1、1 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 硬件设计新手 入门 宝典 之第一部 版权所有：微信公众号超硬工程师 2 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 目 录 前言 3 第一章电路设计常用图例和标识 .5 1, 常用图例 6 2, 信号连接 标识 10 第二章 常用元件之电阻电容和电感 13 1, 电阻及应用 .13 2, 电容及使用 .18 3, 电感及使用 .26 第三章 二极管三极管和 MOS 管 .30 1, 二极管 及 使 用 30 2, 三极管 及使用 33 3, MOS 管 及使用 .38 第四章 硬件设计功能模块框图 45 1, 硬件系统架构简介 45 2, 硬件设计功能模块框图
2、50 3 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 前言 大家都知道，硬件设计行业除了一些教授电路基本原理的书籍之外，没有专门的 讲解 专业硬件及系统产品开发 技术及流程 的书籍。对于从事相关行业的朋友，提高更多是通过前人的传授 和个人产品研发经验的累积。 为给从事硬件设计行业的朋友提供快捷高效的提升个人能力的渠道， 微 信公众号超硬工程师 全面系统地汇总硬件及系统设计知识和经验，并免费分享，从而帮助更多的从业者快速掌握获取相关知识和经验 ，在硬件设计职业生涯之路上达到全新的高度。 超硬工程师微信号平台 建立后， 不少 网友留言 对未来觉得迷茫 -学生朋友说学校里学不到实用知识， 快毕业了 还 感觉
3、 什么都不会；参加工作的年轻朋友觉得在单位一直打下手，又 没人指点，不知怎么入门。 大家都 非常 期望能够有人带一带。超硬工程师觉得应当尽绵薄之力，帮助大家学有所成，尽快 建立一些基本的设计能力 。因此 通过 连载的形式，发布一系列文章，详细剖解硬件设计基础知识和 设计 过程。 之前发布过 精 读 datasheet 系列文章，相信大家看了之后，应该知道如何去阅读元器件的技术文档了。 做硬件设计就是把不同元器件连接在一起，结合一些软件以实现产品设计所要达到的功能。 所以硬件设计另外一个重要的能力就是去读懂硬件设计电路原理图为将来设计硬件电路打下基础。这个系列的文章就以一份基于 X86 平台的嵌
4、入式设计为基础，来详细解析一下硬件电路原理图设计，常用电路及基本功能原理。 大家跟着这个系列走下去，相信会很快提高你阅读理解硬件电路的能4 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 力。 所有技术分析文章和资料都定期发布在 微信号：超硬工程师， 欢迎大家在微信上搜索 ，或扫下面二维码 关注微信号：超硬工程师。 5 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 第一章 电路设计常用图例和标识 一系列连 载 文章发布以来 ，“超硬工程师”公众号平台以及论坛上都收到很多朋友的好评和鼓励，在此表示感谢。也有些朋友特别是新人或学生朋友反映说解析的电路图看不明白。所以在这个汇总篇里首 先 来谈谈这方面的问题，搞明白了才能
5、看懂后面的电路分析内容。这些内容很基础，比较熟悉的朋友可以略过。 对于初学者而言，个人觉得最重要的是先要能看懂一份完整的电路图，了解信号的连接及大致的功能和工作原理，然后就可以动手做一些实践性的实验。硬件设计是一个实践动手能力要求很高的工作，平时的设计和调试分析经验的累积对于个人能力的成长很重要。新人应该在这方面多下功夫，以迅速提高自己的工作能力。至于 连接芯片之间的总线 协议和具体 协议工作原理也是要学习的，可以等到把电路图弄明白后再花时间慢慢消化。总线 协议 的学习和理解 需要较长的 时间和 过程。 其实后面 分享解析的电路图应该是比较直接明了的，大都是一些总线的信号的连接。初学 者不用花
6、过多时间纠结总线的具体原理和协议，只要搞懂该总线的作用，连接那些芯片，以及一些关键的设计注意事项（一般在芯片的设计规范中都会讲到）。如果说这些电路看不懂的话，可能更多是由于不知道电路图一些常用图标和标识的意义 。这里我们首先就这些电路设计中常用的图例和标识 就来作些解释。 为方便讲解， 用后面电路分析内容部分分享 的一个电路作为例子，如下图所示 。 6 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 1， 常用图例 电路图中经常用到一些图例表示相应的元器件，相信大家应该很熟悉。比如下图就是常见的电阻的图例： 7 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 - R201 是电阻的编号。一份复杂的电路图中会用到很多的
