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参考教程：【电子元器件+模拟电路硬件零基础入门，mos管三极管、电阻电容电感、电子元件、CircuitSimulator】https://www.bilibili.com/video/BV14dTczJE4X?vd_source=d1be7a4fa41169e519ea11876b261491
一 电路基础
1.1 原⼦知识
1.1.1 原子
- 定义：化学反应中的最小粒子，保持着元素的基本化学性质。不同元素的原子种类不同。
- 结构：像一个极其微小的“太阳系”。
- 原子核：位于中心，体积很小但质量极大（占原子总质量的99.94%以上）。原子核由质子和中子紧密结合而成。
- 电子：在原子核外很大的空间里高速运动，质量非常轻（约为质子的1/1836），带负电。
| 粒子 | 电荷 | 相对质量 | 位置 | 作用 |
|---|---|---|---|---|
| 质子 | +1（正电） | 1 | 原子核内 | 定义元素种类。原子核中有几个质子，就决定了它是哪种元素（原子序数）。 |
| 中子 | 0（中性） | ≈1 (略重于质子) | 原子核内 | 稳定原子核。中子通过强核力帮助质子结合在一起，防止因正电相斥而飞散。同位素（同种元素的不同形态）就是由中子数不同造成的。 |
| 电子 | -1（负电） | 约1/1836 | 原子核外空间 | 决定化学性质。电子在化学反应中可以被得失或共享，从而形成化学键。正常情况下，原子中质子数 = 电子数，所以整个原子呈电中性。 |
原⼦是构成物质的最⼩单位，它由原⼦核和电⼦组成，其中原⼦核由质⼦和中⼦组成。
简易模型图
备注：此处提及原⼦结构，是为了给后续的：电流、电压、⼆极管、三极管等知识做铺垫，但也会忽略掉⼀些与电学⽆关的知识，⽐如：有些元素（氢的同位素氕）没有中⼦，再⽐如：中⼦和质⼦的⽐例关系，会对元素的放射性有⼀定影响等，这些知识不在课程中体现。
1.1.2 质子
- 质⼦带⼀个单位的正电荷，且质⼦数量决定着元素身份，改变了质⼦数量，也就改变了原⼦的类型。
1.1.3 中⼦
- 中⼦不带电，且中⼦对原⼦的影响远⼩于质⼦。
1.1.4 电子
电⼦带⼀个单位的负电荷，它围绕原⼦核做⽆规则的运动。
通常来说原⼦的质⼦数和电⼦数相等，其内部的正电荷与负电荷互相抵消，这时候原⼦呈电中性。
电⼦层：电⼦围绕原⼦核活动的范围。
最外层电⼦数为 8个时，通常是较稳定的状态。
不同电荷之间互相吸引，相同电荷之间互相排斥。
最外层的电⼦更容易脱离原⼦，因为它们与原⼦核的距离较远，受到的引⼒较弱。
每个电⼦层上最多可容纳的电⼦数为 ： 2n （n是电⼦层的编号），例如：
第⼀层（n=1）最多容纳： 2 * 1 = 2 个电⼦
第⼆层（n=2）最多容纳： 2 * 2 = 8 个电⼦
第三层（n=3）最多容纳： 2 * 3 = 18 个电⼦
1.2 电流
1.2.1 概念
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概念：电荷的定向移动，形成了电流，衡量电流的⼤⼩，要看单位时间内通过导体横截⾯的电荷量。
注意：电学上定义的『电流⽅向』是正电荷的流动的⽅向，这个概念在19世纪初就先被定义了，后来虽然发现了是电⼦在移动，但为了保持定义的统⼀性，『电流⽅向』仍然⽤正电荷的流动去定义，所以『电流⽅向』与『电⼦移动⽅向』是相反的。
1.2.2 单位
- 单位：安培(A)
- 1A 的含义：1秒钟内有 6.242*10 个单位电荷通过了导体横截⾯（电⼦、质⼦、都属于单位电荷）。
- 备注： 6.242*10 个单位电荷所带的电荷总量，为 1 库伦(C)。所以 1A 的含义也能这样描述： 在1秒钟内，有1库仑的电荷通过了导体的横截⾯。
