2024-7-10，星期三，16:58，天氣：陰，心情：晴。今天終于陰天啦，有點風涼快一點了，不然真要受不了了，然后沒有什么特殊的事情發生，繼續學習啦，加油加油！！！😝

今日繼續模電自選教材第三章（BJT）的學習，主要學習內容為：BJT交流分析+共發射極（CE）放大器；單片機方面，開始學習單片機自選教材的第五章內容，學習內容為單片機的中斷系統（中斷的產生背景+使用中斷重寫秒表程序+中斷優先級）（代碼若有看不清的地方可關注公眾號私信領取！！！！）

一、雙極結型三極管BJT（續）

1. BJT交流分析

（1）直流量與交流量

首先，介紹一下電路分析過程中，各直流量與交流量的符號差別。首先，對于電壓與電流，直流電壓與電流用標準斜體大寫字母加上正體大寫字母下標表示，如VE，IE，IC，VCE；小寫斜體下標用來表示交流量方均根值、峰值、峰峰電壓和電流，如Ve，Ie，Ic，Vce，交流瞬態量用斜體小寫字母以及斜體小寫字母下標標注，如ve、ie、ic和vce。其次，除了電流與電壓意外，交流與直流角度下的電阻往往具有不同的參考值，例如，RC代表直流集電極電阻，Rc代表交流集電極電阻；內阻作為晶體管等效電路的一部分，經常寫成小寫斜體字母（經常加以'用以區分），如r‘e為內部交流發射極電阻，而Rin(tot)代表放大電路作為信號負載呈現的總交流阻值。最后，對于直流和交流電路不同的一個參數是β，電路中直流β（βDC）如前面的定義為集電極電流IC和基極電流IB的比值，交流β（βac）定義為集電極電流的小變化量與相應基極電流變化量的比值，同時它也是集電極電流Ic和基極電流Ib的比值，及βac?=?Ib?/?Ic，但是對于給定的晶體管，βac與βDC的值通常差別很小，所以對于大多數設計而言并不重要（晶體管手冊上一般將βac寫為hfe）。

（2）交流和直流等效電路

首先我們需要明確的是，因為有電容（電感）等元件的存在，使得交流等效電路與直流電路有很大區別。運用疊加定理可求得線性電路中在單個電壓或電流源單獨作用下任何地方的電壓與電流，為了計算交流參數，可以用短路來替換直流電源將它設為0，然后計算交流參數，如同只有交流參數單獨作用，用短路替換直流電源是指VCC實際上對于交流信號而言相當于地電勢，這稱為交流地，在做交流電路分析時牢記交流地是交流信號的公共參考點。

（3）耦合電容和旁路電容

下圖為一個交流BJT放大器電路，其與直流電路的區別是，加入了一個直流信號源（黃色方框），三個電容（藍色方框）和一個負載電阻（紫色方框），并且將發射極電阻一分為二（綠色方框）。

交流信號通過電容C1進入放大器，并通過電容C3進行輸出，類似C1和C3的電容稱為耦合電容，因為電容具有隔直通交的作用（對直流信號相當于開路，對交流信號相當于導線），這意味著，輸入耦合電容C1可以將交流輸入信號輸入到基極，同時將輸入信號源于直流偏置電壓進行隔離；輸出耦合電容C3將信號輸出至負載，同時可以將負載于電源電壓進行隔離（注：這些耦合電容均串聯在信號通路上）。

電容C2則有不同，它與一個發射極電阻并聯（RE2），這使得輸入信號從發射極電阻的旁路流過，因此稱其為旁路電容，旁路電容的作用是增大放大器增益，此外，旁路電容為將交流電容，所以電容的兩邊都為交流接地（不論哪一端接地，另一端對交流信號而言也為接地端），所以如果在旁路電容的任意端檢測到交流信號，那么這個旁路電容可能是開路的。

（4）交流放大：在上圖所示的交流放大電路中，信號源Vs的變化會引起基極電流的變化，相應地，在Q點附近發射極和集電極電流產生了更大的變化，并且與基極電流相位同向，但是，當集電極電流增大時，集電極電壓減小（集電極電阻Rc分壓增加），反之亦然，因此集電極-發射極電壓（Vce）在的值在Q點按正弦規律變化，相位與基極電壓相差180°。晶體管基極信號與集電極信號始終相反，所以基極電流上一個很小的變化能夠使集電極電壓產生較大的變化。

2. 共發射極放大器（CE）

共發射極（CE）放大器是BJT放大器中使用最廣泛的類型，它的發射極是輸入和輸出信號的參考端。下圖給出了一個典型的CE放大器，輸入信號Vin通過電容C1耦合到基極，并導致基極電流在其偏置值上下波動，基極電流的波動相應的會引起集電極電流的波動，并且由于晶體管的放大作用使基極電流的變化量遠大于基極電流的變化量，且相位與基極電流相反，集電極電壓的變化量又被電容耦合到負載上，產生輸出電壓Vout。