7、电阻电容等元件，设计电路图的软件在最后编译的时候会给元器件编号，这样在调试的时候就可以很容易找到相关元件。 - 49.9ohm 是电阻的阻值。 1%是电阻的精度，表示该电阻的阻值控制在 49.9 *（ 1+/- 1%）范围内，也就是49.40150.399ohm 之间。 1%精度的电阻一般用在精确控制的场合，比如通过电阻分压产生精确参考电压的情况一般用 1%精度的。非精确控制的场合一般用低精度比如5%精度的电阻。 1%精度的电阻成本上要远高于 5%精度的电阻。 - R0402 表示电阻的封 装尺寸型号。在高速电路板设计中，常用的是贴片焊接的电阻。电阻的封装型号表示不同尺寸大小，其对应关系如下图
8、所示。常用的封装型号有0402， 0603， 0805 等等。 8 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 电容的图例如下图。相关参数的意义大致与电阻类似。 - C202 表示电容的编号。 - 0.1uf 表示电容容值。 16V 表示电容所能承受的最高电压。考虑元器件的长期可靠性，一般选择电容的实际工作电压小于其最高耐压的 75%。图中的电容，其实际工作电压应小于 16*75%=12V。 - C0201 表示其封装尺寸。与电阻类似，常用封装尺寸有0402， 0603 等等。 9 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 芯片的图例就是图中间的长方块，往两边伸出很多引脚。该图列是 N450 CPU 芯片的
9、一部分。这样的图例通常由建元器件库的 CAD 工程师建立，硬件设计工程师可从元件库中调用这些元件图例来完成相关电路设计。 - U201A 表示该芯片的编号。一个设计中也会有多个不同的芯片，同样设计工具在编译的时候也会给不同的芯片编号，编号通常以 U 开头。 A 表示这个图例只是该芯片的一部分。有些功能简单的芯片，只用一个图例就可以包含所有引脚，其编号就是 Uxxx。比较复杂的芯片，需要有多个图例才能列出所有引脚， 这些同一芯片的不同图例就用 A/B/C 来区分。这里的图例是 U201A，实际电路图中下一页就是 U201B，后面还有 U201C， U201D，U201E。这 5 个图例组合在一起
10、，就是一个完整的 N450 CPU 芯片的图例，包含该芯片 的所有引脚。 - 一般芯片图例两边列出其引脚，如下图。图外的字母及数字比如 AH19/AC4 等表示引脚的编号；图内的字母表示相关引脚的功能，比如 AH19 对应的功能表述是DDR_A_MA0，也就说明这个引脚是该 CPU 内部 DDR 内存总线 A 通道的 0 号地址线（ MA 表示 memory address）。 右边 AC4 对应的功能表述是 DDR_A_DQ0，也就说明这个引脚是该 CPU 内部 DDR 内存总线 A 通道的 0 号数据线。 现在弄不明白这些引脚描述所表示的含义没关系，随着学习的深入，会逐步了解的。只要知道芯
11、片外面的内容是引脚编号，内部的是相关引脚功能描述就可以了。 10 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 2， 信号连接标识 一个复杂的电路图，往往有很多页电路图。很多的信号要跨页连接，也就是要与不同页（有时候是与好几页）的信号/引脚向连接。这在电路图上如何表示呢？ 有些信号是以总线的形式连接的，如下图。 - 这是一组 DDR 内存总线的地址信号线。右边的部分，前面讲过是 CPU 芯片 的图例及引脚。中间的 一根根红色的引线把不同引脚连接出来，其上的字母表示该引线的net 名字。比如 DDR_MA0 表示连接 AH19 引脚的引线名字叫 DDR_MA0。电路图最后编译时候，会产生网表，网表中就是用
12、这个 net 名字来表示芯片引脚之间的连接线。 - 这一 组 地 址线共有 15 根，编号从 0 到 14。像这样的名字相同（ DDR_MA），编号依次递增的一组信号可汇总11 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 在一起以总线（左边蓝色的粗线）的形式连接到其他页。图标就表示信号是连到其他页的。最左边的文字DDR_MA14:0是这组总线名，表示这组总线共有 15 根，各自的 net 名分别是 DDR_MA0, DDR_MA1, ，一直到DDR_MA 14。数字 7 表示这组线连接到电路图第 7 页的 DDR_MA 14:0总线。总线内的每个线比如 DDR_MA0就与第 7 页中该总线内同名字的连
