聯(lián)會增加容值，降低耐壓值。4.電容的串聯(lián)和并聯(lián)而在實(shí)際應(yīng)用中，串聯(lián)電容的使用情況較少，更常用并聯(lián)電容以達(dá)到濾波的作用。為了能夠獲得較好的效果，一般濾波所用的電容的大小會相差很多。例如，可以讓4.7μF、0.1μF、0.001μF三個電容并聯(lián)，4.7μF可以濾除低頻干擾，0.1μF可以濾除1～50MHz干擾，0.001μF會對濾除50MHz以上的干擾有較好的效果，如圖1-33所示。5.阻容充放電電路在電路中常會見到RC充放電路，這是電阻和電容結(jié)合應(yīng)用的一種基礎(chǔ)電路，如圖1-34所示.圖1-34中，當(dāng)開關(guān)SA打至A點(diǎn)時，電容C1中沒有電荷量，其兩端電壓為0V，若將開關(guān)從A打至C，電源E會通過R1向電容充電，由于在接通的瞬間，電容的電壓為0V，此時電流為E/R1。但是隨著充電的過程，電容C1兩端的電壓逐漸增大，此時R1處的電壓為E-VC1，電流則變?yōu)椋‥-VC1）/R1，隨著電容所存儲的電荷越來越多，兩端電壓逐漸增大，R1兩端的電壓逐漸變小，電流也會越來越小，VC1上升的速度也越來越慢，當(dāng)VC1=E時，充電結(jié)束。5.阻容充放電電路上圖電路充電過程中，電容兩端的電壓和電流公式如（1-4）和（1-5）。由此可以看出，電容量與電流在充電過程中按指數(shù)變化，具體的快慢是取決于時間常數(shù)t/(RC)，其中，R的單位為歐姆，C的單位為法拉，t/(RC)的單位為秒(s)。同樣地，如果將開關(guān)SA從C打到A，即充電結(jié)束后放電，其變化也遵循指數(shù)規(guī)律。課堂思考在一個電路中，如果希望使用充電過程來測量電容器的價值，應(yīng)該如何操作？項目1電路基礎(chǔ)元件的使用

任務(wù)3二極管的使用任務(wù)描述電路設(shè)計中會用到很多二極管，本任務(wù)幫助讀者了解二極管的原理，掌握二極管的基本參數(shù)，包括最大反向電壓、最大正向電流、正向壓降等，幫助讀者學(xué)習(xí)不同種類二極管在電路中的作用和應(yīng)用場景。通過實(shí)驗方式，實(shí)際搭建并測試二極管電路的效果，加深對二極管使用的理解和掌握能力。知識儲備

一、二極管概述人們在1884年就發(fā)現(xiàn)二極真空管具有整流特性和愛迪生效應(yīng)，當(dāng)時主要使用多結(jié)晶半導(dǎo)體制作二極管。隨著技術(shù)的提升，目前二極管多用單結(jié)晶半導(dǎo)體材料生產(chǎn)，主要是硅或鍺，其中，硅材料具有高耐熱性，且不易損壞，所以硅材料應(yīng)用更多。一、二極管概述普通整流二極管是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成PN結(jié)形式。二極管有極性之分，其中P型半導(dǎo)體所引出的電極為正極，N型半導(dǎo)體所引出的電極為負(fù)極，其結(jié)構(gòu)和電路圖符號如圖1-35所示。

（a）二極管模式圖（b）二極管記號圖一、二極管概述二極管兩極都為雜質(zhì)半導(dǎo)體，主要成分為硅或鍺晶體，但摻入的雜質(zhì)元素不同。N型半導(dǎo)體主要摻入的雜質(zhì)為磷或銻元素，其具有高電子濃度，通過自由電子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能；P型半導(dǎo)體主要摻入的雜質(zhì)為硼或銦元素，含有較高濃度的“空穴”（類似正電荷），可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。

知識補(bǔ)充在正常情況下，PN結(jié)是一個開路狀態(tài)。但當(dāng)把PN結(jié)用直流電源連接時，會出現(xiàn)PN結(jié)正向偏置和反向偏置兩種情況。在正向偏置下，PN結(jié)內(nèi)部會出現(xiàn)電子注入P區(qū)和空穴注入N區(qū)的現(xiàn)象，導(dǎo)致PN結(jié)的電阻降低；而在反向偏置下，PN結(jié)內(nèi)部的電荷分布會產(chǎn)生調(diào)制，導(dǎo)致PN結(jié)的電阻變大。

一、二極管概述二極管由于PN結(jié)的存在，具有整流作用，相當(dāng)于一個電流的單向開關(guān)，即電流只能從正極流向負(fù)極，而不能反方向流入，如圖1-36所示。

