硬件面试经典 100 题(31~40 题)

31、多级放大电路的级间耦合方式有哪几种？哪种耦合方式的电路零点偏移最严重？哪种耦合方式可以实现阻抗变换？

有三种耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合。直接耦合的电路零点漂移最严重，变压器耦合的电路可以实现阻抗变换。

陈氏理解

一、多级放大电路的引入

在实际应用中，常常会对放大电路的性能提出多方面的要求，就比如同时满足以下要求：

电压放大倍数 $\left | \dot{A_{u}} \right |> 2000$
输入电阻 $R_{i}> 2M\Omega$
输出电阻 $R_{o}< 100\Omega$

下表是实用基本放大电路动态参数的数量级（在空载时）：

观察上表后，不难发现单个基本放大电路均无法同时满足上述要求，因此就需要将基本放大电路组合到一起，共同实现放大电路性能的要求。

针对上述的要求，就可以采用以下的方法：

“共源（输入）+共射（中间）+共集（输出）”，这样

放大倍数：共源（几~几十）×共射（＞100）×共集（＜1），是很有可能超过2000的。
共源作为输入端，输入电阻可以达到 1MΩ 以上，也是可以满足大于 2MΩ 的要求。
共集作为输出端，输出电阻最小到几十，可以满足小于 100Ω 的要求。

这 3 个基本放大电路的组合，可以同时满足上述要求，这就引出了多级放大电路。

二、多级放大电路的相关概念和耦合方式

2.1相关概念

多级放大电路：将多个基本放大电路进行级联，构成的放大电路称为多级放大电路。

级：组成多级放大电路中的每一个基本放大电路称为一级。

级间耦合：级与级之间的连接方式称为级间耦合。

2.2常见的耦合方式

直接耦合：前一级的输出端直接接到后一级的输入端。

阻容耦合：前一级的输出端通过耦合电容接到后一级的输入端。

变压器耦合：前级的输出信号通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上。

光电耦合：以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递。

三、直接耦合

3.1原电路

（通用的判断为共什么极放大电路的方式：既不做输入，也不做输出的那一极就是被共用的那一极）

前一级放大电路：基极输入，集电极输出，故为共射极放大电路
后一级放大电路：同上

上图中 T1 管输出端和 T2 管的输入端直接相连，故为直接耦合方式。在静态时存在：

T1 管的管压降 $U_{CEQ1}$ 就应该等于 T2 管 BE 两端的电压 $U_{BEQ2}$ ，即 $U_{CEQ1}=U_{BEQ2}$
如果是硅管的话，则T1 管的管压降 $U_{CEQ1}=U_{BEQ2}\approx 0.7V$
T1 管在静态工作时管压降非常小，靠近饱和区，因此在动态信号作用时很容易出现饱和失真。

3.2提高 T2 管基极点位

为了解决 T1 管容易出现饱和失真的问题，需要做的就是增大 T1 管的管压降，使它远离饱和区。由于 $U_{BEQ2}$ 是恒定不变的，故只有可能是增大发射级的电位 $U_{E2}$ 来增大 T1 管的管压降。所以在 T2 管的发射级加了一个发射级电阻 $R_{E2}$ ，则有：

$U_{CEQ1}=U_{BEQ2}+I_{EQ2}R_{e2}$

那么 T1 管压降就增大了，就能够离饱和区远一点。只需要参数选择合适，那么T1、 T2 两个放大电路就都会有一个合适的静态工作点了，从而解决了之前静态工作点不合适的问题。

但是 $R_{e2}$ 实际上是一个负反馈电阻， $R_{e2}$ 的存在会使得第二级放大电路的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能力。

