一、高频电路布线的十大绝招
1 多层板布线
高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须，也是降低干扰的有效手段。在PCB Layout阶段，合理的选择一定层数的印制板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，更好地实现就近接地，并有效地降低寄生电感和缩短信号的传输长度，同时还能大幅度地降低信号的交叉干扰等，所有这些方法都对高频电路的可靠性有利。有资料显示，同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB。
但是，同时也存在一个问题，PCB半层数越高，制造工艺越复杂，单位成本也就越高，这就要求我们在进行PCB Layout时，除了选择合适的层数的PCB板，还需要进行合理的元器件布局规划，并采用正确的布线规则来完成设计。
2 高速电子器件管脚间的引线弯折越少越好 高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折，可用45度折线或者圆弧转折。这种要求在低频电路中仅仅用于提高铜箔的固着强度，而在高频电路中，满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。3 高频电路器件管脚间的引线越短越好 信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的，高频的信号引线越长，它就越容易耦合到靠近它的元器件上去，所以对于诸如信号的时钟、晶振、DDR的数据、LVDS线、USB线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。4 高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好 所谓“引线的层间交替越少越好”是指元件连接过程中所用的过孔(Via)越少越好。据侧，一个过孔可带来约0.5pF的分布电容，减少过孔数能显著提高速度和减少数据出错的可能性。
5 注意信号线近距离平行走线引入的“串扰” 高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的“串扰”，串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现象。
由于高频信号沿着传输线是以电磁波的形式传输的，信号线会起到天线的作用，电磁场的能量会在传输线的周围发射，信号之间由于电磁场的相互耦合而产生的不期望的噪声信号称为串扰(Crosstalk)。PCB板层的参数、信号线的间距、驱动端和接收端的电气特性以及信号线端接方式对串扰都有一定的影响。所以为了减少高频信号的串扰，在布线的时候要求尽可能的做到以下几点：
- 在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条线之间插入一条地线或地平面，可以起到隔离的作用而减少串扰。当信号线周围的空间本身就存在时变的电磁场时，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅减少干扰。
- 在布线空间许可的前提下，加大相邻信号线间的间距，减小信号线的平行长度，时钟线尽量与关键信号线垂直而不要平行。如果同一层内的平行走线几乎无法避免，在相邻两个层，走线的方向务必却为相互垂直。
- 在数字电路中，通常的时钟信号都是边沿变化快的信号，对外串扰大。所以在设计中，时钟线宜用地线包围起来并多打地线孔来减少分布电容，从而减少串扰。对高频信号时钟尽量使用低电压差分时钟信号并包地方式，需要注意包地打孔的完整性。whao开发板商城测试设备www.143ai.com
- 闲置不用的输入端不要悬空，而是将其接地或接电源(电源在高频信号回路中也是地)，因为悬空的线有可能等效于发射天线，接地就能抑制发射。实践证明，用这种办法消除串扰有时能立即见效。
6 集成电路块的电源引脚增加高频退藕电容 每个集成电路块的电源引脚就近增一个高频退藕电容。增加电源引脚的高频退藕电容，可以有效地抑制电源引脚上的高频谐波形成干扰。7 高频数字信号的地线和模拟信号地线做隔离 模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流磁珠连接或者直接隔离并选择合适的地方单点互联。高频数字信号的地线的地电位一般是不一致的，两者直接常常存在一定的电压差，而且，高频数字信号的地线还常常带有非常丰富的高频信号的谐波分量，当直接连接数字信号地线和模拟信号地线时，高频信号的谐波就会通过地线耦合的方式对模拟信号进行干扰。所以通常情况下，对高频数字信号的地线和模拟信号的地线是要做隔离的，可以采用在合适位置单点互联的方式，或者采用高频扼流磁珠互联的方式。8 避免走线形成的环路 各类高频信号走线尽量不要形成环路，若无法避免则应使环路面积尽量小。9 必须保证良好的信号阻抗匹配 信号在传输的过程中，当阻抗不匹配的时候，信号就会在传输通道中发生信号的反射，反射会使合成信号形成过冲，导致信号在逻辑门限附近波动。
消除反射的根本办法是使传输信号的阻抗良好匹配，由于负载阻抗与传输线的特性阻抗相差越大反射也越大，所以应尽可能使信号传输线的特性阻抗与负载阻抗相等。同时还要注意PCB上的传输线不能出现突变或拐角，尽量保持传输线各点阻抗连续，否则在传输线各段之间也将会出现反射。