（a）順向（b）反向一、二極管概述1N4148就是一種典型的整流二極管，其正向最大工作電流可達(dá)75mA，正向?qū)〞r其壓降只有大約0.7V；而其反向峰值耐壓為100V，只要其反向電壓低于該值，則均能有效截止電流。如圖1-37所示，就是其玻璃封裝的直插型號。該二極管有兩個引腳，標(biāo)有黑色圓環(huán)的一端代表負(fù)極，另一端則為正極，常用于繼電器續(xù)流、隔離等，適用于小功率電路?！?N”表示器件為二極管，代表1個PN結(jié)，“4148”則表示型號。

二、二極管分類二極管種類眾多，外形各異，封裝方法也不盡相同?？傮w來說，二極管可以從以下5個方面進(jìn)行分類。1. 按頻率分類按頻率分類是最基本的分類方法，根據(jù)不同的二極管特性，可分為整流二極管、開關(guān)二極管、肖特基勢壘二極管、齊納二極管和用于高頻帶的高頻二極管，如圖1-38所示。其中，恒壓二極管主要用于保護(hù)電路，但隨著電路的精密化和微細(xì)化要求的提高，目前更常用高性能的瞬態(tài)電壓抑制二極管作為保護(hù)元件。2. 按結(jié)構(gòu)分類目前，根據(jù)二極管的結(jié)構(gòu)，二極管可分為平面形和臺面形，如圖1-39所示。（a）平面形

（b）臺面型圖1-39二極管構(gòu)造2. 按結(jié)構(gòu)分類平面型是半導(dǎo)體構(gòu)造最常用的方法，類似于“凹”型，在硅基板上形成氧化膜，然后中間開孔，擴(kuò)散雜質(zhì)，如圖1-39（a）所示。臺面型具有高耐壓的特性，類似于“凸”型，這使得逆電壓容易增大，逆電流也增大，因此多用于整流二極管，如圖1-39(b)所示。2. 按結(jié)構(gòu)分類按二極管的結(jié)構(gòu)分類如圖1-40所示。3. 按正向電流分類該方法主要根據(jù)二極管正向電流的大小進(jìn)行分類，若正向電流小于1A，則稱為小信號二極管，否則，稱為中功率/大功率二極管（如圖1-41所示）。4. 按集成度分類根據(jù)是否將多個二極管進(jìn)行集聚，主要分為二極管和二極管陣列（如圖1-42所示）。5. 按形狀分類該方法主要是根據(jù)實(shí)際封裝的形狀進(jìn)行分類，主要分為插腳型和貼片型。直插型二極管如圖左所示。貼片型二極管如圖右所示。二、二極管分類二極管類型很多，無論是直插還是貼片，都有多種形態(tài)封裝，很難僅從形狀判斷元件是否為二極管，讀者可查閱相關(guān)資料做進(jìn)一步的了解。三、常見二極管類型1.整流二極管整流二極管的結(jié)構(gòu)和符號如圖1-46所示。整流二極管用于電流整流，可對電源的輸入端起到整流作用，容易獲得1A以上、400V/600V的高耐壓。

1.整流二極管整流二極管可對商用頻率的交流電進(jìn)行整流，其目的是將交流電轉(zhuǎn)為直流電，從而獲得高電壓、高電流。根據(jù)不同的使用頻率、條件和轉(zhuǎn)換效率，整流二極管可用于制作低正向電壓、低噪等產(chǎn)品。整流二極管的作用如圖1-47所示。

1.整流二極管在常見的單相橋式整流電路中，四個整流二極管被連接成一個橋式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更高效的整流，如圖1-48所示。

2.開關(guān)二極管開關(guān)二極管的結(jié)構(gòu)和符號如圖1-49所示。

2.開關(guān)二極管開關(guān)二極管可用于設(shè)備的開關(guān)，只有向該二極管施加正向電壓時，才有電流，否則電流將無法通過，如圖1-50所示。該類二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為完全關(guān)閉狀態(tài)所需的時間短，即反向恢復(fù)時間短。一般來說，關(guān)閉設(shè)備元件是無法瞬間停止的，會有反向電流流通，漏電電流越大，對設(shè)備元件也越易產(chǎn)生損耗。因此，反向恢復(fù)時間越短，越能實(shí)現(xiàn)低損耗、高速開關(guān)。

2.開關(guān)二極管

2.開關(guān)二極管需要注意的是，整流二極管和開關(guān)二極管之間具有較大差異，具體如圖1-51所示。圖中藍(lán)色曲線為開關(guān)二極管的特性曲線，黑色曲線則是整流二極管的曲線，可以看到兩種二極管反向恢復(fù)時間的差異，開關(guān)二極管的反向恢復(fù)時間極短。

3.肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD）的結(jié)構(gòu)和符號如圖1-52所示。

3.肖特基勢壘二極管與一般二極管不同，肖特基勢壘二極管將金屬與半導(dǎo)體結(jié)合來發(fā)揮其特性，有正向電壓低、開關(guān)迅速的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)使用的金屬不同，肖特基勢壘二極管可用于制造低正向電壓型、低漏電流型產(chǎn)品。但其漏電流大，易引起熱失控，即當(dāng)正向電流變大時，肖特基勢壘二極管會發(fā)熱，從而致使漏電流IR變大，環(huán)境溫度上升。若熱設(shè)計不合理，發(fā)熱速度大于散熱速度，肖特基勢壘二極管會持續(xù)發(fā)熱，漏電流也持續(xù)增加，最終損壞元件，如圖1-53所示。

