BJT交流分析+共发射极（CE）放大器+单片机的中断系统（中断的产生背景+使用中断重写秒表程序+中断优先级）

2024-7-10，星期三，16:58，天气：阴，心情：晴。今天终于阴天啦，有点风凉快一点了，不然真要受不了了，然后没有什么特殊的事情发生，继续学习啦，加油加油！！！😝

今日继续模电自选教材第三章（BJT）的学习，主要学习内容为：BJT交流分析+共发射极（CE）放大器；单片机方面，开始学习单片机自选教材的第五章内容，学习内容为单片机的中断系统（中断的产生背景+使用中断重写秒表程序+中断优先级）（代码若有看不清的地方可关注公众号私信领取！！！！）

一、双极结型三极管BJT（续）

1. BJT交流分析

（1）直流量与交流量

首先，介绍一下电路分析过程中，各直流量与交流量的符号差别。首先，对于电压与电流，直流电压与电流用标准斜体大写字母加上正体大写字母下标表示，如VE，IE，IC，VCE；小写斜体下标用来表示交流量方均根值、峰值、峰峰电压和电流，如Ve，Ie，Ic，Vce，交流瞬态量用斜体小写字母以及斜体小写字母下标标注，如ve、ie、ic和vce。其次，除了电流与电压意外，交流与直流角度下的电阻往往具有不同的参考值，例如，RC代表直流集电极电阻，Rc代表交流集电极电阻；内阻作为晶体管等效电路的一部分，经常写成小写斜体字母（经常加以'用以区分），如r‘e为内部交流发射极电阻，而Rin(tot)代表放大电路作为信号负载呈现的总交流阻值。最后，对于直流和交流电路不同的一个参数是β，电路中直流β（βDC）如前面的定义为集电极电流IC和基极电流IB的比值，交流β（βac）定义为集电极电流的小变化量与相应基极电流变化量的比值，同时它也是集电极电流Ic和基极电流Ib的比值，及βac = Ib / Ic，但是对于给定的晶体管，βac与βDC的值通常差别很小，所以对于大多数设计而言并不重要（晶体管手册上一般将βac写为hfe）。

（2）交流和直流等效电路

首先我们需要明确的是，因为有电容（电感）等元件的存在，使得交流等效电路与直流电路有很大区别。运用叠加定理可求得线性电路中在单个电压或电流源单独作用下任何地方的电压与电流，为了计算交流参数，可以用短路来替换直流电源将它设为0，然后计算交流参数，如同只有交流参数单独作用，用短路替换直流电源是指VCC实际上对于交流信号而言相当于地电势，这称为交流地，在做交流电路分析时牢记交流地是交流信号的公共参考点。

（3）耦合电容和旁路电容

下图为一个交流BJT放大器电路，其与直流电路的区别是，加入了一个直流信号源（黄色方框），三个电容（蓝色方框）和一个负载电阻（紫色方框），并且将发射极电阻一分为二（绿色方框）。

交流信号通过电容C1进入放大器，并通过电容C3进行输出，类似C1和C3的电容称为耦合电容，因为电容具有隔直通交的作用（对直流信号相当于开路，对交流信号相当于导线），这意味着，输入耦合电容C1可以将交流输入信号输入到基极，同时将输入信号源于直流偏置电压进行隔离；输出耦合电容C3将信号输出至负载，同时可以将负载于电源电压进行隔离（注：这些耦合电容均串联在信号通路上）。

电容C2则有不同，它与一个发射极电阻并联（RE2），这使得输入信号从发射极电阻的旁路流过，因此称其为旁路电容，旁路电容的作用是增大放大器增益，此外，旁路电容为将交流电容，所以电容的两边都为交流接地（不论哪一端接地，另一端对交流信号而言也为接地端），所以如果在旁路电容的任意端检测到交流信号，那么这个旁路电容可能是开路的。

（4）交流放大：在上图所示的交流放大电路中，信号源Vs的变化会引起基极电流的变化，相应地，在Q点附近发射极和集电极电流产生了更大的变化，并且与基极电流相位同向，但是，当集电极电流增大时，集电极电压减小（集电极电阻Rc分压增加），反之亦然，因此集电极-发射极电压（Vce）在的值在Q点按正弦规律变化，相位与基极电压相差180°。晶体管基极信号与集电极信号始终相反，所以基极电流上一个很小的变化能够使集电极电压产生较大的变化。

