干貨｜模電到底難在哪？帶你透徹理解模電

在電子類專業(yè)中，模擬電路是一門(mén)非常重要，并且不少人覺(jué)得很難的一門(mén)課。這里說(shuō)一說(shuō)對(duì)模擬電路這門(mén)課的理解，希望能對(duì)大家有所幫助。

工程思想

說(shuō)到對(duì)模擬電路的理解和應(yīng)用，倒是用模擬電路做過(guò)一些東西，也參加過(guò)一些競(jìng)賽。模擬電路是一門(mén)工程性質(zhì)的課程，學(xué)習(xí)它的重點(diǎn)在于掌握其中的工程思想，同時(shí)最好能用于實(shí)踐，而不只是為了做題考試。

何為工程思想呢？

百度百科的解釋是這樣的：

工程是科學(xué)和數(shù)學(xué)的某種應(yīng)用，通過(guò)這一應(yīng)用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過(guò)各種結(jié)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過(guò)程，是以最短的時(shí)間和精而少的人力做出高效、可靠且對(duì)人類有用的東西。于是工程的概念就產(chǎn)生了，并且它逐漸發(fā)展為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科和技藝。

例如在模擬電路中，有個(gè)非常重要的工程思想—近似。

中學(xué)物理課上，我們學(xué)的很多電路都是理想電路，導(dǎo)線電阻始終為0，變壓器的效率是100%，理想電壓表內(nèi)阻無(wú)窮大，理想電流表內(nèi)阻為0等。

你可以發(fā)現(xiàn)，很多時(shí)候模擬電路中的計(jì)算會(huì)常常省略掉一兩個(gè)比較小的項(xiàng)，而且直接用等號(hào)而不是約等號(hào)。

為什么要用近似呢？說(shuō)白了就是人類科學(xué)對(duì)自然的理解還不夠全面，無(wú)法絕對(duì)精確的描述自然現(xiàn)象；或者是人的理解力有限，精確描述代價(jià)太大。

通過(guò)近似的手段，不僅對(duì)解決問(wèn)題沒(méi)有明顯的影響，而且大大簡(jiǎn)化了步驟，節(jié)約了時(shí)間和精力。運(yùn)用這種思想，人類科學(xué)取得了很多成果，也充分證明了其可靠性。

概要

模電本身是一個(gè)非常復(fù)雜的學(xué)科，而模電課程只是其中最基礎(chǔ)的東西。模擬電路（Analog Circuit）的含義是處理模擬信號(hào)的電子電路。

自然界中絕大多數(shù)信號(hào)都是模擬信號(hào)，它們有連續(xù)的幅度值，比如說(shuō)話時(shí)的聲音信號(hào)。模擬電路可以對(duì)這樣的信號(hào)直接處理（當(dāng)然需要先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)），比如功放能放大聲音信號(hào)，廣播電臺(tái)能將模擬的聲音信號(hào)、圖像信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。

甚至可以認(rèn)為，所有電路的基礎(chǔ)都是模擬電路（即使是數(shù)字電路，其底層原理也是基于模擬電路的）。其重要性不言而喻。

由于數(shù)字電路、可編程器件的迅速發(fā)展，體現(xiàn)了很多優(yōu)越特性。很多電子設(shè)備都慢慢數(shù)字化，但始終還是離不開(kāi)模擬電路。

目前模擬電路中最重要的器件，則非半導(dǎo)體器件莫屬。最基本和常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和運(yùn)算放大器。

二極管的作用很多，如普通二極管可用于整流，發(fā)光二極管可用于指示燈和照明，穩(wěn)壓管可進(jìn)行穩(wěn)壓，變?nèi)荻O管可用來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制等。模電課程中，涉及到二極管的部分相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而場(chǎng)效應(yīng)管的很多特性類似三極管，所以常以三極管或運(yùn)放為主體進(jìn)行講解。

三極管與放大器

三極管的基本功能是放大，通過(guò)這一特性，三極管構(gòu)成各種電路，體現(xiàn)出了很多工程思想。

三極管基本電路就是放大器，例如功放就是一個(gè)放大器，輸入的聲音很小，輸出的聲音卻很大。放大器的輸出和輸入電壓（或電流）之比稱為放大倍數(shù)，又叫做增益。

對(duì)于一個(gè)電壓來(lái)說(shuō)，如果以時(shí)間為橫軸、電壓為縱軸作圖，這個(gè)圖形則為這個(gè)電壓的波形。

如果一個(gè)放大倍數(shù)為5的放大器，輸入恒定的1V電壓（波形如下左圖），則輸出應(yīng)該始終是5V（波形如下中圖），既不會(huì)隨時(shí)間改變，也不會(huì)隨溫度而變化，輸出和輸入的電壓形狀完全一樣。