3.肖特基勢壘二極管當(dāng)電流通過時，普通二極管會產(chǎn)生0.7-1.7V的電壓降，但是肖特基勢壘二極管的電壓降僅為0.15-0.45V，大大提升了系統(tǒng)效率。同樣地，特基二極管與一般整流二極管之間也存在差異，具體如圖1-54所示。

3.肖特基勢壘二極管但是，肖特基勢壘二極管與一般整流二極管最大的差異在于反向恢復(fù)時間。一般整流二極管的時間為幾百納秒，即使是高速二極管，也會低于100納秒，同時會產(chǎn)生干擾噪聲。而小信號的肖特基勢壘二極管的切換時間約為幾十皮秒，大容量的特殊肖特基勢壘二極管也在皮秒級別，因此可稱肖特基勢壘二極管沒有反向恢復(fù)時間，無反相電流問題，可立即切換。

4.齊納（恒壓）二極管齊納二極管（ZenerDiode）的結(jié)構(gòu)和符號如圖1-55所示。

4.齊納（恒壓）二極管齊納二極管又稱恒壓二極管，顧名思義，恒壓二極管主要用于恒定電壓，盡管電流變化，但是電壓不變，可用于保護(hù)元件，避免集成電路芯片因浪涌電流和靜電而造成損壞。與一般二極管不同的是，齊納二極管是反向使用的，反向擊穿電壓稱為齊納電壓(VZ)，此時的電流值稱為齊納電流(IZ)，具體工作方式如圖1-56所示。

5.TVS二極管TVS二極管又稱瞬態(tài)抑制二極管，即當(dāng)電路在瞬間受到高能量沖擊的時候，能吸收瞬間大電流和高電壓鉗位，從而保護(hù)電路或設(shè)備。因此，其具有浪涌吸收能力，且響應(yīng)十分迅速，可達(dá)亞納秒級。

5.TVS二極管根據(jù)不同的電路，TVS二極管的使用也不相同。TVS二極管可分為單向或雙向，前者常用于直流電路，后者多用于交流電路。將需要保護(hù)的電路與該二極管并聯(lián)，若瞬時電壓超過正常工作電壓，TVS二極管會向瞬時電流提供超低電阻通路，從而避免設(shè)備的損壞，這種現(xiàn)象稱為雪崩效用。由此可見，TVS二極管適用于對靜電釋放（ESD）敏感的電路以及過壓電路，如圖1-57所示，為起到保護(hù)電路作用，單向TVS管在使用時，其極性要與電源輸入極性需相反。TVS有雙向和單向的，符號也有所不同，如圖1-58所示。

5.TVS二極管

5.TVS二極管需要注意的是，TVS二極管與穩(wěn)壓二極管有以下相同點(diǎn)：（1）符號封裝。二者的電路符號類似，封裝也差異不大，有時甚至難以分辨；（2）電路接法。二者都是反向接入電路，根據(jù)PN結(jié)的雪崩效應(yīng)，均有反向擊穿的臨界電壓，從而起到穩(wěn)壓作用。

5.TVS二極管但是二者之間又存在如下不同點(diǎn)：（1）穩(wěn)壓方式。穩(wěn)壓二極管主要是將輸入電壓固定，而TVS二極管則更注重于防止瞬間高壓對電路造成的影響。（2）響應(yīng)時間。穩(wěn)壓二極管對相應(yīng)時間無要求，更關(guān)注穩(wěn)壓值。但是TVS二極管由于需要抑制瞬時的高能量，因此要求在短時間內(nèi)響應(yīng)，以吸收能量，保護(hù)電路；（3）功率大小。常見的穩(wěn)壓二極管的功率大多為1W、2W等，主要由其耐熱能力決定，否則二極管會過于發(fā)燙。而TVS二極管更注重于瞬時的功率，即面對瞬間的高電壓和高電流，同樣需要高功率，但其維持的時間只需很短。

6.發(fā)光二極管發(fā)光二極管又稱為LED，最早使用氮化鎵制作了藍(lán)色LED，隨著技術(shù)的發(fā)展，白色LED也被制造出來。同樣地，LED是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而成的，N型半導(dǎo)體帶有負(fù)電子，P型則帶有正電的“空穴”。當(dāng)施加正向電壓時，電子和空穴會結(jié)合產(chǎn)生光能量，如圖1-59所示。相比將電能轉(zhuǎn)為熱能再轉(zhuǎn)為光能，LED直接將電能轉(zhuǎn)為光能，具有更高的效率。6.發(fā)光二極管根據(jù)不同的用途，可選擇燈泡型（引線型）和芯片型（表面貼裝型）的LED，如圖1-60所示。6.發(fā)光二極管目前，市場上有多種顏色的LED可供選擇，如圖1-61所示，其中白色LED在照明等領(lǐng)域多有應(yīng)用，其價格也較高。不同顏色LED的電路符號是相同的，如圖1-62所示。

