01、硬件设计常用经典电路

前言

一直想入职嵌入式软件，但是25年作为学历一般的应届生真是太难了，于是今年实习就不想跑太远了，就在老家5线小城市进入了一家小企业，当电子工程师实习（学徒）。
抱着入职什么，就学习什么的态度，大家都要认真对待每一份工作。硬件开发为软件开发打硬件基础。
本篇文章将介绍几种常见的经典电路。

二极管钳位（I/O的过压/浪涌保护）

使用场景

当我们的电路环境接收外部输入信号容易受到噪声影响，我们需要采取过压和浪涌保护措施，其中一个方式就是二极管钳位保护。钳位二极管选择肖特基二极管或者小信号二极管，正向压降低，结电容小。

过压：指电路中的电压超过了正常操作范围。
浪涌：指短时间内出现的电压或电流尖峰，可能对电路造成损害

肖特基二极管：具有正向压降低、反向恢复时间短、结电容小等特点，适合用于高频电路和需要快速响应的场合。
小信号二极管：通常用于处理小信号，其正向压降也较低，结电容相对较小，适用于对信号质量要求较高的电路。
选择这两种二极管作为钳位二极管，可以减小对电路正常工作的影响，同时提供有效的过压和浪涌保护。

结电容：二极管内部的寄生电容。结电容小意味着二极管在高频信号下的性能更好，不易引起信号的失真或衰减。

原理图

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状态分析

以下假设均在未发生反向击穿等情况

静态状态（无输入信号）

当处于无信号状态时，由于D4、D5为钳位二极管，此时不导通。电路处于静态状态

正向输入信号状态

当INPUT端接收到正向电压信号时，D4导通，将电压钳制在D4导通电压附加。
D5此时不导通，为反向偏置状态。
R21限制流过D4的电流，保护电流不受大电流冲击。
IC-IN端接收到的电压信号将被D4钳制后的电压所决定。

负向输入信号状态

当INPUT端接收到反向电压信号时，D5导通，将电压钳制在D5导通电压附加。
D4此时不导通，为反向偏置状态。
R21限制流过D5的电流，保护电流不受大电流冲击。
IC-IN端接收到的电压信号将被D5钳制后的电压所决定。

过压保护状态

如果INPUT端接收到一个过高的正向或负向电压信号，D4或D5将分别导通，并将电压钳制在它们的正向导通电压附近，从而保护后续电路不受过压损害。
在这种情况下，R21同样起到限流作用，防止二极管因过大电流而损坏。

防反接保护电路

防反接保护（二极管）

使用场景

在实际电子设计中，防反接保护电路非常重要。最简单的就是利用二极管的单向导电性。
但是使用二极管有个弊端，就是二极管会有压降。

原理图

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防反接保护（PMOS）

使用场景

前面介绍的二极管防反接的办法，有压降的弊端，如果我们对电压要求很敏感的话，可以采用PMOS的方法来代替。

原理图

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状态分析

PMOS在完全导通后，导通电阻很小，GS之间加了一个齐纳二极管防止输入电压超过MOS的Vgs，Vgs额定值为20V,这里一般用10V就可以满足。

直流浪涌电流抑制开关

适用场景

原理图

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此电路可以解决负载中有大容量电容，电源端出现巨大浪涌电流的问题，启动时缓慢升高电压以抑制上电时的浪涌电流。电压升高的时间C1与R6决定，值增大，缓启动的时间变长。

背靠背防倒灌

使用场景

前面的防反接保护电路中说了，会有出现倒流的风险，特别是负载端是电池或者有大容量电容
时，或者是电脑的USB给一些调试的同时外部还有电源，则会流向Vin侧，进而引发一系列故障

原理图

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双三极管镜像电路防倒灌

该电路，防反接，输出基本不损失电压，不需要额外控制信号，可以防止电流回流。

原理图

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双向电平转换(MOS管）

用MOS管进行电平转换，电路简单，可以实现双向通讯，用于2C等开漏总线上是肯定没问题
的，但大家思考一下，此电路能用于串口、SPI或者其它推挽输出形式的电平转换吗？关于速率，如果太快信号也会失真，一般100K以内问题都不大，超出了就要实际观察下波形失真情况，看下能否接受，另外注意低端电压一定要低于等于高端电压。