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    51c嵌入式~合集1

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    我自己的原文哦~     https://blog.51cto/whaosoft/13635946

    一、PWM波

    PWM有着非常广泛的应用，比如直流电机的无极调速，开关电源、逆变器等等，个人认为，要充分理解或掌握模拟电路、且有所突破，很有必要吃透这三个知识点

    • PWM
    • 电感
    • 纹波

    PWM是一种技术手段，PWM波是在这种技术手段控制下的脉冲波，如果你不理解是把握不住PWM波的！

    如图1所示，这种比喻很形象也很恰当，希望对学习的朋友有所帮助与启发。

    图1：形象的比喻

    PWM全称Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制（简称脉宽调制，通俗的讲就是调节脉冲的宽度），是电子电力应用中非常重要的一种控制技术，在理解TA之前我们先来了解几个概念 。

    脉冲波的基本信息如图2所示：

    图2：脉冲波的基本信息

    • 脉冲周期T：单位是时间，比如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等；
    • 脉冲频率f：单位是赫兹Hz、千赫兹kHz等，与脉冲周期成倒数关系，即f=1/T；
    • 脉冲宽度W：简称脉宽，是脉冲高电平持续的时间，单位是时间，比如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等；
    • 占空比D：脉宽除以脉冲周期得到的值，百分数表示，比如50%，也常有小数或分数表示的，比如0.5或1/2。

    以上之间的关系如图3所列的公式：

    图3：公式

    工程应用中的PWM波是幅值、周期（或频率）不变，脉宽（或占空比）可调的脉冲波，接下来我们来认清该PWM波到底是什么，TA隐藏着什么思想？

    当我们想要控制一个直流电机的转速，我们可以通过改变其两端电压即可，但是该种方法有很大的局限性，可调直流电源构造复杂、成本高昂，应用起来很不现实。

    所以我们采用另外的控制方式：电压源→驱动器→直流电机，电压源提供直流电压，不同的驱动器控制不同的直流电机，应用非常灵活，其中驱动器对电机的调速控制就是利用PWM:​​STM32通过PWM控制电机速度​​。

    可调直流电源控制与PWM控制都是能调速的，那么它们有什么相同之处呢？

    如图4—图7，电机为某相同转速时，红色代表驱动器输出幅值不变的PWM波，蓝色代表可调直流电源输出的电压，两者都是直接作用到负载。

    图4

    图5

    图6

    图7

    由以上得知：

    当PWM波的占空比越大时，所对应的直流电压与PWM波的幅值越接近；反之与0V越接近。

    周期的红色PWM波脉宽下的矩形面积之和与蓝色直流电压的面积相等，即伏秒积相等：

    U红(幅值) × ton = U蓝 × T

    两端同时除以T，得到如下关系式：

    U红(幅值) × 占空比 = U蓝

    例如当PWM波的幅值为24V，占空比为50%时，与直流电压12V作用到电机上所产生的效果是一模一样的，即速度相同，即24V×50%=12V。

    另外，既然满足这个关系，那PWM波的频率是不是可以随意了，答案当然不是，频率太低会导致电机运转不畅，振动大，噪音大；频率太高会导致驱动器开关损耗较大，甚至有电机会啸叫而不转的情况。

    一般1k~30k的PWM频率较为普遍，几百Hz的也有，实际上还是根据电机功率在测试时确定合适的PWM频率范围为宜。

    如图8为实物测试，脉宽在变化，周期不变的PWM波，所加负载如图9所示。

    图8：扭动旋钮控制脉宽变化

    如图9为实物测试，有刷直流电机的PWM无极调速，其中LED是并联在电机输入端的，其亮度反映电机速度的变化。

    图9：PWM控制电机调速

    要点：

    • PWM波其实就是一种脉宽可连续调节的矩形脉冲波；
    • 占空比其实就是描述脉宽与脉冲周期的比值，是量化值，便于分析研究，当我们用占空比来表达时，对脉宽就不那么关心了；
    • 占空比调节就是脉宽调节，表达不一样，但本质是一样的；
    • PWM波满足伏秒积计算：U红(幅值) × 占空比 = U蓝，作用效果与直流电压一样。

    二、LDO性能参数

    LDO是用于电压调节的最老和最常用器件，几乎任何一个电路设计中，都可能会使用LDO（低压差线性稳压器）这个器件。虽然LDO稳压器通常是任何给定系统中成本最低的元件之一，但从成本/效益角度来说，它往往是最有价值的元件之一。

    对大多数应用来说，产品Datasheet中的基本参数规格通常都清晰明了。但遗憾的是，Datasheet并不会列出针对每种可能的电路条件的参数，许多主要性能参数并未得到人们的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。因此，为了充分发挥LDO优势，工程师必须深入理解关键性能参数及其对特定负载的影响。

    本文将从LDO概念到系统，探讨LDO的主要性能参数及其在为电子系统中的不同器件提供干净输出电压方面的作用。此外，还将讨论在系统优化过程中，设计工程师需考虑的重要因素。

    第一部分：PMOS和NMOS两种主流架构

    低压差稳压器（LDO）是一种广泛应用的稳压解决方案，能够在输入输出电压差较小的条件下将较高的输入电压转化为稳定的低电压输出。作为一种线性稳压器，LDO通过调节通道晶体管实现电压降的优化，类似于自动调节阻值的电子控制可变电阻，以确保在特定输出电流下稳定的输出电压。

    LDO提供了一种简单且高效的稳压方式，可在提供恒定负载电流的情况下生成稳固的输出电压。其设计结构对外部元件的依赖性很低，有助于降低系统复杂性与物料成本。

    典型LDO结构仅需少量外部组件，通常包括用于输入解耦的电容与稳定输出的电容，而在某些拓扑结构下，还可加入保护二极管，以应对反向电压情况。这种简洁、高效的设计使LDO成为多种应用中稳定电压供应的理想选择。总结起来，LDO包含四个基本功能元件：

    • 参考电压源Reference Voltage Source：提供稳定的参考电压，用于与输出电压进行比较；
    • 反馈网络Feedback Network：从输出电压取样并反馈到误差放大器
    • 误差放大器Error Amplifier：比较输出电压与参考电压，并根据差值调节控制元件。
    • 控制元件Control Element：通常是一个功率晶体管（如MOSFET或BJT），调节输入电压，以维持稳定的输出电压。目前主流的有PMOS和NMOS两种。

    LDO 稳压器设计通常包含四种不同的通路元件：基于NPN型晶体管的稳压器、基于PNP 型晶体管的稳压器、基于N通道MOSFET的稳压器和基于P通道MOSFET的稳压器。虽然说NPN、PNP晶体管型稳压器压差比MOSFET型更高，但是MOSFET静态电流（Iq）明显低于晶体管稳压器。

    所以，综上，PMOS和NMOS两种LDO是现如今的主流。

    LDO通常易于设计和使用，但在现代应用中，系统往往包含多个模拟和数字模块，因此选择适合的LDO需要根据系统特性和工作条件综合考量。

    第二部分：LDO主要性能参数

    其实看清楚LDO的本质，可以用一个比喻来理解：想象一只鸭子穿越池塘，水面上看似平静无波，然而水下的双脚却在不停地用力划动。鸭子越用力，越快耗尽体力，不得不停下。电子电路也类似，当稳压器更费力地维持稳定电压时，能耗也随之增加。因此，关键在于选择一种能高效利用电力、保持稳定的稳压器，确保性能始终如一。

    判别LDO性能的参数很多，想要用好LDO，必须清晰每个性能参数的意思。

    压差

    压差是指在输入电压进一步下降，导致LDO不再能进行调节时的输入至输出电压的差值。在此压差条件下，通路元件工作于线性区，类似于一个电阻，其阻值等于漏极到源极的导通电阻RDS（ON）。如今LDO稳压器通常使用PMOS或NMOS FET作为通路元件，依据负载条件，可实现30mV～500mV压差。压差公式为：

    其中，RDS（ON）包含通路元件的电阻、片内互连电阻、引脚电阻和线焊电阻，并可通过LDO 的压差估算。在压差模式下，可变电阻接近零，LDO无法调节输出电压，输入电压及负载调整率、精度、PSRR 和噪声等参数也不再具备意义。

    早期的LDO设计提供大约1.3 V的压差，这意味着对于5 V的输入电压，器件进行调节可实现的最大输出仅为3.7 V左右。然而，在当今更复杂的设计技术和晶圆制造工艺条件下，'低'大致定义为<100mV到300mV左右。

    裕量电压

    裕量电压是LDO满足其规格要求所需的输入与输出电压差，通常约为400 mV～500 mV，但某些LDO可能需要高达1.5 V的裕量电压。数据手册通常将裕量电压作为指定其他参数的条件。需要注意的是，裕量电压不应与压差混淆，只有在LDO处于压差模式时，这两者才会相等。

    静态电流

    静态电流（Iq）是模拟比较常见的一个概念，顾名思义，它指的是是系统处于待机模式且在轻载或空载条件下所消耗的电流。静态电流适用于大多数集成电路 (IC) 设计，其中放大器、升降压转换器和低压降稳压器 (LDO) 都会影响消耗的静态电流量。当LDO完全运行时，采用以下公式进行计算：

    静态电流看似好像费不了多少电，但对于智能手表或者手机等长期处在待机模式的产品来说，LDO静态电流越小，电池寿命越长。同时，要优化LDO的效率，需尽量降低静态电流以及输入与输出电压的差值。由于输入与输出电压差直接影响效率和功耗，通常选择最低的压差。

    接地电流

    接地电流 (IGND) 是输入电流与输出电流之差，包含静态电流。低接地电流可以最大化 提高LDO的效率。

    对于高性能CMOS LDO，接地电流通常不到负载电流的1%。随着负载电流增加，接地电流也会增大，因为PMOS调节元件的栅极驱动需增强以补偿RON引起的压降。在压差区域内，当驱动级进入饱和时，接地电流也随之增加。对于需要低功耗或小偏置电流的应用，CMOS LDO是理想选择。

    关断电流

    关断电流指输出禁用时LDO 消耗的输入电流。参考电路和误差放大器在关断模式下都不上电。较高的漏电流会导致关断电流随温度升高而增加。

    效率

    LDO 的效率由接地电流和输入/输出电压确定。若需获得较高的效率，必须最大程度地降低裕量电压和接地电流。此外，还必须最大程度缩小输入和输出之间的电压差。输入至输出电压差是确定效率的内在因素，与负载条件无关。例如，采5 V电源供电时，3.3 V LDO的效率从不会超过66%，但当输入电压降至3.6 V时，其效率将增加到最高91.7%。

    噪声

    LDO为电子器件，所以一定会产生噪声。可以使用两个方法查看这些噪声：跨频率查看噪声和查看积分值形式的噪声。要生成不会影响系统性能的干净电源轨，选择低噪声LDO并采取降噪措施非常重要。由于闭环传递函数对抑制参考电压噪声效果有限，多数低噪声LDO需要额外的滤波器来阻挡噪声进入闭环。

    除了选择具有低噪声特性的LDO，还可以应用一些技术来确保LDO 具有最低的噪声特性。这些技术涉及到降噪电容器和前馈电容器的使用，或者通过额外的引脚和小电容器来优化输出噪声和PSRR性能，滤除带隙上的噪声。

    电源抑制比(PSRR)

    PSRR是常见的技术参数，它规定了特定频率的交流元件从LDO输入衰减到输出的

    程度。对LDO来说，100 kHz～1 MHz范围内的电源抑制非常重要。

    电源抑制比 (PSRR) 时常被误认为是单个静态值，但事实并非如此。频率、负载电流、LDO 裕量（输入到输出电压差）、输出电容、输入电压、温度、LDO架构设计、反馈网络和补偿都会影响到PSRR。对于实际应用来说，仅靠调整VIN - VOUT 和输出电容，就可以提高特定应用的PSRR，但影响PSRR的因素并不仅限于这两项，还包括以下参数：

    比较LDO的PSRR时，应确保在相同测试条件下进行，特别是考虑裕量电压和负载电流的影响。此外，PSRR应涵盖不同频率，并提供典型的工作性能曲线。输出电容对高频PSRR 有影响，较小电容的阻抗较大电容高，因此比较PSRR时，电容的类型和值必须一致，才能确保有效比较。

    线性调整率

    线性调整率是指在给定输入电压变化下的输出电压变化。由于线性调整率还取决于通路元件的性能和闭环 DC 增益，在考虑线性调整率时常常不包括压差操作。因此，线性调整率的最小输入电压必须高于压差。

    负载调整率

    负载调整率是指在给定负载变化下的输出电压变化，这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率体现了通路元件的性能和稳压器的闭环DC增益。闭环DC增益越高，负载调整率越好。

    瞬态响应

    LDO 广泛应用于对负载调节要求较高的领域，如数字IC、DSP、FPGA和CPU等，这些应用需要LDO快速响应，以保持电压稳定。瞬态响应是LDO的关键性能参数，包含负载瞬态响应和线路瞬态响应。

    负载瞬态响应是指负载电流变化时输出电压的变化，受输出电容、ESR、LDO控制环路带宽和负载电流变化速率的影响。变化速率较慢时，LDO可跟踪变化，但过快时可能导致异常行为，如过大振铃。

    线路瞬态响应是指输入电压变化时输出电压的变化，受LDO控制环路带宽和输入电压变化速率的影响。输入电压变化缓慢时，可能隐藏振铃或异常行为。

    瞬态响应主要取决于闭环传递函数的带宽，为了优化响应，闭环带宽应尽可能高，同时保持足够的相位余量确保系统稳定性。

    以上参数在实际应用中都非常重要，不过，如果想要评估一款高性能LDO芯片主要有3个标准：一是电源对噪声的抑制比，二是LDO自身输出噪声及对负载变化的瞬态相应能力，三是在高精密传感器应用中，温度漂移是否足够小。

    第三部分：厂商的产品情况

    知道以上参数以后，我们就可以从厂商实际产品中进一步消化这些参数，毕竟厂商宣传的参数肯定是最关键的那几个。

    虽然LDO不是什么高性能的IC，但LDO芯片市场竞争异常激烈。主要厂商包括TI、ADI、ST、ONsemi、Infineon、Microchip、Diodes、Rhom等。

    TI的LDO产品非常丰富，可以帮助应对几乎所有的稳压器设计挑战，为敏感的模拟系统供电到延长电池寿命。解决方案包括业界首款智能AC/DC线性稳压器，以及低噪声、宽输入电压范围（VIN）、小封装尺寸和低静态电流 (Iq) 等多种功能，整体特点是低噪声、低Iq、高功率密度。TI的分类方法是电压范围，除了低噪声、低Iq、小型化等，TI还单门将汽车分为一类。

    ST的LDO主要分为三个系列：高PSRR LDO稳压器、低 Iq LDO 稳压器、超低压差 LDO 稳压器。其产品特性为低压差、低静态电流（低 IQ）、快速瞬态响应、低噪音、良好的纹波抑制。

    英飞凌提供多种类型的线性稳压器 （LDO），包括高精度电压器跟随器、可变线性稳压器、超低静态电流稳压器 (LDO) 和高性能稳压器。与开关电源不同，低静态电流稳压器不能与降压或升压转换器一起使用。降压和升压转换器能够分别对电压 “降压” 或 “升压” 电压。它们不能与线性稳压器配合使用，因为输入电压必须始终大于输出电压。

    瑞萨是低压差稳压器 (LDO) 主要供应商，提供配备世界顶尖单 LDO、双 LDO 的低功耗手持应用，具有高达 3MHz 的超高 PSRR、低输入电压范围、紧凑封装，以及超低噪音和静态电流等特点。瑞萨电子的高电流 LDO 最高支持 3A 电流，拥有业内领先的快速负载瞬态响应、全负载和全结温最密集电压输出精度和同级最低遗失电压。此外，瑞萨电子的低成本线性稳压器还可从电信和数据通信中常用的中间配电电压产生低压偏置电源。这类器件可用作启动或连续低功耗稳压器。

    ADI制造各种各样的高性能低压降 (LDO) 线性稳压器。这些 LDO 线性稳压器提供极低压差、快速瞬态响应和出色的线路和负载调整，并具有在有线/无线和音频系统、FPGA/DSP/µC 电源以及 RF 和仪器仪表领域的最终应用中增加性能价值的功能。我们各式俱全的 LDO 线性稳压器具有各种各样的杰出特性，可满足任何设计中需求，无论是需要低噪声、高 PSRR 还是紧凑封装。

    最近几年，也诞生了越来越多的精品国产LDO。比如，纳芯微、思瑞浦、矽力杰、力芯微电子、蓝箭电子、立锜科技、特瑞士、友台半导体、思旺电子等。

    参考文献

    [1]TI：​​https://www.ti/cn/lit/wp/zhcy093/zhcy093.pdf?ts=1730769075203​​

    [2]Renasas：​​https://www.renesas/zh/document/whp/understanding-linear-regulators-and-their-key-performance-parameters?r=481466​​

    [3]Mouser：​​https://www.mouser/pdfdocs/ADI_LDO_General_Presentation_2018Apr1.pdf​​

    [4]ADI：​​https://www.analog/cn/resources/analog-dialogue/articles/understand-ldo-concepts.html​​

    [5]纳芯微：​​https://www.novosns/Public/Uploads/uploadfile/files/20241011/naxinweichezaiLDOyizhanshijiejuefanganshouce_final_20241010-541.pdf​​

    三、拆解华硕的千兆路由器

    路由器“CPU”非常高端

    外观介绍

    今天在表舅这边垃圾桶捡了一个路由器，看着天线都断了，旁边还有一个新的华硕路由器盒子，很大的那种，型号没看清，不过盒子里有各个国家的电源线，应该是主人拿到新的把旧的扔了。电源线给表舅了，这个旧的路由器我拆了。

    想当年，我朋友也曾经买过类似的产品，印象中这款产品非常稳定，除了人为断电断网，印象里没断过网。但就是有点小缺陷，就是这玩意儿发热量真大呀，不能说烫手，反正接近烫手边缘了。今天就拆开它看看，到底为什么会这么烫手。（原文链接：https://www.eeworld/ajn5ez9）

    路由器应该有年限了，后壳塑料都有一些老化状态，可能是靠近窗户，被太阳晒的吧。

    先看外观，型号是华硕AC1900，后面标签数据简单看看，电源直流19V1.75A，中国制造，设置有4个按键，abcd，A键可以设置与其他无线设备的WiFi链接，B键是重置按键，C键是WiFi开关，D键是LED的开关。

    后面还有图片搭配，简单易懂。

    再就是一些各种标准。不知道那个ID是不是2013的生产日期。

    再来看顶部，一共三根天线。还不是那种一体式的，是可以旋转拧下来的。后面散热区域，老化更严重。

    再看看接口处，左侧有复位按键，开机键，底部电源输入，19v的电源，普通路由器记得9-12V就够了，往右一个2.0接口，一个3.0接口，可以用来链接硬盘，用户端可以直接读取硬盘信息资料，类似NAS。往右一个网线接口，中间的是LED开关，可能开启后，底部ASUS的亚克力会有灯光切换。

    右边只有四个接口，用于接用户端。

    正面比较简洁，右上角的LOGO，还有型号1900，支持802.11ac。底部共有10颗指示灯。用来显示当前状态。

    拆解外壳

    不用螺丝刀，完全不用，直接徒手就可以拆了。慢慢往下掰，可以看到螺丝固定的位置也是老化严重，直接就拿下来。

    首先看到的是一块大铝合金散热。

    侧边的两颗按键，WPS与WiFi开关。

    后面几乎全部掰完，整块板子漏出来。还有底座没取下来。

    底座也是轻松取下来，果然三颗LED，直接照亮那个透明的ASUS标志。

    正面的面板，没有啥东西，只有一个指示灯的透明件。

    主板欣赏

    再来研究下主板，这是背面，芯片也在背面。各种元件大部分都在背面。

    正面元件比较少。虚线圈起来的，应该是个屏蔽罩，里面缺少了一颗芯片，还标注了U11/U12，底部缺少几个电阻。左侧的U8也缺少，是不是还有高配版本的？底部的led指示灯都发黑了。常亮的应该是右边三个，电源2.4/5G跟左数第5颗互联网，正常情况下这几个都是常亮或者闪烁状态。所以其他的使用的少。看着像正常的。散热片的底部，在拆解后没有任何元件，只是辅助背面芯片散热，上方的屏蔽罩由三颗螺丝固定，可减少天线与主板的相互干扰。

    先来看看第一颗芯片，U13，品牌是Spansion飞索半导体，该公司在2014年由赛普拉斯CYPRESS收购，而赛普拉斯在2019年被英飞凌Infineon收购，所以现在查看的芯片丝印S34ML01G100TF100，数据会显示英飞凌。

    该芯片是一颗嵌入式系统存储器，一颗高可靠性SLC NAND闪存颗粒。

    该闪存的引脚图。

    这颗U17是一颗1.5A 可调/固定低压差线性稳压器，品牌UTC友顺。

    U1丝印IT7663M是一颗高效同步整流降压DC转换器。

    U2也是一颗IT7663M。

    背面接口，一个HN18101CG网络变压器，USB3.0与USB2.0接口，电源与开关。

    中间位置的三颗LED.U3与U4都是IT7663M。U5则是IT7803M，都是高效低压DC转换器。

    网口的两颗变压器，1434与1444，旁边一颗U7。

    拆下散热片，漏出两块屏蔽罩，并且屏蔽罩上方芯片对应位置有散热片。更加有利于散热。

    取下右边的屏蔽罩，里面一共两颗芯片。U9与U10。

    U10是一颗三星的K4B2G1646Q，是一颗2Gb DDR3L闪存颗粒。

    U9是博通BROADCOM，丝印BCM4708一颗网络加速硬件通信处理器，该设备的中心是一个高性能的1GHz ARM CortexTM -A9双核，具有32kb四路集关联指令缓存，和128个条目的翻译后备缓存区(TLB).增强的CPU内存子系统架构提供了更高的系统性能。该设备采用了40纳米技术。

    左边屏蔽罩拆下来，两颗芯片U24与23，两颗都是博通的BCM4360，该芯片是一颗5GwiFi8002.11ac千兆收发器，路由器的整个网络部分就是使用博通的方案，两颗芯片分别管理2.5G与5G的WiFi。

    U23，PHY速率性能是三流802.11n设备的3倍以上

    •双频操作与不建议用于新设计802.11n网络兼容。80 MHz带宽比当前802.11n宽2倍。256-QAM是一种更高的调制方案，可提高数据传输效率

    •符合802.11ac的发射和接收波束成形，可扩展802.11ac的覆盖范围，不建议用于新型设计设备。低密度奇偶校验（LDPC）码可在一定范围内提高速率

    •PCI Express 2.0主机接口

    •增强的蓝牙共存接口支持无缝BT+5G WiFi操作解决方案。

    射频部分，5023L是一款5GHz功率放大器，为无线局域网应用提供高线性功率。SE5023L为简化设计提供了高度集成，缩短了上市时间，提高了应用板的生产良率。该设备集成了所有匹配元件、温度补偿、负载不敏感的功率检测器，具有15dB的动态范围和3.8GHz的otch滤波器。对于无线局域网应用，该设备满足IEEE802.11ac和802.11n的要求，并在5V下提供约24dBm的802.1lac输出功率或26dBm的802.11n输出功率。