圖1-61各種色的LED實(shí)物圖1-62LED符號6.發(fā)光二極管LED的直徑不盡相同，例如有直徑為3mm或5mm的，不同顏色的LED工作電壓也并不相同，見表1-4。但是，其必須串聯(lián)電阻才可使用，否則易造成燈泡的損壞，大大減少LED的壽命。盡管LED的正向工作電流一般為2～20mA，但建議將電流控制在5~10mA。同時，電流越大，燈泡也就越亮。發(fā)光顏色紅黃綠白正向工作電壓典型值（單位：V）1.8~2.01.9~2.12.0~2.23.0~3.3課堂思考二極管封裝有哪些常見的形狀？如何判斷二極管的正負(fù)極？項目1電路基礎(chǔ)元件的使用

任務(wù)4三極管的使用任務(wù)描述三極管是一種常用的電子元件，可用于放大信號、開關(guān)電路等。本任務(wù)通過介紹三極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，讓讀者了解三極管的放大作用和放大倍數(shù)的計算方法，認(rèn)識三極管的開關(guān)特性和應(yīng)用，并通過簡單實(shí)驗驗證三極管的開關(guān)特性。知識儲備

一、晶體管概述1948年晶體管的發(fā)明給電子工業(yè)界帶來了巨大的變革，使電子技術(shù)急速發(fā)展。最初的晶體管的制作材料為鍺，但由于其耐熱性能較差，僅在80℃便易損壞，因此，目前晶體管多使用硅材質(zhì)，其所承受的溫度可達(dá)180℃。盡管目前談及晶體管，多指晶體三極管，但是嚴(yán)格來說，晶體管是使用半導(dǎo)體制作的元件，包括各種二極管、三極管、晶閘管等。一、晶體管概述晶體三極管主要分為雙極性晶體管和場效應(yīng)晶體管。前者通過將N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合，內(nèi)部有兩個PN結(jié)，在外部組成了基極(B)、集電極(C)和發(fā)射極(E)，其中基極在電流遠(yuǎn)小于其他兩極的情況下，可以控制集電極和發(fā)射極電流的大小，實(shí)現(xiàn)放大功能。后者晶體管三極的名稱分別為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。由于雙極性晶體管有三個電極，因此其使用方式也有三種：（1）發(fā)射極接地，即共射放大；（2）基極接地，即共基放大；（3）集電極接地，即共集放大。一、晶體管概述晶體管主要有兩個作用：開關(guān)和增幅。對于計算機(jī)中常見的數(shù)字信號，晶體管則起著0和1的開關(guān)作用。若接收的是模擬信號，則晶體管可以在不改變輸入信號波形的情況下，通過增幅作用將微弱信號放大。例如晶體管應(yīng)用在收音機(jī)中，可以使音響共鳴。目前常見的集成電路芯片和大規(guī)模集成電路，本質(zhì)上就是集結(jié)大量晶體管，利用其增幅和開關(guān)作用。一、晶體管概述如圖1-63所示，晶體管類似于自來水管道，基極類似閥門，集電極類似水龍頭，發(fā)射極則類似配管，將基極的輸入信號當(dāng)作外力，通過控制閥門達(dá)到控制水龍頭、調(diào)節(jié)釋放水量（集電極電流）的目的。一、晶體管概述對于增幅作用的原理，如圖1-64所示，輸入電壓和偏壓在基極與發(fā)射極之間會形成電壓VBE，電流IB與該電壓存在比例關(guān)系，IC與IB同樣有著倍數(shù)關(guān)系，即晶體管的直流電流增幅率。當(dāng)電流IC流過電阻RL，根據(jù)歐姆定律，電阻RL兩端會存在ICxRL的電壓。因此，輸入電壓e的最終增幅為IC*RL。一、晶體管概述二、三極管分類從廣義上來說，三極管的類型眾多，如圖1-65所示。二、三極管分類但是從狹義上來說，三極管主要是指最為基礎(chǔ)和通用的雙極型三極管，其別稱也很多，具體如圖1-66所示。二、三極管分類三極管的極性可分為兩類：NPN型與PNP型。其電路符號如圖1-67所示。圖中發(fā)射極的箭頭代表電流的方向，NPN型三極管的電流從基極指向發(fā)射極，而PNP型三極管的電流則從發(fā)射極指向基極，與NPN型恰好相反。二、三極管分類對于不同類型的三極管，其電流方向也并不相同。設(shè)IB為基極電流，IC為集電極電流，IE為發(fā)射極電流，NPN型與PNP型兩種三極管的電流流向如圖1-68所示。二、三極管分類三種電流之間的關(guān)系如下：其中，β為三極管電流的放大倍數(shù)。由此可以看出，集電極電流與基極電流呈現(xiàn)β倍的關(guān)系。另外，三種電流中，IE最大，IB最小，所以，IE與IC相差不大，但都遠(yuǎn)大于IB。因此，通過基極的電流IB經(jīng)過晶體管可放大至IE或IC，從而具有電流放大的功能。二、三極管分類盡管NPN型和PNP型三極管都可使用硅或鍺材料制作，但目前市面上，多用硅制作NPN型三極管，使用鍺制作PNP型三極管。二、三極管分類進(jìn)一步地，三極管有三種工作狀態(tài)，分別如下：（1）截止?fàn)顟B(tài)。此狀態(tài)下三極管相當(dāng)于開路狀態(tài)。當(dāng)IB、IE和IC的值為0，或者非常小，又或者集電極和發(fā)射極之間的內(nèi)阻很大時，可以判斷三極管已處于截止?fàn)顟B(tài)。二、三極管分類（2）放大狀態(tài)。由上述公式（1-6）和（1-7）可知，當(dāng)IB增大時，IC也會增大。在放大倍數(shù)β不變的情況下，如果IB增長幅度小，IC卻大幅度增大，即微小的基極電流可控制集電極和發(fā)射極的電流大小與內(nèi)阻，則稱三極管進(jìn)入放大狀態(tài)。（3）飽和狀態(tài)。