前言
在子類(lèi)專(zhuān)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。本文將淺談對(duì)模擬電路這門(mén)課的理解,希望能對(duì)大家有所幫助。
1.工程思想
如果說(shuō)到考試成績(jī),我的考試成績(jī)一般,并非什么高分;但如果說(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(lèi)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(xiàn)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(lèi)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(lèi)科學(xué)取得了很多成果,也充分證明了其可靠性。
2.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(huà)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(lèi)似三極管,所以常以三極管或運(yùn)放為主體進(jìn)行講解。
3.三極管與放大器
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(chēng)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(xiàn)變成了一條曲線(xiàn)。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)。
4.負(fù)反饋
于是一些非常厲害的人找到了好方法:負(fù)反饋。什么是負(fù)反饋呢?
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,我舉兩個(gè)例子。
1.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。
2.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(mǎn)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(chēng)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(chēng)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。
5.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(chēng)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(chēng)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。
6.運(yùn)放的虛短虛斷特性
通常運(yùn)放有兩個(gè)輸入端U+和U?,一個(gè)輸出端Uo,它們之間滿(mǎn)足
運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益A常常高達(dá)幾十萬(wàn)~幾百萬(wàn),但運(yùn)放的輸出電壓受電源電壓限制,不能超出電源電壓。于是運(yùn)放的輸入-輸出關(guān)系類(lèi)似下圖形狀。
圖中橫軸是
在中間那一段直線(xiàn)區(qū)域,運(yùn)放在正常放大狀態(tài),稱(chēng)為線(xiàn)性區(qū),滿(mǎn)足
Uo=A?(U+?U?)
而當(dāng)輸入的絕對(duì)值稍大一點(diǎn)時(shí),輸出就會(huì)受到電源限制,不再滿(mǎn)足上述關(guān)系式,Uo的值通常比電源電壓范圍略小(注意運(yùn)放可以用雙電源,即電源電壓范圍可以在一個(gè)負(fù)值和一個(gè)正值之間),稱(chēng)為非線(xiàn)性區(qū)。
軌對(duì)軌運(yùn)放的輸出可以達(dá)到電源電壓,有興趣可以自行在網(wǎng)上搜索學(xué)習(xí)。
當(dāng)運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí),Uo的值很有限,但是A很大,所以U+?U?=UoA≈0
即U+≈U?
此時(shí)運(yùn)放正負(fù)輸入端電壓幾乎相等,就像短路了一樣,稱(chēng)為虛短。所以只有當(dāng)運(yùn)放工作在放大區(qū)才會(huì)有“虛短”的特點(diǎn),而非運(yùn)放自身固有屬性。
另一方面,由于運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性,其輸入阻抗很大。
輸入阻抗可以簡(jiǎn)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(yùn)放輸入端只需很小的電流就能正常工作。正因?yàn)槿绱耍\(yùn)放才能用于一些微弱電流的檢測(cè),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(yùn)放這一特性被稱(chēng)為虛斷,也就是輸入端和斷路一樣,幾乎沒(méi)有電流流入。
與虛短不同,虛斷是運(yùn)放自身固有屬性,不會(huì)隨著電路的不同而改變。
7.運(yùn)放的非理想特性
運(yùn)放由三極管構(gòu)成,顯然和三極管一樣,也會(huì)有很多不理想的特性。前面講的都是理想運(yùn)放的特點(diǎn)。而實(shí)際運(yùn)放,它不會(huì)完全滿(mǎn)足虛短虛斷特性,正常工作時(shí)輸入端需要電流流入,這個(gè)電流便被稱(chēng)作輸入偏置電流。同樣運(yùn)放還有輸入偏置電壓、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等非理想參數(shù)。
這些非理想特性,比如輸入偏置電流雖然很小,但有時(shí)候卻會(huì)對(duì)電路造成很大影響,導(dǎo)致電路無(wú)法工作。因此則需要通過(guò)一些手段減小這些因素造成的影響。在實(shí)際應(yīng)用中,運(yùn)放的非理想特性是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。運(yùn)放非理想特性的消除有很多方法,這里不做介紹。
8.其他內(nèi)容
模電課程的核心就是三極管和運(yùn)放。圍繞這些器件,講解多種電路,包括:
●放大電路的計(jì)算分析、多級(jí)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(hào)運(yùn)算處理;
●濾波器;
●集成穩(wěn)壓電源電路等。
9.運(yùn)放和三極管的比較
在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí),運(yùn)放比三極管用的相對(duì)會(huì)多一些。因?yàn)檫\(yùn)放的很多特性比三極管要優(yōu)秀,電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,而且往往運(yùn)放的成本并不高。很多時(shí)候用三極管和運(yùn)放實(shí)現(xiàn)同樣的效果,使用運(yùn)放的成本反而更低。因?yàn)檫\(yùn)放是將大量晶體管集成在一塊的,平均每個(gè)晶體管的制造成本非常低。
例如一個(gè)常規(guī)音頻前級(jí)放大器,一個(gè)通用運(yùn)放就能搞定,成本可能是0.2元,而用三極管實(shí)現(xiàn)同樣的效果,可能需要10個(gè)甚至更多三極管,成本或許要0.5元,并且設(shè)計(jì)時(shí)所花費(fèi)的人力成本遠(yuǎn)比運(yùn)放方案高。
當(dāng)然三極管也有其優(yōu)勢(shì)。在一些非常簡(jiǎn)單的電路中,并不嚴(yán)格要求放大倍數(shù)的穩(wěn)定性,一兩個(gè)三極管就能完成任務(wù),往往會(huì)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(hào)發(fā)射電路),設(shè)計(jì)良好的三極管電路的性能會(huì)比運(yùn)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(shí)就需要使用三極管來(lái)搭建電路了。
10.結(jié)尾
模電課程的介紹到此為止。但是我想說(shuō)的是,模擬電路是一門(mén)非常復(fù)雜的學(xué)科,涉及的知識(shí)遠(yuǎn)不止書(shū)上的那些。書(shū)上都是按照工作原理大致介紹,簡(jiǎn)化了很多難以理解但實(shí)際中必須考慮的問(wèn)題,因此實(shí)際電路和書(shū)上的差距非常之大。比如模電書(shū)中用運(yùn)放搭建的三角波發(fā)生器,用于實(shí)際電路十有八九不能工作。不過(guò)實(shí)際電路的主要原理和書(shū)中描述是一致的。因此設(shè)計(jì)模擬電路往往需要大量的經(jīng)驗(yàn),有很多東西甚至難以解釋無(wú)法計(jì)算得出。
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模擬電路
+關(guān)注
關(guān)注
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原文標(biāo)題:一位高手對(duì)模擬電路課程的理解
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