一、前言
上期给大家分享了常见电阻、电容和电感的基本特性，并讲解了这三类元件选型的依据和建议。本期会针对上期内容对电阻、电容以及电感进行补充说明，此外，也会针对电路中常见的晶振、二极管、三极管、MOS 以及电源方面使用的 DCDC 与 LDO 进行详细讲解，希望本篇文章能够帮助到有元件选型困惑的小伙伴们。
二、元件选型1、电阻
- 使用标称值
绘制原理图中，针对电阻值的大小，我们难免会使用公式进行计算，但要根据计算出的电阻值找到相应的标称值进行替换，同样地，电容和电感也要注意使用标称值，下图 1 给出了精度为 5% 碳膜电阻的标称值表。
图1 精度为 5% 碳膜电阻标称值表
- 上下拉电阻的选取，有一些芯片信号需要外接上拉或下拉电阻，其阻值的选取也有一定的原则：
- 弱上拉-电流小（节约功耗应选大阻值）
- 强上拉-电流大（需要大的驱动电流应选小阻值）
- 对于高速信号线，使用合适的电阻可使边沿变平缓
- 上拉电阻和下拉电阻通常在 1K ~ 10K 之间选取
- 常用的阻值有 1K、4.7K 和 10K
针对电容的选择，这里补充两点，一个是常见的滤波电容滤除频率的范围；另一个是晶振匹配电容容值的计算，如下：
- 滤波电容：容值不同，滤除的频率范围也不一样，对应关系如图 2；但要特别注意，同容量的电容器，制造材质不同，频率范围差异也很大。
图2 电容值对应的滤波频率
- 匹配电容（晶振）：C1=C2=2 *（CL-CS），其中 Cs 为分布电容，一般为 1~5pF，CL 为晶振的负载电容，具体参考芯片或者晶振的 Datasheet。
补充功率电感一些参数的概念，防止读者在电感选型时感到困惑，此外，还补充了去耦和高频电感（也就是我们常用的普通电感）的元件选型。
- 功率电感
- 使用功率电感时，要注意区分饱和电流（Isat）和额定电流（Irms）这两者之间的异同：
- 这两者均是在电感上加一特定量的直流偏压电流
- Isat 是使电感值相对于未加电流时下降 30% 的电流值
- Irms 是使电感本体温度相对未加电流时的温度上升不超过 40℃，且稳定 30min 不再上升的电流值。
- 应用于电路中时， Irms（即额定电流）要大于电路中最大输出电流的 1.5 倍。
- DCR（直流阻抗）会产生热损耗，降低 DCDC效率，选型时注意选用直流阻抗低的电感。
- 去耦电感
去耦电感的作用是滤除线路上的干扰，属于 EMC 器件，主要用于传导辐射测试。分为共模电感和差模电感，下面主要讲解这个两种电感在选型过程中的注意事项。
- 共模电感
- 直流阻抗要低，不能对电压或有用信号产生较大影响；
- 若确定共模干扰的频段，在该频段内应选取共模阻抗较高的共模电感；
- 封装尺寸，做预留和兼容性设计，选择封装时，可以与两个 0402 的电阻做兼容或预留 0 Ω 电阻（如图 3 所示），不需要共模电感时，可以直接焊接电阻，降低成本。
图3 共模电感旁预留 0Ω 电阻
- 差模电感
- 要注意电感的直流电阻、额定电压和电流是否符合需求；
- 若确定了噪声的频段，可根据电感的阻抗曲线选择相应的电感值。
- 高频电感高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路中，主要作用有匹配、滤波以及谐振。
- 类型
- 绕线电感：电感量范围广，电感精度高，损耗小，自谐振频率高，可提供大电流、高感值，但进一步小型化有限制，其结构如图 4 所示。
图4 绕线电感
- 叠层电感：相较于绕线电感尺寸小，标准化封装，适合自动化高密度贴装，缺点是成本高，电感量小，Q 值小，其结构如图 5 所示。
图5 叠层电感
- 封装：根据 PCB 板的尺寸和元件布局紧密程度选用合适的封装。
- Q 值：电感 Q 值越高，其损耗越小，效率越高，相应的通频带也就越窄，用于射频电路匹配时，注意选取高 Q 值的电感。
【说明】电感 Q 值：即电感的品质因数，是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。
4、二极管
下面对一些常见二极管的特性和应用进行了说明。
- 整流二极管（普通二极管）
- 根据其半导体材料的不同可分为硅管和锗管，它们的特性曲线如图 6 所示。
- 硅（Si）管：正向导通压降为 0.6 – 0.8V
- 锗（Ge）管：正向导通压降为 0.2 – 0.3V
图 6 硅管和锗管的特性曲线
- 主要特质是具有单向导电性，可将交流电变为直流电
- 常用于整流、检波电路，工作原理如图 7 所示。
图 7 整流二极管的工作原理
- 选型需要注意以下两点：