13、接线相连。 有些信号是以单根线的形式连接的，如下图。 - 图标就表示信号连到其他页。最左边的数字表示信号连接到的下一个 /几个元件所在的页数。这里表示这些信号连接到电路图第 7 页的电路。 - 连接线旁边的字母表示该连接线的名字。比如对应 芯片AH22 引脚的连接线名字是 DDR_CS0#(DDR 总线的 0 号片选信号 )，连接到第 7 页同名的连接线。 有些信号并不连到其他页，而是连接 到 同一页的其他元器 件或电路 ，如下图。 12 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 - 右上芯片 AL28 引脚连接线名字是 DDR_REF，但该线并没有 ，也没有对应其他页的页数 ，说明该连接线并不连接
14、到其他页，而是和本页的同名连接线相连 - 左下可以看到连接电阻 R201 和 R202 中间的连接线名字也是 DDR_REF。虽然这根线并没有延伸连接到上述的右上部的连接线， 但它们是同一个 net 名，就表明它们是同一根连接线，实际上就是连接在一起。 - 电阻 R201 上面的小圆圈及下拉的短引线是电源的标识，其上字母 VCC_1V8 是电源信号名，表示电源电压是 1.8V。电路图中所有页中同样电源信号名的电源信号都是连接在一起的。比如图中 R201 上端的电源和 R205 左端的电源连接在一起。 - 电阻 R202 下端的那个倒过来的三一样的标识表示地。电路图中所有的同标识的地都是连在一起
15、的。比如R202 下端的地和 C202 下端的地是连在一起的。 图例和标识的解析就到这里。留一个 问题 大家思考一下 ：电阻的参数除了文中 解释过的，经常还看到另外一个参数，1/16W 或 1/8W 或 1/4W。，这个参数表示什么意思呢 ？了解该问题答案 ，请继续阅读后续内容 。 13 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 第二章 常用元件之电阻电容和电感 在一份复杂的电路原理图中，除了实现各种功能的芯片器件外，还会看到很多的通用元件比如电阻，电容和电感等等。它们具体会有哪些不同的用途和使用方法呢？这一章就针对这部分内容做些梳理和汇总。 电路图常用图例和标识一篇中最后问道一个关于电阻的问题：电
16、阻的参数除了文中解释过的，经常还看到另外一个参数，1/16W 或 1/8W 或 1/4W。，这个参数表示什么意思呢？。我们就先来说说电阻 。 1，电阻及使用 电阻 大家都应该很熟悉了，初中就开始接触了。我们不妨百度一下，看看具体的定义：电阻 的英文名称为 resistance，通常缩写为 R，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。欧姆定律指出电压、电流和电阻三者之间的关系为 I=U/R，亦即 R=U/I。电阻的基本单位是欧姆，用 希腊 字母 “”来表示。通常 “电阻 ”有两重含义，一种是物理学上的 “电阻 ”这个物理量，另一个指的是电阻这种电子元件。电阻元件的电阻值大小一般与温
17、度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高 1时电阻值发生变化的百分数。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件， 电流 经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻 。 14 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 不得不说，互联网还真是个好东西。以前要费很多事儿才能获得的信息，现在很快地免费地可以从网上获取。以前要学个什么东东，或者学个什么技能，必须得找好师傅，或者花大价钱找培训机构，可能学得还未必怎么样。现在网上遍布免费的知识和技术分享，只要愿意花时间钻进去，掌握一些建功立业
18、的技能，并不是难事。微信号：超硬工程师，就免费发布很多硬 件及系统设计的技术和技能，并用最通俗易懂的语言尽量把一些枯燥的知识讲得全面易懂，相信会对更多人，包括没上过大学的朋友有所帮助。 扯得有点远了，我们言归正传。百度上搜索到的对电阻的定义还是很全面的，其中提到电阻是 耗能元件， 电流 经过它就产生内能 ，其 物理特征是变电能为热能 。也就是说电流经过时，就会发热，温度会上升。用过电炉子的人其实都知道这个道理，电炉就是利用里面电阻 丝流过电流能发热的原理。但电炉子的发热也不是可以无限增加的，一般都有个额定功率的限定。在额定功率的范围内，电炉可以工作很长时间（质量差的假冒伪劣产品除外 ）。超过这