下面對上圖所示的共發射極放大電路的支流參數進行計算，直流條件下，電容支路視為開路，故上述電路可等效為一個分壓式偏置電路：

通過IC與VCE的值以及飽和電流IC(sat)?=?VCC?/(RC?+?RE1?+?RE2) = 5.68mA可以做出直流負載線，并找到工作點Q，如下圖所示：

（1）交流等效電路：將上述共發射極放大電路的電容視為短路，直流電源視為接地，并將RE2去除（旁路電容短路導致），可做出交流等效電路如下：

從上圖可以看出，在交流等效模型中，BJT模型采用的是電源-內阻模型，因此給出了BJT的內阻r’e，因為只有在交流等效電阻中才會考慮，所以它為交流電阻，常稱動態發射極電阻，該阻值與直流發射極電流有關：r'e?= 25mV /?IE。

（2）電壓增益：CE放大器的電壓增益Av為輸出信號電壓與輸入電壓之比Vout/Vin。由于發射結正向偏置，因此發射極電壓近似等于基極電壓，即Vb?=?Vc（相差一個管壓降0.7V），則電壓增益為Av?= -(Vc?/?Ve) = -(IcRc?/?IeRe)，因為Ic?≈?Ie，所以電壓增益為交流集電極電阻與交流發射極電阻之比，即Av?≈ -(Rc?/?Re)。上式中，負號表示輸出電壓與輸入電壓方向相反；集電極和發射極電阻都是交流總電阻，相面將對這兩個概念進行說明：

• 發射極交流電路：在發射極電路中，發射極交流總電阻包括二極管內部的發射結內阻r'e和沒有被旁路電容短路的固定內阻（RE1），這個內阻在確定和保持增益穩定性方面有重要作用，因為它可以同時提高放大器的輸入電阻（趨向于擴大r'e的不確定值），故也稱其為擴量程電阻。

• 集電極交流電路：從集電極的角度來看，集電極電阻和負載電阻是并聯的，因此，集電極交流總電阻Rc?=?RC?||?RL。

（3）輸入電阻：當存在電容和電感效應是，輸入電阻被稱為輸入阻抗，其為一個交流參數，作用類似于一個與電源的內阻串聯的負載，只要輸入電阻遠大于電源內阻，那么大部分電壓就可以被視為輸入電壓（內阻分壓很小），并且負載效應可以忽略不計；相反地，如果輸入內阻比電源內阻小很多，那么電源電壓會主要作用于與自身串聯的內阻，只有很小一部分被進行放大。

值得注意的是，CE放大器的一個問題是其輸入電阻受βac的影響很大，因此在不確定βac的情況下無法準確計算出輸入電阻的阻值大小，因此實際情況下，可以通過在發射極中增加擴量程電阻來增肌總的輸入電阻，同時減小βac的影響。

下面，可以將交流等效電路的輸入端進行等效，（因為集電極反偏，所以不屬于輸入端），所以如下圖所示，在交流等效電路的輸入端，BJT與地址見有三條并連同路，三條通路包括R1、R2和基極-發射極電路三組電路（地是同一個大地，所以可以等效為接在同一端：

所以該電路可以等效為：

因為基極-發射極支路因為晶體管的增益作用而與βac有關，等效電阻RE1和r’e在基極電路中被放大，所以發射極電路中電阻必須乘βac才能能得到其在基極電路中的等效電阻值，綜上所述，總輸入電阻為：Rin(tot)?=?R1?||?R2?|| [βac(r'e+?RE1)]。

（4）輸出電阻：利用諾頓等效定理可以將輸出端電路視為一個電流源與Rc并聯：

故上述電路可等效為如下的諾頓模型：

那么從負載端向內部看，因為電流源可以視為開路，所以CE放大器的輸出電阻就是集電極電阻RC。

（5）交流負載線：

下圖給出了電容耦合放大器的直流和交流負載線，對兩條負載線而言，Q點是相同的（因為當交流信號消失時，必然會在Q點工作），從圖中可以看出，交流飽和電容要比直流飽和電流大，交流集電極-發射極截止電壓要比直流集電極-發射極截止電壓小：

此外，從圖中可以看出，交流負載線與y軸的交點Ic(sat)可以有直流負載線Q點（ICQ）加上包含集電極-發射極的交流電族Rac一項計算所得，即：Ic(sat)=?ICQ?+ (VCEQ?/?Rac)。交流負載線與x軸的交點為Vce(cutoff)，也可以通過直流Q點（VCEQ）加上包含交流電阻Rac的一項獲得：Vce(cutoff)?=?VCE?+ (ICQ?·?Rac)。

下圖為放大器交流負載線疊加晶體管曲線圖，從圖中可以看到，從基極電流峰值（紅色圓圈）與IC軸的交點經交流負載線映射后可以在VCE軸映射出集電極電流和集電極-發射極電壓峰值的大小（藍色圓圈），可以更清晰的表明其變化范圍：

