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硬件面试经典 100 题（81~90）题

news 来源：原创 2024/9/20 19:28:58

81、请问下图电路中二极管 D1、D2 有什么作用？

在 Vi 输入电压接近于零时，D1、D2 给三极管 T1、T2 提供偏置电压，使 T1、T2 维持导通，以消除交越失真。

陈氏解释

这道题参见：硬件面试经典 100 题（51~70 题）-CSDN博客

中第 57 题 > 陈氏解释 > 甲乙类功放

82、请画出 RC 微分电路和 RC 积分电路。

陈氏解释

一、积分电路与微分电路

（最基础的知识）

1.1积分电路

下图电路就是积分电路，其中 AB 为电压输入端，CD 为电压的输出端。

当在输入端加电压 U ，输出端的电压会逐渐升高，经过一段时间后，输出电压到达最大值，如下图所示。

1、输出电压为什么不立即输出达到最大值的输出电压呢？

是因为输入端接入电源时，电流通过电阻 R 对电容 C 充电。电容 C 原来没有电量，故没有电压，由于输出电压就是电容的电压，所以在开始的时刻输出电压是 0，随着充电的进行，电容的电量逐渐增加，电容的电压逐渐升高。当充满电时，电容的电压等于输入电压 U ，充电停止，输出电压达到最大。

我不知道会不会有人不理解最后为什么电容两端的电压会等于输入电压，难道串联的电阻上不分压吗？

答：在充电的过程中，电路中有电流的流动电阻上也有电流流动，故电阻上有电压，被称之为分压；

在充电完成后，电路达到稳定状态，电容两端的电压也达到稳定状态，电容相当于断路，电路中也没有电流流动，故电阻上没有分压，电容电压等于电源电压。

在这个电路中，输入电压等于电阻电压加电容电压：

$U=U_{R}+U_{C}$

电容电压升高，或者说输出电压升高，电阻的电压就减少，电阻起到分压的作用。

在上例中，要经历一段时间，输出电压才可以达到输入电压的值，存在延时现象，这就称为延时。该延时电路是由一个电阻和一个电容组成的，所以称为 RC 延时电路。

2、那么延时的时间长短由什么因素确定呢？

由电阻 R 和电容 C 的乘积决定，这个乘积用字母 $\tau$ 表示。

$\tau =RC$

$\tau$ 称为时间常数，单位是秒。当时间达到 $\tau$ 秒时，输出电压达到了输入电压的 63% ，如下图（和上图并没有什么区别）。可以看出，增大电阻或者增大电容都可以延长输出时间。

1.2微分电路

下图是由电阻、电容组成的微分电路。

当输入端输入电压 U 时，输出端的电压从最大值 U 逐渐衰减，经过一段时间后，输出电压变为衰减至 0，输出电压随时间变化的曲线图如下图所示。

1、输出电压曲线为什么如上图一样？

因为在开始一瞬间电容 C 没有电量，所以 C 没有电压，全部降在电阻 R 上，电阻的电压是 U 。由于电路中输出电压就是电阻 R 两端的电压，所以在开始瞬间输出电压等于输入电压 U 。电容开始充电，电量增加，电压增加。由于电容电压与电阻电压的总和等于输入电压。电容电压增加了，电阻的电压就减少了，输出就减少了，到最后输出电压降到 0。

2、时间常数 $\tau$

输出从最大值降到 0 所经历的时间同样也是由电阻 R 和电容 C 的乘积决定的，即由时间常数 $\tau$ 决定的。

当经历的时间达到 $\tau$ 时，输出电压下降了 63%（下降到 36% ），如上图。

二、积分电路与低通滤波电路

（有一些额外，可能会需要的知识）

如果就给你上图中的电路，请问上面的电路是什么电路，我想你肯定会毫不犹豫的回答：积分电路。那是因为我们刚刚学完积分与微分电路。那如果我说上图是低通滤波电路，阁下又如何应对呢？

其实当输入的是交流信号的时候，它是低通滤波电路；当输入的是脉冲阶跃信号的时候，它就是积分电路。

2.1交流信号

当是 RC 低通滤波电路：从输入端输入各种频率的信号电容处高频会被滤掉，低频容易通过。
在电源电路中也有上图这样的电路，电源经过一个阻值不大的电阻，然后用容量比较大的电容进行滤波，得到干净的直流电压给电路供电，这就是小信号电路常用的供电电路，目的是得到干扰比较少的直流电源。

2.2脉冲信号

同样的电路如果输入的是脉冲信号，那么它就是积分电路。对于积分电路，需要分析输入的脉冲上升沿和下降沿出现的时候输出是什么样的波形。

2.2.1上升沿

毫无疑问会将直角的上升沿变得平滑一些，在这里就不再解释原因了。具体有多平滑取决于时间常数 $\tau$ ，电容容量或者电阻阻值越小，充放电速度越快，当时间常数小到一定程度的时候，输出波形可以达到如下图的效果，只是在拐角的地方稍微平滑了一点而已。

2.2.2下降沿

本来电阻两端的电压基本相等，输入端的电压突然下降为 0 ，那么电容将会通过电阻放电，输出电压也就是电容两端的电压会逐渐下降，时间常数越小，下降的越快。当时间常数小到一定程度时，下降速度可以达到很快，甚至可以达到下图的效果。

2.2.3脉冲

综上所述，可得：

当电阻比较大，电容容量也比较大的时候，上图中的输出波形就就会变得被拉长，如下图：

2.3积分电路的应用

2.3.1复位电路

假设单片机是低电位复位。开机时，稳压电源给单片机供电，同时通过电阻给电容充电。

开机的瞬间电容上是没有电的，也就是复位端是低电压，故连接到的单片机复位端就是低电位，那么单片机内部数据清零，重新启动。平时工作的时候，由于电容上已经充有比较高的电压，单片机不会出现复位过程。