在三極管處于放大狀態(tài)的前提下，基極電流若大幅度增大，會進(jìn)入飽和狀態(tài)。同時，放大倍數(shù)β開始下降，飽和度越高，β值越小，甚至小于1。另外，基極無法控制另外兩個電極，三極管也再無放大能力，此時，三極管就相當(dāng)于開關(guān)中的“開”狀態(tài)。二、三極管分類需要注意的是，在開關(guān)電路中，三極管會從截止?fàn)顟B(tài)迅速轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài)，或從飽和狀態(tài)立刻進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，中間無放大狀態(tài)過渡。三極管輸出特性曲線如圖1-69所示：知識補(bǔ)充在截止?fàn)顟B(tài)下，三極管的基極電壓較低，使得集電極和發(fā)射極之間的電流非常小。這相當(dāng)于一個開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，不允許電流通過三極管。而在飽和狀態(tài)下，三極管的基極電壓較高，允許大量電流從集電極流入發(fā)射極。這相當(dāng)于一個開關(guān)處于打開狀態(tài)，允許電流通過三極管。在放大器中，三極管用于增強(qiáng)輸入信號的幅度，以便更好地驅(qū)動負(fù)載。而在開關(guān)電路中，三極管則被用于控制電路中的電流流動，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。二、三極管分類目前，市場上常用的90**系列三極管有9011～9018等型號。以9013為例，外形和引腳排列如圖1-70所示，該晶體管功率較小，從平面一端面向自己，從左至右，三個管腳分別為發(fā)射極、基極、集電極。但是，其他型號三極管的引腳排列順序與90**系列并不一致，盡管封裝或外觀也許與90**系列一樣，但依舊需要查閱資料或通過實(shí)測來確定引腳。二、三極管分類不同90**系列型號的三極管，其功能也不同。另外，還有8550（PNP）和8050（NPN）兩種型號也經(jīng)常有所應(yīng)用。這些三極管的封裝材料為TO-92塑料，具體主要參數(shù)見表1-5。不同類型的三極管用途多種多樣，基本涵蓋了小功率三極管的常用功能，不同廠家在生產(chǎn)的時候，會標(biāo)有字母“C”“S”等前綴，以及“C”“H”等后綴，后綴字母一般表明放大倍數(shù)的范圍。但需要注意的是，盡管后綴相同，但是不同類型的三極管所對應(yīng)的放大倍數(shù)卻并不相同，具體范圍應(yīng)查閱資料確定。二、三極管分類表1-5常用9011～9018、8050、8550三極管的基本參數(shù)三、三極管檢測任務(wù)1已經(jīng)介紹一種確定三極管極性的方法，此處介紹第二種方法：使用指針式萬用表的電阻檔來進(jìn)行判別。總體分為兩個步驟：（1）確定基極。若三極管為NPN型，先假設(shè)一個管腳為基極，將黑表筆與之接觸，紅表筆接另外兩極，如果測得的電阻值為幾百至幾千歐等，但是將紅黑表筆對調(diào)，電阻達(dá)到幾百千歐以上，那么先前假設(shè)的管腳則為基極。而對于PNP型三極管來說，情況相反，紅表筆接基極。此方法還可以用于測量三極管的管型以及內(nèi)部的PV結(jié)是否完好。三、三極管檢測（2）區(qū)分集電極與發(fā)射極。假設(shè)剩余的兩個管腳，其中一個為集電極，另一個為發(fā)射極，手指分別捏住兩極，代替基極電阻。若為NPN型三極管，黑表筆接觸假設(shè)的集電極，紅表筆接觸假設(shè)的發(fā)射極；若為PNP型三極管，則相反。然后對調(diào)紅黑表筆，觀察并比較兩次指針偏轉(zhuǎn)的角度，角度大的那一次，表明假設(shè)正確，即黑表筆接觸的為集電極，紅表筆接觸的為發(fā)射極。三、三極管檢測可參考圖1-71理解：四、三極管電路當(dāng)三極管作為開關(guān)使用時，NPN型與PNP型三極管的功能各不相同，前者的集電極接VCC，后者的集電極則接地的引線，如圖1-72所示。當(dāng)晶體管斷開時，處于高阻態(tài)，閉合時則處于低阻態(tài)。通常，為了保護(hù)電路和元件，使用NPN型二極管時，需要增大電阻值；而使用PNP型二極管時，需要降低電阻值。三、三極管檢測但實(shí)際中需要避免錯誤接法，如圖1-73所示。三、三極管檢測三極管在放大電路中，有三種基本接法，如圖1-74所示。（1）共發(fā)射極接法。從基極輸入信號，由集電極輸出電壓和電流，二者增益均大于1，輸出電阻與集電極的電阻相關(guān)，適用做低頻多級放大電路的中間級。三、三極管檢測（2）共集電極接法。從基極輸入信號，由發(fā)射極輸出，僅放大電流，無法放大電壓。輸入電阻最高，但輸出電阻最小，具有較好的頻率特性，可用做輸入級、輸出級或緩沖級。三、三極管檢測（3）共基極接法。從基極輸入信號，由集電極輸出，僅放大電壓，無放大電流作用，輸入電阻最小，輸出電阻同樣與集電極相關(guān)，具有較好的高頻特性，常用于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗等電路。三、三極管檢測三極管用作開關(guān)，組成邏輯電路時，電路連接如圖所示。（1）非門（NOT）。三、三極管檢測（2）與門（AND）。三、三極管檢測（3）或門（OR）。三、三極管檢測（4）與非門（NAND）三、三極管檢測（5）或非門（NOR）課堂思考邏輯門往往由多個三極管構(gòu)成。請根據(jù)圖1-75～圖1-79的門電路，解釋其中每個三極管的作用和工作原理，并說明該電路的輸入輸出特性。項目1電路基礎(chǔ)元件的使用