我相信很多人不能理解为什么说 $R_{e2}$ 实际上是一个负反馈电阻，我的理解如下：

首先明确一点就是输出电压 $U_{O}$ 其中一部分其实就是 $R_{e2}$ 两端的电压， $R_{e2}$ 的作用有：

引入负反馈： 当 T2 放大时，输出电压 $U_{O}$ 的变化会通过 $R_{e2}$ 反馈到 T2 的发射极。因为输出电压变化，输出电流变化，输出电流是 VCC 的一条分支，另一条分支就是发射极电流 $I_{E2}$ ，发射极电流 $I_{E2}$ 也变化，发射极电流 $I_{E2}$ 的变化将导致发射极电压 $R_{e2}$ 变化，从而影响基极与发射极电压 $U_{BEQ2}$ 。 $U_{BEQ2}$ 变小，就是 T2 管 B 点的电压没有那么容易比 T2 管 E 点的电压大了，就是 T2 管不正儿八经的、容易的处在放大区了。在一个 NPN 晶体管中，基极-发射极电压 $U_{BE2}$ 控制了集电极电流 $I_{C}$ ，并且此处 $I_{C}$ 的变化是变小，所以发射极电阻引入了一个电压负反馈。
降低电压增益： 电压增益 $A_{V}$ 是输出电压和输入电压之比，通常 $A_{V}$ 可以表示为：
$A_{V}\approx \frac{R_{C}}{R_{E}+r_{e}}$ ，其中 $R_{C}$ 是集电极电阻， $R_{E}$ 是发射极电阻，而 $r_{e}$ 是小信号等效电阻。在此公式中，增大 $R_{E2}$ 会减小电压增益，因为 $R_{E2}$ 作为负反馈的一部分，导致总的增益下降。（就是上面所说的。）
稳定电路： 虽然引入负反馈会降低增益，但它也能使放大电路更稳定。电路中的温度变化或者其他元件的漂移将不会显著影响输出，因为负反馈可以自动调节这些变化，保持输出稳定。

我们希望达到的状态：对于直流来说，希望提高 $R_{e2}$ 电压（直流就是更好的静态工作点）；对于交流来说，希望这个 $R_{e2}$ 尽可能小。

故需要采用一种针对直流量和交流量呈现不同特性的元件来取代发射级电阻 $R_{E2}$ ，从而实现直流交流性能的都比较良好，而对于直流量和交流量呈现不同特性的元件，主要有二极管和稳压管。

3.3用正向偏置二极管代替 $R_{e2}$

如清晰明了的下图

3.4用反向稳压管代替 $R_{e2}$

注意这里所说的反向，是指跟上面二极管的连接方式相比，稳压管的连接方式是反向的，但是正是这样的连接方式才让稳压管处于稳压的状态。

我相信肯定还是很多人不能理解电路图中红色的部分，这部分涉及到稳压二极管的原理知识，必须要知道的是：

稳压二极管的工作状态是：有反向电流，并且是大于稳定电流 $I_{Zmin}$ 的电流将稳压管击穿后，稳压管就可以保持两端电压稳定在某值。

3.5总结

3.5.1级数

（1）全部为 NPN 型管

在直接耦合放大电路中可以采用上述全为 NPN 型管的共射放大电路来组合，但是由于放大电路在正常工作的时候，T1、 T2 三极管都必须处于放大区，而处于放大区就要求集电极反偏，也就是对于 T2 管来说， C2 的电位要大于基极电位，以此类推，得到下图中的不等式。

故随着级数的增多，集电极电位逐渐升高，以至于接近电源电压，势必使后级的静态工作点不合适。故放大电路的级数不能太多，否则就会出现静态工作点不合适的问题。

（2）NPN 与 PNP 型管混合使用

为了解决以上问题，在实际的直接耦合放大电路中常常会采用 NPN 型和 PNP 型管混合使用的情况。如在下图电路， T1 和 T2 就是两种不同类型的晶体管。为了使得晶体管工作在放大区：

T1 管集电极反偏 $V_{c1}>V _{b1}$
T2 管集电极反偏 $V_{c2}< V _{b2}$

故有下图中的式，集电极点位增一下减一下，最终使得整体的集电极电位都在某个数值附近波动，而不会出现逐渐递增的情况，放大电路的级数就可以多一点。

3.5.2优缺点

（1）优点

直接耦合放大电路各级之间是直接相连的关系，因此输出信号可以无损失的直接传递到下一级的输入端，具有良好的低频特性，可以用来放大变化缓慢的信号。
由于直接耦合放大电路中没有大容量的电容，而在集成电路中很难制作大容量电容，所以直接耦合放大电路比较容易把全部电路集成在同一片硅片上，构成集成放大电路。集成放大电路基本上都采用的是直接耦合的方式。