19、个功率会怎么样呢？电炉就会亮光一闪，然后就寿终正寝，烧断了。电阻其实也是如此，上面问题中提到的电阻的一个参数 1/16W 或 1/8W 或 1/4W，也就是电阻的额定功率。电阻的功率消耗 W=I2R，由于 R 是比较固定的，所以设定额定功率，其实也就限定了流过的电流。如果电阻使用时超过这个这个额定功率，就会怎么样呢？会冒烟，闻到焦味，然后电阻就烧坏了。一般情况下，电阻的过电流能力跟其封装大小也有一定关系，封装尺寸越大，允许通过电流15 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 值越大。当电阻使用在一些大功率场合或大电流通过的电路设计时，一定要考虑电阻的额定功率和允许通过电流限定。 电阻有众多不同的使
20、用场景。这里仅就常用的几种情况做些说明。 1) 上拉电阻 在电路设计中，电阻的使用是非常频繁的。嵌入式或计算机硬件产品的电路设计中，电阻用的最多的情况可能要算上拉电阻。这种电阻的连接一般是一端接上拉的电源（一般与芯片信号的电压值相匹配），另一端连接芯片引脚所对应的信号，如下图的 R205 所示。 上拉电阻的作用也不尽相同。有些上拉电阻是给芯片的相关引脚提供初始高状态；漏极开路的芯片引脚则通过上拉从而提供“高”状态的驱动电流；也有些引脚的上拉电阻是根据芯片的设计要求为芯片的相关功能接口提供偏置设定等等。 2) 下拉电阻 下拉电阻的连接一般是一端接地，另一端连接芯片引脚 所对应的信号。下拉电阻多是
21、为芯片的功能接口提供偏置设定或补偿设定，这些都会在芯片的设计规范中有明确说明。如下图16 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 中 R305， R307；也有些下拉是为芯片的某些引脚提供低初始设定。 3) 分压电阻 有些情况下，有些芯片的总线接口需要一定的参考电压， 其电压精度要求一般比较高。这种参考电压一般是通过两个高精度电阻（ 1%精度）的分压而产生。比如下图中 R201 和R202 就可将 1.8V 电压分压到 0.9V，当作 DDR 总线的参考电压使用。 4) 终端（ termination）电阻 在高速信号设计中，有时候需要 在信号的源端或终端加一 17 学硬件设计，关注微信号：超硬工
22、程师 些电阻进行阻抗匹配（阻抗匹配的概念请参考高速信号设计的相关技术书籍）。在源端往往是串连 22-47 欧姆的电阻（如下图）。 远端的阻抗匹配电阻往往像上拉电阻一样，将一定阻值的电阻上拉到终端匹配电压。如下图中所有的电阻就 DDR 总线上地址信号线的终端信号匹配电阻。 5) 电流检测电阻 电源设计中电阻的使用很复杂，不少电阻的选择与电源的 补偿设计算法相关。有一类电阻是用来检测通过的电流大小的，如下图中的 R2305 和 R2301。其工作原理是检测电阻两端的电压差，除以其电阻值，芯片就可计算出通过的电流大小。由于希望该电阻上的压降尽量小，从而不影响电源电压的传输，所以一般这些电阻的阻值会选
23、得很小。下图的设计中，该电阻的值是 0.027 欧姆，并且用两个并联，实际最终阻值是 0.0135欧姆。同时由于实际流过的电路比较大，需要选额定功率较大的电阻。该图中电阻的额定功率是 0.75W，根据公司 W=I2R，允许通过电流是 5.27A。两个电阻和在一起共可通过的最大电18 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 流是 2*5.27=10.54A，这对于电路中 12V 电源的输出而言，应该是有足够余量的 。 2，电容及使用 下面再来说说电容。 先来看看百度对电容的定义：是由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷，所以电容器是储能元件。任何两个彼
24、此绝缘又相距很近的导体，组成一个电容器。平行板电容器由电容器的极板和电介质组成 。 电容的特点 ： - 它具有充放电特性和阻止直流电流通过，允许交流电流通过的能力 。 - 在充电和放电过程中，两极板上的电荷有积累过程，也即电压有建立过程，因此，电容器上的电压不能突变 。电容器的充电：两板分别带等量异种电荷，每个极板带电量的绝对值叫电容器的带电量 。 电容器的放电：电容器两极正负电荷通过导线中和，在放电过程中导线上有短暂的电流产生 。 19 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 - 电容器的容抗与频率、容量之间成反比。即分析容抗大小时就得联系信号的频率高低、容量大小 。 电容的 英文名称： cap
