硬件面试经典 100 题（71~90 题）

71、请问下图电路的作用是什么？

该电路实现 IIC 信号的电平转换（3.3V 和 5V 电平转换），并且是双向通信的。

上下两路是一样的，只分析 SDA 一路：

1）从左到右通信（SDA2 为输入状态）：
SDA1 为 3.3V 高电平时，Vgs=0，NMOS 管截止，SDA2 被电阻 Rp 拉高到 5V。
SDA1 为低电平 0V 时，Vgs=3.3V，NMOS 管导通，SDA2 为低电平。

2）从右到左通信（SDA1 为输入状态）：
SDA2 为高电平时，Vgs=0（S 极被 Rp 拉高至 3.3V），NMOS 管截止，SDA1 为高电平 3.3V。SDA2 为低电平 0V 时，NMOS 管内部的二极管导通，S 极被拉低到零点几伏，Vgs 为高电平，NMOS 管导通，从而 SDA2 将 S 极电压拉得更低，直至 0V，SDA1 为低电平 0V。

陈氏解释

72、电路如下图所示。已知 $U_{S}(t)=10\sqrt{2} cos \omega t(V )$

求: （1）频率 ω 为何值时，电路发生谐振？电路的品质因数 Q 是多少？

（2）电路谐振时, $U_{L}$ 和 $U_{C}$ 的有效值是多少？

（1）电路发生谐振时， $j\omega L=\frac{1}{(j\omega C)}$ ， $\omega =\omega _{0}=\frac{1}{\sqrt{LC}}= \frac{1}{\sqrt{10^{-4}\times 10^{-8}}}rad/s=10^{6}$

电路的品质因数 $Q=\frac{\omega _{o}L}R=100$

（2） $U_{L}=U _{C}=QU_{S}=100\times 10V=1000V$

陈氏解释

解题并不难，但是我对答案中提到的一些概念还是挺模糊的，遂解释如下：

一、电路谐振

1.1定义

电路谐振是指当一个 RLC 串联电路的电感（L）和电容（C）对特定频率的交流电源产生的感抗和容抗相等，且互相抵消时，电路的总阻抗变为电阻 R，从而电流达到最大值的现象。

1.2特性

总阻抗最小: 在谐振频率下，电路的总阻抗只剩下电阻，感抗和容抗相互抵消。
电流最大: 因为总阻抗最小，所以电流达到最大值。
电感和电容的电压相等且相反: 虽然电感和电容的电压相等但方向相反，但它们的大小都可以远大于电源电压，这就是谐振升压效应。

谐振升压效应顾名思义只发生在谐振电路中，可以是串联谐振电路也可以是并联谐振电路。

谐振时，尽管电源提供的电压 $U_{S}$ 可能比较低，但电路中的电感和电容由于大电流的存在，会分别产生感抗和容抗。感抗和容抗之间的电压可以用以下公式表示：

$U_{L}=I\cdot X_{L}=\frac{U_{S}}{R}\cdot \omega L$

$U_{C}=I\cdot X_{CC}=\frac{U_{S}}{R}\cdot \frac{1}{\omega C}$

1.3作用

滤波: 在滤波器中利用谐振可以选取特定频率的信号，滤掉其他频率。

串联谐振电路: 当电路中的感抗和容抗相等且相反，电路达到谐振，此时总阻抗最小。对于输入的交流信号，只有在谐振频率附近的信号会通过电路（输入的信号就是电压，也就是说只有这个电压会引起电流的变化），其余的频率信号由于较高的阻抗而被抑制。因此，这种电路可以用作带通滤波器，允许特定频率的信号通过。

并联谐振电路: 当电路达到谐振时，总阻抗最大，这意味着在谐振频率附近的信号不会通过电路（输入的信号就是电压，也就是说这个电压不会引起敏感的电流变化）。因此，在谐振频率附近的频率信号会被抑制，非谐振频率附近的信号会被放大或传输。这种电路可以用作带阻滤波器，阻止特定频率的信号通过。

信号增强: 在接收机等电路中，谐振可以用于特定频率信号的放大。

在接收机等电路中，利用谐振可以增强特定频率的信号。当电路在谐振频率上工作时，电感和电容的反应相互抵消，使得电路阻抗最低，电流最大。这种电流的增强作用可以放大接收到的信号，从而使特定频率的信号得到更强的响应。

二、品质因素 Q

品质因数（Q 因数）是电路谐振时能量储存与能量损失的比率。高 Q 值意味着电路谐振时，能量损失少，谐振效应更显著，频率选择性更高。

对于 RLC 串联电路存在公式： $Q= \frac{\omega _{0}L}{R}$ ，其中 $\omega _{0}$ 是谐振频率，L 是电感，R 是电阻。