    2.5G部分，与5G部分几乎一样，右边部分是供电部分。

    总结

    最后总结一下，该路由器型号1900Mbps（2.4GHz频段600Mbps，5GHz频段1300Mbps），处理器BCM4708，内存为256M闪存与2GB内存，网络接口1个千兆wan口，4个LAN千兆口。天线3根5dBi外置天线。上市时间为2013年6月4日发布，当时的首发价约200美元，目前在某宝仍有在售，价格大概不到200，海鲜市场大概在100左右。OK！本次拆解就到这

    四、从UALink近期发展再看GPU Scale Up的互连方向

    GPU的Scale Up互连成为炙手可热的话题，在2024年涌现了众多相关的行业讨论。站在阿里云的视角，什么样的技术以及生态才能满足云上智算集群的发展？为什么采用全新的Scale Up设计而不复用当前的以太网和RDMA技术呢？本文借着行业内的一些事件，对GPU超节点的Scale up互连的技术方向观点进行分享。          

    在GPU算力架构发展的历程和趋势中，我们意识到大模型的训练推理对显存容量以及带宽有不断增长的诉求，传统的GPU单机8卡方案已经不能满足业务发展的需要，更多卡组成超节点并具备大容量显存和低延的共享的解决方案才能满足大模型的需求。阿里云对行业技术方向进行评估后，于今年9月份发布了Alink Sytem开放生态和AI Infra 2.0服务器系统，其中底层互连协议部分兼容国际开放标准UALink协议。          

    10月29日，UALink联盟正式发布，并开启新成员邀请，发起成员包括AMD、AWS、Astera Labs、Cisco、Google、HPE、Intel、Meta 和Microsoft。其中相对于5月份的首次披露的成员，博通消失了，取而代之的是AWS和Astera Labs。其中AWS的加入引人遐想，因为AWS一向低调，很少参与协议组织。这次AWS躬身入局UALink联盟也展示了其对于GPU Scale Up互连需求的思考，以及对于UALink原生支持GPU互连这个技术方向的认同。下面，我们对于Scale up方向的思考做一些展开论述。

    智算集群的互连架构

    当前智算集群内，围绕着GPU存在三大互连，分别是业务网络互连、Scale Out网络互连、Scale Up网络互连，它们分别承载了不同的职责：跨业务、集群内、超级点GPU之间连通性。随着AI应用的爆发，推理的GPU规模最终会大大超过训练，由于推理服务同时追求业务请求的低延迟和高吞吐，Scale Up互连技术对于智算超节点意义重大，Scale Up主要是面向大模型推理服务以及兼顾训练。

    ——业务网络互连：承载的是诸如需要计算的输入数据，输出结果，以及在各类存储系统中的模型参数、checkpoint等。需要进行极大范围的互连，并且和云上的存储、业务接口等互通，采用以太网技术，通常支持各类RDMA。       

    ——Scale Out网络互连：训练的DP、PP并行计算切分流程，通常要把集群横向扩展到超多的GPU机柜，当前的训练规模已经发展到10w卡，目前国际的标准趋势是，采用专门优化的以太网技术UEC（Ultra Ethernet Consortium）协议。

    ——Scale Up网络互连：以推理的大显存并行计算流量和训练的张量并行（TP）以及专家并行（MoE）流量为主，有在网计算的需求（可以对All reduce在Switch节点上进行加速）。互连规模在未来很多年内都会维持在单柜72～80个GPU，从模型大小和推理需求的发展来看，当前规划能满足很长一段时间的需求。

    超节点内部Scale Up互连：注定和设备深度绑定的协议

    如何定义一个超节点的边界？这个边界就是网卡。超节点外的以太网是面向连接的设计，实现大面积的连通，超节点内的是面向计算的设计，实现的是部件间的协同。   

    超节点内通过部件之间深度的耦合，实现了高效协同（包括效率、编程习惯等），这个耦合带来了性能（如带宽、延迟等），特性（内存共享、设备中断等）的需求，在过去很长一段时间内的典型技术是PCIe，它很好的解决了以CPU为中心的互连问题，几乎全部的服务器设备都是PCIe接口的。        

    当数据中心主要计算类型发生变化的时候，新的挑战出现了，围绕GPU为中心的计算带来了新的挑战：

    ——面向GPU的语义支持：GPU是超众核架构，其在线程调度机制，以及核心的利用率考量上和CPU有着显著的区别。CPU的外设交互模式及RDMA交互模式等，无法有效的满足GPU的访存特性和性能要求。和这个使用模式比较类似的是CXL（Compute Express Link，通用计算的内存扩展技术）的使用方式，但CXL在此场景下也存在局限性，比如大量内存一致性特性支持的开销，以及前向兼容PCIe所有协议栈带来的大量冗余特性。

    ——超高性能诉求：Scale Up相对于Scale Out和业务网络需要更高一个数量级(10倍以上)的带宽。由于GPU算力的狂飙，在当前的算力水平下，Blackwell这一代配置了双向共1.8T的算力，这意味着即使采用224g的phy，单芯片也需要双向共72个serdes差分对，整机柜需要数千根。。如果采用类似网卡的外置控制器方案，在功耗，延迟、稳定性等等都具有极大的劣势。Scale Up互连采用GPU直出，将所有的控制器植入GPU内部是不可避免的选择。          

    为什么采用全新的Scale Up协议而不复用已有的协议?

    Scale UP互连是用于GPU和GPU 互连，是做更大芯片扩展的服务器，是内存和显存共享访问的语义，特点是极低延迟和大带宽，规模在柜内，可扩展为多柜到百芯片级（只是一种能力保留，但是未来很多年都看不到应用），是独立Fabric连接，完全不同于以太网。

    Scale Out互连是用于服务器之间是基于网卡+交换机的集群互连，是以太网协议，规模在万级以上，普适的互连。              

    国际的主流厂商，尤其是云计算为代表的应用厂商都积极加入UALink，代表了一个广泛的观点，对于Scale Up，是有价值也有必要从底层协议到系统硬件进行重新设计的，目前业界主流的GPU芯片厂家都会考虑Scale Up采用独立的Link技术，不会和Scale Out合并设计。

    特性维度

    GPU+AI有着显著的特点，GPU是超多核的编程模型，和擅长通用性的CPU不同，需要使用到大量的内存语义(load/store)访问，同时由于各个GPU之间需要彼此使用HBM的内存，对跨芯片访问带宽和时延有显著的高要求。

    其次Scale Up相对于Scale Out和业务网络需要更高一个数量级(10倍以上)的带宽，同时由于对于延迟的需求，需要采用GPU芯片直出互连的设计，协议的轻量化设计具备极大的价值，意味着可以将宝贵的芯片面积节省给GPU的计算核心、更高的IO集成能力、更低的功耗。          

    互连范围

    Scale Up互连注重的是大模型的应用，从模型需求和互连分层的角度来说，Scale Up的互连域是一个独立高性能低延迟内存共享访问的互连域，单柜规模在72～80个GPU，保留百级的扩展能力（未来很多年都看不到应用），节点访问都是显存访问(load/store)，性能和延迟的第一要素，完全不需要采用过于复杂的协议，这个是Scale Out的以太网完全做不到的，如果以太网可以做到，其实就已经简化到和Scale Up一样了，也就不是以太网了，脱离了以太网大规模普适的根本。             

    当前行业共识和UALink协议联盟

    业界发展最早和最成熟的是NVDIA的NVLink技术，然而NVLink并不是开放生态，鉴于此，各家主要厂商或形成了闭环的自有协议方案（如谷歌TPU的OCS+ICI架构及AWS的NeuronLink）。当前行业中实际主流的，都采用的是自有技术，然而各家的演进成本都很高。

    考虑到针对终态进行设计，以及共同对抗行业垄断的目的，AMD将其迭代多年的Infinity Fabric协议贡献出来，促成UALink联盟的成立，希望在更多行业伙伴的助力下，持续发挥原生为GPU互连场景设计的优势，使其成为行业的开放标准。

    考虑到技术特点和开放生态给云计算公司将带来技术竞争力和供应链等全方位的优势，UALink在发布之后快速得到各家的青睐，尤其是原持有自有协议方案的公司，也积极加入其中。截止11月11日，UALink联盟已有三十余家厂商加入，并在持续扩展中；且涵盖了云计算和应用、硬件、芯片、IP等产业全生态。   

    当前国际业界已经形成共识：在开放协议领域，以UALink为代表的Scale Up协议和UEC为代表的Scale Out协议，共同支持AI集群互连基础协议的演进。       

    阿里的Alink System：原生支持AI场景的Scale Up开放生态

    ALS(Alink System，加速器互连系统)是阿里云目前主导的开放生态，解决Scale Up互连系统的行业发展规范问题。ALS将在系统层面同时支持UALink国际标准并兼容封闭方案。ALS包括ALS-D数据面和ALS-M管控面两个主要组成部分。ALS-D在UALink上补充在网计算加速等特性，并支持Switch组网模式，其主要特点包括：

    ——性能维度，极致优化协议以达到最小的成本实现极致的性能。在协议格式、重传方案等维度的设计上充分考虑工程的性能优化，可对报文以极低的延迟进行解析、转发，从而具备端到端的低时延，并且在实现层面可以节省大量的芯片面积。

    ——组网维度，考虑到并行计算的发展，在新的并行模式(如EP)下需要更强大的点对点通信能力，ALS-D系统定义了基于Switch硬件连接方案，并且支持单层和二层的互连拓扑，提供多至数百/数千节点的互连，可以在各级连接方案中维持1:1的带宽收敛比，实现具备PB级的显存共享，为AI计算的通信操作提供灵活的规模支撑。

    互连的管控运维也是系统设计的重要组成部分，ALS-M的目标是为不同的芯片方案提供标准化的接入方案，符合此规范的设备均可灵活接入应用方系统。无论是对于开放生态（如UALink系统），还是封闭厂商，ALS使用统一的软件接口。同时，ALS-M为云计算等集群管理场景，提供单租、多租等灵活和弹性的配置能力。

    ALink System的目标是，聚焦GPU算力需求、驱动云计算定义的开放生态，形成智算超节点的竞争力。   

    五、嵌入式实用的跟踪调试组件

    1 DWT跟踪组件

     跟踪组件：数据观察点与跟踪(DWT)

    DWT 中有剩余的计数器，它们典型地用于程序代码的“性能速写”（profiling）。通过编程它们，就可以让它们在计数器溢出时发出事件（以跟踪数据包的形式）。​

    最典型地，就是使用 CYCCNT寄存器来测量执行某个任务所花的周期数，这也可以用作时间基准相关的目的（操作系统中统计 CPU使用率可以用到它）。

    2 Cortex-M中的DWT

    在Cortex-M里面有一个外设叫DWT(Data Watchpoint and Trace)，是用于系统调试及跟踪。

    它有一个32位的寄存器叫CYCCNT，它是一个向上的计数器，记录的是内核时钟运行的个数，内核时钟跳动一次，该计数器就加1，精度非常高，如果内核时钟是72M，那精度就是1/72M = 14ns，而程序的运行时间都是微秒级别的，所以14ns的精度是远远够的。

    最长能记录的时间为：59.65s。计算方法为2的32次方/72000000。

    当CYCCNT溢出之后，会清0重新开始向上计数。

    3 使用方法

    要实现延时的功能，总共涉及到三个寄存器：DEMCR 、DWT_CTRL、DWT_CYCCNT，分别用于开启DWT功能、开启CYCCNT及获得系统时钟计数值。

    3.1 DEMCR

    想要使能DWT外设，需要由另外的内核调试寄存器DEMCR的位24控制，写1使能（划重点啦，要考试！！）。DEMCR的地址是0xE000 EDFC

    3.2 关于DWT_CYCCNT

    使能DWT_CYCCNT寄存器之前，先清0。让我们看看DWT_CYCCNT的基地址，从ARM-Cortex-M手册中可以看到其基地址是0xE000 1004，复位默认值是0，而且它的类型是可读可写的，我们往0xE000 1004这个地址写0就将DWT_CYCCNT清0了。

    3.3 关于CYCCNTENA

    CYCCNTENA Enable the CYCCNT counter. If not enabled, the counter does not count and no event is generated for PS sampling or CYCCNTENA. In normal use, the debugger must initialize the CYCCNT counter to 0. 

    它是DWT控制寄存器的第一位，写1使能，则启用CYCCNT计数器，否则CYCCNT计数器将不会工作。

    【https://developer.arm/documentation/ddi0337/e/system-debug/dwt/summary-and-description-of-the-dwt-registers?lang=en】

    4 综上所述

    想要使用DWT的CYCCNT步骤：

    1. 先使能DWT外设，这个由另外内核调试寄存器DEMCR的位24控制，写1使能
    2. 使能CYCCNT寄存器之前，先清0。
    3. 使能CYCCNT寄存器，这个由DWT的CYCCNTENA 控制，也就是DWT控制寄存器的位0控制，写1使能

    寄存器定义：

    //0xE000EDFC DEMCR RW Debug Exception and Monitor Control Register.  
//使能DWT模块的功能位
#define DEMCR           ( *(unsigned int *)0xE000EDFC )  
#define TRCENA          ( 0x01 << 24) // DEMCR的DWT使能位  
  
//0xE0001000 DWT_CTRL RW The Debug Watchpoint and Trace (DWT) unit  
//使能CYCCNT计数器开始计数
#define DWT_CTRL        ( *(unsigned int *)0xE0001000 )  
#define CYCCNTENA       ( 0x01 << 0 ) // DWT的SYCCNT使能位
 
//0xE0001004 DWT_CYCCNT RW Cycle Count register,   
//CYCCNT计数器的内部值(32位无符号)
#define DWT_CYCCNT      ( *(unsigned int *)0xE0001004) //显示或设置处理器的周期计数值
    //0xE000EDFC DEMCR RW Debug Exception and Monitor Control Register.  
//使能DWT模块的功能位
#define DEMCR           ( *(unsigned int *)0xE000EDFC )  
#define TRCENA          ( 0x01 << 24) // DEMCR的DWT使能位  
  
//0xE0001000 DWT_CTRL RW The Debug Watchpoint and Trace (DWT) unit  
//使能CYCCNT计数器开始计数
#define DWT_CTRL        ( *(unsigned int *)0xE0001000 )  
#define CYCCNTENA       ( 0x01 << 0 ) // DWT的SYCCNT使能位
 
//0xE0001004 DWT_CYCCNT RW Cycle Count register,   
//CYCCNT计数器的内部值(32位无符号)
#define DWT_CYCCNT      ( *(unsigned int *)0xE0001004) //显示或设置处理器的周期计数值

    用法示例：

    vvolatile unsigned int *DWT_CYCCNT  ;
volatile unsigned int *DWT_CONTROL ;
volatile unsigned int *SCB_DEMCR   ;
 
void reset_timer(){
    DWT_CYCCNT   = (int *)0xE0001004; //address of the register
    DWT_CONTROL  = (int *)0xE0001000; //address of the register
    SCB_DEMCR    = (int *)0xE000EDFC; //address of the register
    *SCB_DEMCR   = *SCB_DEMCR | 0x01000000;
    *DWT_CYCCNT  = 0; // reset the counter
    *DWT_CONTROL = 0; 
}
 
void start_timer(){
    *DWT_CONTROL = *DWT_CONTROL | 1 ; // enable the counter
}
 
void stop_timer(){
    *DWT_CONTROL = *DWT_CONTROL | 0 ; // disable the counter    
}
 
unsigned int getCycles(){
    return *DWT_CYCCNT;
}
 
main(){
    ....
    reset_timer(); //reset timer
    start_timer(); //start timer
    //Code to profile
    ...
    myFunction();
    ...
    stop_timer(); //stop timer
    numCycles = getCycles(); //read number of cycles 
    ...
}

    示例2：

    #define start_timer()    *((volatile uint32_t*)0xE0001000) = 0x40000001  // Enable CYCCNT register
#define stop_timer()   *((volatile uint32_t*)0xE0001000) = 0x40000000  // Disable CYCCNT register
#define get_timer()   *((volatile uint32_t*)0xE0001004)               // Get value from CYCCNT register
 
/***********
* How to use:
*       uint32_t it1, it2;      // start and stop flag                                            
        start_timer();          // start the timer.
        it1 = get_timer();      // store current cycle-count in a local
        // do something
        it2 = get_timer() - it1;    // Derive the cycle-count difference
        stop_timer();               // If timer is not needed any more, stop
print_int(it2);                 // Display the difference
****/

    示例3：

    #define  DWT_CR      *(uint32_t *)0xE0001000
 
#define  DWT_CYCCNT  *(uint32_t *)0xE0001004
 
#define  DEM_CR      *(uint32_t *)0xE000EDFC
 
#define  DEM_CR_TRCENA                  (1 << 24)
 
#define  DWT_CR_CYCCNTENA                (1 <<  0)
 
/* 初始化时间戳 */
 
void CPU_TS_TmrInit(void)
{
 
        /* 使能DWT外设 */
        DEM_CR |= (uint32_t)DEM_CR_TRCENA;               
 
        /* DWT CYCCNT寄存器计数清0 */
        DWT_CYCCNT = (uint32_t)0u;
       
 
        /* 使能Cortex-M3 DWT CYCCNT寄存器 */
        DWT_CR |= (uint32_t)DWT_CR_CYCCNTENA;
 
}
 
uint32_t OS_TS_GET(void)
{       
 
        return ((uint32_t)DWT_CYCCNT);
 
}

    六、学习嵌入式绕不开的技术点

    嵌入式绕不开各种接口

        比如：uart 、spi、i2c、usb、eth、mipi、edp、can、i2s、hdmi等等。需要了解各接口的使用场景、带宽、机制、时序、工作模式、缺点，时序等等。我相信硬件接口这一块儿就会让很多新手摸不到头脑吧。相关文章：UART、I2C、SPI、TTL、RS232、RS422、RS485、CAN、USB、SD卡、1-WIRE、Ethernet。

    嵌入式绕不开交叉编译工具

        嵌入式一般都需要自己搭建交叉编译工具链，当然MCU类的开发也会有成熟的IDE可供使用。但是对于编译器而言一般都是GCC。对于嵌入式开发人员来说，搭建交叉编译工具链。编译过程分为 ——预编译、编译、汇编、链接。关于编译可以参考此文​ ：​​C语言编译过程​​。通过GCC提供的工具可以使程序完成任一阶段的处理。要清楚各个阶段主要完成了什么工作。链接分为静态链接、动态链接，各自的优缺点及使用场景要知道。同时编译生成ELF格式的文件，要理解ELF文件的格式、必要的时候需要通过objdump或readelf工具来解析ELF文件。

    嵌入式开发绕不开调试

        嵌入式开发的很大一部分时间都在调试，好的调试方法和工具可以更快速的定位问题。学习过程中需要了解的工具：

    • vargrind
    • gdb
    • kdump
    • corddump
    • oops

    嵌入式开发离不开优化

        嵌入式的优化分为两部分，算法上的优化，编程上的优化。其中编程上的优化分为以下技术：

    • 内存使用上的优化-cacheline的使用。cache涉及到cache命中率、cache一致性，write-back，wrte-through等。全局变量问题、常用变量位置问题、互锁问题。
    • 并行优化主要是SIMT或SIMD技术的应用，包括GPU的使用，NEON优化、SSE优化等。其中并行分为任务并行和数据并行，任务并行是多核方面的优势，数据并行是GPU和NEON来解决。
    • 依赖性问题主要是流水线问题，避免数据的依赖性可以高效的使用流水线。至于这部分的优化要借助反汇编，来对比不同写法造成的差异。
    • 很多人对驱动开发有技术情节，越是年轻的工程师越是这样。驱动的开发本质上就是给外设配置参数，使其工作在期望的方式。linux下的驱动开发需要遵从linux的驱动框架，裸机的驱动开发就是直接配置寄存器就可以。linux有一个很好的理念，就是万物皆文件。linux将外设也会抽象成文件，读写外设和读写文件在操作上没有了区别。linux下的设备，分为字符型设备、块设备、网络设备。linux下注册驱动的时候，将设备号和文件名进行了映射，并实现file_operation里的一些函数，例如，write、read、ioctl。其中write、read主要用于读写外设的有用数据。ioctl主要用于配置外设的一些参数，使其工作在不同的模式或状态。
    • 其实嵌入式指的就是嵌入式操作系统，操作系统有很多种。vxworks、ucos、freertos、bios、linux、uclinux、nuttx等等。对于操作系统的选择个人感觉要看实时性、以及生态。生态很重要，这样出现问题的时候，才不至于绝望，感觉不是孤军奋斗。其实操作系统的出现，主要是为了解决任务调度、内存管理。这两方面是操作系统的精髓。感兴趣可以阅读源码。ucos的源码不多，可以从它看起。

    总结

        嵌入式的东西很多，想要整理起来，也是很花费力气的一件事情，有时间我就会慢慢的整理，当然如果对别人有用的话，那就更好。

        目前AI异常火爆，现阶段大家都停留在功能实现上，至于端测的落地，个人感觉还有一小段距离要走。当AI落地的时候，我相信市场上对嵌入式工程师、硬件工程师的需求会越来越大。尤其是涉及到性能优化方面，我相信应该会有很大的市场吧。

    七、操纵传感器类型分析和选用 以及常见问题解决方案

    本文介绍了碳膜、霍尔、电位式、电感式和光电式五种常见的操纵传感器类型，包括它们的工作原理、特性、优缺点及应用场景，以及选择操纵传感器时需考虑的关键因素。此外，文章还讨论了设计操纵传感器时可能面临的问题及解决方案，并总结了操纵传感器在各领域的重要作用，强调了根据具体应用需求选择适合的操纵传感器的重要性。

    操纵传感器是一种用于操纵电子设备或系统的操纵器件，通常由手把、杆状部分和各种按钮、开关组成。最常见的应用是在游戏控制器、飞行操纵杆、遥控器、运动控制器与电子产品操纵键等。

    操纵传感器最常见的应用是电子游戏的操纵，提供了一种直观的方式，让玩家掌握游戏中的角色或场景。另外也可应用于模拟飞行游戏与实际的飞行训练中，提供更真实的飞行体验。

    在电子设备中，操纵传感器也常用于作为用户的输入接口，虽然触摸屏幕也占有一席之地，但其缺乏必要的触觉回馈和坚固性，加上操纵传感器占用的体积更小，因此像是数码相机、便携设备等产品，仍会选择操纵传感器作为输入设备。

    操纵传感器也可以用于远程操作机器人，例如在危险环境中进行操作或探测，或是用于遥控各种设备，包括玩具、模型、摄像头、遥控飞机等。操纵传感器也可以作为虚拟现实和扩增现实系统的输入设备，让用户能够在虚拟或扩增的环境中进行交互。操纵传感器在不同领域都有广泛的应用，为使用者提供了直观、精确的控制方式。

    操纵传感器的应用示例

    常见的操纵传感器类型与特性

    常见的操纵传感器主要包括碳膜操纵传感器、霍尔操纵传感器，此外还有电位式（电阻式）、电感式与光电式操纵传感器，每种技术都有其优缺点，以下将为您介绍这些技术的主要原理与特性。

    碳膜操纵传感器

    1. 碳膜操纵传感器

    碳膜操纵传感器是一种使用碳膜电阻的感应器件，常用于操纵杆、按钮和其他操纵设备。碳膜操纵传感器的工作原理基于碳膜电阻的变化，它通常包含两个薄膜层，其中一层是碳膜，另一层则是导电的基板，两者之间隔开。当操纵杆或按钮移动时，它会导致碳膜与基板之间的接触面积改变，这将影响电阻值。