1.2.3 单位换算
- 进位为1000，例如 1A = 1000mA ，常⽤的是： 安(A)、毫安(mA)
1.2.4 常⻅电器的⼯作电流
1.3 电场、电势、电势能
1.3.1 重⼒场、电场
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重⼒场：在地球周围存在，有质量的物体进⼊该区域后，会受到被拉向中⼼的⼒。
电场：在电荷周围存在，带电的粒⼦进⼊这个区域后，会受到吸引⼒或排斥⼒。
沿着电场线⽅向，电场的强度会逐渐减弱，且⽆论正电荷还是负电荷，⽆穷远处的电场强度为 0。
1.3.2 重⼒势能、电势能
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- 重⼒势能：描述物体在重⼒场中所具备的能量，与所处位置、物体质量，均有关。
- 电势能：描述带电粒⼦在电场中所具备的能量，与所处位置、粒⼦带电量，均有关。
- 左图中：桌⼦⾼度越⾼、⼩球质量越⼤，它所具备的重⼒势能就越⼤。
- 右图中：电场中试探电荷距离中⼼电荷距离越近、试探电荷所带电量越多，电势能就越⼤。
1.3.3 重⼒势、电势
1.4 电压
1.4.1 概念
- ⼜称电势差，是两点之间电势的差值，衡量电压的⼤⼩，要看两点电势差的⼤⼩。
1.4.2 单位
- 伏特( V )
- 1V 的含义是：电场 对 1库伦(C) 电荷，做了 1焦⽿(J) 的功。
1.4.3 单位换算
- 进位为1000，例如 1kV = 1000V
1.4.4 常⻅电源的电压
1.5 电阻
1.5.1 概念
- 材料或元器件对电流流动的阻碍程度。
1.5.2 单位
欧姆（简称欧），符号是Ω。
1Ω 的含义：给导体施加 1V 电压，此时如果导体的电流为1A，那这个导体的电阻就是1Ω。
1.5.3 单位换算
- 进位为1000，例如 1KΩ = 1000Ω
1.5.4 电阻决定式
R：电阻。
ρ：材料的电阻率，表示材料对电流的阻碍能⼒。
L：导体的⻓度。
A：导体的横截⾯积。
1.6 电路
1.6.1 概念
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- 电源：物理学中将提供电能的装置叫做电源。
- ⽤电器：将灯泡、电动机、等这类消耗电能的装置叫做⽤电器。
- 电路：电源、⽤电器，再加上导线、开关等，组就成了电流可以流过的路径，这就是电路
1.6.2 电路图
- 在绘制电路图时，为了绘制简单且⽅便研究，通常⽤图形符号来表示元件。
1.6.3 电路状态
1.7 欧姆定律
1.7.1 概念
- 导体中的电流，与导体两端的电压成正⽐，与导体的电阻成反⽐。
- 推导结论：在电阻不变的情况下，电压越⼤，电流也会越⼤。
1.7.2 直流电与交流电
直流电：有固定的正负极，且电流⽅向始终『不变』的电流，全称：Direct Current，简称DC
交流电： 电流⽅向随时间做『周期性变化』的电流，全称：Alternating Current，简称 AC。
交流电的电流⽅向⼀定做周期性变化，但电流⼤⼩不⼀定做周期性变化！
整流 ：交流（AC） → 直流（DC）
逆变 ：直流（DC） → 交流（AC）
备注：在⽣活中很多的电器，都是把交流变成直流后⼯作的，例如：电脑、⼿机、路由器等，因为直流电更加稳定，适合精密电路。
1.7.3 强电与弱电
弱电：电压⼀般较低，⾏业规定安全电压为不⾼于36V，弱电通常⽤于直流电路（3.3V、5V、12V）、弱电也能于信号传递，例如：⾳频和视频线路、⽹络线路、电话线等。
强电：电压⼀般很⾼，例如：220V 的家⽤电，1000V 及以上的⾼压电，强电常⽤于传递能量。
1.8 串联与并联
1.8.1 串联电路