公式的推导过程

1、谐振时电路中电磁场的总储能就是电感的总储能： $LI_{0}^{2}$

2、谐振时一周期内电路消耗的能量： $RI_{0}^{2}T_{0}$

3、品质因素： $= 2\pi \frac{LI_{0}^{2}}{RI_{0}^{2}T_{0}}=\omega _{0} \frac{LI_{0}^{2}}{RI_{0}^{2}}=\frac{\omega _{0}L}{R}$

三、有效值

有效值是指一个交流信号在一个周期内所表现的“平均”电力，至于答案中的计算公式不得不提到在串联谐振时品质因素的另一个定义：

$Q=\frac{U_{L}}{U_{S}}$ ， $Q=\frac{U_{C}}{U_{S}}$

73、如果一个 BGA 封装的 CPU 芯片焊接到 PCB 上后，因为焊接不良的原因导致某些信号开路，并且某些信号与旁边的信号短路，请问如何定位这两种故障，把开路和短路的信号找出来？

因为一般 IC 的 IO 端口都包含了类似下图所示的保护二极管电路，所以可以用数字万用表的二极管档来判断端口特性。测试方法是：正极接地，负极接需要测试的信号焊盘。如果 PCB 焊盘开路，则万用表跟什么都没连接一样，读数没有任何变化，万用表显示为“1”。如果有两个以上的信号短接在一起，则万用表的读数会比测量正常的信号的读数偏小，因为有两个以上的保护二极管电路并联到一起了。

陈氏解释

一、前提知识

万用表的二极管档：

连接测试线：

红色测试线（正极）连接到万用表的 “ VΩmA ” 端口。
黑色测试线（负极）连接到 “ COM ” 端口。

测试二极管：

将红色测试线接到二极管的阳极（正极），黑色测试线接到阴极（负极）。
在正确连接的情况下，万用表会显示出二极管的正向电压降（通常在0.6V到0.7V之间，具体值取决于二极管的类型）。这表明二极管是正常的。
如果万用表显示“OL”（超出量程），说明二极管是开路或者方向接反。二极管如果反向连接时，万用表应显示“OL”。

二、针对这道题

上面的答案中接线方式与我给出的接线方式相反，我猜测可能是因为上述所测的二极管一个是有上拉一个是有下拉，可能需要根据这样的实际情况进行调整，其次接反也没有关系，只可能是万用表显示上多一个负号，所以上述测量方式也是可以可以说的通的。

74、请简述一下动圈式扬声器（喇叭）的工作原理，并画出动圈式扬声器的结构图。

工作原理：动圈式扬声器是利用电流在磁场中受到磁场力作用的原理制成的。如下图所示，绕在纸盆上的导线构成的线圈处于同心圆盘形（截面是 E 形）磁铁的磁场中，放大器送出的音频电流通过线圈，纸盆在磁铁的磁场驱动下就振动起来，纸盘上的鼓膜产生音频的振动，从而使鼓膜周围的空气振动起来而产生声音。

陈氏解释

基本结构

音圈：动圈式扬声器内部有一个由细导线绕制而成的音圈，通常与扬声器的振膜相连。
永久磁铁：扬声器内部有一个固定的永久磁铁，形成一个稳定的磁场。
振膜：与音圈相连的振膜负责将音圈的振动转换为声波。振膜一般由轻质材料制成，以确保良好的声学性能。

工作过程

电信号输入：音频信号从功放输入到扬声器的音圈上。音频信号是一个随时间变化的电流。
电磁力作用：音圈位于永久磁铁的磁场中，当电流通过音圈时，会在磁场中产生一个电磁力。这一力会使音圈在磁场中移动。
振膜振动：音圈的移动会带动连接在音圈上的振膜一起移动。振膜的振动将空气推拉，形成声波，从而产生声音。

75、为何有源压电式蜂鸣器只需要接上额定直流电压即可发声？这种蜂鸣器可以接音频输出信号作为普通喇叭用吗，为什么？

有源压电式蜂鸣器内部有振荡电路（由晶体管或集成电路组成）和驱动电路，所以只需提供直流电源即可发声。又因为内部振荡电路的振荡频率是固定的，所以只能发出一种声音，不能用于普通喇叭电路。

