MIT-电路和电子学-拓展

参考资料：

晶振

 

时钟信号的重要性：

  • 实现芯片里电路的同步。不仅在单个芯片里如此，多个芯片之间也需要同步；
  • 决定数字电路的运行速度。时钟信号越快(用频率衡量)，数字芯片运行的速度越快。

将石英晶体切割和抛光到精确规格时，石英晶体可以以非常稳定和精确的频率振动，利用这个特性就能使用石英晶体来做时钟信号源了，也就是晶振了。晶振的工作原理就是通过对晶体施加电压，它就会以它的自然谐振频率产生振动，然后又会通过震动产生交变电场，这个电场再通过外围的放大电路进行放大，就产生了在0和1之间不断变化的电信号。

优点：

  • 非常稳定，一旦制作好就不容易受到环境影响；
  • 产生时钟信号的质量比基于无源器件的RC和LC振荡电路好的多的多。

缺点：

  • 体积大，成本高；
  • 生产工艺传统，交期长；晶振的可靠性相对于半导体工艺来说是较差的，比如晶振对振动和沖击的抗性比较差
  • 难以产生高频时钟、抖动较大，很难直接提供高于100MHz基频频率输出，需要使用锁相环或者overtone才可以输出更高的时钟频率，所以谐波或者杂散比较多。ppm全温度范围温漂比较大。
  • 衡量时钟信号质量的一个重要参数叫做【jitter】(时钟信号的抖动)，现代数字系统对系统时钟的拭动一般都有非常严格的要求，否则可能导致电路同步失败

 

参考资料：
(1) 晶振—爱上半导体
(2) 时钟信号— 老石谈芯
(3) 有源晶振与无源晶振的区别
(4) What You Need to Know about Phase Noise and Jitter

 

 

 

 

 

 

漂移

【零点漂移】(zero drift )：简称零漂，指当放大电路中输入信号为零时 （也就是没有交流信号输入时），由于温度变化、电压不稳定等因素的影响，造成静态工作点发生变化，并被 放大电路逐级放大和传递，造成输出电压偏离固定值上下漂动的现象。

特别是直接耦合放大电路，由于前后级电路是直接连接的，静态工作点会相互影响，静态工作点的缓慢变化会逐级传递和放大，所以零点漂移是直接耦合放大电路存在的一个难题。

产生原因：

  • 电压不稳；
  • 元器件老化；
  • 温度变化，这是最主要的因素，当温度发生变化时，晶体管的β值会发生变化，会导致静态工作点发生偏移。

抑制方法：

  • 选用高质量的硅管；
  • 在电路中引入负反馈；
  • 利用热敏元件来补偿；
  • 使用差分放大电路，使输出端的零漂互相抵消，是十分有效且容易实现的方法。

【温度漂移】(zero drift )：简称温漂，是指由温度变化引起半导体器件参数的变化，是产生零点漂移的现象的主要原因。 温度系数是材料的物理属性随着温度变化而变化的速率。常用单位是：±ppm/℃，即单位温度引起的电阻值变化，ppm（Part Per Million）表示百万分之一。例如，5ppm/℃的意思就是：温度每变化1℃，电压偏离其标称电压值的百万分之五。

 

 

TTL与CMOS

TTL是什么？
答：Transistor-Transistor Logic，TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑"1"，0V等价于逻辑"0"，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。
电平是个电压范围，规定输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。
电平即”电压平台”，指的是电路中某一点电压的高低状态，在数字电路中常用高电平和低电平分别表示”1”或”0”（也可以是”0”或”1”）．电平的高低是个相对概念，3V对于7V是低电平，但对于1V就是高电平。
脉冲指电子电路中的电平状态突变，既可以是突然升高（脉冲的上升沿），也可以是突然降低（脉冲的下降沿）．一般脉冲在电平突变后，又会在很短的时间内恢复原来的电平状态。
TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10纳秒)，但是功耗大。

TTL如何利用三极管来实现？
答：参见笔记MIT-电路和电子学

TTL和CMOS的对比？
答：与TTL分庭抗礼的是CMOS，旧时两者相比较TTL主要是速度快，CMOS则是速度慢，但省电、成本比TTL低。随着CMOS技术的进步，其反应速度已经超越TTL。而且CMOS内部不具有制作麻烦的电阻，所以TTL可说几乎没有发展。目前TTL主要应用于教育或是较简单的数字电路。

 

 

 

 

 

 

 

其他待补充

电源电压符号

三极管(BJT)和MOS管的接法和用法几乎是完全相同的，只是性能上会略有不同。上面左图是三极管，右图是MOS管。

- VDD: 常用于数字电路中，表示正电源电压 (如+5V或+3.3V)。
- VSS: 常用于数字电路中，表示负电源电压 (如-5V或-3.3V，或者直接接地)。
- VCC: 常用于模拟电路和数字电路中(通用)，表示正电源电压 (如 +5V 或+12V)。
- VEE: 常用于模拟电路中，表示负电源电压 (如-5V或-12V，或者直接接地)。
- GND: 通常表示电路的参考电位点或地点，它被定义为电路中的零电位。在电路中，GND被用作电路中各个部分的共同接地点。

Tips:

  • VDD/VSS/VCC/VEE的正负都是相对GND而言的。
  • 基极(B)和栅极(G)是接控制信号的，所以并不会接固定的电压。
  • 这些术语中双写的原因是为了强调它们的作用和含义，同时也是为了与其他类似的术语进行区分(比如区分VCC和VC)，例如VDD和VSS用于CMOS电路，而VCC和GND则用于晶体管电路。双写也有助于减少歧义，并提醒工程师在设计和连接电路时注意正确的电源极性和地线连接。(注：IEEE在1963年制定了一个标准里面提到用作电源电压的网络标识应该双写意义字符，之后便一直沿用下去)
  • 参考资料Difference between VCC, VEE, VDD, and VSS

 

Negative Voltage

更详细的介绍，特别是Uses of Negative Voltage可以参考What is Negative Voltage?

 

 

 

 

齐纳二极管

 

 

PN节之间打通(电压高过0.7 V)的话就会对晶体管的工作产生影响，为了避免这种情况，于是将B(P)和S相连，注意S在NMOSFET中通常是接地的，于是P也接了地。箭头方向是从P指向N。

NMOS和PMOS

MOSFET属于【ESD】(Electrostatic-sensitive device，静电敏感设备)

信波波

buffer gate

IGBT MOS管，三极管

温漂(Temperature drift)

为什么ad采样很多地方要加电压跟随器。分压的非线性问题等等。

Arduino温度传感，参考电压

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