    碳膜本身是一种导电性材料，当两层之间的接触面积增加时，电阻降低；反之，当接触面积减小时，电阻增加。这种电阻的变化可以通过测量电压或电流的方式转换为传感信号，从而检测操纵设备的位置和移动。

    碳膜操纵传感器的制造成本相对较低，使其成为一种经济实用的操纵传感解决方案，且碳膜较薄且柔软，这使得它适用于轻巧且柔软的操纵设备，并且易于集成到不同的设计中。

    碳膜操纵传感器对轻微的操纵变化非常敏感，能够提供相对高的灵敏度，这对于精确的操纵非常重要，由于碳膜的相对耐用性，这种传感器通常具有长寿命，适用于长时间和频繁使用的场景，不过，由于摇杆和碳膜的接触会带来碳膜的磨损导致寿命降低，业界目前最高水平可达到200万次左右的使用寿命。

    碳膜操纵传感器可以制作成不同形状和尺寸，因此适用于多种应用，包括不同形状的按钮、操纵杆等，碳膜操纵传感器通常具有较低的功耗，这使得它们适用于需要节能的应用，例如电池供电的设备。

    由于简单的结构，碳膜操纵传感器通常易于维护和修复，减少了维护成本，由于其可弯曲性和可裁剪性，碳膜传感器能够应用于各种形状和尺寸的操纵设备。

    霍尔操纵传感器

    2. 霍尔操纵传感器

    霍尔操纵传感器（Hall sensor）是一种基于霍尔效应的感应器件，用于测量磁场强度，当磁场干扰导体中的电流时，会引起电压的变化，霍尔效应游戏杆则利用这个原理，它们内部装有永久磁铁，游戏杆带动磁铁移动，这个移动被下面的霍尔效应检测IC检测到，产生电压变化，转换为位置数据的变化。

    霍尔效应是指当一个导体通过一个垂直于其流动方向的磁场时，该导体两侧会产生一个电压。这种现象是由于磁场对导体内带电载流的影响，霍尔传感器则利用这一效应，其通常由半导体材料制成，包含一个敏感区域和连接电路。

    当霍尔传感器放置在磁场中时，磁场会影响传感器中的电子运动，进而产生在传感器两侧产生电压的效应，这个电压称为霍尔电压，其大小和方向与磁场的强度和方向有关。通过测量霍尔电压，可以确定磁场的参数，例如磁场的强度或方向。

    霍尔传感器通常具有较高的传感精度，能够准确地测量磁场的变化，霍尔传感器的响应速度较快，使其在需要实时反应的应用中表现优越。霍尔传感器不需要与物体直接接触，可以在非接触的情况下进行测量，这使得它在一些特殊环境或应用中更具优势。

    霍尔传感器通常具有较低的功耗，这有助于节省能源并延长电池寿命，并对温度、湿度等环境条件的影响相对较小，使其适用于各种应用环境。霍尔传感器可用于多种应用，包括位置传感、速度传感、开关应用等。

    3. 电位式操纵传感器

    电位式操纵传感器是一种基于电位计原理的感应器件，常用于操纵设备或操纵器的应用，例如操纵杆、鼠标、游戏摇杆等。电位式操纵传感器基于电阻的变化来检测操纵杆或操纵器的位置，它通常由一个移动的电阻器件（例如滑动电阻或旋转电阻）和一个移动的接触器（例如触点）组成，当操纵杆或操纵器移动时，电阻器件的位置相应地改变，这会导致电阻值的变化。

    电位式操纵传感器中最常见的形式是滑动电位器，这种设计包括一个滑动的接触器，当使用者移动操纵杆时，滑动接触器沿着电阻器件的表面滑动，改变电阻值，此变化的电阻值被用来产生电压信号，该信号反映了操纵杆的位置。

    电位式操纵传感器通常具有线性的输出特性，这意味着操纵杆的移动和输出信号之间存在线性关系，这使得输出信号可以相对容易地映射到操作的应用中。这类传感器通常具有较高的精确度，能够提供准确的位置检测，这使得它们适用于需要精确控制的应用，如游戏、操纵器等。

    电位式操纵传感器通常具有较长的寿命，并且相对耐用，这使得它们适用于长时间和频繁使用的场景。这种传感器的结构相对简单，由于使用基本的电阻器件，因此成本较低，制造和维护相对容易。

    电位式操纵传感器的传感可能会受到一些限制，其滑动或旋转的电阻器件有一定的物理限制，导致转动角度有限。这类传感器通常需要物理接触，因为操纵杆或操纵器的移动必须导致接触器与电阻器件表面的物理交互。

    4. 电感式操纵传感器

    电感式操纵传感器是一种使用电感器原理的感应器件，常用于操纵设备的位置检测，例如操纵杆、游戏手把等。电感式操纵传感器使用电感器件（通常是线圈）来传感操纵杆或操纵器的位置。当操纵杆或操纵器移动时，附近的电感器件会感应到磁场的变化，这种变化被转换为电压信号。

    这种感应是基于法拉第感应的原理，当一个导体经过变化的磁场时，会产生感应电动势。操纵杆或操纵器上的磁体会与电感器件相对运动，因此在电感器件上会感应到相应的电压变化。

    电感式操纵传感器是一种非接触性的技术，因为操纵杆或操纵器的移动不需要直接接触传感器，这有助于提高耐用性并减少机械磨损。电感式操纵传感器通常具有较高的精确度，能够提供准确的位置检测，这使其在需要精确控制的应用中非常受欢迎。

    由于电感式操纵传感器可以使用多个电感器件进行检测，因此可以实现多轴的操纵，例如在游戏手把中实现的多轴运动。由于不涉及机械接触，电感式操纵传感器的反应速度通常很快，这对于如游戏控制这类需要实时反应的应用非常重要。

    电感式传感器可实现复杂的操纵，包括旋转、倾斜等多轴度的操纵，增加了操作的多样性。由于是非接触性的，电感式操纵传感器不受物理障碍的限制，可以在相对复杂的环境中使用。

    5. 光电式操纵传感器

    光电式操纵传感器是一种使用光学原理的感应器件，用于检测操纵设备的位置和移动，这种传感器常见于鼠标、触摸板等设备中。光电式操纵传感器的原理基于光学感应，通常使用红外线或可见光的光学器件。典型的结构包括一个光源（通常是LED），以及一个光学传感器件（例如光电二极管阵列或图像传感器）。

    光源用于发射光束，通常是红外线或可见光，这个光束照射到操纵杆或操纵器上，当光束照射到操纵杆或操纵器表面时，光线可能被反射或透射，具体取决于表面的特性，这将产生一个反射或透射的光影。

    随后光学传感器件会接收反射或透射的光影，通过检测光的强度、位置变化等来识别操纵杆或操纵器的位置。传感器的电子部分将光学传感器件的输出转换成电压或数据信号，这些信号用于确定操纵杆或操纵器的移动方向和速度。

    光电式操纵传感器是一种非接触式技术，操纵杆或操纵器的移动不需要直接接触传感器，这有助于提高设备的耐久性。光学传感技术可以提供相对较高的精确度，这对于需要精确位置检测的应用非常重要。

    光电式操纵传感器通常反应速度较快，使其在需要实时反应的应用中非常有用，如鼠标或触摸板，并可以实现多轴的操纵，支持多维度的移动和操作。由于非接触性和多轴检测的特性，光电式操纵传感器具有一定的灵活性，可应对不同的应用需求。光电式操纵传感器不受物理障碍的限制，可以在相对复杂的环境中使用，并特别适用于平面操纵，如在触摸板上滑动或操作。

    选择操纵传感器的注意事项与考虑因素

    选择操纵传感器时，需要考虑一系列因素，以确保应用能够达到预期的效果并满足使用需求。首先应确定应用的具体需求，例如是在游戏中使用、模拟飞行、机器人操作还是其他应用，不同的应用可能需要不同类型的操纵传感器。

    另外还需考虑使用者操纵的方式，是需要单一的操纵杆、多个按钮、还是复杂的手势操纵，应根据应用的复杂性和使用者体验需求来选择适当的操纵方式。不同的操纵传感器有不同的精确度和灵敏度，这是确保操纵的精准性和流畅性的关键因素，应选择能提供所需精确度和灵敏度的传感器。

    此外，还需考虑传感器的耐用性，尤其是在频繁使用的场景中，如游戏控制器，高质量和耐用的操纵传感器能够提供更长的使用寿命。在连接方式上，应确保操纵传感器与目标设备的连接方式兼容，这可以包括有线或无线连接，应选择能方便地与目标设备通信的传感器。另一方面，应注意操纵传感器的电源需求，特别是对于无线传感器，以确保能够提供足够的电力供应。

    当然，还需考虑预算限制，不同品牌和型号的操纵传感器价格差异较大，应选择在预算范围内提供所需功能的传感器，并研究不同品牌的操纵传感器，查阅用户评价和评论，以了解产品的实际表现和可靠性，并确认操纵传感器与目标应用或设备的兼容性，以确保能够顺利集成。

    设计操纵传感器的常见问题与解决方案

    在操纵传感器应用中，可能会面临一些常见的问题，这些问题可能影响用户体验和系统性能。像是精确度和校准问题，操纵传感器的精确度可能会随着使用时间而受到影响，并且可能需要定期校准。解决方式为实施定期的校准程序，使用精确的校准工具和方法以确保传感器准确度，更新驱动程序和软件也可能有助于提高精确度。

    此外，当操纵传感器的信号处理时间过长，将导致使用者感觉到延迟，此时应优化传感器的信号处理算法，减少操纵到显示反应的时间，并使用高性能的硬件和软件来改善反应时间。

    某些操纵方式可能对用户而言过于复杂，导致学习曲线陡峭，因此应提供直观的用户接口和操纵方式，设计简单易懂的操作流程，并提供用户操作指导，以减少学习曲线。

    操纵传感器也可能受到外部信号干扰，导致不稳定性。因此在放置操纵传感器时应远离可能引起干扰的设备，加强抗干扰能力，并使用适当的屏蔽和滤波技术，提高系统稳定性。

    若采用无线操纵传感器可能面临电池寿命短或无电的问题，应使用节能模式以延长电池寿命，并提供明确的电池状态指示，开发低功耗的传感器技术，以减少能源消耗。

    在兼容性问题方面，操纵传感器可能不与某些设备或平台兼容，因此应提前确保操纵传感器与目标设备的兼容性，更新驱动程序或软件以解决兼容性问题，制造商可以提供更新和支持。

    成本问题永远是必须考虑的要素，高成本的操纵传感器可能不符合预算要求。因此需要在价格和性能之间找到平衡点，选择符合预算的操纵传感器，同时满足应用需求。

    安全性问题也是当前不可忽略的问题，安全漏洞可能导致操纵传感器被非法存取或操纵。解决方式为实施严格的安全标准，使用加密和验证技术保护操纵传感器的通信和数据，并定期更新软件以修补已知的安全漏洞。

    解决上述的这些问题需要采用全面性的方法，包括硬件、软件、设计和用户培训等多方面的考虑。

    类型

    应用特性

    碳膜操纵传感器

    碳膜操纵传感器因其低成本、高灵敏度和适应性，而广泛应用于各种操纵设备中，提供了经济实用的操纵解决方案。

    霍尔操纵传感器

    霍尔操纵传感器在应用于磁场测量方面具有优越的性能，并且在一些需要高精度、快速响应、非接触性的应用中得到广泛应用，例如在汽车工业、工业自动化、电子设备等，但会受到强磁场的影响。

    电位式操纵传感器

    电位式操纵传感器由于其简单而可靠的原理和良好的精确度，且成本低廉，因此被广泛应用于各种需要操纵的应用中，但其使用寿命有限，常应用于游戏控制器、操纵杆、鼠标等。

    电感式操纵传感器

    电感式操纵传感器相当可靠，但对温度变化和电磁干扰（EMI）敏感，在游戏控制器、操纵杆和其他操纵设备中广泛应用，提供了一种灵活、精确且反应速度快的操纵方式。

    光电式操纵传感器

    光电式操纵传感器以其高精确度、实时反应和多轴操纵的特性，被广泛应用于各种操纵设备中，但容易受到灰尘、湿气和受力损坏的影响。

    结语

    操纵传感器在各种应用中发挥着重要作用，提供了用户与设备之间的接口，使得操作更加直观且精确，可广泛应用于电子设备、游戏控制、模拟飞行、机器人操作、遥控设备、虚拟现实和扩增现实、工业自动化、医疗设备领域。

    选择操纵传感器应根据具体应用需求选择操纵传感器，考虑精确度、灵敏度、反应速度、操纵方式、耐用性、连接方式、电源需求、价格、品牌和评价等因素，来选择出适合特定应用需求和使用情境的操纵传感器，以提供更好的用户体验和操作效果。

    八、开关电源纹波、噪声的产生原因及测量方法

     本文简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。另外关于开关电源的基础概念，​ 请移步此文:​​介绍开关电源的几个概念​​。

    纹波和噪声产生的原因

        开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。

        噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI)，它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。

        开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。

        利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图1所示。纹波的频率与开关管频率相同，而噪声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压，其单位是mVp-p。

        上图1 ，纹波和噪声的波形。

    纹波和噪声的测量方法

        纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。

        由于开关电源的品种繁多(有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的技术要求等)，但是各生产厂家都采用示波器测量法，仅测量装置上不完全相同，因此各厂对不同开关电源的测量都有自己的标准，即企业标准。

        用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图2所示。它由被测开关电源、负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。

        上图2 示波器测量框图。

        从图2来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同。测纹波和噪声电压的要求如下：

    　　● 要防止环境的电磁场干扰(EMI)侵入，使输出的噪声电压不受EMI的影响;

    　　● 要防止负载电路中可能产生的EMI干扰;

    　　● 对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以在测量时要加上适当的输出电容。

        为满足第1条要求，测量连线应尽量短，并采用双绞线(消除共模噪声干扰)或同轴电缆;一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头;并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。为满足第2点，负载应采用阻性假负载。

        经常有这样的情况发生，用户买回的开关电源或模块电源，在测量纹波和噪声这一性能指标时，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量的方法(测量点的选择)不合适或采用通用的测量探头所致。

    几种测量装置

    1 双绞线测量装置​

        双绞线测量装置如图3所示。采用300mm(12英寸)长、#16AWG线规组成的双绞线与被测开关电源的+OUT及-OUT连接，在+OUT与-OUT之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个4TμF电解电容(钽电容)后输入带宽为50MHz(有的企业标准为20MHz)的示波器。在测量点连接时，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。

        上图3 双绞线测量装置。

        这里要注意的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。

    2 平行线测量装置​

        平行线测量装置如图4所示。图4中，C1是多层陶瓷电容(MLCC)，容量为1μF，C2是钽电解电容，容量是10μF。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较接近，缺点是较容易捡拾EMI干扰。

        上图4 平行线测量装置。

    3 专用示波器探头

        图5所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环，其探头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负极(GND)，接触要可靠。

        上图5 示波器探头的接法。

        这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长，容易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出，虚线面积越大，受干扰的影响越大，如图6所示。

        上图6 通用探头易造成干扰。

    4 同轴电缆测量装置

        这里介绍两种同轴电缆测量装置。图7是在被测电源的输出端接R、C电路后经输入同轴电缆(50Ω)后接示波器的AC输入端;图8是同轴电缆直接接电源输出端，在同轴电缆的两端串接1个0.68μF陶瓷电容及1个47Ω/1w碳膜电阻后接入示波器。T形BNC连接器和电容电阻的连接如图9所示。

        上图7 同轴电缆测量装置1。

        上图8 同轴电缆测量装置2。

        上图9 T形BNC连接器和电容电阻的连接。

    纹波和噪声的测量标准

        以上介绍了多种测量装置，同一个被测电源若采用不同的测量装置，其测量的结果是不相同的，若能采用一样的标准测量装置来测，则测量的结果才有可比性。近年来出台了几个测量纹波和噪声的标准，本文将介绍一种基于JEITA-RC9131A测量标准的测量装置，如图10所示。

        上图10 基于JEITA-RC9131A测量标准的测量装置。

        该标准规定在被测电源输出正、负端小于150mm处并联两个电容C2及C3，C2为22μF电解电容，C3为0.47μF薄膜电容。在这两个电容的连接端接负载及不超过1.5m长的50Ω同轴电缆，同轴电缆的另一端连接一个50Ω的电阻R和串接一个4700pF的电容C1后接入示波器，示波器的带宽为100MHz。同轴电缆的两端连接线应尽可能地短，以防止捡拾辐射的噪声。另外，连接负载的线若越长，则测出的纹波和噪声电压越大，在这情况下有必要连接C2及C3。若示波器探头的地线太长，则纹波和噪声的测量不可能精确。

        另外，测试应在温室条件下，被测电源应输入正常的电压，输出额定电压及额定负载电流。

    不正确与正确测量的比较

    1探头的选择

        上图11 AAT1121电路测量波形。

        上图12 用普通示波器探头测得的波形。

        上图13 用专用测量探头测得的波。

    2 探头与测试点的接触是否良好

        以1W DC/DC电源模块IF0505RN-1W为例，采用专用探头靠测法，排除外界EMI噪声干扰，探头接触良好时，测出的纹波和噪声电压为4.8mVp-p，如图14所示。若触头接触不良时，则测出的纹波和噪声电压为8.4mVp-p，如图15所示。

        上图14 电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触良好)。

        上图15 电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触不良)。

        这里顺便再用普通示波器探头测试一下，其测试结果是纹波和噪声电压为48mVp-p，如图16所示。　

        上图16 电源模块IF0505RN-1W测试波形(普通探头)。

    减小纹波和噪声电压的措施

        上图17 开关电源整流波形，关于整流的文章请移步:​​解析桥式整流电路​​。

        上图18 开关电源PFC电路。

        开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑，各部分电路的设计及PCB设计有关。例如，采用多相输出结构，可有效地降低纹波输出。现在的开关电源的开关频率越来越高;低的是几十kHz，一般是几百kHz，而高的可达1MHz以上。因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高，要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。

    1减少EMI的措施

        可以采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加EMI滤波器，如图19所示(EMI滤波器也称为电源滤波器)。　　

        上图19 开关电源加EMI滤波。

    2 在输出端采用高频性能好、ESR低的电容

        采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的，其特点是尺寸小而电容量大，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。例如，一种高分子聚合物钽固态电解电容为68μF，其在20℃、100kHz时的等效串联电阻(ESR)最大值为25mΩ，最大的允许纹波电流(在100kHz时)为2400mArms，其尺寸为：7.3mm(长)×4.3mm(宽)×1.8mm(高)，其型号为10TPE68M(贴片或封装)。

        纹波电压ΔVOUT为：

        ΔVOUT=ΔIOUT×ESR (1)

        若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，则ΔVOUT=12.5mV。

        若采用普通的铝电解电容作输出电容，额定电压10V、额定电容量100μF，在20℃、120Hz时的等效串联电阻为5.0Ω，最大纹波电流为70mA。它只能工作于10kHz左右，无法在高频(100kHz以上的频率)下工作，再增加电容量也无效，因为超过10kHz时，它已成电感特性了。

        某些开关频率在100kHz到几百kHz之间的电源，采用多层陶电容(MLCC)或钽电解电容作输出电容的效果也不错，其价位要比高分子聚合物固态电解质电容要低得多。

    3 采用与产品系统的频率同步

        为减小输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关的频率与系统的频率相同。

    4 避免多个模块电源之间相互干扰

        在同一块PCB上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠的很近，则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少其相互影响的干扰。

        例如，用两个K7805-500开关型模块组成±5V输出电源时，若两个模块靠的很近，输出电容C4、C2未采用低ESR电容，且焊接处离输出端较远，则有可能输出的纹波和噪声电压受到相互干扰而增加，如图20所示。

        如果在同一块PCB上有能产生噪声干扰的电路，则在设计PCB时要采取相似的措施以减少干扰电路对开关电源的相互干扰影响。

        上图20 K7805-500并联。

    5 增加LC滤波器

        为减小模块电源的纹波和噪声，可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器，如图21所示。图21左图是单输出，图21右图是双输出。

        上图21 在DC/DC模块中加入LC滤波器。

        在表1及表2中列出1W DC/DC模块的VIN端和VOUT端在不同输出电压时的电容值。要注意的是，电容量不能过大而造起动问题，LC的谐振频率必须与开关频率要错开以避免相互干扰，L采用μH极的，其直流电阻要低，以免影响输出电压精度。

    6 增加LDO

        在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声，以满足对噪声特别有要求的电路需要(见图22)，输出噪声可达μV级。

        上图22 在电源中加入LDO。

        由于LDO的压差(输入与输出电压的差值)仅几百mV，则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了，并且其损耗也不大。

    7 增加有源EMI滤波器及有源输出纹波衰减器

        有源EMI滤波器可在150kHz～30MHz间衰减共模和差模噪声，并且对衰减低频噪声特别有效。在250kHz时，可衰减60dB共模噪声及80dB差模噪声，在满载时效率可达99%。

        输出纹波衰减器可在1～500kHz范围内减低电源输出纹波和噪声30dB以上，并且能改善动态响应及减小输出电容。

    九、拆解:早期555定时器芯片

    ​ 由模拟 IC 奇才 Hans Camenzind 设计的 555 被称为有史以来最伟大的芯片之一。据说是世界上最畅销的集成电路，已售出数十亿。​

        一个带有 Signetics 标志的 8 针 555 定时器。它没有 555 标签，而是标有“52B 01003”和 7304 日期代码，表示 1973 年的第 4 周。

        乏味地打磨环氧树脂封装以露出芯片（下图），并确定芯片是 555 定时器。Signetics 在 1972 年年中发布了 555 定时器，下面的芯片有一个 1973 年 1 月的日期代码（7304），所以它一定是最早的 555 定时器之一。奇怪的是，它没有标为 555，所以它可能是原型或内部版本。

        我拍摄了详细的模具照片，在这篇博文中进行了讨论。

        555 定时器的封装被打磨，露出硅芯片，中间的小方块。

        555 定时器有数百种应用，从定时器或锁存器到压控振荡器或调制器的任何操作。下图说明了 555 定时器如何作为一个简单的振荡器工作。在 555 芯片内部，三个电阻形成一个分压器，产生 1/3 和 2/3 的电源电压的参考电压。外部电容器将在这些限制之间充电和放电，从而产生振荡。更详细地说，电容器将通过外部电阻器缓慢充电 (A)，直到其电压达到 2/3 参考电压。在该点 (B)，上（阈值）比较器关闭触发器并关闭输出。这会打开放电晶体管，使电容器 (C) 缓慢放电。当电容器上的电压达到 1/3 参考电压 (D) 时，较低（触发）比较器打开，设置触发器和输出，循环重复。电阻器和电容器的值控制时间，从微秒到几小时。

        显示 555 定时器如何作为振荡器工作的图表。在 555 定时器的控制下，外部电容器通过外部电阻器进行充电和放电。

        总而言之，555 定时器的关键组件是检测电压上限和下限的比较器、设置这些限制的三电阻分压器以及跟踪电路是充电还是放电的触发器。555 定时器还有两个我上面没有提到的引脚（复位和控制电压），它们可用于更复杂的电路。

        从显微镜图像的合成中创建了下面的照片。在硅的顶部，一层薄薄的金属连接芯片的不同部分。这种金属在照片中以浅色痕迹清晰可见。在金属下方，一层薄薄的玻璃状二氧化硅层在金属和硅之间提供绝缘，除了二氧化硅中的接触孔允许金属连接到硅的地方。在芯片的边缘，细线将金属焊盘连接到芯片的外部引脚。

        如上，555 计时器的模具照片。

        芯片上不同类型的硅更难看到。芯片的区域用杂质处理（掺杂）以改变硅的电特性。N 型硅具有过量的电子（负），而 P 型硅缺乏电子（正）。在照片中，这些区域显示为略有不同的颜色，周围有细黑色边框。这些区域是芯片的组成部分，形成晶体管和电阻器。在windows中，保存的时候先另存在桌面，再拖进去覆盖即可!