这就要求在进行高速PCB布线时，必须要遵守以下布线规则：
- USB布线规则。要求USB信号差分走线，线宽10mil，线距6mil，地线和信号线距6mil。
- HDMI布线规则。要求HDMI信号差分走线，线宽10mil，线距6mil，每两组HDMI差分信号对的间距超过20mil。
- LVDS布线规则。要求LVDS信号差分走线，线宽7mil，线距6mil，目的是控制HDMI的差分信号对阻抗为100+-15%欧姆
- DDR布线规则。DDR1走线要求信号尽量不走过孔，信号线等宽，线与线等距，走线必须满足2W原则，以减少信号间的串扰，对DDR2及以上的高速器件，还要求高频数据走线等长，以保证信号的阻抗匹配。
10 保持信号传输的完整性 保持信号传输的完整性，防止由于地线分割引起的“地弹现象”。
二、认识地弹（地噪声）
什么是地弹
1 地弹的概念
地弹、振铃、串扰、信号反射······这几个在信号完整性分析中是分析的重点对象。初学者一看：好高深！ 其实，感觉高深是因为你满天听到“地弹”二字，却到处找不到“地弹的真正原理”。 如果你认真读笔者的“噪声的起源”章节，其实你已经认识了地弹！ 地弹，就是地噪声！
2 为何叫地弹
既然是地噪声，为啥叫“地弹”？为什么既然是一样的东西，却换了个名称，害的我苦苦思索不得其解。
低频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电阻”，电路系统的电流都要流经地线而产生的电势差波动。
高频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电感”，电路系统的电流快速变化地经过这个“电感”时，“电感”两端激发出更强的电压扰动，形象的称为“地弹”。
地弹，一般对IC而言。因为芯片内部的“电路地”和芯片的“地引脚”实际上是用一根很细很细的金线连接起来的，所以这个金线电感较大，所以可能会导致芯片内部电路的地和现实PCB的地有强烈的“电压差波动”——很强的地弹现象！这个地弹不像PCB板那样，可以通过增加去耦电容减弱。
假设你有一块B PCB板，一块A主板；B PCB板插在主板上使用。再假设A、B的地线连接点不够大，当A、B间有高速信号通讯时，B板上的“地平面”和A板上的“地平面”将有较大的“地间电压差波动”。这同样是一种PCB板上的“地弹效应”。
地弹其实是“地噪声”的别名而已，理解就好！
地弹形成的机理和危害
本来不想写地弹的机理，感觉与“噪声的起源”重复了。但思来想去，感觉这么经典的问题，还是不怕多提几下，所以又写了下来。
1 地弹形成的机理
如下图，红色框内代表数字电路。“噪声的起源”章节中已经讲述：当下图中S5在不断的向左右切换时，由于地线上E、A间的R14电阻的存在，E点将相对于A点产生电势差。在高频状态下，E、A电势差的主要起因不再是“E、A间的电阻”，而是“E、A间的电感”。
“E点的地”相对于“A点的地”的地噪声就是电路系统工作时的地弹现象。
2 地弹的危害
下图，也是“噪声的起源”章节的内容，地噪声（地弹）相当于在一个“拥有理想地”的电路中，被外部“输入地噪声”。 那么，假设E点上存在着1MHz的地噪声，这会有什么危害？
2.1 地噪声使所有信号线上出现噪声
由“地环路的危害”分析可知，假设上图中框内的数字模块有20根信号线，那么地噪声将直接反应在20根信号线上，从而影响这些信号的波形质量，并通过这20根信号线向外辐射。
2.2 地弹使地线产生辐射
也许你会问：地线也会产生辐射？ 也许你阅读了某些讲PCB布线的书籍上描述到：不正确的铺地将产生“地线辐射”，加重干扰！——但是你不明白其原理，甚至怀疑书本作者有没有写错！ 那我告诉你，地线真有可能存在辐射！ 下图是一个单面PCB板的布线示意图。蓝色线代表从E点连出来的地线，细长地走单独分布在PCB板边缘，不和任何电子模块连接。 由于该例子中，E点相对于A点存在1MHz的地噪声，那么整条蓝色的地线都相对于A点存在1MHz的噪声。而由于这条地线长长地拉在PCB板的边缘，这条线像一根发射天线那样（长长的形状、上面有1MHz的“将要发射的信号”），不断地发射“地噪声”。
如何减弱“PCB地弹效应”
1 增加恰当的去耦电容
实际上，为了减小1MHz对整个电路的干扰，我们在D、E点间加入去耦电容C7。如图示。那么，这个电容的作用是什么？
其等效电路分析如下（注意，该等效电路不是非常准确，但是能说出大致原理，精确的模型请读者在技术上进阶后自行思考分析）： 由于C的容抗为：Zc=1/（2πfc），故对于电源和地的1MHz的噪声而言，等效为下图的R34。
由于R34的阻抗远远小于（R32 + R33 + R35），而“噪声信号源”（即：图中的数字电路模块）又有相当大的“内阻”，所以会产生2个效果：
- “噪声信号源”的大部分能量将通过R34——因而大部分噪声能量通过图中的“（1）”环路构成较小的环流路径而消失掉，这部分能量虽然强，但是不会干扰“（1）”以外的电路；只有小部分能量“逃出”“（1）”环路，以较弱的能量干扰其他电路。
- “噪声信号源”的1MHz方波干扰将不复存在，将被C7滤成图中实线表示的类似正弦波的变化平滑的波形。
这样的好处是：
- 环路面积减小，高频的辐射能量减轻，EMC干扰将大大减小；