二、單片機中斷系統

1. 中斷的產生背景

以一個生活中的例子為背景：當某一時刻，我正在燒水，與此同時，旁邊離我有一定距離的屋子里，我最喜歡的電視局已經開始演了，如果我現在直接過去看電視的話，如果水開了，沸騰出來把火澆滅的話，就會有煤氣中毒的風險，所以我可能必須要等水燒開了才能去看電視。

上面一個例子中只有一個主題，也就是“我”，但是有兩個獨立的客體，他們是同時進行的，那么我如過想同時完成這兩件事的話，最好的辦法就是：先定一個10min的鬧鐘（假設10min水就會開），然后去看電視，等10min到了的時候，鬧鐘響起，這時我去關上煤氣，再回來看電視就可以了。

那么上面的例子在單片機中的應用場景就是：當單片機正在執行一個任務的時候，總有一件或多件緊急或不緊急的事情需要關注，有一些需要立刻停下手中的工作去處理，等處理完了，再重新回來繼續完成手中的工作，這種情況下，單片機的終端系統就能發揮它的作用了，合理巧妙地利用中斷，不僅可以獲得處理突發情況地能力，還可以使單片機能夠“同時”完成多項任務。

2. 定時器中斷的應用

前面我們用到的定時器，實際上就是應用中斷的方式去做的，但是我們之前是使用if(TF0 == 1)語句來手動判斷的定時器是否溢出的，這主要是為了在初學階段對定時器和中斷做一個區分：定時器和中斷不是一樣的，定時器是單片機的一個資源，是確實存在的一個模塊，而中斷，是單片機的一種機制，除了定時器，還有很多事件都會觸發中斷。

（1）中斷寄存器的分類：標準51單片機控制中斷的寄存器有兩個：中斷使能寄存器和中斷優先級寄存器。

（2）中斷使能寄存器：中斷使能寄存器IE的0~5位控制了6個中斷使能，第6位沒有用到，第七位是總開關，總開關就相當于電源總閘，0~5這6位就相當于各個屋的分開關，也就是說，只要用到中斷，首先使EA = 1，打開中斷總開關，然后再通過控制0~5位來控制中斷。

（3）使用中斷功能重寫數碼管計時器：

（4）程序解讀：

在上面從這個程序中，共有兩個函數，一個是主函數main()，另一個是中斷服務函數InterruptTimer0 interrupt 1()。下面將對中斷服務函數進行說明。

如上圖所示，終端服務函數總共包括4個部分：①void表明函數返回空，即中斷函數不返回任何值；②InterruptTimer0位函數名稱（可自定義）；③interrup關鍵字，這個是中斷特有的關鍵字，是固定的，不能能改變；④1是中斷查詢序列的代碼，具體含義見下表：

從上表可以看出，如果想使T0中斷使能那么就要把對應的中斷使能位ET0置1，當T0的溢出標志位TF0變為1時就會觸發T0中斷。中斷函數寫好后，每當滿足中斷條件而觸發中斷后，系統就會自動調用中斷函數，比如上面這個程序，平時會一直再主函數main()的while(1)循環中執行，當達到時間間隔1s后，TF0溢出，這時單片機就會跑到中斷函數中執行中斷程序，當中斷程序結束后，再返回主程序繼續執行剩下的內容。

3. 中斷的優先級

通俗來說，中斷優先級就是指在程序中斷后，應該先去做哪件事，再去做哪件事。優先級分為兩種，搶占優先級和固有優先級。

（1）搶占優先級：下表位中斷優先級寄存器（IP）的位分配與位描述：

IP寄存器的每一位都表示中斷的搶占優先級，每一位的復位值都是0，當把某一位設成1后，這一位對應的優先級就比其他位高了，比如將PT0位設為1，那么T0定時器的優先級就更高，當單片機主循環或其他任何中斷程序執行時，一旦T0定時器發生中斷，那么程序會立刻跑到T0的中斷程序中執行；相應的，如果單片機正在執行T0的中斷程序，那么即使有其他中斷發生了，還是會繼續執行T0的中斷程序，直到T0中斷程序執行結束后再去執行其他的中斷程序。綜上，所謂“搶占”，就是指優先級高的中斷可以打斷優先級低的中斷程序，搶在它前面執行。

（2）固有優先級：下表中最后一列對應的是各模塊的固有優先級：

數字越小的優先級越高，值得注意的是，固有優先級并不具有搶占的特性，它只能作為多個中斷同時存在的仲裁，也就是說，即使在低優先級的中斷程序執行的同時又發生了高優先級的中斷，那么高優先級的中斷也必須等待低優先級中斷程序執行完畢后再執行。

固有優先級常用場景：某一時刻，中斷總使能被關斷（EA = 0），在中斷不能使能的這段時間里發生了很多個中斷，那么當中斷再次使能后（EA=1），需要固有中斷優先級來判斷先執行哪些中斷程序，后執行哪些。

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