25、acitor，它 是电子设备中大量使用的电子元件 之一，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路 ，滤波，调谐回路， 能量转换 ，控制等方面 。在网络上搜索一下，就会看到很多文章介绍不同电容的工作原理及作用，众说纷纭。网络有它的好处，就是信息的传播更加高效和广泛；然而也会带来一些问题：这么多的信息，如何去伪存真，如何不被众多说法不一的观点所困扰？ 看了网络上的相关分析文章后，个人觉得各有各的道理，不过各自的分析都适用于不同的应用环境，如果把那些分析拿到你自己的电路中，不一定能够套 得上。就好比有些视频网站做得风生水起， 播得快的却身陷囹圄。任何事情，看法，观点都有特定的适用范围。下面结合实际电路
26、总结一下电容在数字硬件电路设计中的常规用途。 1） 退耦电容 退耦电容电容应该是在数字硬件电路设计中用得数量最多 的一种电容。 几乎所有芯片的电源和地之间都会放置一些 电容 ，这样连接的电容叫退藕电容，其在现代硬件系统设计中非常常见。特别是在工作在高频条件下的芯片电源引脚附近，一般都会放一些退藕电容，提高相关电源的完整性设计。 现在的芯片内部集成很多晶体管。当晶体管导通时，便有电流流过；而当 晶体管关闭时，电流就会断开。因而，晶体管工作时产生的电流不像传统阻性负载一样是静态的，而是形成动态的电流。当很多晶体管一起工作时，就会产生与晶体管20 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 工作频率对应的较
27、大的动态电流（一定频率的脉冲电流）。现在的电源方案（线性电源或开关电源）都无发响应如此高频的动态电流要求，因而就通过在芯片周边靠近电源引脚的地方放一些电容（一般用陶瓷电容），来提供这样的高频动态电流。如下图，当负载芯片晶体管关断时，电容被充电；当晶体管导通时，最近的退藕电容就会放电，从而产生相应的瞬态电流，保证相应芯片功能的实现。这也是退藕电容最主 要的功能。当然这些电容放在芯片附近的电源通路上，也会有一定的滤波作用。如果电源通路上有一些高频的噪声，会通过这些电容而被过滤掉，从而不会进入芯片内部影响芯片的正常功能。 退藕电容的选择 这其实是一个非常复杂的电源完整性分析的话题，要讲得透彻的话，需
28、要一个专业的电源完整性或高速信号完整性设计工程师开一门课程来分析。这里只能简单定性地作些解释。前面说过，芯片内众多晶体管一起工作时，就会产生动态的跳变电流。而该动态的跳变电流流过退藕电容所形成的回路时，由于回路及退藕电容具有一定的阻抗，从而产生动态的跳变电压，反应在电压波形上就会看到高频的纹波。为了降低高频纹波，就需要控制回路及退藕电容的阻抗。控制退藕电容的阻抗，一般可以： 21 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 - 多个退藕电容并联。这有点象电阻并联可以降低阻值一样，多个退藕电容并联，也可明显降低整体阻抗，从而有效降低电源纹波。这就是为什么会在芯片附近经常有多个 1uf 或者 0.1uf
29、电容并联，如下图。 - 不同值的电容并联。电容工作在高频状态下，其阻抗和工作的频率有关系。当在某个频率点电容的阻抗最低时，这个频率叫做该电容的谐振频率。下图中，不同电容的阻抗曲线中的最低点所对应的频率就是谐振频率。一般会尽量选择谐振频率和芯片工作频率接近的电容作退藕电容，这样电容的阻抗很低。但芯片往往不会工作在一个静态的频率点上，而是工作在一 个频率范围。这时就可选择不同容值的电容并联在一起，由于其有不同的谐振频率，从而从此不同的谐振频率间的频率范围内都可形成低阻抗路径。 22 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 退藕电容的放置 前面提到退藕电容可使用多个电容并联，那么这些电容在 PCB 板设
30、计时该如何放置呢？现在大多高功率高频芯片都有众多的电源引脚。每个电源 /地引脚应该都对应芯片内部的一些晶体管。因此，退藕电容也应当分散放置在不同的电源引脚附近，尽量让每对电源 /地引脚附近都有退藕电容，从而提供不同部分的晶体管对工作电流的要求。退藕电容应尽量离电源 /地引脚近，越近越好，这 样可缩短晶体管工作形成的动态电流流过的回路，而回路越短，回路的阻抗也就越小，有利于控制电压的高频纹波。 2） 耦合电容 在高速串行差分信号中，比如在现在的电脑设计中用的很多的 PCI Express 总线的差分信号中往往会串接电容，这种电容根据其功能，有个名称叫交流耦合电容（ AC coupling ）。比