        晶体管是芯片中的关键元件。555 定时器使用 NPN 和 PNP 双极晶体管。如果您研究过电子学，您可能已经看过如下图所示的 NPN 晶体管图，显示了晶体管的集电极 (C)、基极 (B) 和发射极 (E)，晶体管被图示为P硅夹在两个对称的N硅层之间，NPN 层构成 NPN 晶体管。事实证明，芯片上的晶体管看起来不像这样，而且基极通常甚至不在中间！

        如上，NPN 晶体管的原理图符号，以及其内部结构的简化图。

        下面的照片显示了 555 中的一个晶体管的特写，因为它出现在芯片上。硅中稍有不同的色调表明已掺杂形成 N 和 P 区域的区域。白色区域是硅顶部芯片的金属层 - 这些形成连接到集电极、发射极和基极的导线。

        如上图，裸片上 NPN 晶体管的结构。

        照片下方是一个横截面图，说明了晶体管的构造方式。除了你在书中看到的 NPN 之外，还有很多其他东西，但如果你仔细观察“E”下方的垂直横截面，你会发现形成晶体管的 NPN。发射极 (E) 线连接到 N+ 硅。其下方是连接到基极触点 (B) 的 P 层。在其下方是（间接）连接到收集器（C）的 N+ 层。6 晶体管被 P+ 环包围，将其与相邻组件隔离。

        在IC内部的PNP晶体管：

        如上图，555定时器芯片中的PNP晶体管。标注了集电极(C)、发射极(E)和基极(B)的连接，以及N和P掺杂硅。基极围绕发射极形成一个环，集电极围绕基极形成一个环。

        555中的输出晶体管比其他晶体管大得多，并且具有不同的结构，以产生高电流输出。下面的照片显示了输出晶体管之一。注意被大集电极包围的发射极和基极的多个互锁“手指”。

        如上图，555定时器芯片中的大电流NPN输出晶体管。集电极(C)、基极(B)和发射极(E)被标记。

        电阻器是如何在硅中实现的？

        电阻器是模拟芯片的关键部件。不幸的是，IC 中的电阻器很大且不准确。不同芯片的电阻可能相差 50%。因此，模拟 IC 的设计只有电阻的比率很重要，而不是绝对值，因为比率几乎保持不变。

        如上，555定时器内部的电阻。电阻器是两个金属触点之间的一条 P 硅。

     555 中的一个 10KΩ 电阻器，它由一条 P 硅（粉灰色）形成，在两端与金属线接触。其他金属线穿过电阻器。电阻器具有螺旋形状，以使其长度适合可用空间。下面的电阻是一个 100KΩ 的夹点电阻。夹层电阻器顶部的 N 硅层使导电区域更薄（即夹住它），形成更高但不太准确的电阻。

        555定时器内部的收缩电阻器。电阻器是两个金属触点之间的一条P硅。顶部的N层夹住电阻，增加电阻。垂直金属线穿过该电阻器。

        有一些子电路在模拟 IC 中很常见，但起初可能看起来很神秘。电流镜就是其中之一。如果您看过模拟 IC 框图，您可能已经看到下面的符号，指示电流源，并想知道电流源是什么以及为什么要使用它。这个想法是你从一个已知的电流开始，然后你可以用一个简单的晶体管电路，电流镜“克隆”电流的多个副本。

        如上图，电流源的原理图符号。

        以下电路显示了如何用两个相同的晶体管实现电流镜。参考电流流经右侧的晶体管。(在这种情况下，电流由电阻设定。)由于两个晶体管具有相同的发射极电压和基极电压，它们产生相同的电流，因此右边的电流与左边的参考电流相匹配。

        如上，电流镜电路，右边的电流复制左边的电流。

        电流镜的一个常见用途是替换电阻器。如前所述，IC 内部的电阻器既大又不准确，不便之处。尽可能使用电流镜而不是电阻器来节省空间。此外，与两个电阻器产生的电流不同，电流镜产生的电流几乎相同。

        如上图，三个晶体管在555定时器芯片中形成一个电流镜。它们共用同一个基极，两个晶体管共用发射极。

        上述三个晶体管构成一个具有两个输出的电流镜。注意，三个晶体管共享基极连接，连接到右边的集电极，右边的发射极连接在一起。在原理图中，右侧的两个晶体管被绘制为单个双集电极晶体管Q19。

        要了解的第二个重要电路是差分对，它是模拟 IC 中最常见的双晶体管子电路。 您可能想知道比较器如何比较两个电压，或者运算放大器如何减去两个电压。这是差分对的工作。

        如上，简单差分对电路原理图。电流源通过差分对发送固定电流I。如果两个输入相等，则电流均分。

        上面的示意图显示了一个简单的差分对。底部的电流源提供固定电流 I，该电流在两个输入晶体管之间分配。如果输入电压相等，则电流将平均分成两个分支（I1 和 I2）。如果其中一个输入电压比另一个高一点，则相应的晶体管会以指数方式传导更多的电流，因此一个分支获得更多电流，而另一个分支获得更少。一个小的输入差异足以将大部分电流引导到“获胜”分支，从而打开或关闭比较器。555 芯片使用一个差分对作为阈值比较器，另一对作为触发比较器。​

    十、各种传感器原理

    传感器（Sensor）是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。
        人类会基于视觉、听觉、嗅觉、触觉获得的信息进行行动，设备也一样，根据传感器获得的信息进行控制或处理。
        传感器收集转换的信号（物理量）有温度、光、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。
        这些利用了半导体的物质变化，除此之外，还有利用酶和微生物等生物物质的生物传感器。
        不仅智能手机、个人电脑等通信设备，还包括医疗设备、可穿戴式设备、车载、自然环境、基础设施等，所有物体都能联网共享信息，从而创造更便利、更安心、更安全的社会。
        而实现这些所不可缺少的是检测状态的“传感器”。

    地磁传感器    地球被磁场磁力所包围，这被称为地磁。
        地磁传感器是检测地球磁力的传感器，也被称为“电子罗盘”。
        地磁传感器可以通过检测地磁来检测方向。
        【围绕地球的地磁】

        地磁传感器有X和Y两轴型以及添加了Z的三轴型，并测量各方向上的磁力值。
        如果不考虑诸如简单罗盘之类的倾斜，则仅使用X轴和Y轴的值。当考虑倾斜时，需要将地磁传感器的3轴值与加速度传感器相结合，将其校正到正确的方向。

        下图显示了地磁传感器水平旋转时X和Y值的分布。

        如果地磁传感器水平旋转，在不受周围磁场影响的理想情况下，输出分布图的圆心变为零。

        然而，实际上中心因环境磁场的影响而移动，因此需要进行调整以将圆心移动到零。
    地磁传感器导出的北极称为磁北（略偏离北极）。通过上述方程式计算该磁北的角度，可以容易知道方向。
    各类磁传感器
        磁传感器是一种旨在测量磁场的大小和方向的传感器。
        根据目的不同有多种传感器，以下列举典型的传感器。

    霍尔传感器

        基于霍尔效应测量磁通密度的传感器，输出与磁通密度成比例的电压。

    它易于使用，主要用于非接触式开关应用，例如门和笔记本电脑等物体的打开和关闭检测。

    MR传感器

        MR（Magneto Resistance）传感器也被称为磁阻效应传感器，利用物体电阻因磁场变化来测量地磁大小的传感器。

        灵敏度高于霍尔传感器，功耗更低，因此是一种使用更广泛的磁传感器。除了电子罗盘等地磁检测应用外，它还用于电机旋转和位置检测应用。

    MI传感器

        MI（Magneto Impedance）传感器是下一代磁传感器，采用特殊的非晶丝并应用了磁阻抗效应。

        它的灵敏度比霍尔传感器高出10,000倍以上，并且可以高精度地测量地磁的微小变化。
        可以应用于超低消耗电流的方位检测（电子罗盘），还可应用于室内定位、金属异物检测等高灵敏度特性的应用。

    脉搏传感器
        脉搏波是心脏发送血液时产生的血管的体积变化波形，监测该体积变化的检测器称为脉搏传感器。

        首先，测量心率有四种方法，心电图、光电脉波法、血压测量法、心音描记法等。
    其中的光电脉波法是使用脉搏传感器进行测量的方法。

        由于测量方法的不同，光电脉波法的脉搏传感器有透过型和反射型。
        透过型通过向体表照射红外线或红光，测量随着心脏的脉动而变化的血流量的变化，作为透过身体的光的变化量来测量脉搏波。
        该方法限于测量易于穿透的部分，例如指尖和耳垂。

    反射型脉搏传感器

        反射型脉搏传感器是向生物体照射红外线、红光、550nm左右波长的绿光，利用光电二极管或光电晶体管测量生物体反射的光。含氧血红蛋白存在于动脉血液中，具有吸收入射光的特性，因此通过检测随时间序列并随心脏搏动而变化的血流量（血管容积的变化），测量脉搏信号。
        另外，由于是反射光的测量，因此不必像透过型那样限制测量部位。

        [反射型脉搏传感器的原理]

        当使用红外线或红光测量脉搏波时，受到室外阳光中包含的红外线的影响，不能进行稳定的脉搏波测量。因此，建议仅将其用于室内或半室内应用。
        在运动腕表等户外用途，血液中的血红蛋白的吸收率高，由于绿色光源较少受环境光的影响，我们将绿色LED作为照射光使用。

    脉搏传感器的应用
        通常，通过观察以下两点可以测量动脉血氧饱和度（SpO2）。通过脉搏传感器获得的波形的变动周期，观察心率（脉率）；通过使用红外线和红光两个波长，来观察脉动（变化量）。
        此外，作为脉搏传感器的应用，期望通过高速采样和高精度测量来获取诸如HRV分析（压力水平）、血管年龄等各种生命体征。

    气压传感器
        气压传感器是检测大气压力的传感器。
        根据要测量的压力值，压力传感器具有如下所示的各种材料和方法的传感器。
    在这些压力传感器中，检测大气压力（用于气压检测）的传感器通常被称为气压传感器。

        [使用的材料 - 按方式分类的压力传感器]

        气压传感器的典型示例是使用硅（Si）半导体的压阻式。
        罗姆提供的气压传感器也是压阻式气压传感器。

    压阻式气压传感器
        压阻式气压传感器使用Si单晶板作为隔膜（压力接收元件），通过在其表面上扩散杂质形成电阻桥电路，将施加压力时产生的变形作为电阻值变化，来计算压力（气压）。

        [压阻式气压传感器]

        电阻率（电导率）因施加在该电阻上的压力而变化的现象称为压阻效应。罗姆的气压传感器IC将使用压阻式压力接收元件（隔膜结构和压阻集成在一起※MEMS），以及温度校正处理、控制电路等的集成电路（※ASIC）集成在一个封装里，可以轻松获得高精度的气压信息。

        ※ MEMS：Micro Electro Mechanical System（微机电系统）

        在一个电路板上集成机械构成部件、传感器、执行机构（驱动部件）等的装置。

        ※ ASIC：Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路）
        它是一种集成电路，将多个电路功能组合成一个特定应用。

    加速度传感器
        加速度是指单位时间内产生的速度，测量加速度的IC就叫加速度传感器。
        通过测量加速度，可以测得物体的倾斜、振动等信息。
        加速度单位为m/s2（※国际单位制SI）。
        另外，单位G是以※标准重力（1 G = 9.806 65m/s2）为基准的加速度值。
        还有用于检测地震震动的加速度的单位※Gal（CGS单位制）。

        ※ 国际单位制SI（法语：Système international d'unités）
        由长度m、重量kg、时间s （MKS单位）组合而成的国际单位。

        ※ 标准重力
        物体在重力作用下产生的加速度。物体在自由落体时，物体每单位时间内增加的速度值（9.806 65m/s2）。

        ※ Gal
        CGS（长度cm、重量g、时间s为基准）单位制的加速度单位。被定义为SI单位制的1/100（1Gal=0.01 m/s2 ）。

        加速度传感器一般分为低G加速度传感器和高G加速度传感器，如下图所示。

    电容式加速度传感器

        罗姆集团加速度传感器是采用MEMS技术的电容式加速度传感器。
        传感器元件由Si制成的固定电极、可动电极和弹簧构成。未施加加速度的状态下，固定电极和可动电极间的距离相同。施加加速度，则可动电极移位。由此与固定电极的位置关系发生变化，电极间容量发生变化。容量的变化通过※ASIC转化为电压，算出加速度。

        【电容式原理】

        ※ ASIC
        Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路）
        指将特定用途的多个电路功能集成到一起的集成电路。

    电流传感器
        何谓电流传感器？
        电流传感器是指检测电路中流动的电流值的传感器。

    电流的检测方法
        如下图所示，检测流动电流的方法大致可分为电阻检测型和磁场检测型。

        【电流检测方法和特点】
        电阻检测型将分流电阻引发的电压降转换为电流。安装简单而且价廉物美，操作简单，但缺点是电阻上的功率损耗会产生较大的发热量。磁场检测型＜有铁芯＞
        根据电流线中流动的电流测量铁芯中产生磁场的大小，以此来测量电流值。这种方法无需接触，功率损耗较小，但铁芯较大，存在贴装面积大的课题。＜无铁芯＞
        利用霍尔效应将流动电流周围产生的磁场转换为电压（霍尔电压）进行测量，以此来测量电流值。因为霍尔效应产生的电压较小，所以IC由霍尔元件和放大电路构成。因为需要将电流引入IC内，所以会产生功率损耗。

    M1电流传感器
        为了消除上述磁场检测型在安装难度（有铁芯）和功率损耗（无铁芯）方面的缺点，ROHM开发出了使用MI（Magneto Impedance）元件的磁场检测型非接触型电流传感器。
        MI传感器作为使用特殊非晶丝，利用其磁阻抗效应的新一代传感器，其特点是具备超高灵敏度的磁性检测能力。
        灵敏度远超霍尔元件，可高精度检测磁性的微小变化。因此，无需将电流引入封装内，也能以高精度进行非接触式电流检测（磁性检测）。

        【电流传感器的结构比较（罗姆调查）】
        综上所述，MI电流传感器可进行非接触式电流测量，功率损耗少，还能进一步缩小贴装面积。

    颜色传感器
        感光传感器（光传感器）中，检测R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）3原色的叫作颜色传感器。
        颜色传感器通过光电二极管接收周围光线，检测RGB值。

    颜色传感器的原理
        向物体照射具有RGB成分的光，反射光的颜色成分会随物体的颜色发生改变。
        例如，红色物体的反射光成分为红，黄色物体为红和绿、白色则包含红、绿、蓝全部成分。

        【物体反射光颜色示意图】

        由此可知，物体的颜色由物体反射的光色（R、G、B）成分的比例决定。
    人眼是通过获取反射光成分来识别物体的颜色。
        在漆黑的场所什么都看不见吧！这是因为没有照射光，反射光自然也不存在，所以看上去是漆黑一片。
        与人眼一样，颜色传感器是使用光电二极管接收光线，通过计算接收到的R、G、B量的比例来识别颜色。

    颜色传感器IC的结构
        下图是颜色传感器IC的结构。内部搭载了彩色滤光片（Color filter）和红外截止滤光片（Ir cut filter）。

        【罗姆的代表性颜色传感器的简要结构】

        下面比较了传感器在有无这些滤光片时的分光特性。

        【RGB分光特性示意图】

        颜色传感器IC通过为内部传感器配备R、G、B各种颜色的滤光片，具备了较高的RGB分光特性，而且通过配备红外截止滤光片，具备了红外线去除特性，能高精度识别颜色。

    十一、从台积电到芯片诞生过程

    终于等来一个不加班的周六。夜已深，结束了一天叽叽喳喳的喧嚣和鸡飞狗跳的日程安排，终于是可以安静下来了。

    1 绪论

        今天我们讲讲芯片的流片制造那些事儿。这个流程的输入是设计的版图文件，输出是做好的芯片晶圆。

        这是芯片的第四个流程。这块儿，我国65nm这个量级的做的还可以，14nm应该SMIC也凑活，先进制程7乃至5nm的商业化基本是空白。属于真正被大洋彼岸卡脖子的部分。这篇文章科普一下整个制造流程。技术部分应该比较少，所以我们讲点儿故事。管中窥豹，我们的故事不妨从台积电展开。

    2 台积电的过往

        我们说芯片代工厂，你第一个想到的是什么？我想做芯片的大部分人可能脱口而出就一个——台积电（TSMC），全称是某省积体电路制造股份有限公司。积体电路就是集成电路的一种叫法，类似于把菠萝叫凤梨。中国人似乎讲究周期。台积电基本上恰好10年一个周期。

    台积电的第一个十年——蹒跚起步

        85年，德州仪器的一个哥们回岛了。他属于最早进入这个邻域的一批人，在德州仪器属于三号人物。在岛内混了几年，1987年，55岁的他决定搞个厂糊口（同年，深圳一个43岁的哥们也准备搞个厂糊口，你应当听说过）。这家厂子一开始就给自己定位成代工厂，不做设计，只负责制造。和大部分创业公司一样，台积电的前三年也经历了好多庙小妖风大的挫折，不过好歹，张忠谋在美帝有些人脉，1990年，英特尔CEO正想着怎么把公司中心从存储转到CPU上，经过张忠谋这么一忽悠，单子可不就来了么。英特尔老大哥帮台积电实现了第一次飞跃。

    台积电的第二个十年——发展壮大

        转眼，1997年，台积电已经成立10年了。一家公司，要是能活10年，确实有点东西的，遭到山寨也在所难免。这个时候另一个德州仪器的哥们叫张汝京的，回岛山寨了一个台积电出来，叫世大半导体。三年达到台积电30%产能。台积电一气之下就发动钞能力说动世大的股东把世大给买了。张汝京跑路到上海，建了另一个厂，叫SMIC，这是后话。这个阶段台积电过的有滋有味，不过和英特尔比它始终是个弟弟。全球最好的制程都在英特尔手中。

    台积电的第三个十年——走向风口

        日月如梭，2007年，一个穿着黑T恤和牛仔裤的哥们从裤兜里掏出一个手机。消费电子的时代到来了。台积电赶上了手机这波热潮。手机讲究一代手机，一代芯片。制程跟不上哪行，至此除了三星和英特人，其他家都选择了台积电的代工厂模式。2014年，张忠谋搞个了夜莺计划，从此，代工厂三班倒的时代到来了。这个时候英特尔不再那么遥远，慢慢超越了。

    台积电的第四个十年——对抗 or 合作？

        2017年，一个叫梁孟松的人回国加入了SMIC，隐约记得一个以前在中芯国际的哥们说，当年中芯国际为了请他来，把一层楼给他做办公室。他是台积电元老，09年离开台积电。去了三星，然后三星就越来越长的像台积电，在14nm工艺上甚至摆了TSMC一道。台积电一纸诉状让梁孟松离开了三星，结果2017年，他到了SMIC。虽然2020年蒋尚义归来，梁准备离开，但反映出的一个趋势值得我们注意。大陆不愿意在这个事儿上被卡脖子了。有人这么说过，中国其实是一个伪装成国家的文明，除非你有本事直接卡断脖子，否则非常容易集中力量办大事，给你甩出一个京东方出来。台积电后续怎么发展，我们拭目以待2027年。

    3 芯片的制造流程

        我们扯了一堆台积电，那么台积电到底怎么用沙子把版图造成芯片的？这个流程的图我是从intel 《From Sand to Silicon》这篇文章里贴的。

    step1, 挖沙子，然后做成硅锭

        其中，硅要足够的纯，要9个9,99.9999999%纯度。我们为什么要用SI做芯片？也简单，硅是半导体，能做开关，世界上沙子也多，还容易提纯，与是就决定是它了。

    step2, 硅锭切成硅片

        将硅锭切成1mm左右一片片的wafer（晶圆）。晶圆尺寸有大有小，比如8inch, 12inch的晶圆，光刻的时候直接刻整个圆，然后切下来好多小芯片。

        硅片切好以后，需要在上面氧化一层二氧化硅，用来做栅极。我们来看看下面的剖面图，红色的就是二氧化硅。

    step3, 光刻

        这个步骤首先在硅片上抹上一层光刻胶，一般来讲光一照，光刻胶就溶解（正胶）。然后用做好的掩模mask来照射wafer。

        我们看上面这个剖面图，黄色的就是我们加入的光刻胶。黑色是我们根据版图制作出来的模板。然后用UV光去照，把光刻胶镂空。

    step4, 刻蚀与粒子注入

        这个步骤，我们用药水把oxide刻蚀了，然后把光刻胶洗掉，最后注入离子。

        我们看剖面图。f就是刻好的oxide. 然后在洞里注入离子，形成源极和漏极。至此我们的晶体管就造好了。

        此处要插播一个小知识。我们平时说的工艺制程，比如28nm, 14nm指的是晶体管栅极宽度，也就是导电沟道的长度，不是指的线宽，最小线宽一般比制程要粗了现在。我在图上标注了65nm指的是什么。

        在GDS版图上是这个距离，下面画了个非门的版图。

    step5 金属线制作

        这个步骤主要是上硅片上连上金属线。这个过程我们依旧看下面的剖面图比较清楚。

        看b图，首先在上面电镀一层金属，c图用光刻胶和掩膜版再刻蚀一遍得到d图，然后一层一层刻蚀叠加起来就行，层与层之间只有固定的通孔via用于连接。

    step6 硅片测试与切片

        接下来代工厂还要做几个事儿。

        第一件事儿是先检查一下晶圆和芯片是不是好的。主要包含了两个测试。

        WAT （Wafer Acceptance Test）, 这个主要是测试一下晶圆的电学特性是不是正常的。WAT测试电路代工厂在流片的时候就直接加入到晶圆里了，主要包括了各种晶体管参数比如阈值电压，漏电流，电阻，电容是不是正常的。WAT的测试向量是代工厂自己搞的。

        CP(Chip Probing）测试。WAT测试没问题以后，接下来进行CP测试，先用探针看看芯片是不是好的，有问题的芯片直接扔掉，免得浪费封装成本。一般会用到前面讲的DFT三把斧，sacn chain, JTAG, BIST。CP测试向量由设计商提供。如果CP不合格，直接标记出来，扔掉。

        CP测试完了以后，就把芯片按照划片槽切成一个个小的芯片，装盒。寄出来了。

    4 总结

        这篇文章我们一起回忆了一下台积电的往事，同时对芯片在代工厂的流程做了大概的讲解。实际上芯片的制作的工艺流程要复杂非常多，比如现在制程越来越小，光刻的时候量子隧穿效应非常严重，做出来模板肯定不是你想想的镂空的窗花，这里只是讲了最重要最基础的步骤。这篇文章的输入是设计的GDS, 输出是一个个芯片裸片。这些裸片没办法直接接到PCB上的，需要经过后续的封装和测试，才算是真正的芯片。