任務(wù)5CMOS數(shù)字集成電路的使用任務(wù)描述CMOS技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字電路和計算機(jī)芯片設(shè)計的主流技術(shù)，理解和掌握CMOS技術(shù)下集成電路的基本原理、結(jié)構(gòu)和工作原理，是掌握現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本任務(wù)引導(dǎo)讀者從場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)入手，了解CMOS集成電路的工作原理；學(xué)習(xí)CMOS集成電路的制造工藝，認(rèn)識現(xiàn)代集成電路芯片的結(jié)構(gòu)和使用；通過一些簡單集成電路芯片的實(shí)驗，使讀者加深對以集成電路為核心的電路設(shè)計方式的理解，為后續(xù)隔離控制器的電路設(shè)計做好準(zhǔn)備。知識儲備

一、FET、MOS、CMOS的概念1.場效應(yīng)管1948年晶體管的發(fā)明給電子工業(yè)界帶來了巨大的變革，使電子技術(shù)急速發(fā)展。最初的晶體管的制作材料為鍺，但由于其耐熱性能較差，僅在80℃便易損壞，因此，目前晶體管多使用硅材質(zhì)，其所承受的溫度可達(dá)180℃。盡管目前談及晶體管，多指晶體三極管，但是嚴(yán)格來說，晶體管是使用半導(dǎo)體制作的元件，包括各種二極管、三極管、晶閘管等。1.場效應(yīng)管晶體三極管主要分為雙極性晶體管和場效應(yīng)晶體管。前者通過將N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合，內(nèi)部有兩個PN結(jié)，在外部組成了基極(B)、集電極(C)和發(fā)射極(E)，其中基極在電流遠(yuǎn)小于其他兩極的情況下，可以控制集電極和發(fā)射極電流的大小，實(shí)現(xiàn)放大功能。后者晶體管三極的名稱分別為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。由于雙極性晶體管有三個電極，因此其使用方式也有三種：（1）發(fā)射極接地，即共射放大；（2）基極接地，即共基放大；（3）集電極接地，即共集放大。一、晶體管概述場效應(yīng)管FET（FieldEffectTransistor）是較新型的半導(dǎo)體材料，利用電場效應(yīng)來控制晶體管的電流，因而得名。它的外型也是一個三極管，因此又稱場效應(yīng)三極管。它只有一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管，其輸出的電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。一、晶體管概述和三極管類似，場效應(yīng)管在使用過程中，要注意最大漏極電流、最大擊穿電壓、最大耗散功率。晶體管和場效應(yīng)管的對比如下：（1）場效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。（2）在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場效應(yīng)管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。（3）晶體管輸入阻抗小，場效應(yīng)管輸入阻抗大。（4）晶體管價格較場效應(yīng)管更低。（5）場效應(yīng)管驅(qū)動能力更大，常用于作為電源開關(guān)，以及應(yīng)用于大電流條件下的開關(guān)電路。2.場效應(yīng)管分類從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，場效應(yīng)管有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來劃分，它有結(jié)型場效應(yīng)三極管（JunctionFieldEffectTransistor，JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管(InsulatedGateFieldEffectTransistor，IGFET)。如圖1-80所示。2.場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）因有兩個PN結(jié)而得名，絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）則因柵極與其他電極完全絕緣而得名。由于絕緣柵型的柵極為金屬鋁，因此又稱為MOS（MetalOxideSemiconductor）管。JFET相對來說較少使用，MOS管使用較為普遍。3.場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極E、基極B、集電極C，它們的作用相似。結(jié)型場效應(yīng)管如圖1-81所示。3.