- 方波干扰变成正弦波干扰，其高次谐波分量将大大减小，所以其干扰能力也大大减弱！ 哈哈，太和谐了！
现在，你是否明白了：为什么数字芯片电源端一般要得接一个电源去耦电容？为什么很多讲PCB布线的书籍上都会出现“要添加电源去耦电容”？
2 用粗短的“地线”
由于地线存在电阻、电感而产生地噪声。所以，我们要减小地线的“电阻、电感”。
当地线增大、长度减短时，其电阻和电感会减小，从而成功减小地噪声。这样，地弹将大大减小！
所以在PCB Layout布线时，能用粗的地线就不要用细的地线。能用短的地线就不要用长的地线。
注意：不要为了减短一点点地线而盲目地加长N倍的电源线，电源与地都是非常重要的，必须具体问题具体分析。所以还是那句——得注重原理，而不是具体的“减短地线”的做法。
总结
- 地弹，就是地噪声
- 地弹使地线产生辐射
- 增加恰当的去耦电容可减弱模块间的地弹效应
- 注重原理，而不是具体的做法
三、差分、单端信号的区别
差分放大电路的应用很多，简单介绍差分信号、单端信号的概念及差分放大电路的作用，方便大家对差分放大电路相关知识有所了解。
什么是单端信号？什么是差分信号？
单端传输是指用一根信号线和一根地线来传输信号，信号线上传输的信号就是单端信号。
优点是简单方便，缺点是抗干扰能力差。
差分传输是指在两根线上都传输信号，这两个信号的大小相等，极性相反，这两根线上传输的信号就是差分信号(差模信号)。
优点是抗干扰能力强，缺点是电路比单端传输的复杂。
差分放大电路有什么作用？ 差分放大电路又称为差动放大电路，当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动，因此称为差动。差分电路原理解析。差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，那么什么是共模信号呢？
当两输入端所接信号大小相等，极性相反时，称为差模输入信号；
当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。
实际应用中，温度的变化各种环境噪声的影响时共模噪声，也称为对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声。
差分放大电路时直接耦合放大电路的基本组成单元，对于共模信号起到很强的抑制作用，未对差模信号起到放大租用，并且电路的放大能力与输出方式有关。
四、电路设计-硬件工程师画PCB时要了解的设计建议
在开始新设计时，因为将大部分时间都花在了电路设计和元件的选择上，在PCB布局布线阶段往往会因为经验不足，考虑不够周全。
如果没有为PCB布局布线阶段的设计提供充足的时间和精力，可能会导致设计从数字领域转化为物理现实的时候，在制造阶段出现问题，或者在功能方面产生缺陷。
那么设计一个在纸上和物理形式上都真实可靠的电路板的关键是什么？让我们探讨设计一个可制造，功能可靠的PCB时需要了解的前6个PCB设计指南。
微调您的元件布置
PCB布局过程的元件放置阶段既是科学又是艺术，需要对电路板上可用的主要元器件进行战略性考虑。虽然这个过程可能具有挑战性，但您放置电子元件的方式将决定您的电路板的制造难易程度，以及它如何满足您的原始设计要求。
虽然存在元件放置的常规通用顺序，如按顺序依次放置连接器，印刷电路板的安装器件，电源电路，精密电路，关键电路等，但也有一些具体的指导方针需要牢记，包括：
- 取向 - 确保将相似的元件定位在相同的方向上，这将有助于实现高效且无差错的焊接过程。
- 布置 - 避免将较小元件放置在较大元件的后面，这样小元件有可能受大元件焊接的影响而产生装贴问题。
- 组织 - 建议将所有表面贴装（SMT）元件放置在电路板的同一侧，并将所有通孔（TH）元件放置在电路板顶部，以尽量减少组装步骤。
最后还要注意的一条PCB设计指南 - 即当使用混合技术元件（通孔和表面贴装元件）时，制造商可能需要额外的工艺来组装电路板，这将增加您的总体成本。
良好的芯片元件方向(左)和不良的芯片元件方向(右)
良好的元件布置(左)和不良元件布置(右)
合适放置电源，接地和信号走线
放置元件后，接下来可以放置电源，接地和信号走线，以确保您的信号具有干净无故障的通行路径。在布局过程的这个阶段，请记住以下一些准则：
1）定位电源和接地平面层
始终建议将电源和接地平面层置于电路板内部，同时保持对称和居中。这有助于防止您的电路板弯曲，这也关系到您的元件是否正确定位。
对于给IC供电，建议为每路电源使用公共通道，确保有坚固并且稳定的走线宽度，并且避免元件到元件之间的菊花链式电源连接。
2）信号线走线连接
接下来，按照原理图中的设计情况连接信号线。建议在元件之间始终采取尽可能短的路径和直接的路径走线。
如果您的元件需要毫无偏差地固定放置在水平方向，那么建议在电路板的元件出线的地方基本上水平走线，而出线之后再进行垂直走线。
这样在焊接的时候随着焊料的迁徙，元件会固定在水平方向。如下图上半部分所示。而下图下半部分的信号走线方式，在焊接的时候随着焊料的流动，有可能会造成元件的偏转。
建议的布线方式 (箭头指示焊料流动方向)
不建议的布线方式 (箭头指示焊料流动方向)
3）定义网络宽度
您的设计可能需要不同的网络，这些网络将承载各种电流，这将决定所需的网络宽度。考虑到这一基本要求，建议为低电流模拟和数字信号提供0.010’’(10mil）宽度。当您的线路电流超过0.3安培时，它应该进行加宽。这里有一个免费的线路宽度计算器，使这个换算过程变得简单。