2. 共发射极放大器（CE）

共发射极（CE）放大器是BJT放大器中使用最广泛的类型，它的发射极是输入和输出信号的参考端。下图给出了一个典型的CE放大器，输入信号Vin通过电容C1耦合到基极，并导致基极电流在其偏置值上下波动，基极电流的波动相应的会引起集电极电流的波动，并且由于晶体管的放大作用使基极电流的变化量远大于基极电流的变化量，且相位与基极电流相反，集电极电压的变化量又被电容耦合到负载上，产生输出电压Vout。

下面对上图所示的共发射极放大电路的支流参数进行计算，直流条件下，电容支路视为开路，故上述电路可等效为一个分压式偏置电路：

通过IC与VCE的值以及饱和电流IC(sat) = VCC /(RC + RE1 + RE2) = 5.68mA可以做出直流负载线，并找到工作点Q，如下图所示：

（1）交流等效电路：将上述共发射极放大电路的电容视为短路，直流电源视为接地，并将RE2去除（旁路电容短路导致），可做出交流等效电路如下：

从上图可以看出，在交流等效模型中，BJT模型采用的是电源-内阻模型，因此给出了BJT的内阻r’e，因为只有在交流等效电阻中才会考虑，所以它为交流电阻，常称动态发射极电阻，该阻值与直流发射极电流有关：r'e = 25mV / IE。

（2）电压增益：CE放大器的电压增益Av为输出信号电压与输入电压之比Vout/Vin。由于发射结正向偏置，因此发射极电压近似等于基极电压，即Vb = Vc（相差一个管压降0.7V），则电压增益为Av = -(Vc / Ve) = -(IcRc / IeRe)，因为Ic ≈ Ie，所以电压增益为交流集电极电阻与交流发射极电阻之比，即Av ≈ -(Rc / Re)。上式中，负号表示输出电压与输入电压方向相反；集电极和发射极电阻都是交流总电阻，相面将对这两个概念进行说明：

发射极交流电路：在发射极电路中，发射极交流总电阻包括二极管内部的发射结内阻r'e和没有被旁路电容短路的固定内阻（RE1），这个内阻在确定和保持增益稳定性方面有重要作用，因为它可以同时提高放大器的输入电阻（趋向于扩大r'e的不确定值），故也称其为扩量程电阻。

集电极交流电路：从集电极的角度来看，集电极电阻和负载电阻是并联的，因此，集电极交流总电阻Rc = RC || RL。

（3）输入电阻：当存在电容和电感效应是，输入电阻被称为输入阻抗，其为一个交流参数，作用类似于一个与电源的内阻串联的负载，只要输入电阻远大于电源内阻，那么大部分电压就可以被视为输入电压（内阻分压很小），并且负载效应可以忽略不计；相反地，如果输入内阻比电源内阻小很多，那么电源电压会主要作用于与自身串联的内阻，只有很小一部分被进行放大。

值得注意的是，CE放大器的一个问题是其输入电阻受βac的影响很大，因此在不确定βac的情况下无法准确计算出输入电阻的阻值大小，因此实际情况下，可以通过在发射极中增加扩量程电阻来增肌总的输入电阻，同时减小βac的影响。

下面，可以将交流等效电路的输入端进行等效，（因为集电极反偏，所以不属于输入端），所以如下图所示，在交流等效电路的输入端，BJT与地址见有三条并连同路，三条通路包括R1、R2和基极-发射极电路三组电路（地是同一个大地，所以可以等效为接在同一端：

所以该电路可以等效为：

因为基极-发射极支路因为晶体管的增益作用而与βac有关，等效电阻RE1和r’e在基极电路中被放大，所以发射极电路中电阻必须乘βac才能能得到其在基极电路中的等效电阻值，综上所述，总输入电阻为：Rin(tot) = R1 || R2 || [βac(r'e+ RE1)]。

（4）输出电阻：利用诺顿等效定理可以将输出端电路视为一个电流源与Rc并联：

故上述电路可等效为如下的诺顿模型：

那么从负载端向内部看，因为电流源可以视为开路，所以CE放大器的输出电阻就是集电极电阻RC。

（5）交流负载线：

下图给出了电容耦合放大器的直流和交流负载线，对两条负载线而言，Q点是相同的（因为当交流信号消失时，必然会在Q点工作），从图中可以看出，交流饱和电容要比直流饱和电流大，交流集电极-发射极截止电压要比直流集电极-发射极截止电压小：

此外，从图中可以看出，交流负载线与y轴的交点Ic(sat)可以有直流负载线Q点（ICQ）加上包含集电极-发射极的交流电族Rac一项计算所得，即：Ic(sat)= ICQ + (VCEQ / Rac)。交流负载线与x轴的交点为Vce(cutoff)，也可以通过直流Q点（VCEQ）加上包含交流电阻Rac的一项获得：Vce(cutoff) = VCE + (ICQ · Rac)。

