1. 与或非门

逻辑门电路是现代电路的逻辑基础。基本的逻辑门有 与或非门、与非、或非门、同或、异或门 这几种。其图形表征如下图所示：

其中，与门全为1则输出1，一假则假；或门有一个1则输出1，一真则真；非门即输出相反信号；
与非门即与门+非门；或非门即或门+非门；同或即相同为1；异或为不同为1。
通常情况下，我们会采用真值表或者逻辑函数来表达其中的逻辑。

在实际实现上，这些门电路采用了高电压和电路特性以及二极管等电子器件来实现，具体电路组成如下图所示：

其中以与门举例：
(i)输入端全为1高电平，则二极管截止，右侧高电压直接输出1高电平。
(ii)输入端有一个为0低电平，则二极管单向导通，右侧输出0.7V低电压，视为0低电平。
其他的门电路都可以以此为例进行分析。

在现代实际使用中，一般使用集成芯片来搭建门电路的组合使用，因为集成电路芯片内置了数个门，方便使用且稳定。
具体的一些门电路集成芯片已经在图中给出。

2. PN结与二极管

硅(Si)是4电子结构，故而纯硅是稳定8电子结构，不导电。
如果对硅进行掺杂，掺入少量磷原子(P)（5电子结构），就会有自由电子（负电），对这块硅我们叫他N型半导体(Negative)。
如果对硅进行掺杂，掺入少量硼原子(B)（3电子结构），就会有空穴 (空电子位，吸引外侧电子)（正电），对这块硅我们叫他P型半导体(Positive)。

因此，只要将N型半导体和P型半导体组合在一起，就构成了二极管。
我们给二极管通电（接上电源），就有了电场。
如果P端接电源正极，自由电子向空穴方向移动，从而形成电子移动，构成电流。
如果N端接电源正极，自由电子无法移动，从而不构成电流。
这就是二极管的单向导通性

3. 三极管 (BJT)

承接上文，如果我们搭出一个N-P-N结构的PN结，再来一点点细节，就可以作为三极管BJT。

BJT, 全称双极型三极管，俗称三极管。它有3个极，分别是集电极C、基电极B、发射极E。
它属于双极型晶体管，人们也常常这么叫它。
它的工作特性是：基极不通电，则电流不导通；基极通电，则电流导通。

在具体的工艺实现上，NPN三块半导体的掺杂浓度、厚度都不相同。其中：
发射区掺杂浓度最高（自由电子多）
基区掺杂浓度最低、且薄（空穴少、且电子通过容易）

(i)当基极不接电源，则双向都是二极管截止，无法构成电流。
(ii)当基极接入电源，则引发电子移动，由于基区空穴少且薄，会有大量电子从发射区涌向集电区，形成集电极电流（三极管的输出电流）。
这就是三极管用小电流控制大电流的基本原理。

一般的三极管，它可以被分为4种状态：截止状态、饱和状态、放大状态、击穿状态。
具体的原理和数据如下图所示：

【各个工作区工作的前提条件】
截止状态：发射结和集电结均反偏（Vc>Ve>Vb）（Vce=Vcc）
饱和状态：发射结和集电结均正偏（Vb>Vc>Ve）(Vce=0.?V)
放大状态：发射结正偏，集电极反偏(Vc>Vb>Ve)
(Tips: 正偏就是 P 结点电势高, N 结点电势低)

4. MOSFET (MOS管)

MOS，全称MOSFET，俗称场效应晶体管。其本质也是由PN结的应用衍生而来。它也拥有3个电极，分别是：栅极G、漏极D、源极S。
由于其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，因此属于单极型晶体管。
它的工作特性是：栅极没有电压时，则电流不导通；栅极有电压，则电流导通。

MOS管一般不会用来作为放大信号的器件，但是和BJT一样，可以作为电子开关。

5. IGBT

IGBT, 全称为绝缘栅极晶体管。它由BJT和MOS复合组成，本质也是一个电子开关。
IGBT相较于BJT和MOS，他的优势是可耐受的电压很高，因此功率高，且开关频率也很棒。（参考数据：6500V、3600A、上万次开关/秒）
它有3个极，分别是栅极G、集电极C、发射极E。
它的工作特性是：给栅极高电平则导通；给栅极低电平则截止。

IGBT的结构结合了MOS的低驱动电流（MOS是用了绝缘层，IGBT是用了电容）和BJT低导通电阻（三极管导通时低电阻，IGBT利用了这一点）的优势。
IGBT的主要应用有：高压直流电转为交流电（逆变器组件之一）、变频（PWM?）
涉及工业领域有：新能源汽车、太阳能、工业自动化等。
目前，IGBT基本作为模块组件出现，模块中还有散热器、续流二极管等。有些模块集成了一坨IGBT，还提供了相应的保护电路。

6. 示波器

A021-08-示波器.png

7. 开关电源电路

常见的开关电源电路有：Buck、Boost、LLC、全桥、正激、反激等。

7.1 串联分压-线性降压电路

降压，如果是交流电（AC），一般就会采用变压器（线圈）来实现；如果是直流电（DC），一般就会采用包含二极管的复杂电路来实现。
如下图所示，是一个简单的线性降压电路（12V—>5V）