有效隔离
您可能已经体验到电源电路中的大电压和电流尖峰如何干扰您的低压电流的控制电路。要尽量减少此类干扰问题，请遵循以下准则：
- 隔离 - 确保每路电源都保持电源地和控制地分开。如果您必须将它们在PCB中连接在一起，请确保它尽可能地靠近电源路径的末端。
- 布置 - 如果您已在中间层放置了地平面，请确保放置一个小阻抗路径，以降低任何电源电路干扰的风险，并帮助保护您的控制信号。可以遵循相同的准则，以保持您的数字和模拟的分开。
- 耦合 - 为了减少由于放置了大的地平面以及在其上方和下方走线的电容耦合，请尝试仅通过模拟信号线路交叉模拟地。
元件隔离示例（数字和模拟）
解决热量问题
您是否曾因热量问题而导致电路性能的降低甚至电路板损坏？由于没有考虑散热，出现过很多问题困扰许多设计者。这里有一些指导要记住，以帮助解决散热问题：
1）识别麻烦的元件
第一步是开始考虑哪些元件会耗散电路板上的最多热量。这可以通过首先在元件的数据表中找到“热阻”等级，然后按照建议的指导方针来转移产生的热量来实现。当然，可以添加散热器和冷却风扇以保持元件温度下降，并且还要记住使关键元件远离任何高热源。
2）添加热风焊盘
添加热风焊盘对于生产可制造的电路板非常有用，它们对于高铜含量元件和多层电路板上的波峰焊接应用至关重要。由于难以保持工艺温度，因此始终建议在通孔元件上使用热风焊盘，以便通过减慢元件管脚处的散热速率，使焊接过程尽可能简单。
作为一般准则，始终对连接到地平面或电源平面的任何通孔或过孔使用热风焊盘方式连接。除了热风焊盘外，您还可以在焊盘连接线的位置添加泪滴，以提供额外的铜箔/金属支撑。这将有助于减少机械应力和热应力。
典型的热风焊盘连接方式
热风焊盘科普
许多工厂内负责制程(Process)或是SMT技术的工程师经常会碰到电路板元件发生空焊(solder empty)、假焊(de-wetting)或冷焊(cold solder)等等这类焊不上锡(non-wetting)的不良问题，不论制程条件怎么改或是回流焊的炉温再怎么调，就是有一定焊不上锡的比率。这究竟是怎么回事？
撇开元件及电路板氧化的问题，究其根因后发现有很大部分这类的焊接不良其实都来自于电路板的布线(layout)设计缺失，而最常见的就是在元件的某几个焊脚上连接到了大面积的铜皮，造成这些元件焊脚经过回流焊后发生焊接不良，有些手焊元件也可能因为相似情形而造成假焊或包焊的问题，有些甚至因为加热过久而把元件给焊坏掉。
一般PCB在电路设计时经常需要铺设大面积的铜箔来当作电源(Vcc、Vdd或Vss)与接地(GND，Ground)之用。这些大面积的铜箔一般会直接连接到一些控制电路(IC)及电子元件的管脚。
不幸的是如果我们想要将这些大面积的铜箔加热到融锡的温度时，比起独立的焊垫通常需要花比较多的时间（就是加热会比较慢），而且散热也比较快。当这样大面积的铜箔布线一端连接在小电阻、小电容这类 小元器件，而另一端不是时，就容易因为融锡及凝固的时间不一致而发生焊接问题；如果回流焊的温度曲线又调得不好，预热时间不足时，这些连接在大片铜箔的元件焊脚就容易因为达不到融锡温度而造成虚焊的问题。
人工焊接（Hand Soldering）时，这些连接在大片铜箔的元件焊脚则会因为散热太快，而无法在规定时间内完成焊接。最常见到的不良现象就是包焊、虚焊，焊锡只有焊在元件的焊脚上而没有连接到电路板的焊盘。从外观看起来，整个焊点会形成一个球状；更甚者，作业员为了要把焊脚焊上电路板而不断调高烙铁的温度，或是加热过久，以致造成元件超过耐热温度而毁损而不自知。如下图所示。
包焊、冷焊或虚焊
既然知道了问题点就可以有解决的方法，一般我们都会要求采用所谓Thermal Relief pad（热风焊垫）设计来解决这类因为大片铜箔连接元件焊脚所造成的焊接问题。如下图所示，左边的布线没有采用热风焊盘，而右边的布线则已经采用了热风焊盘的连接方式，可以看到焊盘与大片铜箔的接触面积只剩下几条细小的线路，这样就可以大大限制焊垫上温度的流失，达到较佳的焊接效果。
采用Thermal Relief pad（热风焊垫）对比
检查您的工作
当您马不停蹄地哼哧哼哧地将所有的部分组合在一起进行制造时，很容易在设计项目结束时才发现问题，不堪重负。因此，在此阶段对您的设计工作进行双重和三重检查可能意味着制造是成功还是失败。
为了帮助完成质量控制过程，我们始终建议您从电气规则检查（ERC）和设计规则检查（DRC）开始，以验证您的设计是否完全满足所有的规则及约束。使用这两个系统，您可以轻松进行间隙宽度，线宽，常见制造设置，高速要求和短路等等方面的检查。
当您的ERC和DRC产生无差错的结果时，建议您检查每个信号的布线情况，从原理图到PCB，一次检查一条信号线的方式仔细确认您没有遗漏任何信息。另外，使用您的设计工具的探测和屏蔽功能，以确保您的PCB布局材料与您的原理图相匹配。
仔细检查您的设计，PCB和约束规则
总结
当PCB设计师都了解了这些PCB设计指南，通过遵循这些建议，将很快就能够得心应手地设计出，功能强大且可制造的优质PCB。
良好的PCB设计实践对于成功至关重要，这些设计规则为构建和巩固所有设计实践中持续改进的实践经验奠定了基础。
五、模拟电路分析~八大基础电路