（2）缺点

直接耦合放大电路各级之间它的直流通路是相互关联，静态工作点是相互影响的，在电路的分析设计、调试的时候会比较困难。
直接耦合放大电路还存在零点漂移的现象。所谓的零点漂移现象指的是输入电压 $\Delta u_{o}$ 为 0 的时候，输出电压的变化量 $\Delta u_{o}$ 不为 0 的现象。即在直接耦合放大电路的输入端并没有加入输入信号，但是在输出端却输出了一个上下波动的输出信号。
零点漂移在很多时候也称为温漂，也就是说主要是由温度造成的，在实际中常常采用差分放大电路来克服零点漂移现象。（后续有机会讲解差分放大电路）

四、阻容耦合

4.1概念

T1 管：如图 T1 管的输入信号是通过耦合电容 C1 作用于基极，输出信号从集电极引出，共用发射极，所以是一个共射放大电路。

T2 管：如图输入信号作用于基极，输出信号从发射及经过耦合电容 C4 接到负载上，共用集电极，所以说第二个放大电路是一个共集放大电路。

将前一级的 T1 输出端通过电容接到后一级 T2 的输入端，称为阻容耦合。

4.2优缺点

五、变压器耦合

5.1概念

电路左侧：T 管放大电路左侧是一个放大电路，输入信号作用于基极，输出信号从集电极引出，故为共射放大电路。

电路右侧：输入为 $U_{I2}$ ， $R_{L}$ 既可以是负载，也可以是后级放大电路，如果它是一个放大电路，它会将输入信号 $U_{I2}$ 放大之后产生一个输出电压 $U_{O}$ ，从而作用于负载。

将前级输出信号通过变压器耦合到后级的输入端或者负载电阻上，称为变压器耦合。

5.2特点 1 阻抗变换

以上公式和知识点都是高中物理，看着看着就理解了。

结论：只要选择合适的匝数比，就可以使得负载电阻 $R_{L}$ 等效成不同阻值的电阻 ${R_{L}}'$ ，从而实现了阻抗变换。

5.3阻抗变换的作用

那主抗变换有什么用处呢？我们来看一下下边的例子，如果我们是用直接耦合或者主容耦合共设放大电路来直接一个 RL 的电阻，它的电压放大倍数应该是负的 RBE 分之贝塔倍的 RC 并上RL。上边 UI 等于 IBR BEUO 等于负的贝塔贝的 IBR CBRL 我们就不去详细的推导了，我们只看最终的电压放大倍数的结论。

一般来说，在实际的放大电路中，负载电阻它的数值往往都会比较小，比如说扩音系统中的扬声器，它的组织一般是3O、4O、8O、 16O 几种，可以看到负载 RL 组值是很小的，换句话说， RC 远大于RL。 RC 和 RL 是并联的关系， RC 又远大于RL，那么并联的电阻取决于小的那个，所以说 RC 并 RL 就约等于 RL 了。因此的话，我们的电压放大倍数就写成AU，约等于负的 RBE 分支，贝塔倍的RL。也就是说电压放大倍数由负载电阻来决定了。我们前面已经讲到了负载电阻一般都很小，带到该式子中算出来的电压放大倍数，它的数值也会很小。这样子就使得我们在负载上没有办法获得比较大的功率了，这时候我们就需要用到主抗变换。比如说我们前边的变压器耦合的共设放大电路，这个地方是通过变压器来耦合与负载相连的。我们把这个电路画出它的交流等效电路。

左边 R B 1、R2、 B2 并联，中间是一个共设放大电路的等效 B1 间接电阻 RBE c e 间接受控电流源贝塔贝的 I b 上边是没有极电阻， r seed 只有一个变压器。所以说后边没有RC，只有变压器这一块，通过变压器与负载相接。我们通过主抗变换把后边的变压器和负载等效为 RL 一撇的负载电阻，这个地方的 RL 一撇就等于 n 二分之 N1 的平方，再乘以RL。接下来我们再算一下这个电路它的电压，放大倍数输入电压 UI 等于IB， RBE 输出电压则是 RL 一撇两端的电压为负的贝塔贝的 IBRL 一撇，两者一比就可以得到最终的电压放大倍数 AU 等于负的 RBE 分支贝塔倍的 RL 1 撇。这个表达式与前边直接把负载接上去表达式是完全一样的，区别仅仅在于 RL 一撇，已经不是当初的 RL 了，而是通过主抗变换之后的负载了。