場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號如圖1-82所示。3.場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號如圖1-83所示。4.MOS場效應(yīng)管FET是場效應(yīng)管的統(tǒng)稱，其中，MOSFET是最常見的FET類型之一。MOSFET是一種基于MOS（Metal-Oxide-Semiconductor），也就是金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)管，一般稱為MOS管。MOSFET可以分為P型MOSFET和N型MOSFET，它們的工作原理是不同的，如圖1-84所示。4.MOS場效應(yīng)管耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別在于耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時有導(dǎo)電溝道存在，而增強(qiáng)型MOS管只有在開啟后，才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道；兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS（柵極電壓）可以用正、零、負(fù)電壓控制導(dǎo)通，而增強(qiáng)型MOS管必須使得VGS>VGS（th）（柵極閾值電壓）才行。4.MOS場效應(yīng)管耗盡型MOS管在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)備開機(jī)時可能會誤觸發(fā)MOS管，導(dǎo)致整機(jī)失效；不易被控制，使得其應(yīng)用極少。因此，日常我們看到的NMOS、PMOS多為增強(qiáng)型MOS管。增強(qiáng)型MOS管中，PMOS雖然可以用于高端驅(qū)動，但由于其存在導(dǎo)通電阻大、價格貴、替換種類少等問題，因此通常還是使用NMOS替代。這也是市面上無論是應(yīng)用還是產(chǎn)品種類，增強(qiáng)型NMOS管最為常見的重要原因，尤其在開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(yīng)用中，一般都用NMOS管。4.MOS場效應(yīng)管MOS管共有3個腳：柵極G、漏極D、源極S。通常情況下，MOS管的襯底與S極在管子內(nèi)部是連接在一起的，而且，MOS管的D極和S極之間一般會有一個寄生二極管，所以常見的MOS管的符號如圖1-85所示。4.MOS場效應(yīng)管對于MOS管符號的辨認(rèn)：（1）G極(gate柵極)比較好認(rèn)；S極(source源極)，不論是P溝道還是N溝道，其引線都與中間襯底相連；D極(drain漏極)，不論是P溝道還是N溝道，其電極表示是單獨(dú)的引線。（2）箭頭指向G極的是N溝道，箭頭背向G極的是P溝道。（3）不論是N溝道還是P溝道MOS管，中間襯底的箭頭方向和寄生二極管的箭頭方向總是一致的，要么都由S指向D，要么都由D指向S。（4）MOS管連接時的電流方向與中間襯底的箭頭方向相反。NMOS是D極接輸入，S極接輸出；PMOS是S極接輸入，D極接輸出。4.MOS場效應(yīng)管MOS管的重要參數(shù)有類型（NMOS、PMOS）、封裝、耐壓VDS（器件在斷開狀態(tài)下漏極和源極所能承受的最大電壓）、飽和電流ID、導(dǎo)通阻抗RDS、柵極閾值電壓VGS(th)等。5.MOS管的開關(guān)作用MOS管具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓控制電流等特性，在電路中，可以用作放大器、電子開關(guān)等。MOS管做開關(guān)時，其條件是：N溝道導(dǎo)通時Ug>Us,Ugs>Ugs(th)時導(dǎo)通P溝道導(dǎo)通時Ug<Us,Ugs<Ugs(th)時導(dǎo)通5.MOS管的開關(guān)作用比如MOS管做電子開關(guān)，用來驅(qū)動LED，如圖1-86所示。5.MOS管的開關(guān)作用一般認(rèn)為MOS管導(dǎo)通是不需要電流的，只要UGS提供一定的電壓就可以導(dǎo)通了。5.MOS管的開關(guān)作用對于N溝道增強(qiáng)型MOS管，當(dāng)UGS大于一定值時就會導(dǎo)通。這里所說的“一定值”是指開啟電壓UGS(th)，N溝道增強(qiáng)型UGS(th)一般是2～4V，如圖1-87所示。5.MOS管的開關(guān)作用對于P溝道增強(qiáng)型MOS管，當(dāng)UGS小于一定值時就會導(dǎo)通，P溝道增強(qiáng)型UGS(th)一般是-2～-4V。PMOS管的開關(guān)作用如圖1-88所示。5.MOS管的開關(guān)作用當(dāng)柵極上的電壓低于某個閾值電壓時，PMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許電流從漏極向源極流動。當(dāng)柵極上的電壓高于閾值電壓時，導(dǎo)電通道關(guān)閉，不允許電流通過。