在电子电路中，电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路，因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。
1 反馈
反馈是指把输出的变化通过某种方式送到输入端，作为输入的一部分。如果送回部分和原来的输入部分是相减的，就是负反馈。
2 耦合
一个放大器通常有好几级，级与级之间的联系就称为耦合。放大器的级间耦合方式有三种：
①RC 耦合(见图a): 优点是简单、成本低。但性能不是最佳。
② 变压器耦合(见图b):优点是阻抗匹配好、输出功率和效率高，但变压器制作比较麻烦。
③ 直接耦合(见图c): 优点是频带宽，可作直流放大器使用，但前后级工作有牵制，稳定性差，设计制作较麻烦。
3 功率放大器
能把输入信号放大并向负载提供足够大的功率的放大器叫功率放大器。例如收音机的末级放大器就是功率放大器。
3.1 甲类单管功率放大器
负载电阻是低阻抗的扬声器，用变压器可以起阻抗变换作用，使负载得到较大的功率。
这个电路不管有没有输入信号，晶体管始终处于导通状态，静态电流比较大，困此集电极损耗较大，效率不高，大约只有 35 %。这种工作状态被称为甲类工作状态。这种电路一般用在功率不太大的场合，它的输入方式可以是变压器耦合也可以是 RC 耦合。
3.2 乙类推挽功率放大器
下图是常用的乙类推挽功率放大电路。
它由两个特性相同的晶体管组成对称电路，在没有输入信号时，每个管子都处于截止状态，静态电流几乎是零，只有在有信号输入时管子才导通，这种状态称为乙类工作状态。当输入信号是正弦波时，正半周时 VT1 导通 VT2 截止，负半周时 VT2 导通 VT1 截止。两个管子交替出现的电流在输出变压器中合成，使负载上得到纯正的正弦波。这种两管交替工作的形式叫做推挽电路。
3.3 OTL 功率放大器
目前广泛应用的无变压器乙类推挽放大器，简称 OTL 电路，是一种性能很好的功率放大器。为了易于说明，先介绍一个有输入变压器没有输出变压器的 OTL 电路，如下图所示。
4 直流放大器
能够放大直流信号或变化很缓慢的信号的电路称为直流放大电路或直流放大器。测量和控制方面常用到这种放大器。
4.1 双管直耦放大器
直流放大器不能用 RC 耦合或变压器耦合，只能用直接耦合方式。下图是一个两级直耦放大器。直耦方式会带来前后级工作点的相互牵制，电路中在 VT2 的发射极加电阻 R E 以提高后级发射极电位来解决前后级的牵制。
直流放大器的另一个更重要的问题是零点漂移。所谓零点漂移是指放大器在没有输入信号时，由于工作点不稳定引起静 态电位缓慢地变化，这种变化被逐级放大，使输出端产生虚假信号。放大器级数越多，零点漂移越严重。所以这种双管直耦放大器只能用于要求不高的场合。
4.2 差分放大器
解决零点漂移的办法是采用差分放大器，下图是应用较广的射极耦合差分放大器。它使用双电源，其中 VT1 和 VT2 的特性相同，两组电阻数值也相同， R E 有负反馈作用。实际上这是一个桥形电路，两个 R C 和两个管子是四个桥臂，输出电压 V 0 从电桥的对角线上取出。没有输入信号时，因为 RC1=RC2 和两管特性相同，所以电桥是平衡的，输出是零。由于是接成桥形，零点漂移也很小。差分放大器有良好的稳定性，因此得到广泛的应用。
5 集成运算放大器
集成运算放大器是一种把多级直流放大器做在一个集成片上，只要在外部接少量元件就能完成各种功能的器件。因为它早期是用在模拟计算机中做加法器、乘法器用的，所以叫做运算放大器。
6 振荡器
不需要外加信号就能自动地把直流电能转换成具有一定振幅和一定频率的交流信号的电路就称为振荡电路或振荡器。这种现象也叫做自激振荡。或者说，能够产生交流信号的电路就叫做振荡电路。
一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率f0能通过，使振荡器产生单一频率的输出。
振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的;一个是反馈电压Uf和输入电压 Ui要相等，这是振幅平衡条件。二是 Uf 和 Ui 必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。
振荡器按振荡频率的高低可分成超低频( 20赫以下)、低频( 20赫～ 200千赫)、高频(200千赫～ 30兆赫)和超高频( 10兆赫～ 350兆赫)等几种。按振荡波形可分成正弦波振荡和非正弦波振荡两类。
正弦波振荡器按照选频网络所用的元件可以分成 LC 振荡器、 RC振荡器和石英晶体振荡器三种。石英晶体振荡器有很高的频率稳定度，只在要求很高的场合使用。在一般家用电器中，大量使用着各种 LC振荡器和 RC 振荡器。
6.1 LC振荡器
LC 振荡器的选频网络是LC 谐振电路。它们的振荡频率都比较高，常见电路有 3 种。
1) 变压器反馈 LC 振荡电路
图(a)是变压器反馈 LC 振荡电路。晶体管 VT 是共发射极放大器。变压器 T 的初级是起选频作用的 LC 谐振电路，变压器 T 的次级向放大器输入提供正反馈信号。接通电源时， LC 回路中出现微弱的瞬变电流，但是只有频率和回路谐振频率 f 0 相同的电流才能在回路两端产生较高的电压，这个电压通过变压器初次级 L1 、 L2 的耦合又送回到晶体管 V 的基极。从图(b)看到，只要接法没有错误，这个反馈信号电压是和输入信号电压相位相同的，也就是说，它是正反馈。因此电路的振荡迅速加强并最后稳定下来。