1.8.2 并联电路
1.9 电路仿真软件
1.10 电功率
1.10.1 概念
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概念：⽤于衡量电流在单位时间内所做的功（⽤来表示⽤电器消耗电能快慢的物理量）。
单位：瓦特（简称瓦），符号是W。
单位换算：进位为1000，例如： 1kW = 1000W 。
1.10.2 瓦时 VS 千瓦时
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⼆者都是表示电能的⼀种单位。
- 瓦时：
瓦时是功率（W）与时间（h）的乘积， 即：瓦时 = 功率 × 时间。
⼀个 1W 的⽤电器，⼯作 1h ，它消耗的电量就是1瓦时（ 1Wh ）。
2. 千瓦时：
千瓦时是瓦时的千倍， 通常⽤于描述⼤型电⼒设备，如电表读数、新能源汽⻋等。
⼀个 1kW 的电器⼯作 1h ，它消耗的电量就是1千瓦时（ 1kWh ，俗称1度电）。
1.10.3 安时、毫安时
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⼆者都是描述电池容量的单位。
安时：表示该电池能以 1A 的电流持续⼯作 1h ，通常⽤于描述⼤容量的电池。
毫安时：安时的千分之⼀，通常⽤于描述⼩容量的电池。
例如：华为『Mate70 Pro』⼿机电池容量为 5700mAh ，充电宝的电池容量为 20000mAh ，有些时候我们也省略 h ，直接说：⼿机的电池容量和为 5700mA ，充电宝电池容量为： 20000mA 。
1.10.4 焦耳定律
- 电流通过导体产⽣的热量与电流的平⽅成正⽐，跟导体的电阻成正⽐，跟通电时间成正⽐。
- 单位：焦⽿(J)，简称焦
- 案例：⼀根 60Ω 的电阻丝接在 36V 的电源两端，在 5s 内共产⽣多少热量？
注意：电路通过导体时，如果电能全部转化为内能，⽽没有同时转化为其他形式的能量，那么电流产⽣的热量就等于消耗的电能，但实际上：只有纯电阻电路，才能把电能完全⽤于产⽣热量！
二 元器件基本知识
2.1 元器件封装方式
插件封装
贴片封装
大多是贴片封装，少数插件封装
- 51开发板
- 32开发板
2.2 采购
直流稳定电源：直流稳定电源的作用是：为电子设备提供“干净、可控、安全”的直流电，确保系统可靠运行和精准测试。
2.3 电阻器
WARNING
电阻器的理解：
- 电阻器是一种对电流产生阻碍作用的电子元件，它的核心功能是控制电路中的电流和电压。水暖系统
想象一个给房子供暖的水循环系统：
- 电池/电源 就像 水泵，提供压力（电压）让水流动。
- 导线 就像 水管，是水（电流）流动的通道。
- 电阻器 就像 水龙头或一个狭窄的水管段。
- 阻碍水流：当你关小水龙头（增大电阻），水流（电流）就变小了；开大水龙头（减小电阻），水流就变大。
- 产生压降：水流经过狭窄处，前方压力会降低。同样，电流经过电阻，电阻两端的电压也会降低。电阻就像一个“消耗电压的元件”。
- 能量转换：水在流经狭窄处时，摩擦会产生热量。电流在流经电阻时，电子碰撞也会产生热量，这就是电阻的发热效应。
核心公式：欧姆定律
这个水系统的规律，在电学中就是
V = I × R。
- V (电压)： 水泵的压力差，单位伏特。
- I (电流)： 水流的流量，单位安培。
- R (电阻)： 水龙头的“狭窄程度”，单位欧姆。
这个公式告诉我们三者的关系：在同样的电压下，电阻越大，电流就越小；要得到同样的电流，电阻越大，需要的电压就越高。
2.3.1 固定电阻
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固定电阻（Fixed Resistor）是最基础、最常见的电子元件之一，其核心特点是：阻值在制造完成后即固定不变（不随电压、电流、温度或时间显著变化，理想情况下为常数）。
