跟著大師一起學習模擬電路

　　紫色的圓形是相加器，結合紫色的“+”、“-”符號，表示其輸出 Y=(+I)+(-X)=I-X ，在實際電路中用電阻就可以實現(xiàn);

　　方框F是反饋器件，表示從輸出O取出信號，并將其與F相乘，得到 X ，所以 X=0*F ，這里 F<1 (這個部分在實際電路中可以用電阻實現(xiàn));

　　三角形表示的放大器A，主要用三極管構成，滿足 O=A*Y ，且A的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，很容易受干擾。

　　可以列出方程組：

　　解得整個電路的放大倍數(shù)：

　　如果設計電路讓放大倍數(shù)A非常大，同時F不至于很小，則

　　符號">>"表示遠大于

　　根據(jù)近似的思想，上述整個電路放大倍數(shù)：

　　由于反饋器件可由電阻實現(xiàn)，普通電阻的阻值不容易受外界干擾，因此F的值很穩(wěn)定，于是整個電路的放大倍數(shù)就很穩(wěn)定。我們成功的通過負反饋解決了三極管的放大倍數(shù)穩(wěn)定性問題。

　　可以看到這里的反饋部分和放大部分構成了一個環(huán)形，所以將整個電路的放大倍數(shù)稱為環(huán)路增益，或者閉環(huán)增益;而把增加反饋之前，電路的放大倍數(shù)A稱為開環(huán)增益。由于是負反饋，雖然電路增益穩(wěn)定性提高了，但也有代價：

　　由于

于是A>>1/F，即開環(huán)增益遠大于閉環(huán)增益，也就是放大器增益大大降低。但總的來說，為了穩(wěn)定性，這樣做是值得的。

　　5.運算放大器

　　在上面的電路中，為了實際制造出開環(huán)增益A很大的放大器，往往要用多級三極管放大電路串聯(lián)的方式設計。由于這種高增益放大器的需求很常見，于是歷史上有人就把它們做成一個成品電路板模塊，要用的時候直接當成一個元件用就行了，非常方便。這就是最初的運算放大器，簡稱運放。

　　集成電路的發(fā)展，使得大量晶體管元器件集成在一個小芯片上成為可能，于是就有了今天十分常用的集成運算放大器。

　　“運算放大器”由于最初用于模擬計算機上進行數(shù)學運算而得名。盡管現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字計算機不再用運放進行計算操作，但名稱還是保留了下來。而今天，運放在模擬電路中發(fā)揮著十分重要的作用，也成為模電課程的重點之一。

　　6.運放的虛短虛斷特性

　　通常運放有兩個輸入端U+和U?，一個輸出端Uo，它們之間滿足

　　運放開環(huán)增益A常常高達幾十萬~幾百萬，但運放的輸出電壓受電源電壓限制，不能超出電源電壓。于是運放的輸入-輸出關系類似下圖形狀。

　　圖中橫軸是

，縱軸是U。

　　在中間那一段直線區(qū)域，運放在正常放大狀態(tài)，稱為線性區(qū)，滿足

　　Uo=A?(U+?U?)

　　而當輸入的絕對值稍大一點時，輸出就會受到電源限制，不再滿足上述關系式，Uo的值通常比電源電壓范圍略小(注意運放可以用雙電源，即電源電壓范圍可以在一個負值和一個正值之間)，稱為非線性區(qū)。

　　軌對軌運放的輸出可以達到電源電壓，有興趣可以自行在網(wǎng)上搜索學習。

　　當運放工作在線性區(qū)時，Uo的值很有限，但是A很大，所以U+?U?=UoA≈0

　　即U+≈U?

　　此時運放正負輸入端電壓幾乎相等，就像短路了一樣，稱為虛短。所以只有當運放工作在放大區(qū)才會有“虛短”的特點，而非運放自身固有屬性。

　　另一方面，由于運放內部結構特性，其輸入阻抗很大。

　　輸入阻抗可以簡單理解為 輸入阻抗 = 輸入端電壓 / 輸入端電流

　　輸入阻抗大，意味著運放輸入端只需很小的電流就能正常工作。正因為如此，運放才能用于一些微弱電流的檢測，比如人體的腦電波、肌電波，其最高電壓值只有幾mV，電流值也非常小。

　　運放這一特性被稱為虛斷，也就是輸入端和斷路一樣，幾乎沒有電流流入。

　　與虛短不同，虛斷是運放自身固有屬性，不會隨著電路的不同而改變。

　7.運放的非理想特性

　　運放由三極管構成，顯然和三極管一樣，也會有很多不理想的特性。前面講的都是理想運放的特點。而實際運放，它不會完全滿足虛短虛斷特性，正常工作時輸入端需要電流流入，這個電流便被稱作輸入偏置電流。同樣運放還有輸入偏置電壓、輸入失調電壓、輸入失調電流等非理想?yún)?shù)。

　　這些非理想特性，比如輸入偏置電流雖然很小，但有時候卻會對電路造成很大影響，導致電路無法工作。因此則需要通過一些手段減小這些因素造成的影響。在實際應用中，運放的非理想特性是一個非常重要的問題。運放非理想特性的消除有很多方法，這里不做介紹。

　　8.其他內容

　　模電課程的核心就是三極管和運放。圍繞這些器件，講解多種電路，包括：

　　●放大電路的計算分析、多級放大電路、放大器的頻率特性、反饋的思想;

　　●功率放大電路;

　　●比較器、振蕩器、積分器、微分器、波形發(fā)生等;

　　●信號運算處理;

　　●濾波器;

　　●集成穩(wěn)壓電源電路等。

　　9.運放和三極管的比較

　　在實際設計電路時，運放比三極管用的相對會多一些。因為運放的很多特性比三極管要優(yōu)秀，電路設計簡單，而且往往運放的成本并不高。很多時候用三極管和運放實現(xiàn)同樣的效果，使用運放的成本反而更低。因為運放是將大量晶體管集成在一塊的，平均每個晶體管的制造成本非常低。

　　例如一個常規(guī)音頻前級放大器，一個通用運放就能搞定，成本可能是0.2元，而用三極管實現(xiàn)同樣的效果，可能需要10個甚至更多三極管，成本或許要0.5元，并且設計時所花費的人力成本遠比運放方案高。

　　當然三極管也有其優(yōu)勢。在一些非常簡單的電路中，并不嚴格要求放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，一兩個三極管就能完成任務，往往會用三極管以節(jié)省成本。另外在一些比較極端的條件下，比如工作在高頻率、大功率的環(huán)境下(例如射頻信號發(fā)射電路)，設計良好的三極管電路的性能會比運放效果好很多，或者成本低很多，甚至有些情況下只有直接使用晶體管才能完成，這時就需要使用三極管來搭建電路了。

　　10.結尾

　　模電課程的介紹到此為止。但是我想說的是，模擬電路是一門非常復雜的學科，涉及的知識遠不止書上的那些。書上都是按照工作原理大致介紹，簡化了很多難以理解但實際中必須考慮的問題，因此實際電路和書上的差距非常之大。比如模電書中用運放搭建的三角波發(fā)生器，用于實際電路十有八九不能工作。不過實際電路的主要原理和書中描述是一致的。因此設計模擬電路往往需要大量的經(jīng)驗，有很多東西甚至難以解釋無法計算得出。