变压器反馈 LC 振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但频率稳定度不高。它的振荡频率是：f 0 =1/2π LC 。常用于产生几十千赫到几十兆赫的正弦波信号。
2) 电感三点式振荡电路
图(a)是另一种常用的电感三点式振荡电路。图中电感 L1 、 L2 和电容 C 组成起选频作用的谐振电路。从 L2 上取出反馈电压加到晶体管 VT 的基极。从图(b)看到，晶体管的输入电压和反馈电压是同相的，满足相位平衡条件的，因此电路能起振。由于晶体管的 3 个极是分别接在电感的 3 个点上的，因此被称为电感三点式振荡电路。
电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，波形较差。它的振荡频率是：f 0 =1/2π LC ，其中 L=L1 + L2 + 2M 。常用于产生几十兆赫以下的正弦波信号。
3) 电容三点式振荡电路
还有一种常用的振荡电路是电容三点式振荡电路，见图(a)。图中电感 L 和电容 C1 、 C2 组成起选频作用的谐振电路，从电容 C2 上取出反馈电压加到晶体管 VT 的基极。从图(b)看到，晶体管的输入电压和反馈电压同相，满足相位平衡条件，因此电路能起振。由于电路中晶体管的 3 个极分别接在电容 C1 、 C2 的 3 个点上，因此被称为电容三点式振荡电路。
电容三点式振荡电路的特点是：频率稳定度较高，输出波形好，频率可以高达 100 兆赫以上，但频率调节范围较小，因此适合于作固定频率的振荡器。它的振荡频率是：f 0 =1/2π LC ，其中 C= C 1 +C 2 。
上面 3 种振荡电路中的放大器都是用的共发射极电路。共发射极接法的振荡器增益较高，容易起振。也可以把振荡电路中的放大器接成共基极电路形式。共基极接法的振荡器振荡频率比较高，而且频率稳定性好。
6.2 RC 振荡器
RC 振荡器的选频网络是 RC 电路，它们的振荡频率比较低。常用的电路有两种。
1) RC 相移振荡电路
RC 相移振荡电路的特点是：电路简单、经济，但稳定性不高，而且调节不方便。一般都用作固定频率振荡器和要求不太高的场合。它的振荡频率是：当 3 节 RC 网络的参数相同时：f 0 = 1 2π 6RC 。频率一般为几十千赫。
2) RC 桥式振荡电路
RC 桥式振荡电路的性能比 RC 相移振荡电路好。它的稳定性高、非线性失真小，频率调节方便。它的振荡频率是：当 R1=R2=R 、 C1=C2=C 时 f 0 = 1 2πRC 。它的频率范围从 1 赫～ 1 兆赫。
7 调幅和检波电路
广播和无线电通信是利用调制技术把低频声音信号加到高频信号上发射出去的。在接收机中还原的过程叫解调。其中低频信号叫做调制信号，高频信号则叫载波。常见的连续波调制方法有调幅和调频两种，对应的解调方法就叫检波和鉴频。
7.1 调幅电路
调幅是使载波信号的幅度随着调制信号的幅度变化，载波的频率和相位不变。能够完成调幅功能的电路就叫调幅电路或调幅器。
调幅是一个非线性频率变换过程，所以它的关键是必须使用二极管、三极管等非线性器件。根据调制过程在哪个回路里进行可以把三极管调幅电路分成集电极调幅、基极调幅和发射极调幅 3 种。下面举集电极调幅电路为例。
上图是集电极调幅电路，由高频载波振荡器产生的等幅载波经 T1 加到晶体管基极。低频调制信号则通过 T3 耦合到集电极中。C1 、 C2 、 C3 是高频旁路电容， R1 、 R2 是偏置电阻。集电极的 LC 并联回路谐振在载波频率上。如果把三极管的静态工作点选在特性曲线的弯曲部分，三极管就是一个非线性器件。因为晶体管的集电极电流是随着调制电压变化的， 所以集电极中的 2 个信号就因非线性作用而实现了调幅。由于 LC 谐振回路是调谐在载波的基频上，因此在 T2 的次级就可得到调幅波输出。
7.2 检波电路
检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。它的工作过程正好和调幅相反。检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。常用的有二极管和三极管。另外为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分。下面举二极管检波器为例说明它的工作原理。
上图是一个二极管检波电路。VD 是检波元件， C 和 R 是低通滤波器。当输入的已调波信号较大时，二极管 VD 是断续工作的。正半周时，二极管导通，对 C 充电;负半周和输入电压较小时，二极管截止， C 对 R 放电。在 R 两端得到的电压包含的频率成分很多，经过电容 C 滤除了高频部分，再经过隔直流电容 C0 的隔直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。
8 调频和鉴频电路
调频是使载波频率随调制信号的幅度变化，而振幅则保持不变。鉴频则是从调频波中解调出原来的低频信号，它的过程和调频正好相反。
8.1 调频电路
能够完成调频功能的电路就叫调频器或调频电路。常用的调频方法是直接调频法，也就是用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。下图画出了它的大意，图中用一个可变电抗元件并联在谐振回路上。用低频调制信号控制可变电抗元件参数的变化，使载波振荡器的频率发生变化。