- 限流（Current Limiting）
- 限制电路中的电流大小，保护敏感器件（如 LED、晶体管）。
- 例：串联一个 220Ω 电阻给 LED 供电，防止过流烧毁。
- 分压（Voltage Division）
- 与其它电阻组成分压电路，获取所需电压。
- 例：传感器信号调理、ADC 参考电压生成。
- 上拉/下拉（Pull-up / Pull-down）
- 确保数字输入引脚在无信号时处于确定电平（高或低），避免悬空干扰。
- 常用于微控制器 GPIO、I²C 总线等。
- 阻抗匹配（Impedance Matching）
- 减少信号反射，提高传输效率（在高频或长线通信中）。
- 偏置设置（Biasing）
- 为晶体管、运放等有源器件提供合适的工作点（静态工作点）。
- 终端匹配（Termination）
- 在通信线路末端接入电阻，消除信号振铃（如 RS-485、CAN 总线）。
- 常见类型
| 类型 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 碳膜电阻 | 成本低，噪声较大，精度一般（±5%） | 普通消费电子、电源电路 |
| 金属膜电阻 | 精度高（±1% 或更高），温漂小，噪声低 | 仪器仪表、精密电路 |
| 金属氧化膜电阻 | 耐高温、耐高压，功率较大 | 电源、工业设备 |
| 绕线电阻 | 功率大，精度高，但有电感 | 大电流负载、电流采样 |
| 贴片电阻（SMD） | 体积小，适合自动化贴装 | 手机、电脑、各类 PCB |
- 参数
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 标称阻值 | 如 1kΩ、10kΩ、100Ω |
| 允许偏差（精度） | ±1%、±5% 等（E24、E96 系列） |
| 额定功率 | 如 1/8W、1/4W、1W —— 超过会发热烧毁 |
| 温度系数（TCR） | 单位：ppm/°C，表示温度变化引起的阻值漂移 |
| 最大工作电压 | 高压下可能击穿（尤其高阻值电阻） |
WARNING
注意点：电阻的外观大小，和阻值没有必然联系，外观大小通常和功率有关。额定功率过载，温度过高
2.3.1.1 线绕电阻
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线绕电阻（Wirewound Resistor）是一种通过将高电阻率的合金电阻丝（如康铜、锰铜、镍铬合金等）的方法制成的固定电阻器。它在功率、精度和稳定性方面具有独特优势，适用于特定高性能场景。
- 电阻体：精密绕制在陶瓷、玻璃纤维或铝制骨架上的电阻丝。
- 封装：通常外覆绝缘釉层、硅涂层或金属外壳（带散热片），部分可灌封环氧树脂。
- 引脚：轴向引线（直插）或螺栓安装（大功率）。
- 本质：利用金属合金丝的固有电阻率实现阻值，物理结构稳定。
- 工艺
优点
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 高功率承受能力 | 可达数瓦至数百瓦（如 5W、10W、50W+），适合大电流场合 |
| 高精度 | 可做到 ±0.1%、±0.01% 甚至更高（用于标准电阻、测量仪器） |
| 低温漂（TCR） | 低至 ±5 ppm/°C（使用锰铜等材料），温度变化时阻值几乎不变 |
| 长期稳定性好 | 老化率低，适合长期工作的精密设备 |
| 耐高温 | 工作温度可达 200°C 以上（取决于封装材料） |
缺点
| 问题 | 原因 | 影响 |
|---|---|---|