- 交流电源的绝对值 < 最大反向电压（VRRM）
- 整流后平均整流电流 < 最大正向偏置平均电流（IFN）
【说明】单向导电性：在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
- 稳压二极管
- 动态电阻越小，稳定性能越好
- IZM（最大工作电流） > 电路中最大输出电流 * 1.5
- 常与电源电压并联，用于稳定电压，如图 8 所示
图 8 稳压二极管应用电路
- TVS 瞬变电压抑制二极管
- VRWM（截止电压） > 电路中最高工作电压
- VC（钳位电压） < 后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压
- 主要用在电源输入端吸收浪涌，初级、次级保护
- ESD 静电保护二极管
- VRWM 和 VC 参数的选取可参考 TVS 二极管，通常用于各类通信端口静电防护
- 当信号频率或传输速率较高时，应选取低电容的 ESD 静电二极管
- 一般封装越大的器件，防护等级也越高
- 肖特基二极管
- IR（反向饱和漏电流）以及 VF（导通压降）尽量选取较小的
- IF（额定电流） > 电路中最大输出电流 * 1.5
- 通常串联在电源电路中，防止电源反接
5、三极管
- 以 NPN 为例，三极管有三种状态，如图 9 所示。
图 9 三极管的三种状态
- 当 Vb < Ve 时，为截止状态
- 当 Vb > Ve，Vb > Vc 时，为饱和状态
- 当 Vc > Vb > Ve 时，为放大状态
- 在电路中的三种作用：
- 放大：把微弱的信号放大成幅值较大的电信号
- 开关：工作在饱和截止区，作为电子开关使用
- 振荡：配合其他电子元器件构成振荡器电路
- 分类
- 按沟道分类，MOS 管分为 PMOS 管（P沟道型）和 NMOS 管（N沟道型）
- 按材料分类，可以分为耗尽型和增强型
- 以增强型 NMOS 为例，分析 MOS 管的输出特性
- 当 VGS < VGS(th) 时，MOS 管处于截止区
- 当 VDS >（VGS – VGS(th)）时，MOS 管进入恒流区（饱和区），相当于三极管的放大区
- 当 VDS <VGS 时，MOS 管进入可变电阻区
【说明】增强型管：栅极-源极电压 VGS 为零时，漏极电流也为零； 耗尽型管：栅极-源极电压 VGS 为零时漏极电流不为零。
图 10 常见三极管和 MOS 管的元件外形
- 三极管选型
- 集电极输出的最大电流（IC）要大于输出所需要的电流
- 建议特征频率（fT）的取值为实际工作频率的 3~10 倍
- 通常用于高频放大、中频放大、振荡器等电路中
- MOS 选型
- 栅极到源极的电压设置要留有足够的设计余量，建议其取值高出栅极到源极阈值电压（VGS(th)）30% 左右，比规格书上栅极到源极电压（VGS）低
- 漏源导通电阻（RDS(on)）会影响导通损耗，选型时注意 RDS(on) 应尽可能低
- 常用于电源防反、电源开关以及大电流开关电路
- 二者异同
- 控制方式 - 三极管是电流型控制器件，MOS 管是电压型控制器件
- 损耗 - MOS 管的损耗小于三极管
- 成本 - MOS 管相对价格较高
- 无源 & 有源晶振
- 无源晶振
- 有 2P 和 4P，自身无法起振，需要芯片内部的振荡电路一起工作才能振荡，价格比有源晶振便宜。
- 允许不同电压，但信号质量和精度相较有源晶振差一些。
图 11 无源晶振在电路中的应用
- 有源晶振
- 一般为 4P，自身是一个完整的谐振振荡器，不需要外接电路，就可以主动产生振荡频率。
- 可提供高精度的频率基准，信号质量比无源晶振好。
图 12 有源晶振在电路中的应用
- 低频 & 高频晶振
- 通常低于 10M 以下为低频，高于 10M 以上为高频
- LDO（线性稳压器）
- 仅限于降压转换、低压差的场合。
- 效率低，功耗大(在压差较大时，需要很大的散热面积)。
- 外围器件少， 无开关噪声，纹波小
- DCDC （开关稳压器）
- 具有多种拓扑（降压、升压、降压-升压等），可输出大电流, 效率高，功耗小
- 设计复杂，周围器件多，输出纹波大 (噪声、振铃、跳变)
- 电压差方面，建议 12V 转 5V 采用 DCDC，5V 转3V 采用 LDO
以上是个人总结的元件选型需要注意的要点，希望路过的小伙伴们都能有所收获，当然本篇文章一定有不足之处，欢迎大家指出，共同成长。
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