下图为放大器交流负载线叠加晶体管曲线图，从图中可以看到，从基极电流峰值（红色圆圈）与IC轴的交点经交流负载线映射后可以在VCE轴映射出集电极电流和集电极-发射极电压峰值的大小（蓝色圆圈），可以更清晰的表明其变化范围：

二、单片机中断系统

1. 中断的产生背景

以一个生活中的例子为背景：当某一时刻，我正在烧水，与此同时，旁边离我有一定距离的屋子里，我最喜欢的电视局已经开始演了，如果我现在直接过去看电视的话，如果水开了，沸腾出来把火浇灭的话，就会有煤气中毒的风险，所以我可能必须要等水烧开了才能去看电视。

上面一个例子中只有一个主题，也就是“我”，但是有两个独立的客体，他们是同时进行的，那么我如过想同时完成这两件事的话，最好的办法就是：先定一个10min的闹钟（假设10min水就会开），然后去看电视，等10min到了的时候，闹钟响起，这时我去关上煤气，再回来看电视就可以了。

那么上面的例子在单片机中的应用场景就是：当单片机正在执行一个任务的时候，总有一件或多件紧急或不紧急的事情需要关注，有一些需要立刻停下手中的工作去处理，等处理完了，再重新回来继续完成手中的工作，这种情况下，单片机的终端系统就能发挥它的作用了，合理巧妙地利用中断，不仅可以获得处理突发情况地能力，还可以使单片机能够“同时”完成多项任务。

2. 定时器中断的应用

前面我们用到的定时器，实际上就是应用中断的方式去做的，但是我们之前是使用if(TF0 == 1)语句来手动判断的定时器是否溢出的，这主要是为了在初学阶段对定时器和中断做一个区分：定时器和中断不是一样的，定时器是单片机的一个资源，是确实存在的一个模块，而中断，是单片机的一种机制，除了定时器，还有很多事件都会触发中断。

（1）中断寄存器的分类：标准51单片机控制中断的寄存器有两个：中断使能寄存器和中断优先级寄存器。

（2）中断使能寄存器：中断使能寄存器IE的0~5位控制了6个中断使能，第6位没有用到，第七位是总开关，总开关就相当于电源总闸，0~5这6位就相当于各个屋的分开关，也就是说，只要用到中断，首先使EA = 1，打开中断总开关，然后再通过控制0~5位来控制中断。

（3）使用中断功能重写数码管计时器：

（4）程序解读：

在上面从这个程序中，共有两个函数，一个是主函数main()，另一个是中断服务函数InterruptTimer0 interrupt 1()。下面将对中断服务函数进行说明。

如上图所示，终端服务函数总共包括4个部分：①void表明函数返回空，即中断函数不返回任何值；②InterruptTimer0位函数名称（可自定义）；③interrup关键字，这个是中断特有的关键字，是固定的，不能能改变；④1是中断查询序列的代码，具体含义见下表：

从上表可以看出，如果想使T0中断使能那么就要把对应的中断使能位ET0置1，当T0的溢出标志位TF0变为1时就会触发T0中断。中断函数写好后，每当满足中断条件而触发中断后，系统就会自动调用中断函数，比如上面这个程序，平时会一直再主函数main()的while(1)循环中执行，当达到时间间隔1s后，TF0溢出，这时单片机就会跑到中断函数中执行中断程序，当中断程序结束后，再返回主程序继续执行剩下的内容。

3. 中断的优先级

通俗来说，中断优先级就是指在程序中断后，应该先去做哪件事，再去做哪件事。优先级分为两种，抢占优先级和固有优先级。

（1）抢占优先级：下表位中断优先级寄存器（IP）的位分配与位描述：

IP寄存器的每一位都表示中断的抢占优先级，每一位的复位值都是0，当把某一位设成1后，这一位对应的优先级就比其他位高了，比如将PT0位设为1，那么T0定时器的优先级就更高，当单片机主循环或其他任何中断程序执行时，一旦T0定时器发生中断，那么程序会立刻跑到T0的中断程序中执行；相应的，如果单片机正在执行T0的中断程序，那么即使有其他中断发生了，还是会继续执行T0的中断程序，直到T0中断程序执行结束后再去执行其他的中断程序。综上，所谓“抢占”，就是指优先级高的中断可以打断优先级低的中断程序，抢在它前面执行。

（2）固有优先级：下表中最后一列对应的是各模块的固有优先级：