電子發燒友App
在電子類專業中，模擬電路是一門非常重要，并且不少人覺得很難的一門課。這里說一說對模擬電路這門課的理解，希望能對大家有所幫助。
01?工程思想
說到對模擬電路的理解和應用，倒是用模擬電路做過一些東西，也參加過一些競賽。模擬電路是一門工程性質的課程，學習它的重點在于掌握其中的工程思想，同時最好能用于實踐，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：
工程是科學和數學的某種應用，通過這一應用，使自然界的物質和能源的特性能夠通過各種結構、機器、產品、系統和過程，是以最短的時間和精而少的人力做出高效、可靠且對人類有用的東西。于是工程的概念就產生了，并且它逐漸發展為一門獨立的學科和技藝。
例如在模擬電路中，有個非常重要的工程思想—近似。
中學物理課上，我們學的很多電路都是理想電路，導線電阻始終為0，變壓器的效率是100%，理想電壓表內阻無窮大，理想電流表內阻為0等。
你可以發現，很多時候模擬電路中的計算會常常省略掉一兩個比較小的項，而且直接用等號而不是約等號。
為什么要用近似呢？說白了就是人類科學對自然的理解還不夠全面，無法絕對精確的描述自然現象；或者是人的理解力有限，精確描述代價太大。
通過近似的手段，不僅對解決問題沒有明顯的影響，而且大大簡化了步驟，節約了時間和精力。運用這種思想，人類科學取得了很多成果，也充分證明了其可靠性。
02?概要
模電本身是一個非常復雜的學科，而模電課程只是其中最基礎的東西。模擬電路（Analog Circuit）的含義是處理模擬信號的電子電路。
自然界中絕大多數信號都是模擬信號，它們有連續的幅度值，比如說話時的聲音信號。模擬電路可以對這樣的信號直接處理（當然需要先轉換成電信號），比如功放能放大聲音信號，廣播電臺能將模擬的聲音信號、圖像信號進行發送。
甚至可以認為，所有電路的基礎都是模擬電路（即使是數字電路，其底層原理也是基于模擬電路的）。其重要性不言而喻。
由于數字電路、可編程器件的迅速發展，體現了很多優越特性。很多電子設備都慢慢數字化，但始終還是離不開模擬電路。
目前模擬電路中最重要的器件，則非半導體器件莫屬。最基本和常用的半導體器件有二極管、三極管、場效應管和運算放大器。
二極管的作用很多，如普通二極管可用于整流，發光二極管可用于指示燈和照明，穩壓管可進行穩壓，變容二極管可用來進行信號調制等。模電課程中，涉及到二極管的部分相對比較簡單，而場效應管的很多特性類似三極管，所以常以三極管或運放為主體進行講解。
03?三極管與放大器
三極管的基本功能是放大，通過這一特性，三極管構成各種電路，體現出了很多工程思想。
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，又叫做增益。
對于一個電壓來說，如果以時間為橫軸、電壓為縱軸作圖，這個圖形則為這個電壓的波形。
如果一個放大倍數為5的放大器，輸入恒定的1V電壓（波形如下左圖），則輸出應該始終是5V（波形如下中圖），既不會隨時間改變，也不會隨溫度而變化，輸出和輸入的電壓形狀完全一樣。
但如果放大倍數不穩定，不斷變化，原先輸入的信號就會變形（如下右圖），信號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。
一個理想的放大器，希望其放大倍數是恒定值。如果功放的放大倍數不穩定，聲音就會忽大忽小，波形變化還會導致聲音發生變化，即失真。
現實總是和理想相違背。很不幸，三極管的特性并不理想，它在放大電路中工作時，放大倍數不僅受輸入電壓、電源電壓影響，而且自身發熱導致溫度變化，也會影響它的放大倍數。
這實在是讓很多工程師頭疼，如果不能找到有效的方法，減少這一特性帶來的影響，三極管很難應用到實際中來。
04負反饋
負反饋。什么是負反饋呢？
反饋是指將系統的輸出又返回到輸入端而影響輸入，從而對系統整體輸出產生作用。反饋可分為正反饋和負反饋。負反饋是使輸出起到與輸入相反的作用，使系統輸出趨于穩定。
上面的解釋不好理解，我舉兩個例子。
1. ?玩倒立擺時，我們用手支撐起一個倒立的木棍，當木棍往某個方向傾斜時，我們通過將手移動到木棍傾斜的方向來抵消這種變化，使得木棍能在手上平衡。
2. ?高中的時候經常月考，我發現有些同學有這樣的習慣：當一次成績考得比較差的時候，就會開始好好學習，然后下次成績就上漲；而考得比較好時，接下來的一個月又會松懈，于是成績又會降下來，如此周而復始。
這兩個例子都充分說明，負反饋可以讓系統更穩定。
負反饋放大器
我們忽略具體電路，只畫一個簡單的框圖，來說明三極管放大電路是如何利用負反饋的。
下面三角形表示一個三極管構成的放大器，放大倍數為 A，輸入為 I ，則輸出 O=A*I ，由于放大倍數A不穩定，所以輸出波形會有失真。
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；
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）；
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的放大倍數不穩定，很容易受干擾。
?
可以列出方程組：
解得整個電路的放大倍數：
如果設計電路讓放大倍數A非常大，同時F不至于很小，則
符號">>"表示遠大于
根據近似的思想，上述整個電路放大倍數：
由于反饋器件可由電阻實現，普通電阻的阻值不容易受外界干擾，因此F的值很穩定，于是整個電路的放大倍數就很穩定。我們成功的通過負反饋解決了三極管的放大倍數穩定性問題。
可以看到這里的反饋部分和放大部分構成了一個環形，所以將整個電路的放大倍數稱為環路增益，或者閉環增益；而把增加反饋之前，電路的放大倍數A稱為開環增益。由于是負反饋，雖然電路增益穩定性提高了，但也有代價：
由于
于是?????? A>>1/F
即開環增益遠大于閉環增益，也就是放大器增益大大降低。但總的來說，為了穩定性，這樣做是值得的。
05?運算放大器
在上面的電路中，為了實際制造出開環增益A很大的放大器，往往要用多級三極管放大電路串聯的方式設計。
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學運算而得名。盡管現在廣泛使用的數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揮著十分重要的作用，也成為模電課程的重點之一。
06?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域，運放在正常放大狀態，稱為線性區，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。
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上搜索學習。
當運放工作在線性區時，Uo的值很有限，但是A很大，所以U+?U?=Uo/A≈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。
07?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參數。
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。
08?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；
● 信號運算處理；
● 濾波器；
● 集成穩壓電源電路等。
09?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勢。在一些非常簡單的電路中，并不嚴格要求放大倍數的穩定性，一兩個三極管就能完成任務，往往會用三極管以節省成本。
另外在一些比較極端的條件下，比如工作在高頻率、大功率的環境下（例如射頻信號發射電路），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。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
評論