8.2 鉴频电路
能够完成鉴频功能的电路叫鉴频器或鉴频电路，有时也叫频率检波器。鉴频的方法通常分二步，第一步先将等幅的调频波变成幅度随频率变化的调频 — 调幅波，第二步再用一般的检波器检出幅度变化，还原成低频信号。常用的鉴频器有相位鉴频器、比例鉴频器等。
六、单片机中晶振的工作原理
晶振在单片机中是必不可少的元器件，只要用到CPU的地方就必定有晶振的存在，那么晶振是如何工作的呢？
什么是晶振
晶振一般指晶体振荡器，晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下的薄片，简称为晶片。
石英晶体谐振器，简称为石英晶振（Crystal oscillator），如下图椭圆物体。
而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
晶振工作原理
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。
一般L的值为几十豪亨到几百豪亨。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100欧。
由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
计算机都有个计时电路，尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备，但它们实际上并不是通常意义的时钟，把它们称为计时器可能更恰当一点。
计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器和一个保持寄存器。
石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断（或者以任何其它希望的频率产生中断）成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒。
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。
由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。
这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。
一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。
一般的晶振的负载电容为15皮或12.5皮，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22皮的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。
七、防反接常用单元电路
对于平常日用的一些产品，产品在进行设计时就会考虑这个问题，顾客只是简单的利用插头进行电源的连接，所以一般采用反插错接头，这是种简单，低价而有效的方法。
但是，对于产品处于工厂生产阶段，可能不便采用防差错接头，这可能就会造成由于生产人员的疏忽造成反接，带来损失。所以给电路增加防接反电路有时还是有必要的，尽管增加了成本。
下面就说说常用的防反接电路：
01 最简单的在电路中串入一只二极管
优点：
电路简单，成本较低。适用于小电流，对成本要求比较严的产品。
缺点：
由于二极管的PN结在导通时，存在一个压降，一般在0.7V以下。这个压降就导致这种电路不适合应用在电流较大的电路中，如果电路有10A的电流，那么二极管的功耗就是0.7*10=7W，发热量还是很可观的。在结构紧凑空间有限的产品中，对产品的稳定性或人的使用感受上影响还是比较大的。
02 对于上面上面提到的二极管的压降问题，有没有办法克服呢？看下面的电路。
上面的防接反电路采用了一个保险丝和一个反向并联的二极管，电源极性正确，电路正常工作时，由于负载的存在电流较小，二极管处于反向阻断状态，保险丝不会被熔断。
当电源接反时，二极管导通，此时的电流比较大，就会将保险丝熔断，从而切断电源的供给，起到保护负载的作用。
优点：
保险丝的压降很小，不存在发热问题。成本不高。
缺点：
一旦接反需要更换保险丝，操作比较麻烦。
03 正接反接都可正常工作的电路：
优点：
输入端无论怎样接，电路都可以正常工作。
缺点：
存在两个二极管的压降。适用于小电流电路。
04 N沟道增强型场效应管防接反电路。
由场效应管制作工艺决定了，场效应管的导通电阻比较小。是现在很常用的开关器件，特别是在大功率的场合。以TO-252封装的IRFR1205为例，其主要参数如下：Vdss=55V，Id=44A，Rds=0.027欧姆；可以看到其导通电阻只有27毫欧。
下图就是一个用N沟道场效应管构成的防接反电路
这个电路的最大一个特点就是场效应管的D极和S极的接法。通常我们在使用N沟道的增强型的MOS管时，一般是电流由D极进入而从S极流出。应用在这个电路中时则正好相反。
曾经在一个论坛中看到过这个电路，发布这个电路的楼主被众多网友痛批。说是DS之间存在一个二极管根本没法实现。楼主没有注明场效应管的管脚名称，由于存在一个应用场效应管的惯性思维，导致楼主蒙冤。其实场效应管只要在G和S极之间建立一个合适的电压就会完全导通。导通之后D和S之间就像是一个开关闭合了，电流是从D到S或S到D都一样的电阻。