2.3.2脉冲放大电路

下图是一个脉冲放大的例子，从 A 点输入一个如左下角一样波形的脉冲，通过电阻输入到三极管基极 B 点，但是在这个通路的过程中，对地存在一定的分布电容，在 B 点会形成一个积分电路，让到达三极管的脉冲波形顶端变得平滑，也就是脉冲的顶端产生了细微的延时。

分布电容是指在电路中，由于导线、组件引脚和其他金属部分之间的空间相邻布置，导致这些部分之间形成的等效电容。分布电容的存在是不可避免的，尤其是在高频或快速变化的信号中，这种电容效应更为显著。上图中的 C1就是这种分布电容的等效表现。它不是一个实际的电容器，而是电路布局中由于布线和元件间的物理结构引入的等效电容。

如果在电阻 R 上并联一个电容 C2 ，上升沿和下降沿这两个具有变化的部分就会加速通过，加速了到达 B 点的的时间，补偿了由电容 C1 造成的脉冲顶端延时。

因为一般的脉冲信号是一个高频的信号，对于高频的信号来说，合适容值的电容相当于一跟导线，故当A 点的脉冲进来时，会更快速的经过并联的电容，更快速的达到 B 点，补偿了脉冲顶端延时。

如果 C2 电容选择偏大，脉冲上升瞬间产生的冲击比较大，B 点到达的脉冲波形还可能出现下图所示的情况，即上升沿冲上去比较高。是因为电容 C2 加速了上升沿和下降沿对三极管的控制，故在脉冲电路中电容 C2 被称之为加速电容，如果输入为交流信号中，则是高频补偿电容。

1、为什么会有这么大的冲击？

当 C2 的电容值较大时，在输入脉冲信号的上升沿，C2 会在非常短的时间内吸收大量的电流来充电。这会导致一个很大的电流峰值流经电阻 R 和三极管基极的路径，形成一个短暂的电压“冲击”或“过冲”。

2、什么是加速电容？

加速电容，也称为补偿电容或旁路电容，主要用于三极管放大电路或类似的放大电路中，以改善信号的上升沿速度。它通过为瞬时电流提供一条低阻抗的路径来“加速”电路响应，使得信号能够快速传递，从而减少因寄生电容和寄生电感带来的延时。

3、什么是高频补偿电容？

高频补偿电容，也称为高频旁路电容，用于放大电路中的交流信号通路，以确保电路在高频工作时的稳定性和精确性。它们主要用于消除高频信号中的寄生效应，防止放大电路中的高频振荡或衰减。

三、微分电路、高通滤波电路和耦合电路

3.1写在前面

虽然都是下面这一个电路图，但是可以有以下三种使用场景，对每一种场景进行相应的器件选型可以实现不同的功能：

输入的信号为数字脉冲信号：微分电路
输入信号为高频交流信号：高通滤波器
输入信号无论是高频还是低频信号都传递过去：耦合电路

3.2耦合电路

耦合电路的目的是把信号传过去，不管高低频都传过去。只要电容容量和电阻阻值大到一定的程度，对一定频率范围的信号，无论是高低频的阻抗都相差不大，这个时候它就是耦合电路，电路中扥电容就是耦合电容。

如下图，需要将电路 1 的信号传送到电路 2 ，但是这两个电路由于各自模块等原因两连接点的电压不同（听到这里你有没有一种似增相识的感觉，好像在是哪篇我自己写的博客里讲到过，如果有读者知道，请在评论区告诉我。），故不可以直接相连。

所以电路利用电容隔直流通交流的特性，把信号传递过去，这个时候电容就是耦合电容。如下图公式，当输入的频率远远大于截止频率时，对输入信号频率范围内的信号，电路的阻抗相差不是很大。

3.3高通滤波器

高通滤波器的截止频率也是如上图中的公式，截止频率 $=\frac{1}{2\pi RC }$ ，当输入频率为该频率时，输出信号的频率是输入信号频率的 0.707 倍（我觉得之所以介绍这个，是因为可以让我们直观的感受到这个频率输出的到底输出了多少，滤掉了多少）。

如果输入频率像下图给出的范围那样既有高频也有低频，则高频更容易输出，而低频的成分输出很弱，这就是高通滤波器。

如果输入的频率像下图一样，都是比截止频率高的多的频率，这时电路对这个范围内的频率输出强度基本相同，这时候就回到上面的耦合电路（不知道你自己有没有发现）。

反过来，继续说到高通滤波器，当高通滤波器中电容容量和电阻阻值比较大的时候，截止频率就比较低，输入的信号更容易就是一段高频信号，电路更容易就起到耦合的作用。

3.4微分电路

微分电路是针对脉冲信号来说的，当输入一个一个的脉冲时，由于电容是隔直通交的，故一个脉冲能通过的主要是变化的上升沿和下降沿部分，如果脉冲的宽度足够宽，可以算是直流成分，应该没有输出。

3.4.1上升沿

在上升沿的瞬间，电容相当于短路，所有电压全部加在电阻两端，电阻电压等于输出电压，故输出电压书剑上升到输入电压。
后是一段平电流，电容充电电压逐渐上升，分压在电阻上的电压越来越少，那么输出电压就会下降。
如果电容容量比较小或者电阻阻值比较小，充电速度就比较快，即波形图中下降的速度也就比较快，故 RC 常数越小，脉冲越尖。