我们把 RLE 撇它的公式带到电压放大倍数中，最终得到的电压放大倍数为负的 RBE 分之贝塔倍的RL，再乘以 N 二分之 N1 的平方。可以看到当我们的负载组织一定的时候，可以通过调节变压器的加速比来改变电路的电压放大倍数。也就是说我们可以根据所需要的电压放大倍数来选择合适的加速比，这样子的话就可以在负载上获得足够大的电压和足够大的功率，这就是我们变压器实现主抗变换的一个最大的好处。

最后我们来总结一下变压器耦合放大电路，它的特点，首先仍然是优点，变压器耦合放大电路和主容耦合放大电路一样，在直流通路中它们都属于断开，因此的话，各放大电路各级之间静态工作点是相互独立的，在求解或者调试的时候都可以按照单级来进行处理，电路的分析、设计、调试都是简单易行的。

第二个优点就是变压器耦合放大电路能够实现主抗变化，因此的话在分离元件功率放大电路中得到了广泛的应用。接下来我们看缺点。第一个缺点就是低频特性差，它不能够放大变化缓慢的信号，因为变压器是靠电磁感应来实现的，信号变化缓慢，那么电池感应能力就比较差，那么电路就不能够很好的实现放大功能。第二个就是变压器耦合放大，电路是比较笨重的，更不能够实现集成化，因此的话目前只有在集成功率放大电路无法满足要求的情况下，比如说输出特大功率或者实现高频功率放大的时候，我们才会考虑分离元件构成的变压器耦合放大电路。我们来看最后一种耦合方式，光电耦合。首先来看光电耦合器，光电耦合指的是我们用光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递，而光电耦合器就是实现光电耦合的基本器件。下边就是一个光电耦合器。我们的光电耦合器左侧是用到了一个发光元件，比如说发光二极管，它作为了我们的输入回路。输入回路的主要作用就是把我们的输入端的电压、电流或者说电能转换为发光二极管的光线，或者说光能，这个光线或者光能则传递到右侧。我们的输出回路则采用的是光敏元件，比如说我们的光电三极管，它能够感光，他感受到前边输入回路发出的光线之后，就可以把对应的光能转换为电能。这样子的话经过输入和输出的共同作用，电能先变为光能，再转换为电能，于是的话就实现了输入和输出间的耦合。由于光电偶合器实现了两部分电路的电气隔离，除 2 的话，它可以有效的抑制电干扰，输入端的干扰信号是传不到输出端的。同样输出端的干扰信号也不会影响到输入端。因此的话光电耦合电路它的抗干扰能力会比较强。我们一般情况下用传输特性来描述光电耦合器它的性能。当发光二极管电流为常量 ID 的时候，对应的极电流 IC 和管央将之间的函数关系就是光电耦合器，它的传输特性，我们从传输特性曲线上去看，就会发现它与我们的晶体管的输出特性曲线是非常类似的。区别仅仅在于晶体管这个地方是积极电流 i b，而光电耦合器是二极管的电流ID，其他方面都是完全一样的。当我们的u、c、 e 足够大的时候，可以看到输出特性曲线是水平的。也就是说我们的极电流 IC 几乎仅仅取决于二极管的电流ID，于是的话我们就可以参照晶体管的电流放大倍数。

贝塔定义在 U c 一定的情况下， i seed 变化量与 id 的变化量之比称为传输比，就是 UCE 一定德尔塔 IC 比上德尔塔 ID 与我们晶体管的电流放大系数。贝塔的定义是非常类似的，只不过换了一个输入端的电流，换了一个名称。一般情况下我们的传输比 CTR 数值要比贝塔小得多，一只有 0.1- 1.5，所以说通过光电耦合器输出的电流电压都比较小，后边还需要再放大才能够使用。

采用光电耦合的方式来构成的放大电路，我们称之为光电耦合放大电路。主要的特点就是抗干扰能力比较强，比如说在这个地方，我们通过光电耦合器把信号源和输出回路之间耦合到了一起。在静态的时候输入端有一个静态的输入电流IDQ，在输出端则会有静态的极电流 ICQ 以及静态的管压将UCEQ。而在动态的时候我们的输入回路会产生一个动态的电流ID，通过光电耦合器就会在输出端产生一个动态的极电流IC，从而使得我们的管压降发生动态变化，产生动态的输出电压 u o。这样子的话使得我们的信号输入输出之间就能够传递起来，从而实现放大了功能。