31、如下图中英特尔南桥芯片 ICH8 连接电路中，串接在 PCI Express 以及 SATA 差分信号中的所有电容都是交流耦合电容。 23 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 交流耦合电容作用主要是阻断直流分量的 通过，而允许高于某个频率的高频交流分量通过。这样的电容串接在 DMI, PCIe 这样的高速差分总线中，总线传输的高速信号能够顺利通过电容，传输到接收端；而直流分量以及一些低频干扰则被过滤掉。这样做的好处： - 可以降低共模干扰，提高传输到输入端的信号质量 - 该电容阻断输出和输入的直流通道，便于有需要的电路在输出端和输入端设置不同的直流偏置 至于交流耦合电容的选择，这其实是一个比较
32、复杂的话题，需要丰富的高速信号完整性知识才能进行更深的解读。这里就暂作这些初步的解释吧。 3） 旁路电容 旁 路电容（英文叫 bypass capacitor）也是大家会经常在数字电路设计听到的，其主要作用是把输入信号的一些干扰以及不需要的频率分量给过滤掉，从而让需要的频率分量以及干净的信号进入到输入电路，确保输入电路稳定工作。打个比方，大家都知道现在空气质量 PM2.5 经常报表，家里都会用空气24 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 净化器。空气净化器里有过滤网，空气的原始成分顺利通过，并输出到屋子里；但空气中的一些大颗粒杂质就被过滤网给吸附了，从而起到净化空气的作用。旁路电容就好比过滤网
33、，把信号中的干扰成分过滤到，从而净化输入信号的质量。 下面两电路中的电容 C1001 及 C1105 都是旁路电容的典型应用。其中上面的电路时通过两个电阻的分压产生一个参考电压（ reference voltage）输入给南桥芯片。既然是参考电压，当然要干净没有干扰。 VCC_3V3S 电源在其他的电路以及芯片供电过程中，可能会产生各种各样的干扰， C1001 就可以把高频的干扰给过滤掉，净化参考电压的质量。第二个电路是产生复位信号（ RTCRST#），以复位南桥内部的相关逻辑电路。电容 C1105 可以起到顾虑该信号电路前端电源中的各种高频干扰，从而保证复位信号的质量。 4） 滤 波电容 滤
34、波电容，其主要作用就是利用电容充放电原理，把交流的输出波形处理成直流输出波形。在数字硬件电路设计中，25 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 用途较多的场合是开关电源输出的滤波电路以及芯片锁相环输入电源引脚的滤波电路。下图就是南桥 SATA 功能模块的锁相环输入电源的电路。电容 C1222 和 C 1216 与电感 L1205 一起组成滤波电路。 VCC_1V5 虽然已经经过其电源电路自身的滤波电路变成直流输出，但其中还是有一定的低频的纹波存在。这样的低幅度的纹波叠加到 PLL 模拟电路中，就会对相关电路的功能产生较大的影响。通过这里的滤波电路 后，可以让该 PLL电源引脚的输入信号（ VCC
35、_SATAPLL）更加光滑。原理很简单：当电压变化时，就需要对的滤波电容进行充放电，从而缓解电压波形的变化，让输入电压更加平稳干净。 开关电源电路中的滤波电路主要起到整流的作用，其中滤波电容的工作原理跟上面描述差不多，也是利用电容充放电的原理。具体等后续结合开关电源电路工作原理一起讲述。 5） 晶振起振电容 还有一种电容通常会在晶体振荡器电路中被使用，叫晶体振荡器的起振电容。该电容一般与晶振的引脚并联，其容值一般根据晶体振荡器厂家提供负载电容参数选 定。下图电路中C1102/C1103 就是晶体振荡器 Y1101 的起振电容，它们与芯片26 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 内部的放大器合在
36、一起就可产生等同该晶体振荡频率的正弦波波形，可以作为芯片的参考时钟信号。 当然电容的功能并不止这些，其他功能的电容使用不像上述几种那么广泛，以后有机会结合相关的电路进行具体解析，这里就不一一介绍。 3，电感及使用 电 感也是常用的元器件，不过在嵌入式或计算机产品电路设计中没有电阻和电容那么广泛。百度对电感的 定义： 电感器 (Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的 元件 。电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组。电感器具有一定的电感，它只阻碍 电流 的变化。如果电感器在没有电流通过的状态下，电路接通时它将试图阻碍电流流过它；如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将试图维持