    我自己的原文哦~     https://blog.51cto/whaosoft/13635946

    一、PWM波

    PWM有着非常广泛的应用，比如直流电机的无极调速，开关电源、逆变器等等，个人认为，要充分理解或掌握模拟电路、且有所突破，很有必要吃透这三个知识点

    • PWM
    • 电感
    • 纹波

    PWM是一种技术手段，PWM波是在这种技术手段控制下的脉冲波，如果你不理解是把握不住PWM波的！

    如图1所示，这种比喻很形象也很恰当，希望对学习的朋友有所帮助与启发。

    图1：形象的比喻

    PWM全称Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制（简称脉宽调制，通俗的讲就是调节脉冲的宽度），是电子电力应用中非常重要的一种控制技术，在理解TA之前我们先来了解几个概念 。

    脉冲波的基本信息如图2所示：

    图2：脉冲波的基本信息

    • 脉冲周期T：单位是时间，比如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等；
    • 脉冲频率f：单位是赫兹Hz、千赫兹kHz等，与脉冲周期成倒数关系，即f=1/T；
    • 脉冲宽度W：简称脉宽，是脉冲高电平持续的时间，单位是时间，比如纳秒ns、微秒μs、毫秒ms等；
    • 占空比D：脉宽除以脉冲周期得到的值，百分数表示，比如50%，也常有小数或分数表示的，比如0.5或1/2。

    以上之间的关系如图3所列的公式：

    图3：公式

    工程应用中的PWM波是幅值、周期（或频率）不变，脉宽（或占空比）可调的脉冲波，接下来我们来认清该PWM波到底是什么，TA隐藏着什么思想？

    当我们想要控制一个直流电机的转速，我们可以通过改变其两端电压即可，但是该种方法有很大的局限性，可调直流电源构造复杂、成本高昂，应用起来很不现实。

    所以我们采用另外的控制方式：电压源→驱动器→直流电机，电压源提供直流电压，不同的驱动器控制不同的直流电机，应用非常灵活，其中驱动器对电机的调速控制就是利用PWM:​​STM32通过PWM控制电机速度​​。

    可调直流电源控制与PWM控制都是能调速的，那么它们有什么相同之处呢？

    如图4—图7，电机为某相同转速时，红色代表驱动器输出幅值不变的PWM波，蓝色代表可调直流电源输出的电压，两者都是直接作用到负载。

    图4

    图5

    图6

    图7

    由以上得知：

    当PWM波的占空比越大时，所对应的直流电压与PWM波的幅值越接近；反之与0V越接近。

    周期的红色PWM波脉宽下的矩形面积之和与蓝色直流电压的面积相等，即伏秒积相等：

    U红(幅值) × ton = U蓝 × T

    两端同时除以T，得到如下关系式：

    U红(幅值) × 占空比 = U蓝

    例如当PWM波的幅值为24V，占空比为50%时，与直流电压12V作用到电机上所产生的效果是一模一样的，即速度相同，即24V×50%=12V。

    另外，既然满足这个关系，那PWM波的频率是不是可以随意了，答案当然不是，频率太低会导致电机运转不畅，振动大，噪音大；频率太高会导致驱动器开关损耗较大，甚至有电机会啸叫而不转的情况。

    一般1k~30k的PWM频率较为普遍，几百Hz的也有，实际上还是根据电机功率在测试时确定合适的PWM频率范围为宜。

    如图8为实物测试，脉宽在变化，周期不变的PWM波，所加负载如图9所示。

    图8：扭动旋钮控制脉宽变化

    如图9为实物测试，有刷直流电机的PWM无极调速，其中LED是并联在电机输入端的，其亮度反映电机速度的变化。

    图9：PWM控制电机调速

    要点：

    • PWM波其实就是一种脉宽可连续调节的矩形脉冲波；
    • 占空比其实就是描述脉宽与脉冲周期的比值，是量化值，便于分析研究，当我们用占空比来表达时，对脉宽就不那么关心了；
    • 占空比调节就是脉宽调节，表达不一样，但本质是一样的；
    • PWM波满足伏秒积计算：U红(幅值) × 占空比 = U蓝，作用效果与直流电压一样。

    二、LDO性能参数

    LDO是用于电压调节的最老和最常用器件，几乎任何一个电路设计中，都可能会使用LDO（低压差线性稳压器）这个器件。虽然LDO稳压器通常是任何给定系统中成本最低的元件之一，但从成本/效益角度来说，它往往是最有价值的元件之一。

    对大多数应用来说，产品Datasheet中的基本参数规格通常都清晰明了。但遗憾的是，Datasheet并不会列出针对每种可能的电路条件的参数，许多主要性能参数并未得到人们的充分理解或至少未被最大限度地加以利用。因此，为了充分发挥LDO优势，工程师必须深入理解关键性能参数及其对特定负载的影响。

    本文将从LDO概念到系统，探讨LDO的主要性能参数及其在为电子系统中的不同器件提供干净输出电压方面的作用。此外，还将讨论在系统优化过程中，设计工程师需考虑的重要因素。

    第一部分：PMOS和NMOS两种主流架构

    低压差稳压器（LDO）是一种广泛应用的稳压解决方案，能够在输入输出电压差较小的条件下将较高的输入电压转化为稳定的低电压输出。作为一种线性稳压器，LDO通过调节通道晶体管实现电压降的优化，类似于自动调节阻值的电子控制可变电阻，以确保在特定输出电流下稳定的输出电压。

    LDO提供了一种简单且高效的稳压方式，可在提供恒定负载电流的情况下生成稳固的输出电压。其设计结构对外部元件的依赖性很低，有助于降低系统复杂性与物料成本。

    典型LDO结构仅需少量外部组件，通常包括用于输入解耦的电容与稳定输出的电容，而在某些拓扑结构下，还可加入保护二极管，以应对反向电压情况。这种简洁、高效的设计使LDO成为多种应用中稳定电压供应的理想选择。总结起来，LDO包含四个基本功能元件：

    • 参考电压源Reference Voltage Source：提供稳定的参考电压，用于与输出电压进行比较；
    • 反馈网络Feedback Network：从输出电压取样并反馈到误差放大器
    • 误差放大器Error Amplifier：比较输出电压与参考电压，并根据差值调节控制元件。
    • 控制元件Control Element：通常是一个功率晶体管（如MOSFET或BJT），调节输入电压，以维持稳定的输出电压。目前主流的有PMOS和NMOS两种。

    LDO 稳压器设计通常包含四种不同的通路元件：基于NPN型晶体管的稳压器、基于PNP 型晶体管的稳压器、基于N通道MOSFET的稳压器和基于P通道MOSFET的稳压器。虽然说NPN、PNP晶体管型稳压器压差比MOSFET型更高，但是MOSFET静态电流（Iq）明显低于晶体管稳压器。

    所以，综上，PMOS和NMOS两种LDO是现如今的主流。

    LDO通常易于设计和使用，但在现代应用中，系统往往包含多个模拟和数字模块，因此选择适合的LDO需要根据系统特性和工作条件综合考量。

    第二部分：LDO主要性能参数

    其实看清楚LDO的本质，可以用一个比喻来理解：想象一只鸭子穿越池塘，水面上看似平静无波，然而水下的双脚却在不停地用力划动。鸭子越用力，越快耗尽体力，不得不停下。电子电路也类似，当稳压器更费力地维持稳定电压时，能耗也随之增加。因此，关键在于选择一种能高效利用电力、保持稳定的稳压器，确保性能始终如一。

    判别LDO性能的参数很多，想要用好LDO，必须清晰每个性能参数的意思。

    压差

    压差是指在输入电压进一步下降，导致LDO不再能进行调节时的输入至输出电压的差值。在此压差条件下，通路元件工作于线性区，类似于一个电阻，其阻值等于漏极到源极的导通电阻RDS（ON）。如今LDO稳压器通常使用PMOS或NMOS FET作为通路元件，依据负载条件，可实现30mV～500mV压差。压差公式为：

    其中，RDS（ON）包含通路元件的电阻、片内互连电阻、引脚电阻和线焊电阻，并可通过LDO 的压差估算。在压差模式下，可变电阻接近零，LDO无法调节输出电压，输入电压及负载调整率、精度、PSRR 和噪声等参数也不再具备意义。

    早期的LDO设计提供大约1.3 V的压差，这意味着对于5 V的输入电压，器件进行调节可实现的最大输出仅为3.7 V左右。然而，在当今更复杂的设计技术和晶圆制造工艺条件下，'低'大致定义为<100mV到300mV左右。

    裕量电压

    裕量电压是LDO满足其规格要求所需的输入与输出电压差，通常约为400 mV～500 mV，但某些LDO可能需要高达1.5 V的裕量电压。数据手册通常将裕量电压作为指定其他参数的条件。需要注意的是，裕量电压不应与压差混淆，只有在LDO处于压差模式时，这两者才会相等。

    静态电流

    静态电流（Iq）是模拟比较常见的一个概念，顾名思义，它指的是是系统处于待机模式且在轻载或空载条件下所消耗的电流。静态电流适用于大多数集成电路 (IC) 设计，其中放大器、升降压转换器和低压降稳压器 (LDO) 都会影响消耗的静态电流量。当LDO完全运行时，采用以下公式进行计算：

    静态电流看似好像费不了多少电，但对于智能手表或者手机等长期处在待机模式的产品来说，LDO静态电流越小，电池寿命越长。同时，要优化LDO的效率，需尽量降低静态电流以及输入与输出电压的差值。由于输入与输出电压差直接影响效率和功耗，通常选择最低的压差。

    接地电流

    接地电流 (IGND) 是输入电流与输出电流之差，包含静态电流。低接地电流可以最大化 提高LDO的效率。

    对于高性能CMOS LDO，接地电流通常不到负载电流的1%。随着负载电流增加，接地电流也会增大，因为PMOS调节元件的栅极驱动需增强以补偿RON引起的压降。在压差区域内，当驱动级进入饱和时，接地电流也随之增加。对于需要低功耗或小偏置电流的应用，CMOS LDO是理想选择。

    关断电流

    关断电流指输出禁用时LDO 消耗的输入电流。参考电路和误差放大器在关断模式下都不上电。较高的漏电流会导致关断电流随温度升高而增加。

    效率

    LDO 的效率由接地电流和输入/输出电压确定。若需获得较高的效率，必须最大程度地降低裕量电压和接地电流。此外，还必须最大程度缩小输入和输出之间的电压差。输入至输出电压差是确定效率的内在因素，与负载条件无关。例如，采5 V电源供电时，3.3 V LDO的效率从不会超过66%，但当输入电压降至3.6 V时，其效率将增加到最高91.7%。

    噪声

    LDO为电子器件，所以一定会产生噪声。可以使用两个方法查看这些噪声：跨频率查看噪声和查看积分值形式的噪声。要生成不会影响系统性能的干净电源轨，选择低噪声LDO并采取降噪措施非常重要。由于闭环传递函数对抑制参考电压噪声效果有限，多数低噪声LDO需要额外的滤波器来阻挡噪声进入闭环。

    除了选择具有低噪声特性的LDO，还可以应用一些技术来确保LDO 具有最低的噪声特性。这些技术涉及到降噪电容器和前馈电容器的使用，或者通过额外的引脚和小电容器来优化输出噪声和PSRR性能，滤除带隙上的噪声。

    电源抑制比(PSRR)

    PSRR是常见的技术参数，它规定了特定频率的交流元件从LDO输入衰减到输出的

    程度。对LDO来说，100 kHz～1 MHz范围内的电源抑制非常重要。

    电源抑制比 (PSRR) 时常被误认为是单个静态值，但事实并非如此。频率、负载电流、LDO 裕量（输入到输出电压差）、输出电容、输入电压、温度、LDO架构设计、反馈网络和补偿都会影响到PSRR。对于实际应用来说，仅靠调整VIN - VOUT 和输出电容，就可以提高特定应用的PSRR，但影响PSRR的因素并不仅限于这两项，还包括以下参数：

    比较LDO的PSRR时，应确保在相同测试条件下进行，特别是考虑裕量电压和负载电流的影响。此外，PSRR应涵盖不同频率，并提供典型的工作性能曲线。输出电容对高频PSRR 有影响，较小电容的阻抗较大电容高，因此比较PSRR时，电容的类型和值必须一致，才能确保有效比较。

    线性调整率

    线性调整率是指在给定输入电压变化下的输出电压变化。由于线性调整率还取决于通路元件的性能和闭环 DC 增益，在考虑线性调整率时常常不包括压差操作。因此，线性调整率的最小输入电压必须高于压差。

    负载调整率

    负载调整率是指在给定负载变化下的输出电压变化，这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率体现了通路元件的性能和稳压器的闭环DC增益。闭环DC增益越高，负载调整率越好。

    瞬态响应

    LDO 广泛应用于对负载调节要求较高的领域，如数字IC、DSP、FPGA和CPU等，这些应用需要LDO快速响应，以保持电压稳定。瞬态响应是LDO的关键性能参数，包含负载瞬态响应和线路瞬态响应。

    负载瞬态响应是指负载电流变化时输出电压的变化，受输出电容、ESR、LDO控制环路带宽和负载电流变化速率的影响。变化速率较慢时，LDO可跟踪变化，但过快时可能导致异常行为，如过大振铃。

    线路瞬态响应是指输入电压变化时输出电压的变化，受LDO控制环路带宽和输入电压变化速率的影响。输入电压变化缓慢时，可能隐藏振铃或异常行为。

    瞬态响应主要取决于闭环传递函数的带宽，为了优化响应，闭环带宽应尽可能高，同时保持足够的相位余量确保系统稳定性。

    以上参数在实际应用中都非常重要，不过，如果想要评估一款高性能LDO芯片主要有3个标准：一是电源对噪声的抑制比，二是LDO自身输出噪声及对负载变化的瞬态相应能力，三是在高精密传感器应用中，温度漂移是否足够小。

    第三部分：厂商的产品情况

    知道以上参数以后，我们就可以从厂商实际产品中进一步消化这些参数，毕竟厂商宣传的参数肯定是最关键的那几个。

    虽然LDO不是什么高性能的IC，但LDO芯片市场竞争异常激烈。主要厂商包括TI、ADI、ST、ONsemi、Infineon、Microchip、Diodes、Rhom等。

    TI的LDO产品非常丰富，可以帮助应对几乎所有的稳压器设计挑战，为敏感的模拟系统供电到延长电池寿命。解决方案包括业界首款智能AC/DC线性稳压器，以及低噪声、宽输入电压范围（VIN）、小封装尺寸和低静态电流 (Iq) 等多种功能，整体特点是低噪声、低Iq、高功率密度。TI的分类方法是电压范围，除了低噪声、低Iq、小型化等，TI还单门将汽车分为一类。

    ST的LDO主要分为三个系列：高PSRR LDO稳压器、低 Iq LDO 稳压器、超低压差 LDO 稳压器。其产品特性为低压差、低静态电流（低 IQ）、快速瞬态响应、低噪音、良好的纹波抑制。

    英飞凌提供多种类型的线性稳压器 （LDO），包括高精度电压器跟随器、可变线性稳压器、超低静态电流稳压器 (LDO) 和高性能稳压器。与开关电源不同，低静态电流稳压器不能与降压或升压转换器一起使用。降压和升压转换器能够分别对电压 “降压” 或 “升压” 电压。它们不能与线性稳压器配合使用，因为输入电压必须始终大于输出电压。

    瑞萨是低压差稳压器 (LDO) 主要供应商，提供配备世界顶尖单 LDO、双 LDO 的低功耗手持应用，具有高达 3MHz 的超高 PSRR、低输入电压范围、紧凑封装，以及超低噪音和静态电流等特点。瑞萨电子的高电流 LDO 最高支持 3A 电流，拥有业内领先的快速负载瞬态响应、全负载和全结温最密集电压输出精度和同级最低遗失电压。此外，瑞萨电子的低成本线性稳压器还可从电信和数据通信中常用的中间配电电压产生低压偏置电源。这类器件可用作启动或连续低功耗稳压器。

    ADI制造各种各样的高性能低压降 (LDO) 线性稳压器。这些 LDO 线性稳压器提供极低压差、快速瞬态响应和出色的线路和负载调整，并具有在有线/无线和音频系统、FPGA/DSP/µC 电源以及 RF 和仪器仪表领域的最终应用中增加性能价值的功能。我们各式俱全的 LDO 线性稳压器具有各种各样的杰出特性，可满足任何设计中需求，无论是需要低噪声、高 PSRR 还是紧凑封装。

    最近几年，也诞生了越来越多的精品国产LDO。比如，纳芯微、思瑞浦、矽力杰、力芯微电子、蓝箭电子、立锜科技、特瑞士、友台半导体、思旺电子等。

    参考文献

    [1]TI：​​https://www.ti/cn/lit/wp/zhcy093/zhcy093.pdf?ts=1730769075203​​

    [2]Renasas：​​https://www.renesas/zh/document/whp/understanding-linear-regulators-and-their-key-performance-parameters?r=481466​​

    [3]Mouser：​​https://www.mouser/pdfdocs/ADI_LDO_General_Presentation_2018Apr1.pdf​​

    [4]ADI：​​https://www.analog/cn/resources/analog-dialogue/articles/understand-ldo-concepts.html​​

    [5]纳芯微：​​https://www.novosns/Public/Uploads/uploadfile/files/20241011/naxinweichezaiLDOyizhanshijiejuefanganshouce_final_20241010-541.pdf​​

    三、拆解华硕的千兆路由器

    路由器“CPU”非常高端

    外观介绍

    今天在表舅这边垃圾桶捡了一个路由器，看着天线都断了，旁边还有一个新的华硕路由器盒子，很大的那种，型号没看清，不过盒子里有各个国家的电源线，应该是主人拿到新的把旧的扔了。电源线给表舅了，这个旧的路由器我拆了。

    想当年，我朋友也曾经买过类似的产品，印象中这款产品非常稳定，除了人为断电断网，印象里没断过网。但就是有点小缺陷，就是这玩意儿发热量真大呀，不能说烫手，反正接近烫手边缘了。今天就拆开它看看，到底为什么会这么烫手。（原文链接：https://www.eeworld/ajn5ez9）

    路由器应该有年限了，后壳塑料都有一些老化状态，可能是靠近窗户，被太阳晒的吧。

    先看外观，型号是华硕AC1900，后面标签数据简单看看，电源直流19V1.75A，中国制造，设置有4个按键，abcd，A键可以设置与其他无线设备的WiFi链接，B键是重置按键，C键是WiFi开关，D键是LED的开关。

    后面还有图片搭配，简单易懂。

    再就是一些各种标准。不知道那个ID是不是2013的生产日期。

    再来看顶部，一共三根天线。还不是那种一体式的，是可以旋转拧下来的。后面散热区域，老化更严重。

    再看看接口处，左侧有复位按键，开机键，底部电源输入，19v的电源，普通路由器记得9-12V就够了，往右一个2.0接口，一个3.0接口，可以用来链接硬盘，用户端可以直接读取硬盘信息资料，类似NAS。往右一个网线接口，中间的是LED开关，可能开启后，底部ASUS的亚克力会有灯光切换。

    右边只有四个接口，用于接用户端。

    正面比较简洁，右上角的LOGO，还有型号1900，支持802.11ac。底部共有10颗指示灯。用来显示当前状态。

    拆解外壳

    不用螺丝刀，完全不用，直接徒手就可以拆了。慢慢往下掰，可以看到螺丝固定的位置也是老化严重，直接就拿下来。

    首先看到的是一块大铝合金散热。

    侧边的两颗按键，WPS与WiFi开关。

    后面几乎全部掰完，整块板子漏出来。还有底座没取下来。

    底座也是轻松取下来，果然三颗LED，直接照亮那个透明的ASUS标志。

    正面的面板，没有啥东西，只有一个指示灯的透明件。

    主板欣赏

    再来研究下主板，这是背面，芯片也在背面。各种元件大部分都在背面。

    正面元件比较少。虚线圈起来的，应该是个屏蔽罩，里面缺少了一颗芯片，还标注了U11/U12，底部缺少几个电阻。左侧的U8也缺少，是不是还有高配版本的？底部的led指示灯都发黑了。常亮的应该是右边三个，电源2.4/5G跟左数第5颗互联网，正常情况下这几个都是常亮或者闪烁状态。所以其他的使用的少。看着像正常的。散热片的底部，在拆解后没有任何元件，只是辅助背面芯片散热，上方的屏蔽罩由三颗螺丝固定，可减少天线与主板的相互干扰。

    先来看看第一颗芯片，U13，品牌是Spansion飞索半导体，该公司在2014年由赛普拉斯CYPRESS收购，而赛普拉斯在2019年被英飞凌Infineon收购，所以现在查看的芯片丝印S34ML01G100TF100，数据会显示英飞凌。

    该芯片是一颗嵌入式系统存储器，一颗高可靠性SLC NAND闪存颗粒。

    该闪存的引脚图。

    这颗U17是一颗1.5A 可调/固定低压差线性稳压器，品牌UTC友顺。

    U1丝印IT7663M是一颗高效同步整流降压DC转换器。

    U2也是一颗IT7663M。

    背面接口，一个HN18101CG网络变压器，USB3.0与USB2.0接口，电源与开关。

    中间位置的三颗LED.U3与U4都是IT7663M。U5则是IT7803M，都是高效低压DC转换器。

    网口的两颗变压器，1434与1444，旁边一颗U7。

    拆下散热片，漏出两块屏蔽罩，并且屏蔽罩上方芯片对应位置有散热片。更加有利于散热。

    取下右边的屏蔽罩，里面一共两颗芯片。U9与U10。

    U10是一颗三星的K4B2G1646Q，是一颗2Gb DDR3L闪存颗粒。

    U9是博通BROADCOM，丝印BCM4708一颗网络加速硬件通信处理器，该设备的中心是一个高性能的1GHz ARM CortexTM -A9双核，具有32kb四路集关联指令缓存，和128个条目的翻译后备缓存区(TLB).增强的CPU内存子系统架构提供了更高的系统性能。该设备采用了40纳米技术。

    左边屏蔽罩拆下来，两颗芯片U24与23，两颗都是博通的BCM4360，该芯片是一颗5GwiFi8002.11ac千兆收发器，路由器的整个网络部分就是使用博通的方案，两颗芯片分别管理2.5G与5G的WiFi。

    U23，PHY速率性能是三流802.11n设备的3倍以上

    •双频操作与不建议用于新设计802.11n网络兼容。80 MHz带宽比当前802.11n宽2倍。256-QAM是一种更高的调制方案，可提高数据传输效率

    •符合802.11ac的发射和接收波束成形，可扩展802.11ac的覆盖范围，不建议用于新型设计设备。低密度奇偶校验（LDPC）码可在一定范围内提高速率

    •PCI Express 2.0主机接口

    •增强的蓝牙共存接口支持无缝BT+5G WiFi操作解决方案。

    射频部分，5023L是一款5GHz功率放大器，为无线局域网应用提供高线性功率。SE5023L为简化设计提供了高度集成，缩短了上市时间，提高了应用板的生产良率。该设备集成了所有匹配元件、温度补偿、负载不敏感的功率检测器，具有15dB的动态范围和3.8GHz的otch滤波器。对于无线局域网应用，该设备满足IEEE802.11ac和802.11n的要求，并在5V下提供约24dBm的802.1lac输出功率或26dBm的802.11n输出功率。