陈氏解释

有源压电式蜂鸣器的工作原理

内部振荡电路：
- 有源压电式蜂鸣器内部包含一个振荡电路，这个电路可以产生固定频率的振荡信号。这个振荡电路的作用是产生驱动压电元件所需的高频信号。
- 当你将额定的直流电压接到有源蜂鸣器的电极时，内部的振荡电路会自动启动，并生成所需的高频信号。
压电元件的作用：
- 有源蜂鸣器内部的压电元件（通常是压电陶瓷片）会对这个高频信号做出响应。压电元件在电压的作用下会发生机械变形，从而产生声波。
- 这个声波会通过蜂鸣器的外壳发出，从而实现声音的发出。

76、如下左图是有源电磁式蜂鸣器的驱动电路，右图是有源压电式蜂鸣器的驱动电路。请问为什么左图需要二极管而右图不需要，左图二极管的作用是什么？

因为电磁式蜂鸣器内部有线圈，在三极管关断的瞬间，线圈会产生一个反向的电动势（图中方向是下正上负），二极管的作用是给线圈提供一个电流的泄放通路，不至于对三极管造成损害。右图因为压电式蜂鸣器是靠压电陶瓷片的振动发声，内部没有线圈等感性原件，所以不需要放电二极管。

77、请解释一下什么是 Setup-Time 和 Hold-Time，什么是 Setup-Time 裕量和 Hold-Time 裕量。

Setup-Time 和 Hold-Time 是芯片对输入信号和参考时钟信号之间的时间要求。Setup-Time 是指参考时钟沿到来之前输入信号保持稳定不变的时间，Hold-Time 是指参考时钟沿过后输入信号保持稳定不变的时间。如果信号的 Setup-Time 和 Hold-Time 不满足要求，输入信号将不能打入触发器。如果输入信号在参考时钟沿前后稳定的时间均超过 Setup-Time 和 Hold-Time，那么超过量就分别被称为 Setup-Time 裕量和 Hold-Time 裕量。如下图， $t_{su}$ 为 Setup-Time， $t_{h}$ 为 Hold-Time：

78、请用 D 触发器画一个二分频电路。

陈氏解释

一、SR 锁存器基础知识

在数字电路中常使用的是二进制，S 和 R 分别是 Set 和 Reset 的首字母，表示置一和置零，由此应该能感受到电路的运行逻辑。

在 SR 触发器中最核心的部分就是输出的 Q 和 Q 非作为反馈重新输入到输入到，所以要进行一个递推直到输出输入和输出全部稳定为止，注意以下参数的含义：

$Q$ ——初态：初始的输出状态

${Q}'$ ——反态：初始输出状态的反变量

$Q^{*}$ ——次态：下一时刻的输出状态

既然说到了该锁存器需要递推，就应该摒弃潜意识里觉得 Q 作为输出，应该由分析电路得到 Q 值的思想。而是由于 Q 和 Q 非都作为反馈，反馈到了输入处，故应该假设 Q 的初始值， Q 非的值则取反，观察逻辑电路是保持初始 Q 值还是翻转 Q 值。

二、由两个或非门构成的 SR 锁存器

2.1 $S_{D}=R_{D}=0$

2.2 $S_{D}=1,R_{D}=0$

无论 Q 的初始状态是什么，稳定状态的 Q 都为 1 。

2.3 $S_{D}=0,R_{D}=1$

无论 Q 的初始状态是什么，稳定状态的 Q 都为 0 。

2.4 $S_{D}=1,R_{D}=0$

无论 Q 的初始状态是什么，稳定状态的 Q 都为 0 。

但是

2.5总结

Q 和Q 非

一定要稳定无变化

二、由两个与非门构成的 SR 锁存器

三、电平触发的 SR 触发器

四、电平触发的 D 触发器

五、边沿触发的 D 触发器

79、下图是一个传输线串联匹配的模型，假设驱动端 A 的输出阻抗 $R_{0}$ 为 10~20 欧姆（输出高电平和输出低电平时输出阻抗不一样），传输线特征阻抗 $Z_{0}$ 等于 50 欧姆，请问串联匹配电阻 $R_{Ts}$ 应该如何取值？

$R_{Ts}=Z_{0}-R_{0}$ ，所以 $R_{Ts}$ 取 30~40 欧姆，可以取标称值 33 欧姆。

陈氏解释

80、请分析下图三极管单管放大电路中的二极管 VD1 的作用。

二极管 VD1 起温度补偿作用：PN 结的导通压降随温度升高而略有下降，如果没有 VD1 温度补偿二极管，放大电路会出现温漂现象，电路输出电压会出现漂移。如果没有 VD1，温度升高的时候三极管的 Vbe 电压降低，但 Vb 不变，基极电流 Ib 增大；反之则温度降低，Ib 减小。加入 VD1 后可抵消三极管 Vbe 的变化，稳定 Ib 电流。