| 存在寄生电感 | 电阻丝绕成线圈 → 形成电感 | ❌ 不适用于高频电路（如射频、高速数字信号） |
| 体积较大 | 相比贴片或碳膜电阻 | 不适合高密度 PCB 设计 |
| 成本较高 | 材料和工艺复杂 | 消费电子中较少使用 |
场景
| 领域 | 应用示例 |
|---|---|
| 电源系统 | 开关电源电流采样、负载电阻、浪涌抑制 |
| 工业控制 | 电机驱动制动电阻、变频器能耗制动 |
| 测试测量 | 标准电阻箱、万用表内部基准、校准设备 |
| 音频设备 | 功放输出级（低噪声、高可靠性） |
| 汽车电子 | 电池管理系统（BMS）电流检测 |
| 老化测试 | 作为假负载（Dummy Load）吸收功率 |
2.3.1.2 碳膜电阻
TIP
碳膜电阻（Carbon Film Resistor）是一种广泛应用的固定电阻器，因其成本低、性能稳定、制造工艺成熟，是消费类电子产品中最常见的电阻类型之一。
- 基体：陶瓷棒（绝缘、耐高温）
- 电阻层：在陶瓷棒表面高温分解烃类气体（如甲烷），沉积一层结晶碳膜
- 调节阻值：通过激光或机械方式在碳膜上切割出螺旋槽，改变导电路径长度
- 封装：外覆环氧树脂涂层，印有色环标识阻值
- 工艺
优点
| 优点 | 说明 |
|---|---|
| 成本低廉 | 原材料便宜，适合大规模生产 |
| 噪声较低 | 比碳合成电阻（实心电阻）噪声小 |
| 高频特性较好 | 寄生电感/电容小，适用于一般高频电路（如音频、射频前端） |
| 工作电压较高 | 可承受数百伏电压（适合电源电路） |
| 稳定性较好 | 在常温常湿环境下性能可靠 |
缺点
| 优点 | 说明 |
|---|---|
| 成本低廉 | 原材料便宜，适合大规模生产 |
| 噪声较低 | 比碳合成电阻（实心电阻）噪声小 |
| 高频特性较好 | 寄生电感/电容小，适用于一般高频电路（如音频、射频前端） |
| 工作电压较高 | 可承受数百伏电压（适合电源电路） |
| 稳定性较好 | 在常温常湿环境下性能可靠 |
应用场景
| 领域 | 应用示例 |
|---|---|
| 消费电子 | 手机充电器、电视、音响内部偏置、限流 |
| 电源电路 | 启动电阻、假负载、反馈分压 |
| 信号调理 | 音频耦合、滤波、上拉/下拉 |
| 教育实验 | 电子套件、基础电路教学 |
| 通用 PCB 设计 | 成本敏感型产品的首选电阻 |
2.3.1.3 金属膜电阻
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属膜电阻（Metal Film Resistor）是目前应用最广泛、综合性能最优的固定电阻类型之一，尤其在对精度、稳定性、噪声和温度特性有较高要求的电路中占据主导地位。
- 基体：高纯度陶瓷棒（绝缘、耐高温）
- 电阻层：在真空环境中，通过溅射或蒸发工艺将镍铬（NiCr）等合金沉积在陶瓷表面，形成一层致密的金属薄膜（厚度约几十纳米）
- 阻值调节：用激光精密切割螺旋槽，精确控制电阻值
- 封装：外覆环氧树脂保护层，印有色环或数字标识(5色环)
- 工艺
优点
| 特性 | 优势说明 |
|---|---|
| 高精度 | 常见 ±1%、±0.5%，甚至 ±0.1%（E96、E192 系列） |
| 低温漂（TCR） | 典型值 ±25 ～ ±100 ppm/°C（碳膜为 -200～-500 ppm），温度变化时阻值更稳定 |
| 低噪声 | 电流通过时产生的电噪声极小，适合音频、传感器、精密放大电路 |
| 长期稳定性好 | 老化率低（年漂移 <0.1%），适合长期运行设备 |
| 高频特性优良 | 寄生电感/电容小，可用于MHz级信号电路 |
| 体积小、一致性好 | 适合自动化贴装和高密度 PCB 设计 |
缺点