    2.5G部分，与5G部分几乎一样，右边部分是供电部分。

    总结

    最后总结一下，该路由器型号1900Mbps（2.4GHz频段600Mbps，5GHz频段1300Mbps），处理器BCM4708，内存为256M闪存与2GB内存，网络接口1个千兆wan口，4个LAN千兆口。天线3根5dBi外置天线。上市时间为2013年6月4日发布，当时的首发价约200美元，目前在某宝仍有在售，价格大概不到200，海鲜市场大概在100左右。OK！本次拆解就到这

    四、从UALink近期发展再看GPU Scale Up的互连方向

    GPU的Scale Up互连成为炙手可热的话题，在2024年涌现了众多相关的行业讨论。站在阿里云的视角，什么样的技术以及生态才能满足云上智算集群的发展？为什么采用全新的Scale Up设计而不复用当前的以太网和RDMA技术呢？本文借着行业内的一些事件，对GPU超节点的Scale up互连的技术方向观点进行分享。          

    在GPU算力架构发展的历程和趋势中，我们意识到大模型的训练推理对显存容量以及带宽有不断增长的诉求，传统的GPU单机8卡方案已经不能满足业务发展的需要，更多卡组成超节点并具备大容量显存和低延的共享的解决方案才能满足大模型的需求。阿里云对行业技术方向进行评估后，于今年9月份发布了Alink Sytem开放生态和AI Infra 2.0服务器系统，其中底层互连协议部分兼容国际开放标准UALink协议。          

    10月29日，UALink联盟正式发布，并开启新成员邀请，发起成员包括AMD、AWS、Astera Labs、Cisco、Google、HPE、Intel、Meta 和Microsoft。其中相对于5月份的首次披露的成员，博通消失了，取而代之的是AWS和Astera Labs。其中AWS的加入引人遐想，因为AWS一向低调，很少参与协议组织。这次AWS躬身入局UALink联盟也展示了其对于GPU Scale Up互连需求的思考，以及对于UALink原生支持GPU互连这个技术方向的认同。下面，我们对于Scale up方向的思考做一些展开论述。

    智算集群的互连架构

    当前智算集群内，围绕着GPU存在三大互连，分别是业务网络互连、Scale Out网络互连、Scale Up网络互连，它们分别承载了不同的职责：跨业务、集群内、超级点GPU之间连通性。随着AI应用的爆发，推理的GPU规模最终会大大超过训练，由于推理服务同时追求业务请求的低延迟和高吞吐，Scale Up互连技术对于智算超节点意义重大，Scale Up主要是面向大模型推理服务以及兼顾训练。

    ——业务网络互连：承载的是诸如需要计算的输入数据，输出结果，以及在各类存储系统中的模型参数、checkpoint等。需要进行极大范围的互连，并且和云上的存储、业务接口等互通，采用以太网技术，通常支持各类RDMA。       

    ——Scale Out网络互连：训练的DP、PP并行计算切分流程，通常要把集群横向扩展到超多的GPU机柜，当前的训练规模已经发展到10w卡，目前国际的标准趋势是，采用专门优化的以太网技术UEC（Ultra Ethernet Consortium）协议。

    ——Scale Up网络互连：以推理的大显存并行计算流量和训练的张量并行（TP）以及专家并行（MoE）流量为主，有在网计算的需求（可以对All reduce在Switch节点上进行加速）。互连规模在未来很多年内都会维持在单柜72～80个GPU，从模型大小和推理需求的发展来看，当前规划能满足很长一段时间的需求。

    超节点内部Scale Up互连：注定和设备深度绑定的协议

    如何定义一个超节点的边界？这个边界就是网卡。超节点外的以太网是面向连接的设计，实现大面积的连通，超节点内的是面向计算的设计，实现的是部件间的协同。   

    超节点内通过部件之间深度的耦合，实现了高效协同（包括效率、编程习惯等），这个耦合带来了性能（如带宽、延迟等），特性（内存共享、设备中断等）的需求，在过去很长一段时间内的典型技术是PCIe，它很好的解决了以CPU为中心的互连问题，几乎全部的服务器设备都是PCIe接口的。        

    当数据中心主要计算类型发生变化的时候，新的挑战出现了，围绕GPU为中心的计算带来了新的挑战：

    ——面向GPU的语义支持：GPU是超众核架构，其在线程调度机制，以及核心的利用率考量上和CPU有着显著的区别。CPU的外设交互模式及RDMA交互模式等，无法有效的满足GPU的访存特性和性能要求。和这个使用模式比较类似的是CXL（Compute Express Link，通用计算的内存扩展技术）的使用方式，但CXL在此场景下也存在局限性，比如大量内存一致性特性支持的开销，以及前向兼容PCIe所有协议栈带来的大量冗余特性。

    ——超高性能诉求：Scale Up相对于Scale Out和业务网络需要更高一个数量级(10倍以上)的带宽。由于GPU算力的狂飙，在当前的算力水平下，Blackwell这一代配置了双向共1.8T的算力，这意味着即使采用224g的phy，单芯片也需要双向共72个serdes差分对，整机柜需要数千根。。如果采用类似网卡的外置控制器方案，在功耗，延迟、稳定性等等都具有极大的劣势。Scale Up互连采用GPU直出，将所有的控制器植入GPU内部是不可避免的选择。          

    为什么采用全新的Scale Up协议而不复用已有的协议?

    Scale UP互连是用于GPU和GPU 互连，是做更大芯片扩展的服务器，是内存和显存共享访问的语义，特点是极低延迟和大带宽，规模在柜内，可扩展为多柜到百芯片级（只是一种能力保留，但是未来很多年都看不到应用），是独立Fabric连接，完全不同于以太网。

    Scale Out互连是用于服务器之间是基于网卡+交换机的集群互连，是以太网协议，规模在万级以上，普适的互连。              

    国际的主流厂商，尤其是云计算为代表的应用厂商都积极加入UALink，代表了一个广泛的观点，对于Scale Up，是有价值也有必要从底层协议到系统硬件进行重新设计的，目前业界主流的GPU芯片厂家都会考虑Scale Up采用独立的Link技术，不会和Scale Out合并设计。

    特性维度

    GPU+AI有着显著的特点，GPU是超多核的编程模型，和擅长通用性的CPU不同，需要使用到大量的内存语义(load/store)访问，同时由于各个GPU之间需要彼此使用HBM的内存，对跨芯片访问带宽和时延有显著的高要求。

    其次Scale Up相对于Scale Out和业务网络需要更高一个数量级(10倍以上)的带宽，同时由于对于延迟的需求，需要采用GPU芯片直出互连的设计，协议的轻量化设计具备极大的价值，意味着可以将宝贵的芯片面积节省给GPU的计算核心、更高的IO集成能力、更低的功耗。          

    互连范围

    Scale Up互连注重的是大模型的应用，从模型需求和互连分层的角度来说，Scale Up的互连域是一个独立高性能低延迟内存共享访问的互连域，单柜规模在72～80个GPU，保留百级的扩展能力（未来很多年都看不到应用），节点访问都是显存访问(load/store)，性能和延迟的第一要素，完全不需要采用过于复杂的协议，这个是Scale Out的以太网完全做不到的，如果以太网可以做到，其实就已经简化到和Scale Up一样了，也就不是以太网了，脱离了以太网大规模普适的根本。             

    当前行业共识和UALink协议联盟

    业界发展最早和最成熟的是NVDIA的NVLink技术，然而NVLink并不是开放生态，鉴于此，各家主要厂商或形成了闭环的自有协议方案（如谷歌TPU的OCS+ICI架构及AWS的NeuronLink）。当前行业中实际主流的，都采用的是自有技术，然而各家的演进成本都很高。

    考虑到针对终态进行设计，以及共同对抗行业垄断的目的，AMD将其迭代多年的Infinity Fabric协议贡献出来，促成UALink联盟的成立，希望在更多行业伙伴的助力下，持续发挥原生为GPU互连场景设计的优势，使其成为行业的开放标准。

    考虑到技术特点和开放生态给云计算公司将带来技术竞争力和供应链等全方位的优势，UALink在发布之后快速得到各家的青睐，尤其是原持有自有协议方案的公司，也积极加入其中。截止11月11日，UALink联盟已有三十余家厂商加入，并在持续扩展中；且涵盖了云计算和应用、硬件、芯片、IP等产业全生态。   

    当前国际业界已经形成共识：在开放协议领域，以UALink为代表的Scale Up协议和UEC为代表的Scale Out协议，共同支持AI集群互连基础协议的演进。       

    阿里的Alink System：原生支持AI场景的Scale Up开放生态

    ALS(Alink System，加速器互连系统)是阿里云目前主导的开放生态，解决Scale Up互连系统的行业发展规范问题。ALS将在系统层面同时支持UALink国际标准并兼容封闭方案。ALS包括ALS-D数据面和ALS-M管控面两个主要组成部分。ALS-D在UALink上补充在网计算加速等特性，并支持Switch组网模式，其主要特点包括：

    ——性能维度，极致优化协议以达到最小的成本实现极致的性能。在协议格式、重传方案等维度的设计上充分考虑工程的性能优化，可对报文以极低的延迟进行解析、转发，从而具备端到端的低时延，并且在实现层面可以节省大量的芯片面积。

    ——组网维度，考虑到并行计算的发展，在新的并行模式(如EP)下需要更强大的点对点通信能力，ALS-D系统定义了基于Switch硬件连接方案，并且支持单层和二层的互连拓扑，提供多至数百/数千节点的互连，可以在各级连接方案中维持1:1的带宽收敛比，实现具备PB级的显存共享，为AI计算的通信操作提供灵活的规模支撑。

    互连的管控运维也是系统设计的重要组成部分，ALS-M的目标是为不同的芯片方案提供标准化的接入方案，符合此规范的设备均可灵活接入应用方系统。无论是对于开放生态（如UALink系统），还是封闭厂商，ALS使用统一的软件接口。同时，ALS-M为云计算等集群管理场景，提供单租、多租等灵活和弹性的配置能力。

    ALink System的目标是，聚焦GPU算力需求、驱动云计算定义的开放生态，形成智算超节点的竞争力。   

    五、嵌入式实用的跟踪调试组件

    1 DWT跟踪组件

     跟踪组件：数据观察点与跟踪(DWT)

    DWT 中有剩余的计数器，它们典型地用于程序代码的“性能速写”（profiling）。通过编程它们，就可以让它们在计数器溢出时发出事件（以跟踪数据包的形式）。​

    最典型地，就是使用 CYCCNT寄存器来测量执行某个任务所花的周期数，这也可以用作时间基准相关的目的（操作系统中统计 CPU使用率可以用到它）。

    2 Cortex-M中的DWT

    在Cortex-M里面有一个外设叫DWT(Data Watchpoint and Trace)，是用于系统调试及跟踪。

    它有一个32位的寄存器叫CYCCNT，它是一个向上的计数器，记录的是内核时钟运行的个数，内核时钟跳动一次，该计数器就加1，精度非常高，如果内核时钟是72M，那精度就是1/72M = 14ns，而程序的运行时间都是微秒级别的，所以14ns的精度是远远够的。

    最长能记录的时间为：59.65s。计算方法为2的32次方/72000000。

    当CYCCNT溢出之后，会清0重新开始向上计数。

    3 使用方法

    要实现延时的功能，总共涉及到三个寄存器：DEMCR 、DWT_CTRL、DWT_CYCCNT，分别用于开启DWT功能、开启CYCCNT及获得系统时钟计数值。

    3.1 DEMCR

    想要使能DWT外设，需要由另外的内核调试寄存器DEMCR的位24控制，写1使能（划重点啦，要考试！！）。DEMCR的地址是0xE000 EDFC

    3.2 关于DWT_CYCCNT

    使能DWT_CYCCNT寄存器之前，先清0。让我们看看DWT_CYCCNT的基地址，从ARM-Cortex-M手册中可以看到其基地址是0xE000 1004，复位默认值是0，而且它的类型是可读可写的，我们往0xE000 1004这个地址写0就将DWT_CYCCNT清0了。

    3.3 关于CYCCNTENA

    CYCCNTENA Enable the CYCCNT counter. If not enabled, the counter does not count and no event is generated for PS sampling or CYCCNTENA. In normal use, the debugger must initialize the CYCCNT counter to 0. 

    它是DWT控制寄存器的第一位，写1使能，则启用CYCCNT计数器，否则CYCCNT计数器将不会工作。

    【https://developer.arm/documentation/ddi0337/e/system-debug/dwt/summary-and-description-of-the-dwt-registers?lang=en】

    4 综上所述

    想要使用DWT的CYCCNT步骤：

    1. 先使能DWT外设，这个由另外内核调试寄存器DEMCR的位24控制，写1使能
    2. 使能CYCCNT寄存器之前，先清0。
    3. 使能CYCCNT寄存器，这个由DWT的CYCCNTENA 控制，也就是DWT控制寄存器的位0控制，写1使能

    寄存器定义：

    //0xE000EDFC DEMCR RW Debug Exception and Monitor Control Register.  
//使能DWT模块的功能位
#define DEMCR           ( *(unsigned int *)0xE000EDFC )  
#define TRCENA          ( 0x01 << 24) // DEMCR的DWT使能位  
  
//0xE0001000 DWT_CTRL RW The Debug Watchpoint and Trace (DWT) unit  
//使能CYCCNT计数器开始计数
#define DWT_CTRL        ( *(unsigned int *)0xE0001000 )  
#define CYCCNTENA       ( 0x01 << 0 ) // DWT的SYCCNT使能位
 
//0xE0001004 DWT_CYCCNT RW Cycle Count register,   
//CYCCNT计数器的内部值(32位无符号)
#define DWT_CYCCNT      ( *(unsigned int *)0xE0001004) //显示或设置处理器的周期计数值
    //0xE000EDFC DEMCR RW Debug Exception and Monitor Control Register.  
//使能DWT模块的功能位
#define DEMCR           ( *(unsigned int *)0xE000EDFC )  
#define TRCENA          ( 0x01 << 24) // DEMCR的DWT使能位  
  
//0xE0001000 DWT_CTRL RW The Debug Watchpoint and Trace (DWT) unit  
//使能CYCCNT计数器开始计数
#define DWT_CTRL        ( *(unsigned int *)0xE0001000 )  
#define CYCCNTENA       ( 0x01 << 0 ) // DWT的SYCCNT使能位
 
//0xE0001004 DWT_CYCCNT RW Cycle Count register,   
//CYCCNT计数器的内部值(32位无符号)
#define DWT_CYCCNT      ( *(unsigned int *)0xE0001004) //显示或设置处理器的周期计数值

    用法示例：

    vvolatile unsigned int *DWT_CYCCNT  ;
volatile unsigned int *DWT_CONTROL ;
volatile unsigned int *SCB_DEMCR   ;
 
void reset_timer(){
    DWT_CYCCNT   = (int *)0xE0001004; //address of the register
    DWT_CONTROL  = (int *)0xE0001000; //address of the register
    SCB_DEMCR    = (int *)0xE000EDFC; //address of the register
    *SCB_DEMCR   = *SCB_DEMCR | 0x01000000;
    *DWT_CYCCNT  = 0; // reset the counter
    *DWT_CONTROL = 0; 
}
 
void start_timer(){
    *DWT_CONTROL = *DWT_CONTROL | 1 ; // enable the counter
}
 
void stop_timer(){
    *DWT_CONTROL = *DWT_CONTROL | 0 ; // disable the counter    
}
 
unsigned int getCycles(){
    return *DWT_CYCCNT;
}
 
main(){
    ....
    reset_timer(); //reset timer
    start_timer(); //start timer
    //Code to profile
    ...
    myFunction();
    ...
    stop_timer(); //stop timer
    numCycles = getCycles(); //read number of cycles 
    ...
}

    示例2：

    #define start_timer()    *((volatile uint32_t*)0xE0001000) = 0x40000001  // Enable CYCCNT register
#define stop_timer()   *((volatile uint32_t*)0xE0001000) = 0x40000000  // Disable CYCCNT register
#define get_timer()   *((volatile uint32_t*)0xE0001004)               // Get value from CYCCNT register
 
/***********
* How to use:
*       uint32_t it1, it2;      // start and stop flag                                            
        start_timer();          // start the timer.
        it1 = get_timer();      // store current cycle-count in a local
        // do something
        it2 = get_timer() - it1;    // Derive the cycle-count difference
        stop_timer();               // If timer is not needed any more, stop
print_int(it2);                 // Display the difference
****/

    示例3：

    #define  DWT_CR      *(uint32_t *)0xE0001000
 
#define  DWT_CYCCNT  *(uint32_t *)0xE0001004
 
#define  DEM_CR      *(uint32_t *)0xE000EDFC
 
#define  DEM_CR_TRCENA                  (1 << 24)
 
#define  DWT_CR_CYCCNTENA                (1 <<  0)
 
/* 初始化时间戳 */
 
void CPU_TS_TmrInit(void)
{
 
        /* 使能DWT外设 */
        DEM_CR |= (uint32_t)DEM_CR_TRCENA;               
 
        /* DWT CYCCNT寄存器计数清0 */
        DWT_CYCCNT = (uint32_t)0u;
       
 
        /* 使能Cortex-M3 DWT CYCCNT寄存器 */
        DWT_CR |= (uint32_t)DWT_CR_CYCCNTENA;
 
}
 
uint32_t OS_TS_GET(void)
{       
 
        return ((uint32_t)DWT_CYCCNT);
 
}

    六、学习嵌入式绕不开的技术点

    嵌入式绕不开各种接口

        比如：uart 、spi、i2c、usb、eth、mipi、edp、can、i2s、hdmi等等。需要了解各接口的使用场景、带宽、机制、时序、工作模式、缺点，时序等等。我相信硬件接口这一块儿就会让很多新手摸不到头脑吧。相关文章：UART、I2C、SPI、TTL、RS232、RS422、RS485、CAN、USB、SD卡、1-WIRE、Ethernet。

    嵌入式绕不开交叉编译工具

        嵌入式一般都需要自己搭建交叉编译工具链，当然MCU类的开发也会有成熟的IDE可供使用。但是对于编译器而言一般都是GCC。对于嵌入式开发人员来说，搭建交叉编译工具链。编译过程分为 ——预编译、编译、汇编、链接。关于编译可以参考此文​ ：​​C语言编译过程​​。通过GCC提供的工具可以使程序完成任一阶段的处理。要清楚各个阶段主要完成了什么工作。链接分为静态链接、动态链接，各自的优缺点及使用场景要知道。同时编译生成ELF格式的文件，要理解ELF文件的格式、必要的时候需要通过objdump或readelf工具来解析ELF文件。

    嵌入式开发绕不开调试

        嵌入式开发的很大一部分时间都在调试，好的调试方法和工具可以更快速的定位问题。学习过程中需要了解的工具：

    • vargrind
    • gdb
    • kdump
    • corddump
    • oops

    嵌入式开发离不开优化

        嵌入式的优化分为两部分，算法上的优化，编程上的优化。其中编程上的优化分为以下技术：

    • 内存使用上的优化-cacheline的使用。cache涉及到cache命中率、cache一致性，write-back，wrte-through等。全局变量问题、常用变量位置问题、互锁问题。
    • 并行优化主要是SIMT或SIMD技术的应用，包括GPU的使用，NEON优化、SSE优化等。其中并行分为任务并行和数据并行，任务并行是多核方面的优势，数据并行是GPU和NEON来解决。
    • 依赖性问题主要是流水线问题，避免数据的依赖性可以高效的使用流水线。至于这部分的优化要借助反汇编，来对比不同写法造成的差异。
    • 很多人对驱动开发有技术情节，越是年轻的工程师越是这样。驱动的开发本质上就是给外设配置参数，使其工作在期望的方式。linux下的驱动开发需要遵从linux的驱动框架，裸机的驱动开发就是直接配置寄存器就可以。linux有一个很好的理念，就是万物皆文件。linux将外设也会抽象成文件，读写外设和读写文件在操作上没有了区别。linux下的设备，分为字符型设备、块设备、网络设备。linux下注册驱动的时候，将设备号和文件名进行了映射，并实现file_operation里的一些函数，例如，write、read、ioctl。其中write、read主要用于读写外设的有用数据。ioctl主要用于配置外设的一些参数，使其工作在不同的模式或状态。
    • 其实嵌入式指的就是嵌入式操作系统，操作系统有很多种。vxworks、ucos、freertos、bios、linux、uclinux、nuttx等等。对于操作系统的选择个人感觉要看实时性、以及生态。生态很重要，这样出现问题的时候，才不至于绝望，感觉不是孤军奋斗。其实操作系统的出现，主要是为了解决任务调度、内存管理。这两方面是操作系统的精髓。感兴趣可以阅读源码。ucos的源码不多，可以从它看起。

    总结

        嵌入式的东西很多，想要整理起来，也是很花费力气的一件事情，有时间我就会慢慢的整理，当然如果对别人有用的话，那就更好。

        目前AI异常火爆，现阶段大家都停留在功能实现上，至于端测的落地，个人感觉还有一小段距离要走。当AI落地的时候，我相信市场上对嵌入式工程师、硬件工程师的需求会越来越大。尤其是涉及到性能优化方面，我相信应该会有很大的市场吧。

    七、操纵传感器类型分析和选用 以及常见问题解决方案

    本文介绍了碳膜、霍尔、电位式、电感式和光电式五种常见的操纵传感器类型，包括它们的工作原理、特性、优缺点及应用场景，以及选择操纵传感器时需考虑的关键因素。此外，文章还讨论了设计操纵传感器时可能面临的问题及解决方案，并总结了操纵传感器在各领域的重要作用，强调了根据具体应用需求选择适合的操纵传感器的重要性。

    操纵传感器是一种用于操纵电子设备或系统的操纵器件，通常由手把、杆状部分和各种按钮、开关组成。最常见的应用是在游戏控制器、飞行操纵杆、遥控器、运动控制器与电子产品操纵键等。

    操纵传感器最常见的应用是电子游戏的操纵，提供了一种直观的方式，让玩家掌握游戏中的角色或场景。另外也可应用于模拟飞行游戏与实际的飞行训练中，提供更真实的飞行体验。

    在电子设备中，操纵传感器也常用于作为用户的输入接口，虽然触摸屏幕也占有一席之地，但其缺乏必要的触觉回馈和坚固性，加上操纵传感器占用的体积更小，因此像是数码相机、便携设备等产品，仍会选择操纵传感器作为输入设备。

    操纵传感器也可以用于远程操作机器人，例如在危险环境中进行操作或探测，或是用于遥控各种设备，包括玩具、模型、摄像头、遥控飞机等。操纵传感器也可以作为虚拟现实和扩增现实系统的输入设备，让用户能够在虚拟或扩增的环境中进行交互。操纵传感器在不同领域都有广泛的应用，为使用者提供了直观、精确的控制方式。

    操纵传感器的应用示例

    常见的操纵传感器类型与特性

    常见的操纵传感器主要包括碳膜操纵传感器、霍尔操纵传感器，此外还有电位式（电阻式）、电感式与光电式操纵传感器，每种技术都有其优缺点，以下将为您介绍这些技术的主要原理与特性。

    碳膜操纵传感器

    1. 碳膜操纵传感器

    碳膜操纵传感器是一种使用碳膜电阻的感应器件，常用于操纵杆、按钮和其他操纵设备。碳膜操纵传感器的工作原理基于碳膜电阻的变化，它通常包含两个薄膜层，其中一层是碳膜，另一层则是导电的基板，两者之间隔开。当操纵杆或按钮移动时，它会导致碳膜与基板之间的接触面积改变，这将影响电阻值。