因此，和NMOS管相比，PMOS管的開關(guān)行為是相反的。如果UGS達(dá)不到相應(yīng)的電壓值，MOS就無法導(dǎo)通，所以說MOS管是電壓控制型元件。5.MOS管的開關(guān)作用在MOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)里，G極與D極、S極實(shí)際上是有一層絕緣層二氧化硅進(jìn)行隔離的，這就相當(dāng)于存在一個電容器，如圖1-89所示。5.MOS管的開關(guān)作用這些寄生電容是無法避免的，電容的大小由MOS管的結(jié)構(gòu)、材料、所加的電壓決定。沒有電阻Rgs時，在G極接上5V控制信號，相當(dāng)于給寄生電容CGS充電，即使撤去G極上的控制電壓，G極上也有電容的電壓存在，所以MOS仍然是導(dǎo)通的。當(dāng)有G、S兩極有電阻RGS時，當(dāng)G極撤去5V信號，電阻Rgs可以把寄生電容Cgs上的電壓進(jìn)行釋放，所以MOS就截止了。所以，電路加入電阻RGS，可以對電容的電壓進(jìn)行及時的釋放，這樣有利于提高電路的可靠性，可以避免G極沒有控制信號時誤動作。課堂思考假設(shè)你需要設(shè)計一個需要高頻率開關(guān)的電路，你會選擇使用NPN三極管還是N溝道MOSFET？請分別說明使用這兩種器件的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。6.CMOSCMOS是ComplementaryMetalOxideSemiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的縮寫。在CMOS工藝制成的邏輯器件或單片機(jī)中，N型管與P型管往往是成對出現(xiàn)的。同時出現(xiàn)的這兩個MOS管，任何時候，只要一只導(dǎo)通，另一只則不導(dǎo)通(即“截止”或“關(guān)斷”)，所以稱為“互補(bǔ)型CMOS管”，如圖1-90所示。6.CMOS圖中，由于兩管柵極工作電壓極性相反，故將兩管柵極相連作為輸入端，兩個漏極相連作為輸出端，則兩管正好互為負(fù)載，處于互補(bǔ)工作狀態(tài)。兩管就像單刀雙擲開關(guān)一樣交替工作，構(gòu)成反相器。6.CMOS如圖1-91所示，用CMOS構(gòu)成了基本的與非門、或非門。6.CMOS以與非門為例，CMOS構(gòu)成與非門的結(jié)構(gòu)如圖1-92所示。6.CMOS以與非門為例CMOS制作過程如圖1-93和圖1-94所示。圖1-93CMOS制造工藝6.CMOS以與非門為例CMOS制作過程如圖1-93和圖1-94所示。圖1-94CMOS加工中的光刻6.CMOS圖1-93中，1-2步是光刻工藝的實(shí)施，需要進(jìn)行上百次，具體操作方式如圖1-94所示。1-10步主要是前端處理，也即如何做出場效應(yīng)管。11-12步會重復(fù)多次，屬于后端處理，后端處理主要是用來布線。一般一個高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片，都會被布線遮擋住。整個芯片最后的剖面如圖1-95所示。6.CMOS圖1-95芯片成型結(jié)構(gòu)知識補(bǔ)充光刻機(jī)是制造先進(jìn)微電子器件中的重要設(shè)備，其技術(shù)難點(diǎn)主要包括以下幾個方面：（1）分辨率：光刻機(jī)的分辨率要求越來越高。隨線寬的縮小，需要在光學(xué)設(shè)計、材料科學(xué)、圖形編輯等多個領(lǐng)域進(jìn)行極度深入和精細(xì)化的研究。（2）晶圓尺寸：目前行業(yè)對處理直徑巨大晶圓的需求帶來了更多的挑戰(zhàn)和技術(shù)難點(diǎn)，需要更高的對位精度和平整度。（3）光源技術(shù)：需要具備高功率、低波長、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，同時還需要滿足環(huán)保、節(jié)能等要求。（4）投影鏡頭和準(zhǔn)直系統(tǒng)：投影鏡頭需要滿足高分辨率、大視場角、強(qiáng)光學(xué)透射等要求。準(zhǔn)直系統(tǒng)需要將光線精確地聚焦到晶圓表面，同時還要保證能量均勻和具備抗干擾能力。（5）自動化技術(shù)：高度自動化的要求，包括晶圓對位、曝光、顯影、清洗等過程都需要實(shí)現(xiàn)自動化控制和管理。綜上所述，半導(dǎo)體芯片光刻機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)非常多，需要在光學(xué)、材料科學(xué)、圖形編輯、自動化控制等多個領(lǐng)域進(jìn)行深入研究和創(chuàng)新。二、CMOS數(shù)字集成電路1.TTL與CMOS集成電路目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)字電路是TTL電路和CMOS電路。1.TTL與CMOS集成電路（1）TTL電路。TTL電路以雙極型晶體管為開關(guān)元件，所以又稱雙極型集成電路。雙極型數(shù)字集成電路是利用電子和空穴兩種不同極性的載流子進(jìn)行電傳導(dǎo)的器件。它具