| 缺点 | 说明 |
|---|---|
| 成本略高于碳膜电阻 | 但差距已很小，大批量下几乎无感 |
| 功率一般不大 | 常见 1/8W ～ 1W，大功率需选金属氧化膜或线绕电阻 |
| 耐浪涌能力较弱 | 瞬间高压/大电流可能烧毁薄膜（不如绕线电阻 robust） |
场景
| 领域 | 应用示例 |
|---|---|
| 精密仪器 | 万用表、示波器、数据采集卡内部基准电阻 |
| 传感器信号调理 | 应变片、热电偶放大电路中的增益/偏置电阻 |
| 音频设备 | 前级放大、音调控制（低噪声关键！） |
| 通信模块 | 射频匹配、滤波器、ADC/DAC 外围电路 |
| 工业控制 | PLC、变送器、高可靠性控制系统 |
| 计算机与手机主板 | 电源管理、信号终端匹配 |
2.3.1.4 贴片电阻
TIP
贴片电阻（Surface Mount Resistor，简称 SMD 电阻 或 Chip Resistor）是专为表面贴装技术（SMT）设计的微型固定电阻，广泛应用于现代电子产品（如手机、电脑、可穿戴设备等）中，因其体积小、适合自动化生产、高频性能好而成为主流。
- 基体：高强度陶瓷（氧化铝）
- 电阻层：金属膜（NiCr 镍铬合金为主）或厚膜（钌酸盐浆料烧结）
- 电极：三层结构（内：银/钯；中：镍阻挡层；外：锡/铅或无铅焊料）
- 封装：无引脚，矩形片状，直接焊接在 PCB 表面
常见类型：
- 薄膜贴片电阻（Thin Film）→ 高精度、低温漂（用于仪器）
- 厚膜贴片电阻（Thick Film）→ 成本低、通用性强（90% 以上消费电子使用）
- 工艺
厚膜（主要针对功率⽽设计）：
- 厚度：通常在 100 微⽶左右。
- 精度：常⻅精度为 1% ~ 5% ，最⾼达到 0.1% 左右。
- 功率： 10mW ~ 10W 。
- TCR： 50ppm/℃ ~ 200ppm/℃ 。
- 抗氧化能⼒相对好⼀些。
- 适⽤于：⼀般消费电⼦、汽⻋电⼦、家电等领域。
- 厚膜电阻覆盖了 90%左右的消费类电⼦产品，应⽤⼗分⼴泛！
薄膜（主要针对精度⽽设计）：
- 厚度：通常在 0.1 微⽶左右。
- 精度：常⻅精度为 0.1% ~ 2% ，最⾼可达 0.01% 。
- 功率： 10mW ~ 3W 。
- TCR低： 5ppm/℃ ~ 50ppm/℃ 。
- 抗氧化能⼒不是很好。
- 适⽤于：⼀些精密电路（精密仪器、⾼端⾳响、测量设备等）
2.3.1.5 ⾦属箔电阻
TIP
金属箔电阻 是一种利用黏贴在陶瓷基片上的超薄合金箔（通常厚度在微米级别），通过光刻工艺蚀刻出特定图案，从而形成电阻元件的电子元器件。
- 工艺：把合⾦（镍铬合⾦等）与添加剂混合，做成厚度控制在⼏微⽶范围内的膜，涂在绝缘体上，随后刻蚀成不同的纹路来控制阻值。
精度极⾼：精度可达 ±0.001% 。
功率范围： 1/16W ~ 15W 左右。
成本很⾼： 100 个 135Ω ，精度 ±0.01% ，功率 600mW ，约
为 5700 元。
TCR极低： 1ppm/℃ ，特殊制造的可达 0.05ppm/℃
低噪声、耐静电、低感低容。
⾦属箔电阻是所有电阻中，精度和稳定性最好的电阻！
适⽤ 对可靠性要求极⾼的场景，例如：航空航天领域、军⼯领域、医学领域等。
2.3.2 可调电阻
TIP
可调电阻（Adjustable Resistor）是一类阻值可以在一定范围内手动或自动调节的电子元件，广泛用于电路调试、参数校准、音量/亮度控制等场景。
2.3.3 特种电阻
TIP
特种电阻（Specialty Resistors）是指具有特定物理、电气或环境响应特性的一类电阻器，其阻值会随外部条件（如温度、光照、电压、磁场、气体等）发生可预测的变化。它们不仅是“限流/分压”元件，更是传感器（Sensor）。