    碳膜本身是一种导电性材料，当两层之间的接触面积增加时，电阻降低；反之，当接触面积减小时，电阻增加。这种电阻的变化可以通过测量电压或电流的方式转换为传感信号，从而检测操纵设备的位置和移动。

    碳膜操纵传感器的制造成本相对较低，使其成为一种经济实用的操纵传感解决方案，且碳膜较薄且柔软，这使得它适用于轻巧且柔软的操纵设备，并且易于集成到不同的设计中。

    碳膜操纵传感器对轻微的操纵变化非常敏感，能够提供相对高的灵敏度，这对于精确的操纵非常重要，由于碳膜的相对耐用性，这种传感器通常具有长寿命，适用于长时间和频繁使用的场景，不过，由于摇杆和碳膜的接触会带来碳膜的磨损导致寿命降低，业界目前最高水平可达到200万次左右的使用寿命。

    碳膜操纵传感器可以制作成不同形状和尺寸，因此适用于多种应用，包括不同形状的按钮、操纵杆等，碳膜操纵传感器通常具有较低的功耗，这使得它们适用于需要节能的应用，例如电池供电的设备。

    由于简单的结构，碳膜操纵传感器通常易于维护和修复，减少了维护成本，由于其可弯曲性和可裁剪性，碳膜传感器能够应用于各种形状和尺寸的操纵设备。

    霍尔操纵传感器

    2. 霍尔操纵传感器

    霍尔操纵传感器（Hall sensor）是一种基于霍尔效应的感应器件，用于测量磁场强度，当磁场干扰导体中的电流时，会引起电压的变化，霍尔效应游戏杆则利用这个原理，它们内部装有永久磁铁，游戏杆带动磁铁移动，这个移动被下面的霍尔效应检测IC检测到，产生电压变化，转换为位置数据的变化。

    霍尔效应是指当一个导体通过一个垂直于其流动方向的磁场时，该导体两侧会产生一个电压。这种现象是由于磁场对导体内带电载流的影响，霍尔传感器则利用这一效应，其通常由半导体材料制成，包含一个敏感区域和连接电路。

    当霍尔传感器放置在磁场中时，磁场会影响传感器中的电子运动，进而产生在传感器两侧产生电压的效应，这个电压称为霍尔电压，其大小和方向与磁场的强度和方向有关。通过测量霍尔电压，可以确定磁场的参数，例如磁场的强度或方向。

    霍尔传感器通常具有较高的传感精度，能够准确地测量磁场的变化，霍尔传感器的响应速度较快，使其在需要实时反应的应用中表现优越。霍尔传感器不需要与物体直接接触，可以在非接触的情况下进行测量，这使得它在一些特殊环境或应用中更具优势。

    霍尔传感器通常具有较低的功耗，这有助于节省能源并延长电池寿命，并对温度、湿度等环境条件的影响相对较小，使其适用于各种应用环境。霍尔传感器可用于多种应用，包括位置传感、速度传感、开关应用等。

    3. 电位式操纵传感器

    电位式操纵传感器是一种基于电位计原理的感应器件，常用于操纵设备或操纵器的应用，例如操纵杆、鼠标、游戏摇杆等。电位式操纵传感器基于电阻的变化来检测操纵杆或操纵器的位置，它通常由一个移动的电阻器件（例如滑动电阻或旋转电阻）和一个移动的接触器（例如触点）组成，当操纵杆或操纵器移动时，电阻器件的位置相应地改变，这会导致电阻值的变化。

    电位式操纵传感器中最常见的形式是滑动电位器，这种设计包括一个滑动的接触器，当使用者移动操纵杆时，滑动接触器沿着电阻器件的表面滑动，改变电阻值，此变化的电阻值被用来产生电压信号，该信号反映了操纵杆的位置。

    电位式操纵传感器通常具有线性的输出特性，这意味着操纵杆的移动和输出信号之间存在线性关系，这使得输出信号可以相对容易地映射到操作的应用中。这类传感器通常具有较高的精确度，能够提供准确的位置检测，这使得它们适用于需要精确控制的应用，如游戏、操纵器等。

    电位式操纵传感器通常具有较长的寿命，并且相对耐用，这使得它们适用于长时间和频繁使用的场景。这种传感器的结构相对简单，由于使用基本的电阻器件，因此成本较低，制造和维护相对容易。

    电位式操纵传感器的传感可能会受到一些限制，其滑动或旋转的电阻器件有一定的物理限制，导致转动角度有限。这类传感器通常需要物理接触，因为操纵杆或操纵器的移动必须导致接触器与电阻器件表面的物理交互。

    4. 电感式操纵传感器

    电感式操纵传感器是一种使用电感器原理的感应器件，常用于操纵设备的位置检测，例如操纵杆、游戏手把等。电感式操纵传感器使用电感器件（通常是线圈）来传感操纵杆或操纵器的位置。当操纵杆或操纵器移动时，附近的电感器件会感应到磁场的变化，这种变化被转换为电压信号。

    这种感应是基于法拉第感应的原理，当一个导体经过变化的磁场时，会产生感应电动势。操纵杆或操纵器上的磁体会与电感器件相对运动，因此在电感器件上会感应到相应的电压变化。

    电感式操纵传感器是一种非接触性的技术，因为操纵杆或操纵器的移动不需要直接接触传感器，这有助于提高耐用性并减少机械磨损。电感式操纵传感器通常具有较高的精确度，能够提供准确的位置检测，这使其在需要精确控制的应用中非常受欢迎。

    由于电感式操纵传感器可以使用多个电感器件进行检测，因此可以实现多轴的操纵，例如在游戏手把中实现的多轴运动。由于不涉及机械接触，电感式操纵传感器的反应速度通常很快，这对于如游戏控制这类需要实时反应的应用非常重要。

    电感式传感器可实现复杂的操纵，包括旋转、倾斜等多轴度的操纵，增加了操作的多样性。由于是非接触性的，电感式操纵传感器不受物理障碍的限制，可以在相对复杂的环境中使用。

    5. 光电式操纵传感器

    光电式操纵传感器是一种使用光学原理的感应器件，用于检测操纵设备的位置和移动，这种传感器常见于鼠标、触摸板等设备中。光电式操纵传感器的原理基于光学感应，通常使用红外线或可见光的光学器件。典型的结构包括一个光源（通常是LED），以及一个光学传感器件（例如光电二极管阵列或图像传感器）。

    光源用于发射光束，通常是红外线或可见光，这个光束照射到操纵杆或操纵器上，当光束照射到操纵杆或操纵器表面时，光线可能被反射或透射，具体取决于表面的特性，这将产生一个反射或透射的光影。

    随后光学传感器件会接收反射或透射的光影，通过检测光的强度、位置变化等来识别操纵杆或操纵器的位置。传感器的电子部分将光学传感器件的输出转换成电压或数据信号，这些信号用于确定操纵杆或操纵器的移动方向和速度。

    光电式操纵传感器是一种非接触式技术，操纵杆或操纵器的移动不需要直接接触传感器，这有助于提高设备的耐久性。光学传感技术可以提供相对较高的精确度，这对于需要精确位置检测的应用非常重要。

    光电式操纵传感器通常反应速度较快，使其在需要实时反应的应用中非常有用，如鼠标或触摸板，并可以实现多轴的操纵，支持多维度的移动和操作。由于非接触性和多轴检测的特性，光电式操纵传感器具有一定的灵活性，可应对不同的应用需求。光电式操纵传感器不受物理障碍的限制，可以在相对复杂的环境中使用，并特别适用于平面操纵，如在触摸板上滑动或操作。

    选择操纵传感器的注意事项与考虑因素

    选择操纵传感器时，需要考虑一系列因素，以确保应用能够达到预期的效果并满足使用需求。首先应确定应用的具体需求，例如是在游戏中使用、模拟飞行、机器人操作还是其他应用，不同的应用可能需要不同类型的操纵传感器。

    另外还需考虑使用者操纵的方式，是需要单一的操纵杆、多个按钮、还是复杂的手势操纵，应根据应用的复杂性和使用者体验需求来选择适当的操纵方式。不同的操纵传感器有不同的精确度和灵敏度，这是确保操纵的精准性和流畅性的关键因素，应选择能提供所需精确度和灵敏度的传感器。

    此外，还需考虑传感器的耐用性，尤其是在频繁使用的场景中，如游戏控制器，高质量和耐用的操纵传感器能够提供更长的使用寿命。在连接方式上，应确保操纵传感器与目标设备的连接方式兼容，这可以包括有线或无线连接，应选择能方便地与目标设备通信的传感器。另一方面，应注意操纵传感器的电源需求，特别是对于无线传感器，以确保能够提供足够的电力供应。

    当然，还需考虑预算限制，不同品牌和型号的操纵传感器价格差异较大，应选择在预算范围内提供所需功能的传感器，并研究不同品牌的操纵传感器，查阅用户评价和评论，以了解产品的实际表现和可靠性，并确认操纵传感器与目标应用或设备的兼容性，以确保能够顺利集成。

    设计操纵传感器的常见问题与解决方案

    在操纵传感器应用中，可能会面临一些常见的问题，这些问题可能影响用户体验和系统性能。像是精确度和校准问题，操纵传感器的精确度可能会随着使用时间而受到影响，并且可能需要定期校准。解决方式为实施定期的校准程序，使用精确的校准工具和方法以确保传感器准确度，更新驱动程序和软件也可能有助于提高精确度。

    此外，当操纵传感器的信号处理时间过长，将导致使用者感觉到延迟，此时应优化传感器的信号处理算法，减少操纵到显示反应的时间，并使用高性能的硬件和软件来改善反应时间。

    某些操纵方式可能对用户而言过于复杂，导致学习曲线陡峭，因此应提供直观的用户接口和操纵方式，设计简单易懂的操作流程，并提供用户操作指导，以减少学习曲线。

    操纵传感器也可能受到外部信号干扰，导致不稳定性。因此在放置操纵传感器时应远离可能引起干扰的设备，加强抗干扰能力，并使用适当的屏蔽和滤波技术，提高系统稳定性。

    若采用无线操纵传感器可能面临电池寿命短或无电的问题，应使用节能模式以延长电池寿命，并提供明确的电池状态指示，开发低功耗的传感器技术，以减少能源消耗。

    在兼容性问题方面，操纵传感器可能不与某些设备或平台兼容，因此应提前确保操纵传感器与目标设备的兼容性，更新驱动程序或软件以解决兼容性问题，制造商可以提供更新和支持。

    成本问题永远是必须考虑的要素，高成本的操纵传感器可能不符合预算要求。因此需要在价格和性能之间找到平衡点，选择符合预算的操纵传感器，同时满足应用需求。

    安全性问题也是当前不可忽略的问题，安全漏洞可能导致操纵传感器被非法存取或操纵。解决方式为实施严格的安全标准，使用加密和验证技术保护操纵传感器的通信和数据，并定期更新软件以修补已知的安全漏洞。

    解决上述的这些问题需要采用全面性的方法，包括硬件、软件、设计和用户培训等多方面的考虑。

    类型

    应用特性

    碳膜操纵传感器

    碳膜操纵传感器因其低成本、高灵敏度和适应性，而广泛应用于各种操纵设备中，提供了经济实用的操纵解决方案。

    霍尔操纵传感器

    霍尔操纵传感器在应用于磁场测量方面具有优越的性能，并且在一些需要高精度、快速响应、非接触性的应用中得到广泛应用，例如在汽车工业、工业自动化、电子设备等，但会受到强磁场的影响。

    电位式操纵传感器

    电位式操纵传感器由于其简单而可靠的原理和良好的精确度，且成本低廉，因此被广泛应用于各种需要操纵的应用中，但其使用寿命有限，常应用于游戏控制器、操纵杆、鼠标等。

    电感式操纵传感器

    电感式操纵传感器相当可靠，但对温度变化和电磁干扰（EMI）敏感，在游戏控制器、操纵杆和其他操纵设备中广泛应用，提供了一种灵活、精确且反应速度快的操纵方式。

    光电式操纵传感器

    光电式操纵传感器以其高精确度、实时反应和多轴操纵的特性，被广泛应用于各种操纵设备中，但容易受到灰尘、湿气和受力损坏的影响。

    结语

    操纵传感器在各种应用中发挥着重要作用，提供了用户与设备之间的接口，使得操作更加直观且精确，可广泛应用于电子设备、游戏控制、模拟飞行、机器人操作、遥控设备、虚拟现实和扩增现实、工业自动化、医疗设备领域。

    选择操纵传感器应根据具体应用需求选择操纵传感器，考虑精确度、灵敏度、反应速度、操纵方式、耐用性、连接方式、电源需求、价格、品牌和评价等因素，来选择出适合特定应用需求和使用情境的操纵传感器，以提供更好的用户体验和操作效果。

    八、开关电源纹波、噪声的产生原因及测量方法

     本文简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。另外关于开关电源的基础概念，​ 请移步此文:​​介绍开关电源的几个概念​​。

    纹波和噪声产生的原因

        开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。

        噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI)，它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。

        开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。

        利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图1所示。纹波的频率与开关管频率相同，而噪声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压，其单位是mVp-p。

        上图1 ，纹波和噪声的波形。

    纹波和噪声的测量方法

        纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。

        由于开关电源的品种繁多(有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的技术要求等)，但是各生产厂家都采用示波器测量法，仅测量装置上不完全相同，因此各厂对不同开关电源的测量都有自己的标准，即企业标准。

        用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图2所示。它由被测开关电源、负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。

        上图2 示波器测量框图。

        从图2来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同。测纹波和噪声电压的要求如下：

    　　● 要防止环境的电磁场干扰(EMI)侵入，使输出的噪声电压不受EMI的影响;

    　　● 要防止负载电路中可能产生的EMI干扰;

    　　● 对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以在测量时要加上适当的输出电容。

        为满足第1条要求，测量连线应尽量短，并采用双绞线(消除共模噪声干扰)或同轴电缆;一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头;并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。为满足第2点，负载应采用阻性假负载。

        经常有这样的情况发生，用户买回的开关电源或模块电源，在测量纹波和噪声这一性能指标时，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量的方法(测量点的选择)不合适或采用通用的测量探头所致。

    几种测量装置

    1 双绞线测量装置​

        双绞线测量装置如图3所示。采用300mm(12英寸)长、#16AWG线规组成的双绞线与被测开关电源的+OUT及-OUT连接，在+OUT与-OUT之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个4TμF电解电容(钽电容)后输入带宽为50MHz(有的企业标准为20MHz)的示波器。在测量点连接时，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。

        上图3 双绞线测量装置。

        这里要注意的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。

    2 平行线测量装置​

        平行线测量装置如图4所示。图4中，C1是多层陶瓷电容(MLCC)，容量为1μF，C2是钽电解电容，容量是10μF。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较接近，缺点是较容易捡拾EMI干扰。

        上图4 平行线测量装置。

    3 专用示波器探头

        图5所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环，其探头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负极(GND)，接触要可靠。

        上图5 示波器探头的接法。

        这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长，容易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出，虚线面积越大，受干扰的影响越大，如图6所示。

        上图6 通用探头易造成干扰。

    4 同轴电缆测量装置

        这里介绍两种同轴电缆测量装置。图7是在被测电源的输出端接R、C电路后经输入同轴电缆(50Ω)后接示波器的AC输入端;图8是同轴电缆直接接电源输出端，在同轴电缆的两端串接1个0.68μF陶瓷电容及1个47Ω/1w碳膜电阻后接入示波器。T形BNC连接器和电容电阻的连接如图9所示。

        上图7 同轴电缆测量装置1。

        上图8 同轴电缆测量装置2。

        上图9 T形BNC连接器和电容电阻的连接。

    纹波和噪声的测量标准

        以上介绍了多种测量装置，同一个被测电源若采用不同的测量装置，其测量的结果是不相同的，若能采用一样的标准测量装置来测，则测量的结果才有可比性。近年来出台了几个测量纹波和噪声的标准，本文将介绍一种基于JEITA-RC9131A测量标准的测量装置，如图10所示。

        上图10 基于JEITA-RC9131A测量标准的测量装置。

        该标准规定在被测电源输出正、负端小于150mm处并联两个电容C2及C3，C2为22μF电解电容，C3为0.47μF薄膜电容。在这两个电容的连接端接负载及不超过1.5m长的50Ω同轴电缆，同轴电缆的另一端连接一个50Ω的电阻R和串接一个4700pF的电容C1后接入示波器，示波器的带宽为100MHz。同轴电缆的两端连接线应尽可能地短，以防止捡拾辐射的噪声。另外，连接负载的线若越长，则测出的纹波和噪声电压越大，在这情况下有必要连接C2及C3。若示波器探头的地线太长，则纹波和噪声的测量不可能精确。

        另外，测试应在温室条件下，被测电源应输入正常的电压，输出额定电压及额定负载电流。

    不正确与正确测量的比较

    1探头的选择

        上图11 AAT1121电路测量波形。

        上图12 用普通示波器探头测得的波形。

        上图13 用专用测量探头测得的波。

    2 探头与测试点的接触是否良好

        以1W DC/DC电源模块IF0505RN-1W为例，采用专用探头靠测法，排除外界EMI噪声干扰，探头接触良好时，测出的纹波和噪声电压为4.8mVp-p，如图14所示。若触头接触不良时，则测出的纹波和噪声电压为8.4mVp-p，如图15所示。

        上图14 电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触良好)。

        上图15 电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触不良)。

        这里顺便再用普通示波器探头测试一下，其测试结果是纹波和噪声电压为48mVp-p，如图16所示。　

        上图16 电源模块IF0505RN-1W测试波形(普通探头)。

    减小纹波和噪声电压的措施

        上图17 开关电源整流波形，关于整流的文章请移步:​​解析桥式整流电路​​。

        上图18 开关电源PFC电路。

        开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑，各部分电路的设计及PCB设计有关。例如，采用多相输出结构，可有效地降低纹波输出。现在的开关电源的开关频率越来越高;低的是几十kHz，一般是几百kHz，而高的可达1MHz以上。因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高，要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。

    1减少EMI的措施

        可以采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加EMI滤波器，如图19所示(EMI滤波器也称为电源滤波器)。　　

        上图19 开关电源加EMI滤波。

    2 在输出端采用高频性能好、ESR低的电容

        采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的，其特点是尺寸小而电容量大，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。例如，一种高分子聚合物钽固态电解电容为68μF，其在20℃、100kHz时的等效串联电阻(ESR)最大值为25mΩ，最大的允许纹波电流(在100kHz时)为2400mArms，其尺寸为：7.3mm(长)×4.3mm(宽)×1.8mm(高)，其型号为10TPE68M(贴片或封装)。

        纹波电压ΔVOUT为：

        ΔVOUT=ΔIOUT×ESR (1)

        若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，则ΔVOUT=12.5mV。

        若采用普通的铝电解电容作输出电容，额定电压10V、额定电容量100μF，在20℃、120Hz时的等效串联电阻为5.0Ω，最大纹波电流为70mA。它只能工作于10kHz左右，无法在高频(100kHz以上的频率)下工作，再增加电容量也无效，因为超过10kHz时，它已成电感特性了。

        某些开关频率在100kHz到几百kHz之间的电源，采用多层陶电容(MLCC)或钽电解电容作输出电容的效果也不错，其价位要比高分子聚合物固态电解质电容要低得多。

    3 采用与产品系统的频率同步

        为减小输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关的频率与系统的频率相同。

    4 避免多个模块电源之间相互干扰

        在同一块PCB上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠的很近，则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少其相互影响的干扰。

        例如，用两个K7805-500开关型模块组成±5V输出电源时，若两个模块靠的很近，输出电容C4、C2未采用低ESR电容，且焊接处离输出端较远，则有可能输出的纹波和噪声电压受到相互干扰而增加，如图20所示。

        如果在同一块PCB上有能产生噪声干扰的电路，则在设计PCB时要采取相似的措施以减少干扰电路对开关电源的相互干扰影响。

        上图20 K7805-500并联。

    5 增加LC滤波器

        为减小模块电源的纹波和噪声，可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器，如图21所示。图21左图是单输出，图21右图是双输出。

        上图21 在DC/DC模块中加入LC滤波器。

        在表1及表2中列出1W DC/DC模块的VIN端和VOUT端在不同输出电压时的电容值。要注意的是，电容量不能过大而造起动问题，LC的谐振频率必须与开关频率要错开以避免相互干扰，L采用μH极的，其直流电阻要低，以免影响输出电压精度。

    6 增加LDO

        在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声，以满足对噪声特别有要求的电路需要(见图22)，输出噪声可达μV级。

        上图22 在电源中加入LDO。

        由于LDO的压差(输入与输出电压的差值)仅几百mV，则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了，并且其损耗也不大。

    7 增加有源EMI滤波器及有源输出纹波衰减器

        有源EMI滤波器可在150kHz～30MHz间衰减共模和差模噪声，并且对衰减低频噪声特别有效。在250kHz时，可衰减60dB共模噪声及80dB差模噪声，在满载时效率可达99%。

        输出纹波衰减器可在1～500kHz范围内减低电源输出纹波和噪声30dB以上，并且能改善动态响应及减小输出电容。

    九、拆解:早期555定时器芯片

    ​ 由模拟 IC 奇才 Hans Camenzind 设计的 555 被称为有史以来最伟大的芯片之一。据说是世界上最畅销的集成电路，已售出数十亿。​

        一个带有 Signetics 标志的 8 针 555 定时器。它没有 555 标签，而是标有“52B 01003”和 7304 日期代码，表示 1973 年的第 4 周。

        乏味地打磨环氧树脂封装以露出芯片（下图），并确定芯片是 555 定时器。Signetics 在 1972 年年中发布了 555 定时器，下面的芯片有一个 1973 年 1 月的日期代码（7304），所以它一定是最早的 555 定时器之一。奇怪的是，它没有标为 555，所以它可能是原型或内部版本。

        我拍摄了详细的模具照片，在这篇博文中进行了讨论。

        555 定时器的封装被打磨，露出硅芯片，中间的小方块。

        555 定时器有数百种应用，从定时器或锁存器到压控振荡器或调制器的任何操作。下图说明了 555 定时器如何作为一个简单的振荡器工作。在 555 芯片内部，三个电阻形成一个分压器，产生 1/3 和 2/3 的电源电压的参考电压。外部电容器将在这些限制之间充电和放电，从而产生振荡。更详细地说，电容器将通过外部电阻器缓慢充电 (A)，直到其电压达到 2/3 参考电压。在该点 (B)，上（阈值）比较器关闭触发器并关闭输出。这会打开放电晶体管，使电容器 (C) 缓慢放电。当电容器上的电压达到 1/3 参考电压 (D) 时，较低（触发）比较器打开，设置触发器和输出，循环重复。电阻器和电容器的值控制时间，从微秒到几小时。

        显示 555 定时器如何作为振荡器工作的图表。在 555 定时器的控制下，外部电容器通过外部电阻器进行充电和放电。

        总而言之，555 定时器的关键组件是检测电压上限和下限的比较器、设置这些限制的三电阻分压器以及跟踪电路是充电还是放电的触发器。555 定时器还有两个我上面没有提到的引脚（复位和控制电压），它们可用于更复杂的电路。

        从显微镜图像的合成中创建了下面的照片。在硅的顶部，一层薄薄的金属连接芯片的不同部分。这种金属在照片中以浅色痕迹清晰可见。在金属下方，一层薄薄的玻璃状二氧化硅层在金属和硅之间提供绝缘，除了二氧化硅中的接触孔允许金属连接到硅的地方。在芯片的边缘，细线将金属焊盘连接到芯片的外部引脚。

        如上，555 计时器的模具照片。

        芯片上不同类型的硅更难看到。芯片的区域用杂质处理（掺杂）以改变硅的电特性。N 型硅具有过量的电子（负），而 P 型硅缺乏电子（正）。在照片中，这些区域显示为略有不同的颜色，周围有细黑色边框。这些区域是芯片的组成部分，形成晶体管和电阻器。在windows中，保存的时候先另存在桌面，再拖进去覆盖即可!