【电路分析】
其中使用了同相放大器来进行负反馈控制，从而稳住输出电压；
左侧是一个稳压管结构，用来稳住输入电压至3.3V，防止输入电压过高导致二极管烧坏；
因此同相放大器的参考电压Vf=3.3V。
输入电压12V，输出电压5V，7V由二极管承担，此时二极管在线性放大区间。
因此，当同相放大器的输出电压增大时，三极管的输出电流也增加，
当同相放大器的输出电压减小时，三极管的输出电流也减小。

【原理分析】

输入电压 / 负载变化，导致输出电压 > 5V，分压后Vs > Vf，放大器 Ub 变小，三极管输出电流变小，输出电压下降到5V。
同理，输出电压 < 5V，分压后Vs < Vf，放大器 Ub 变大，三极管输出电流变大，输出电压上升到5V。
因此利用了三极管的放大性能，实现了降压稳压的需求。
构造的线性稳压电源有以下优缺点：输出纹波小、外围电子元件少、效率低（浪费7V&发烫）

7.2 开关电源-DC降压稳压电路（Buck电路）

由于上文中利用串联分压的原理来制作降压稳压电路过于浪费。因此诞生了另一套开关电源的方案——通过不停地开关电源，可以实现降压（利用PWM），如下图所示，是一个常见的开关电源-降压稳压电路原型（Buck电路）。

A021-07-02开关电源-降压稳压电路.jpg

通过快速的开关，控制开关的频率（类似控制占空比），再利用电感的抗电压作用，以及电容的储能/滤波作用，可以生成一段低于额定电源电压的低压波动波形。
（Tips：如果没有电容，则波形会变得很尖锐/直直的折线。）
为了避免开关损耗，通常选用IGBT来作为开关控制（一秒上万次开关）。

例如：12V—>5V, 5/12=42%, 因此需要控制开关在一个周期时间中42%的时间是闭合的。

7.3 开关电源-DC升压稳压电路（Boost电路）

上文中，对开关电源-DC降压稳压电路进行了分析，那么对于升压的电路，是否也可以使用开关电源来实现呢？

如果是AC（交流电），可以采用变压器（线圈）实现，但如果是直流DC的话，也可以采用开关电源来实现升压，如下图所示，是一个开关电源-升压稳压电路原型（Boost电路）。

Boost电路的原理是：
开关断开—>负载阻抗变大—>电感电流减少—>电感产生感应电压—>与电源电压同相串联—>从而实现增压。
开关闭合—>电感电流迅速增大—>电感产生反相感应电压—>但由于二极管单向导通截止—>负载供电全部依赖电容。

Boost电路的占空比计算：
把5V升压到12V, 即12=5/(1-D), D=7/12, 即7个时间单位内闭合，5个时间单位内断开。
(Tips: 功率是不变的，因此电压上升N倍，电流就下降N倍。)

7.4 开关电源-DC升降压电路（Buck-Boost电路）

通过上文中对Buck电路和Boost电路的介绍，我们可以猜测——能否通过1台设备来同时实现升压&降压的功能？Yes, 下图就是Buck-Boost升压降压变换器的电路图。

（本质就是把Buck电路和Boost电路进行级联）

【原理分析】
过程：开关闭合—>二极管反偏—>电源接电感，励磁—>电感电流变大—>过了一段时间，开关断开—>电感电流下降—>二极管正向导通。
总结：由于上升电流=下降电流，因此电压转换比Vo/Vi=d/(1-d), 其中d为占空比。通过控制开关闭合断开的占空比（0~1），DC电压会从降压—>升压。

7.5 反激电源电路（flyback电路）

手机充电器如何将AC220V转换为DC5V？

7.5.1 传统AC-DC降压变换电路

传统AC-DC降压变换器，需要经历变压-整流-滤波-降压稳压四个环节的处理。具体介绍如下：
A021-07-05-1-初代AC-DC变换器.jpg
这种电路设计的缺点：1. 功率密度低 2. 发热严重 3. 重量过重

7.5.2 开关电源-AC-DC降压变换电路（反激电源电路flyback）

利用了开关电源的AC-DC降压变换电路比较复杂，需要经历整流-滤波-逆变-变压-整流五个环节的处理，实现AC-DC-AC-DC的过程。
A021-07-05-2反激电源电路原理图.png
优点：

AC-DC-AC后，通过提升AC的频率（220V20Hz—>65Hz）,从而可以使用更小的变压器。
AC-DC后，DC经过开关电源，呈现为受控方波，通过反馈调节开关电源的占空比，实现稳定的输出电压，就不需要稳压器了。
缺点：大功率时效率较低。
（Tips: 其实反激电路仅仅指AC-DC-AC-DC中的DC-AC-DC这一部分。）

8. 逆变器

逆变器(Inverter)：DC—>AC

应用场景：不间断电源、电力器件的控制、有源滤波

8.1 逆变器的工作原理

就如交流转直流使用的整流桥一样，H桥电路可以将直流电转换为交流电。其电路拓扑如下：
A021-08-01-H桥方波逆变器与PWM.jpg
其中，四个开关在这里采用了IGBT进行开断，控制开断一般由Arduino等单片机进行控制。
通过控制开关频率的变化，用PWM脉宽调制的方法，就可以实现类正弦波的输出。