在电源极性正确时，电流起始时通过场效应管的稳压管导通，S极电压接近0V。两个电阻分压后，为G提供电压，使场效应管导通，因为其导通阻值很小，就把场效应管内部的二极管给替代了。
电源反接时，场效应管内的二极管未到击穿电压不导通。分压电阻无电流流过无法提供G极电压，也不导通。从而起到保护作用。
对于电路中并联在分压电阻上的稳压二极管，因为场效应管的输入电阻是很高的，是一个压控型器件，G极电压要控制在20V内，过高的电压脉冲会导致G极的击穿，这个稳压二极管就是起一个保护场效应管防止击穿的作用。
对于并联在分压电阻上的电容，有一个软启动的作用。在电流开始流过的瞬间，电容充电，G极的电压是逐步建立起来的。
对于并联在场效应管D与S之间的阻容串联电路，我感觉还是值得商榷的。阻容串联电路一般用作脉冲吸收或延时。用在这里要视负载的情况而定，加了或许反而不好。毕竟这会导致在电源在反接的时候会有一个短暂的导通脉冲。
也可以用P沟道的场效应管，只是要将器件串在正极的输入端。这里不再描述。
八、输出电压为什么要偏移？差分电路原理解析
差分运算放大电路，对共模信号得到有效抑制，而只对差分信号进行放大，因而得到广泛的应用。
差分电路的电路构型
目标处理电压：是采集处理电压，比如在系统中像母线电压的采集处理，还有像交流电压的采集处理等。
差分同相/反相分压电阻：为了得到适合运放处理的电压，需要将高压信号进行分压处理，如图1中V1与V2两端的电压经过分压处理，最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。
差分放大电路
反馈，对于运算放大电路来说，运放工作在线性区，所以这里一定是负反馈，没有反馈（开环）或者是正反馈，那是比较器电路而不是放大电路，这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区，正因为饱和，输出才是电源电压的幅值。
下图是一种带正反馈的运放电路，这里就不能叫运算放大电路了，因为运放的开环放大倍数理想是无限大，当然实际中不可能无限大，所以如下结构是迟滞电压比较器，运放工作在非线性区或饱和区。
下图，依然是电压比较器结构，上面已经提到，运放开环增益很大，不带负反馈，工作就如非线性区，当做电压比较器来使用。
运算放大器，反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈，当然在输出信号不超过电源电压时（注：一切信号的能量来源是电源，输出当然不可能超过电源幅值），实现的功能就是放大信号的功能；接到同相端"+"就是正反馈，电路功能是电压比较器。
当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器，而是选用专用的比较器，如LM339、LM393、LM211等，因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。
比较器接了限流电阻—"R74、R77"，这是因为比较器在幅值切换时，快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电，这个充放电电流来自这个有源器件—比较器，因此加限流电阻目的是防止电流冲击。
RC滤波：可以酌情调节，目的是防止输出过冲等信号失真问题。
差分输入电压的计算
下图电路，为了便于计算，我们给定每个阻值。
差分电路的另一个特点是对称性，R40=R56及R47=R55，差分分压两个支路电阻也是相等的。
Vin+和Vin-的值是如何计算的？
我们先通过繁琐的计算来得到，然后再简化计算。
首先，运放的同相端5引脚和反相端6引脚，利用"虚短"得到，其中系数6是指6个100k的电阻，方便简化式子：
那么通过分压关系得到Vin+：
再次通过分压关系得到Vin-：
那么就得到Vin+减Vin-的值。
其实还有一种简单方法得到Vin+减Vin-的值，利用运放的虚短特点，可将电路等效为：
所以要计算Vin+减Vin-的值，变得很容易，只是一个简单的分压电路而已，如下计算得到：
得到差分电压输入值是0.84V。
差分放大电路的计算
计算公式推导，依旧遵循运放的虚短和虚断特性，当R56=R40，R47=R55时，差分计算可以简化为：
实际应用电路中，我们为了简化计算，也是用最简方法计算，经常使用的电路也是上述电路，令电阻相等关系，简化计算。
放大电路的"偏移计算"
为什么要对输出电压进行偏移？这是因为当采集负值时，我们的采样芯片和MCU几乎都不支持负值采样的时候，你就必须进行偏移，使得输出总是为正值。
偏移电路，如下图，在原来同相端电阻接地GND的地方，我们接一个电压值，通常也称为偏移电压。那么最终表达式是什么？
通过叠加定理最终得到：
这里公式的成立，保证R64=R72，R73=R57，那么最终得到偏移公式是在原来基础上加个电压偏移量2.5V_Ref：
只要根据实际应用选择合适的偏移量，输出总会为一个正值。
比如，上图电路，输入电压变为-100V，那么最终输出电压就为：
这样就将负电压偏移为正电压，处理器符合处理器处理要求了，偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。