如果我们采用信号源部分和输出回路部分都用独立的电源，并且分别接不同的地，那么即使是远距离的信号传输，也可以避免受到任何各种电干扰。上边这个电路途中就可以发现输入回路，用输入回路的电源和接地输出回路则是用另外一个电源和另外一个地，它们之间的干扰信号互不影响，从而的话实现了光电耦合放大电路抗干扰能力的一个功能。

32、名词解释：耦合、去耦、旁路、滤波。

耦合：两个本来分开的电路之间或一个电路的两个本来相互分开的部分之间的交链。可使能量从一个电路传送到另一个电路，或由电路的一个部分传送到另一部分。

去耦：阻止从一电路交换或反馈能量到另一电路，防止发生不可预测的反馈，影响下一级放大器或其它电路正常工作。

旁路：将混有高频信号和低频信号的信号中的高频成分通过电子元器件（通常是电容）过滤掉，只允许低频信号输入到下一级，而不需要高频信号进入。

滤波：滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。

陈氏理解

33、什么是竞争与冒险？

逻辑电路中，由于门的输入信号经过不同的延时，到达门的时间不一致，这种情况叫竞争。由于竞争而导致输出产生毛刺（瞬间错误），这一现象叫冒险。

陈氏理解

34、无源滤波器和有源滤波器有什么区别？

无源滤波器由无源器件 R、L、C 组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。无源滤波器可分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。无源滤波器结构简单、成本低廉、运行可靠性高，是应用广泛的被动式谐波治理方案。

有源滤波器由有源器件（如集成运放）和 R、C 组成，不用电感 L、体积小、重量轻。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。集成运放的开环电压增益和输入阻抗很高，输出电阻很小，构成有源滤波电路后有一定的电压放大和缓冲作用。集成运放带宽有限，所以有源滤波器的工作频率做不高。

陈氏理解

35、请问锁相环由哪几部分组成？

由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。

陈氏理解

36、请问 RS-232C 标准的逻辑 0 和逻辑 1 电压范围是多少？

RS-232C 电气标准是负逻辑，逻辑 0 的电压范围是+5V~ +15V，逻辑 1 的电压范围是-5V ~ -15V。-5V~+5V 为不稳定区。

陈氏理解

37、名词解释：UART、USRT、USART。

UART：Universal Asychronous Receiver/Transmitter，通用异步接收器/发送器，能够完成异步通信。

USRT：Universal Sychronous Receiver/Transmitter，通用同步接收器/发送器，能够完成同步通信。

USART：Universal Sychronous Asychronous Receiver/Transmitter，通用同步异步接收器/发送器，能完成异步和同步通信。

陈氏理解

38、请问串口异步通信的字符帧格式由哪几部分组成？

由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成。

陈氏理解

39、请列举您知道的差分平衡电平接口。

RS422、RS485、RJ45、CAN、USB、LVDS。

陈氏理解

40、电磁干扰的三要素是什么？

电磁干扰源、干扰传播路径和干扰敏感设备。

陈氏理解

第 31 题参考：模电3.1 多级放大电路的耦合方式_哔哩哔哩_bilibili

硬件面试经典 100 题(31~40 题)

31、多级放大电路的级间耦合方式有哪几种？哪种耦合方式的电路零点偏移最严重？哪种耦合方式可以实现阻抗变换？

陈氏理解

一、多级放大电路的引入

二、多级放大电路的相关概念和耦合方式

2.1相关概念

2.2常见的耦合方式

三、直接耦合

3.1原电路

3.2提高 T2 管基极点位

3.3用正向偏置二极管代替

3.4用反向稳压管代替

3.5总结

3.5.1级数

（1）全部为 NPN 型管

（2）NPN 与 PNP 型管混合使用

3.5.2优缺点

（1）优点

（2）缺点

四、阻容耦合

4.1概念

4.2优缺点

五、变压器耦合

5.1概念

5.2特点 1 阻抗变换

5.3阻抗变换的作用

32、名词解释：耦合、去耦、旁路、滤波。

陈氏理解

33、什么是竞争与冒险？

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34、无源滤波器和有源滤波器有什么区别？

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35、请问锁相环由哪几部分组成？

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36、请问 RS-232C 标准的逻辑 0 和逻辑 1 电压范围是多少？

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37、名词解释：UART、USRT、USART。

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38、请问串口异步通信的字符帧格式由哪几部分组成？

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