但如果放大倍數(shù)不穩(wěn)定，不斷變化，原先輸入的信號(hào)就會(huì)變形（如下右圖），信號(hào)可能由一條水平直線變成了一條曲線。這種波形變化叫做失真。

一個(gè)理想的放大器，希望其放大倍數(shù)是恒定值。如果功放的放大倍數(shù)不穩(wěn)定，聲音就會(huì)忽大忽小，波形變化還會(huì)導(dǎo)致聲音發(fā)生變化，即失真。

現(xiàn)實(shí)總是和理想相違背。很不幸，三極管的特性并不理想，它在放大電路中工作時(shí)，放大倍數(shù)不僅受輸入電壓、電源電壓影響，而且自身發(fā)熱導(dǎo)致溫度變化，也會(huì)影響它的放大倍數(shù)。

這實(shí)在是讓很多工程師頭疼，如果不能找到有效的方法，減少這一特性帶來(lái)的影響，三極管很難應(yīng)用到實(shí)際中來(lái)。

負(fù)反饋

反饋是指將系統(tǒng)的輸出又返回到輸入端而影響輸入，從而對(duì)系統(tǒng)整體輸出產(chǎn)生作用。反饋可分為正反饋和負(fù)反饋。負(fù)反饋是使輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出趨于穩(wěn)定。

上面的解釋不好理解，舉兩個(gè)例子。

· 玩倒立擺時(shí)，我們用手支撐起一個(gè)倒立的木棍，當(dāng)木棍往某個(gè)方向傾斜時(shí)，我們通過(guò)將手移動(dòng)到木棍傾斜的方向來(lái)抵消這種變化，使得木棍能在手上平衡。

· 高中的時(shí)候經(jīng)常月考，我發(fā)現(xiàn)有些同學(xué)有這樣的習(xí)慣：當(dāng)一次成績(jī)考得比較差的時(shí)候，就會(huì)開(kāi)始好好學(xué)習(xí)，然后下次成績(jī)就上漲；而考得比較好時(shí)，接下來(lái)的一個(gè)月又會(huì)松懈，于是成績(jī)又會(huì)降下來(lái)，如此周而復(fù)始。

這兩個(gè)例子都充分說(shuō)明，負(fù)反饋可以讓系統(tǒng)更穩(wěn)定。

負(fù)反饋放大器

我們忽略具體電路，只畫(huà)一個(gè)簡(jiǎn)單的框圖，來(lái)說(shuō)明三極管放大電路是如何利用負(fù)反饋的。

下面三角形表示一個(gè)三極管構(gòu)成的放大器，放大倍數(shù)為 A，輸入為 I ，則輸出 O=A*I ，由于放大倍數(shù)A不穩(wěn)定，所以輸出波形會(huì)有失真。

在電路中添加了一些器件如下。

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

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

三角形表示的放大器A，主要用三極管構(gòu)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(gè)電路的放大倍數(shù)：

如果設(shè)計(jì)電路讓放大倍數(shù)A非常大，同時(shí)F不至于很小，則

符號(hào)">>"表示遠(yuǎn)大于

根據(jù)近似的思想，上述整個(gè)電路放大倍數(shù)：

由于反饋器件可由電阻實(shí)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(gè)電路的放大倍數(shù)就很穩(wěn)定。我們成功的通過(guò)負(fù)反饋解決了三極管的放大倍數(shù)穩(wěn)定性問(wèn)題。

可以看到這里的反饋部分和放大部分構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形，所以將整個(gè)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(kāi)環(huán)增益。由于是負(fù)反饋，雖然電路增益穩(wěn)定性提高了，但也有代價(jià)：

由于

于是       A>>1/F

即開(kāi)環(huán)增益遠(yuǎn)大于閉環(huán)增益，也就是放大器增益大大降低。但總的來(lái)說(shuō)，為了穩(wěn)定性，這樣做是值得的。

運(yùn)算放大器

在上面的電路中，為了實(shí)際制造出開(kāi)環(huán)增益A很大的放大器，往往要用多級(jí)三極管放大電路串聯(lián)的方式設(shè)計(jì)。

由于這種高增益放大器的需求很常見(jiàn)，于是歷史上有人就把它們做成一個(gè)成品電路板模塊，要用的時(shí)候直接當(dāng)成一個(gè)元件用就行了，非常方便。

這就是最初的運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱運(yùn)放。

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

“運(yùn)算放大器”由于最初用于模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算而得名。盡管現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字計(jì)算機(jī)不再用運(yùn)放進(jìn)行計(jì)算操作，但名稱還是保留了下來(lái)。

而今天，運(yùn)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(diǎn)之一。

運(yùn)算的虛短虛斷特性