        晶体管是芯片中的关键元件。555 定时器使用 NPN 和 PNP 双极晶体管。如果您研究过电子学，您可能已经看过如下图所示的 NPN 晶体管图，显示了晶体管的集电极 (C)、基极 (B) 和发射极 (E)，晶体管被图示为P硅夹在两个对称的N硅层之间，NPN 层构成 NPN 晶体管。事实证明，芯片上的晶体管看起来不像这样，而且基极通常甚至不在中间！

        如上，NPN 晶体管的原理图符号，以及其内部结构的简化图。

        下面的照片显示了 555 中的一个晶体管的特写，因为它出现在芯片上。硅中稍有不同的色调表明已掺杂形成 N 和 P 区域的区域。白色区域是硅顶部芯片的金属层 - 这些形成连接到集电极、发射极和基极的导线。

        如上图，裸片上 NPN 晶体管的结构。

        照片下方是一个横截面图，说明了晶体管的构造方式。除了你在书中看到的 NPN 之外，还有很多其他东西，但如果你仔细观察“E”下方的垂直横截面，你会发现形成晶体管的 NPN。发射极 (E) 线连接到 N+ 硅。其下方是连接到基极触点 (B) 的 P 层。在其下方是（间接）连接到收集器（C）的 N+ 层。6 晶体管被 P+ 环包围，将其与相邻组件隔离。

        在IC内部的PNP晶体管：

        如上图，555定时器芯片中的PNP晶体管。标注了集电极(C)、发射极(E)和基极(B)的连接，以及N和P掺杂硅。基极围绕发射极形成一个环，集电极围绕基极形成一个环。

        555中的输出晶体管比其他晶体管大得多，并且具有不同的结构，以产生高电流输出。下面的照片显示了输出晶体管之一。注意被大集电极包围的发射极和基极的多个互锁“手指”。

        如上图，555定时器芯片中的大电流NPN输出晶体管。集电极(C)、基极(B)和发射极(E)被标记。

        电阻器是如何在硅中实现的？

        电阻器是模拟芯片的关键部件。不幸的是，IC 中的电阻器很大且不准确。不同芯片的电阻可能相差 50%。因此，模拟 IC 的设计只有电阻的比率很重要，而不是绝对值，因为比率几乎保持不变。

        如上，555定时器内部的电阻。电阻器是两个金属触点之间的一条 P 硅。

     555 中的一个 10KΩ 电阻器，它由一条 P 硅（粉灰色）形成，在两端与金属线接触。其他金属线穿过电阻器。电阻器具有螺旋形状，以使其长度适合可用空间。下面的电阻是一个 100KΩ 的夹点电阻。夹层电阻器顶部的 N 硅层使导电区域更薄（即夹住它），形成更高但不太准确的电阻。

        555定时器内部的收缩电阻器。电阻器是两个金属触点之间的一条P硅。顶部的N层夹住电阻，增加电阻。垂直金属线穿过该电阻器。

        有一些子电路在模拟 IC 中很常见，但起初可能看起来很神秘。电流镜就是其中之一。如果您看过模拟 IC 框图，您可能已经看到下面的符号，指示电流源，并想知道电流源是什么以及为什么要使用它。这个想法是你从一个已知的电流开始，然后你可以用一个简单的晶体管电路，电流镜“克隆”电流的多个副本。

        如上图，电流源的原理图符号。

        以下电路显示了如何用两个相同的晶体管实现电流镜。参考电流流经右侧的晶体管。(在这种情况下，电流由电阻设定。)由于两个晶体管具有相同的发射极电压和基极电压，它们产生相同的电流，因此右边的电流与左边的参考电流相匹配。

        如上，电流镜电路，右边的电流复制左边的电流。

        电流镜的一个常见用途是替换电阻器。如前所述，IC 内部的电阻器既大又不准确，不便之处。尽可能使用电流镜而不是电阻器来节省空间。此外，与两个电阻器产生的电流不同，电流镜产生的电流几乎相同。

        如上图，三个晶体管在555定时器芯片中形成一个电流镜。它们共用同一个基极，两个晶体管共用发射极。

        上述三个晶体管构成一个具有两个输出的电流镜。注意，三个晶体管共享基极连接，连接到右边的集电极，右边的发射极连接在一起。在原理图中，右侧的两个晶体管被绘制为单个双集电极晶体管Q19。

        要了解的第二个重要电路是差分对，它是模拟 IC 中最常见的双晶体管子电路。 您可能想知道比较器如何比较两个电压，或者运算放大器如何减去两个电压。这是差分对的工作。

        如上，简单差分对电路原理图。电流源通过差分对发送固定电流I。如果两个输入相等，则电流均分。

        上面的示意图显示了一个简单的差分对。底部的电流源提供固定电流 I，该电流在两个输入晶体管之间分配。如果输入电压相等，则电流将平均分成两个分支（I1 和 I2）。如果其中一个输入电压比另一个高一点，则相应的晶体管会以指数方式传导更多的电流，因此一个分支获得更多电流，而另一个分支获得更少。一个小的输入差异足以将大部分电流引导到“获胜”分支，从而打开或关闭比较器。555 芯片使用一个差分对作为阈值比较器，另一对作为触发比较器。​

    十、各种传感器原理

    传感器（Sensor）是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。
        人类会基于视觉、听觉、嗅觉、触觉获得的信息进行行动，设备也一样，根据传感器获得的信息进行控制或处理。
        传感器收集转换的信号（物理量）有温度、光、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。
        这些利用了半导体的物质变化，除此之外，还有利用酶和微生物等生物物质的生物传感器。
        不仅智能手机、个人电脑等通信设备，还包括医疗设备、可穿戴式设备、车载、自然环境、基础设施等，所有物体都能联网共享信息，从而创造更便利、更安心、更安全的社会。
        而实现这些所不可缺少的是检测状态的“传感器”。

    地磁传感器    地球被磁场磁力所包围，这被称为地磁。
        地磁传感器是检测地球磁力的传感器，也被称为“电子罗盘”。
        地磁传感器可以通过检测地磁来检测方向。
        【围绕地球的地磁】

        地磁传感器有X和Y两轴型以及添加了Z的三轴型，并测量各方向上的磁力值。
        如果不考虑诸如简单罗盘之类的倾斜，则仅使用X轴和Y轴的值。当考虑倾斜时，需要将地磁传感器的3轴值与加速度传感器相结合，将其校正到正确的方向。

        下图显示了地磁传感器水平旋转时X和Y值的分布。

        如果地磁传感器水平旋转，在不受周围磁场影响的理想情况下，输出分布图的圆心变为零。

        然而，实际上中心因环境磁场的影响而移动，因此需要进行调整以将圆心移动到零。
    地磁传感器导出的北极称为磁北（略偏离北极）。通过上述方程式计算该磁北的角度，可以容易知道方向。
    各类磁传感器
        磁传感器是一种旨在测量磁场的大小和方向的传感器。
        根据目的不同有多种传感器，以下列举典型的传感器。

    霍尔传感器

        基于霍尔效应测量磁通密度的传感器，输出与磁通密度成比例的电压。

    它易于使用，主要用于非接触式开关应用，例如门和笔记本电脑等物体的打开和关闭检测。

    MR传感器

        MR（Magneto Resistance）传感器也被称为磁阻效应传感器，利用物体电阻因磁场变化来测量地磁大小的传感器。

        灵敏度高于霍尔传感器，功耗更低，因此是一种使用更广泛的磁传感器。除了电子罗盘等地磁检测应用外，它还用于电机旋转和位置检测应用。

    MI传感器

        MI（Magneto Impedance）传感器是下一代磁传感器，采用特殊的非晶丝并应用了磁阻抗效应。

        它的灵敏度比霍尔传感器高出10,000倍以上，并且可以高精度地测量地磁的微小变化。
        可以应用于超低消耗电流的方位检测（电子罗盘），还可应用于室内定位、金属异物检测等高灵敏度特性的应用。

    脉搏传感器
        脉搏波是心脏发送血液时产生的血管的体积变化波形，监测该体积变化的检测器称为脉搏传感器。

        首先，测量心率有四种方法，心电图、光电脉波法、血压测量法、心音描记法等。
    其中的光电脉波法是使用脉搏传感器进行测量的方法。

        由于测量方法的不同，光电脉波法的脉搏传感器有透过型和反射型。
        透过型通过向体表照射红外线或红光，测量随着心脏的脉动而变化的血流量的变化，作为透过身体的光的变化量来测量脉搏波。
        该方法限于测量易于穿透的部分，例如指尖和耳垂。

    反射型脉搏传感器

        反射型脉搏传感器是向生物体照射红外线、红光、550nm左右波长的绿光，利用光电二极管或光电晶体管测量生物体反射的光。含氧血红蛋白存在于动脉血液中，具有吸收入射光的特性，因此通过检测随时间序列并随心脏搏动而变化的血流量（血管容积的变化），测量脉搏信号。
        另外，由于是反射光的测量，因此不必像透过型那样限制测量部位。

        [反射型脉搏传感器的原理]

        当使用红外线或红光测量脉搏波时，受到室外阳光中包含的红外线的影响，不能进行稳定的脉搏波测量。因此，建议仅将其用于室内或半室内应用。
        在运动腕表等户外用途，血液中的血红蛋白的吸收率高，由于绿色光源较少受环境光的影响，我们将绿色LED作为照射光使用。

    脉搏传感器的应用
        通常，通过观察以下两点可以测量动脉血氧饱和度（SpO2）。通过脉搏传感器获得的波形的变动周期，观察心率（脉率）；通过使用红外线和红光两个波长，来观察脉动（变化量）。
        此外，作为脉搏传感器的应用，期望通过高速采样和高精度测量来获取诸如HRV分析（压力水平）、血管年龄等各种生命体征。

    气压传感器
        气压传感器是检测大气压力的传感器。
        根据要测量的压力值，压力传感器具有如下所示的各种材料和方法的传感器。
    在这些压力传感器中，检测大气压力（用于气压检测）的传感器通常被称为气压传感器。

        [使用的材料 - 按方式分类的压力传感器]

        气压传感器的典型示例是使用硅（Si）半导体的压阻式。
        罗姆提供的气压传感器也是压阻式气压传感器。

    压阻式气压传感器
        压阻式气压传感器使用Si单晶板作为隔膜（压力接收元件），通过在其表面上扩散杂质形成电阻桥电路，将施加压力时产生的变形作为电阻值变化，来计算压力（气压）。

        [压阻式气压传感器]

        电阻率（电导率）因施加在该电阻上的压力而变化的现象称为压阻效应。罗姆的气压传感器IC将使用压阻式压力接收元件（隔膜结构和压阻集成在一起※MEMS），以及温度校正处理、控制电路等的集成电路（※ASIC）集成在一个封装里，可以轻松获得高精度的气压信息。

        ※ MEMS：Micro Electro Mechanical System（微机电系统）

        在一个电路板上集成机械构成部件、传感器、执行机构（驱动部件）等的装置。

        ※ ASIC：Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路）
        它是一种集成电路，将多个电路功能组合成一个特定应用。

    加速度传感器
        加速度是指单位时间内产生的速度，测量加速度的IC就叫加速度传感器。
        通过测量加速度，可以测得物体的倾斜、振动等信息。
        加速度单位为m/s2（※国际单位制SI）。
        另外，单位G是以※标准重力（1 G = 9.806 65m/s2）为基准的加速度值。
        还有用于检测地震震动的加速度的单位※Gal（CGS单位制）。

        ※ 国际单位制SI（法语：Système international d'unités）
        由长度m、重量kg、时间s （MKS单位）组合而成的国际单位。

        ※ 标准重力
        物体在重力作用下产生的加速度。物体在自由落体时，物体每单位时间内增加的速度值（9.806 65m/s2）。

        ※ Gal
        CGS（长度cm、重量g、时间s为基准）单位制的加速度单位。被定义为SI单位制的1/100（1Gal=0.01 m/s2 ）。

        加速度传感器一般分为低G加速度传感器和高G加速度传感器，如下图所示。

    电容式加速度传感器

        罗姆集团加速度传感器是采用MEMS技术的电容式加速度传感器。
        传感器元件由Si制成的固定电极、可动电极和弹簧构成。未施加加速度的状态下，固定电极和可动电极间的距离相同。施加加速度，则可动电极移位。由此与固定电极的位置关系发生变化，电极间容量发生变化。容量的变化通过※ASIC转化为电压，算出加速度。

        【电容式原理】

        ※ ASIC
        Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路）
        指将特定用途的多个电路功能集成到一起的集成电路。

    电流传感器
        何谓电流传感器？
        电流传感器是指检测电路中流动的电流值的传感器。

    电流的检测方法
        如下图所示，检测流动电流的方法大致可分为电阻检测型和磁场检测型。

        【电流检测方法和特点】
        电阻检测型将分流电阻引发的电压降转换为电流。安装简单而且价廉物美，操作简单，但缺点是电阻上的功率损耗会产生较大的发热量。磁场检测型＜有铁芯＞
        根据电流线中流动的电流测量铁芯中产生磁场的大小，以此来测量电流值。这种方法无需接触，功率损耗较小，但铁芯较大，存在贴装面积大的课题。＜无铁芯＞
        利用霍尔效应将流动电流周围产生的磁场转换为电压（霍尔电压）进行测量，以此来测量电流值。因为霍尔效应产生的电压较小，所以IC由霍尔元件和放大电路构成。因为需要将电流引入IC内，所以会产生功率损耗。

    M1电流传感器
        为了消除上述磁场检测型在安装难度（有铁芯）和功率损耗（无铁芯）方面的缺点，ROHM开发出了使用MI（Magneto Impedance）元件的磁场检测型非接触型电流传感器。
        MI传感器作为使用特殊非晶丝，利用其磁阻抗效应的新一代传感器，其特点是具备超高灵敏度的磁性检测能力。
        灵敏度远超霍尔元件，可高精度检测磁性的微小变化。因此，无需将电流引入封装内，也能以高精度进行非接触式电流检测（磁性检测）。

        【电流传感器的结构比较（罗姆调查）】
        综上所述，MI电流传感器可进行非接触式电流测量，功率损耗少，还能进一步缩小贴装面积。

    颜色传感器
        感光传感器（光传感器）中，检测R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）3原色的叫作颜色传感器。
        颜色传感器通过光电二极管接收周围光线，检测RGB值。

    颜色传感器的原理
        向物体照射具有RGB成分的光，反射光的颜色成分会随物体的颜色发生改变。
        例如，红色物体的反射光成分为红，黄色物体为红和绿、白色则包含红、绿、蓝全部成分。

        【物体反射光颜色示意图】

        由此可知，物体的颜色由物体反射的光色（R、G、B）成分的比例决定。
    人眼是通过获取反射光成分来识别物体的颜色。
        在漆黑的场所什么都看不见吧！这是因为没有照射光，反射光自然也不存在，所以看上去是漆黑一片。
        与人眼一样，颜色传感器是使用光电二极管接收光线，通过计算接收到的R、G、B量的比例来识别颜色。

    颜色传感器IC的结构
        下图是颜色传感器IC的结构。内部搭载了彩色滤光片（Color filter）和红外截止滤光片（Ir cut filter）。

        【罗姆的代表性颜色传感器的简要结构】

        下面比较了传感器在有无这些滤光片时的分光特性。

        【RGB分光特性示意图】

        颜色传感器IC通过为内部传感器配备R、G、B各种颜色的滤光片，具备了较高的RGB分光特性，而且通过配备红外截止滤光片，具备了红外线去除特性，能高精度识别颜色。

    十一、从台积电到芯片诞生过程

    终于等来一个不加班的周六。夜已深，结束了一天叽叽喳喳的喧嚣和鸡飞狗跳的日程安排，终于是可以安静下来了。

    1 绪论

        今天我们讲讲芯片的流片制造那些事儿。这个流程的输入是设计的版图文件，输出是做好的芯片晶圆。

        这是芯片的第四个流程。这块儿，我国65nm这个量级的做的还可以，14nm应该SMIC也凑活，先进制程7乃至5nm的商业化基本是空白。属于真正被大洋彼岸卡脖子的部分。这篇文章科普一下整个制造流程。技术部分应该比较少，所以我们讲点儿故事。管中窥豹，我们的故事不妨从台积电展开。

    2 台积电的过往

        我们说芯片代工厂，你第一个想到的是什么？我想做芯片的大部分人可能脱口而出就一个——台积电（TSMC），全称是某省积体电路制造股份有限公司。积体电路就是集成电路的一种叫法，类似于把菠萝叫凤梨。中国人似乎讲究周期。台积电基本上恰好10年一个周期。

    台积电的第一个十年——蹒跚起步

        85年，德州仪器的一个哥们回岛了。他属于最早进入这个邻域的一批人，在德州仪器属于三号人物。在岛内混了几年，1987年，55岁的他决定搞个厂糊口（同年，深圳一个43岁的哥们也准备搞个厂糊口，你应当听说过）。这家厂子一开始就给自己定位成代工厂，不做设计，只负责制造。和大部分创业公司一样，台积电的前三年也经历了好多庙小妖风大的挫折，不过好歹，张忠谋在美帝有些人脉，1990年，英特尔CEO正想着怎么把公司中心从存储转到CPU上，经过张忠谋这么一忽悠，单子可不就来了么。英特尔老大哥帮台积电实现了第一次飞跃。

    台积电的第二个十年——发展壮大

        转眼，1997年，台积电已经成立10年了。一家公司，要是能活10年，确实有点东西的，遭到山寨也在所难免。这个时候另一个德州仪器的哥们叫张汝京的，回岛山寨了一个台积电出来，叫世大半导体。三年达到台积电30%产能。台积电一气之下就发动钞能力说动世大的股东把世大给买了。张汝京跑路到上海，建了另一个厂，叫SMIC，这是后话。这个阶段台积电过的有滋有味，不过和英特尔比它始终是个弟弟。全球最好的制程都在英特尔手中。

    台积电的第三个十年——走向风口

        日月如梭，2007年，一个穿着黑T恤和牛仔裤的哥们从裤兜里掏出一个手机。消费电子的时代到来了。台积电赶上了手机这波热潮。手机讲究一代手机，一代芯片。制程跟不上哪行，至此除了三星和英特人，其他家都选择了台积电的代工厂模式。2014年，张忠谋搞个了夜莺计划，从此，代工厂三班倒的时代到来了。这个时候英特尔不再那么遥远，慢慢超越了。

    台积电的第四个十年——对抗 or 合作？

        2017年，一个叫梁孟松的人回国加入了SMIC，隐约记得一个以前在中芯国际的哥们说，当年中芯国际为了请他来，把一层楼给他做办公室。他是台积电元老，09年离开台积电。去了三星，然后三星就越来越长的像台积电，在14nm工艺上甚至摆了TSMC一道。台积电一纸诉状让梁孟松离开了三星，结果2017年，他到了SMIC。虽然2020年蒋尚义归来，梁准备离开，但反映出的一个趋势值得我们注意。大陆不愿意在这个事儿上被卡脖子了。有人这么说过，中国其实是一个伪装成国家的文明，除非你有本事直接卡断脖子，否则非常容易集中力量办大事，给你甩出一个京东方出来。台积电后续怎么发展，我们拭目以待2027年。

    3 芯片的制造流程

        我们扯了一堆台积电，那么台积电到底怎么用沙子把版图造成芯片的？这个流程的图我是从intel 《From Sand to Silicon》这篇文章里贴的。

    step1, 挖沙子，然后做成硅锭

        其中，硅要足够的纯，要9个9,99.9999999%纯度。我们为什么要用SI做芯片？也简单，硅是半导体，能做开关，世界上沙子也多，还容易提纯，与是就决定是它了。

    step2, 硅锭切成硅片

        将硅锭切成1mm左右一片片的wafer（晶圆）。晶圆尺寸有大有小，比如8inch, 12inch的晶圆，光刻的时候直接刻整个圆，然后切下来好多小芯片。

        硅片切好以后，需要在上面氧化一层二氧化硅，用来做栅极。我们来看看下面的剖面图，红色的就是二氧化硅。

    step3, 光刻

        这个步骤首先在硅片上抹上一层光刻胶，一般来讲光一照，光刻胶就溶解（正胶）。然后用做好的掩模mask来照射wafer。

        我们看上面这个剖面图，黄色的就是我们加入的光刻胶。黑色是我们根据版图制作出来的模板。然后用UV光去照，把光刻胶镂空。

    step4, 刻蚀与粒子注入

        这个步骤，我们用药水把oxide刻蚀了，然后把光刻胶洗掉，最后注入离子。

        我们看剖面图。f就是刻好的oxide. 然后在洞里注入离子，形成源极和漏极。至此我们的晶体管就造好了。

        此处要插播一个小知识。我们平时说的工艺制程，比如28nm, 14nm指的是晶体管栅极宽度，也就是导电沟道的长度，不是指的线宽，最小线宽一般比制程要粗了现在。我在图上标注了65nm指的是什么。

        在GDS版图上是这个距离，下面画了个非门的版图。

    step5 金属线制作

        这个步骤主要是上硅片上连上金属线。这个过程我们依旧看下面的剖面图比较清楚。

        看b图，首先在上面电镀一层金属，c图用光刻胶和掩膜版再刻蚀一遍得到d图，然后一层一层刻蚀叠加起来就行，层与层之间只有固定的通孔via用于连接。

    step6 硅片测试与切片

        接下来代工厂还要做几个事儿。

        第一件事儿是先检查一下晶圆和芯片是不是好的。主要包含了两个测试。

        WAT （Wafer Acceptance Test）, 这个主要是测试一下晶圆的电学特性是不是正常的。WAT测试电路代工厂在流片的时候就直接加入到晶圆里了，主要包括了各种晶体管参数比如阈值电压，漏电流，电阻，电容是不是正常的。WAT的测试向量是代工厂自己搞的。

        CP(Chip Probing）测试。WAT测试没问题以后，接下来进行CP测试，先用探针看看芯片是不是好的，有问题的芯片直接扔掉，免得浪费封装成本。一般会用到前面讲的DFT三把斧，sacn chain, JTAG, BIST。CP测试向量由设计商提供。如果CP不合格，直接标记出来，扔掉。

        CP测试完了以后，就把芯片按照划片槽切成一个个小的芯片，装盒。寄出来了。

    4 总结

        这篇文章我们一起回忆了一下台积电的往事，同时对芯片在代工厂的流程做了大概的讲解。实际上芯片的制作的工艺流程要复杂非常多，比如现在制程越来越小，光刻的时候量子隧穿效应非常严重，做出来模板肯定不是你想想的镂空的窗花，这里只是讲了最重要最基础的步骤。这篇文章的输入是设计的GDS, 输出是一个个芯片裸片。这些裸片没办法直接接到PCB上的，需要经过后续的封装和测试，才算是真正的芯片。

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