37、电流不变。电感器又称扼流器、电抗器、动态电抗器 。 电感器的特性与电容器的特性正好相反，它具有阻止交流电通过而让 直流电 顺利通过的特性。直流信号通过线圈时的 电阻 就是导线本身的电阻压降很小；当交流信号通过线圈时，线27 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感器的特性是通直流、阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感器在电路中经常和电容器一起工作，构成 LC 滤波器、 LC 振荡器 等。 另外，人们还利用电感的特性，制造了阻流圈、 变压器 、 继电器 等 。 - 通直流：指电感器对直流呈 通路 关态，如果不计电
38、感线圈的电阻，那 么直流电可以 “畅通无阻 ”地通过电感器，对直流而言，线圈本身电阻很对直流的 阻碍作用 很小，所以在 电路分析 中往往忽略不计 。 - 阻交流：当交流电通过电感线圈时电感器对交流电存在着阻碍作用，阻碍交流电的是电感线圈的感抗 。 电感器在电路中主要起到滤波、振荡、 延迟、陷波等作用，还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。由于 电容具有 “阻直流，通交流 ”的特性，而电感则有 “通直流，阻交流 ”的功能，因此 电感在电路最常见的作用就是与电容一起，组成 LC 滤波电路。 在计算机或嵌入式硬件设计中，电感使用最多的可能也就是 LC 滤波电路了。 很多芯片的电源输
39、入，特别是 一些对电源 质量 要求很高的 PLL 电源往往都会 加 LC 滤波电路。比如下图是南桥 ICH8 的电源引脚输入。图中电感L1201/1202/1203/1204 就与相关的电容组成不同的 LC 滤波电路，连接到不同的电源引脚。 28 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 另外一个 经常会用到电感的场合就是开关电源的设计电路中。 计算机或嵌入式产品设计中，对于功率较大的电源，通常会采用降压的开关电源设计方案。 比如下图就是一个典型的开关电源电路。由于电源设计比较复杂，需要更大的篇幅和时间慢慢分析，这里我们就不花很多时间详细分析电源电路了。电路中电感 L2001 以及其后面的电容 C2
40、008/C2009/C2010 等等组成 LC 滤波整流电路，保证输出电压的稳定。 电感 L2001 主要利用其自身的储能功能，和阻止电流变化的特性，从而提供电源电路的带负载能力。当上功率 MOS 管 Q2002 导通时，电源VCC_12V 提供电流，电感 L2001 及其后的电容就储存能量；当上管关端，下功率管 Q2001 导通时，电感 L2001 及后面电容中储存的能量就可以释放，从而给负载电路继续提供电流，保持电源电压的稳定及负载电流的供应。 开关电源的细节和更多内容，今后有机会再出专题讲解。 29 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 30 学硬件设计，关注微信号：超硬工程师 第三章 二
41、极管 ， 三极管和 MOS管 1， 二极管 及使用 除了前面讲过的 电阻，电容，电感外，在嵌入式或计算机产品硬件设计中常用的分立元器件还 有 二极管，三极管，MOS 管 。在数字电路硬件设计中，这些元件的功能相对比较单一。为了便于大家理解后面的功能电路分析，这里也用点篇幅总结一些这些管元件在硬件产品数字电路设计中常用功能。 首先来看看二极管。 二极管，（ 英语 ： Diode），电子元件当中，一种具有两个 电极 的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为 “整流 （ Rectifying） ”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电
42、流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。 晶体二极管为一个由 p 型 半导体 和 n 型半导体形成的 pn结，在其界面处两侧形成 空间电荷 层，并建有自建 电场 。 外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服 PN 结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为 死区 。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压 或 门坎电压。当正向电压大于死区电压以后， PN 结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。门坎电压 : 硅管约为 0.5V，锗管约为
