模拟电路设计，有那么简单吗？

在电子类专业中，模拟电路是一门非常重要，并且不少人觉得很难的一门课。这里我来说一说我对模拟电路这门课的理解，希望能对大家有所帮助。


工程思想


如果说到考试成绩，我的考试成绩一般，并非什么高分；但如果说到对模拟电路的理解和应用，倒是用模拟电路做过一些东西，也参加过一些竞赛。模拟电路是一门工程性质的课程，学习它的重点在于掌握其中的工程思想，同时最好能用于实践，而不只是为了做题考试。


何为工程思想呢？百度百科的解释是这样的：


“工程是科学和数学的某种应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程，是以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。于是工程的概念就产生了，并且它逐渐发展为一门独立的学科和技艺。”


例如在模拟电路中，有个非常重要的工程思想——近似。中学物理课上，我们学的很多电路都是理想电路，导线电阻始终为0，变压器的效率是100%，理想电压表内阻无穷大，理想电流表内阻为0等。你可以发现，很多时候模拟电路中的计算会常常省略掉一两个比较小的项，而且直接用等号而不是约等号。


为什么要用近似呢？说白了就是人类科学对自然的理解还不够全面，无法绝对精确的描述自然现象；或者是人的理解力有限，精确描述代价太大。通过近似的手段，不仅对解决问题没有明显的影响，而且大大简化了步骤，节约了时间和精力。运用这种思想，人类科学取得了很多成果，也充分证明了其可靠性。


概要


模电本身是一个非常复杂的学科，而模电课程只是其中最基础的东西。模拟电路（Analog Circuit）的含义是处理模拟信号的电子电路。自然界中绝大多数信号都是模拟信号，它们有连续的幅度值，比如说话时的声音信号。模拟电路可以对这样的信号直接处理（当然需要先转换成电信号），比如功放能放大声音信号，广播电台能将模拟的声音信号、图像信号进行发送。甚至可以认为，所有电路的基础都是模拟电路（即使是数字电路，其底层原理也是基于模拟电路的）。其重要性不言而喻。


由于数字电路、可编程器件的迅速发展，体现了很多优越特性。很多电子设备都慢慢数字化，但始终还是离不开模拟电路。


目前模拟电路中最重要的器件，则非半导体器件莫属。最基本和常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应管和运算放大器。


二极管的作用很多，如普通二极管可用于整流，发光二极管可用于指示灯和照明，稳压管可进行稳压，变容二极管可用来进行信号调制等。模电课程中，涉及到二极管的部分相对比较简单，而场效应管的很多特性类似三极管，所以常以三极管或运放为主体进行讲解。


三极管与放大器


三极管的基本功能是放大，通过这一特性，三极管构成各种电路，体现出了很多工程思想。


三极管基本电路就是放大器，例如功放就是一个放大器，输入的声音很小，输出的声音却很大。放大器的输出和输入电压（或电流）之比称为放大倍数，又叫做增益。


对于一个电压来说，如果以时间为横轴、电压为纵轴作图，这个图形则为这个电压的波形。


如果一个放大倍数为5的放大器，输入恒定的1V电压（波形如下左图），则输出应该始终是5V（波形如下中图），既不会随时间改变，也不会随温度而变化，输出和输入的电压形状完全一样。但如果放大倍数不稳定，不断变化，原先输入的信号就会变形（如下右图），信号可能由一条水平直线变成了一条曲线。这种波形变化叫做失真。




一个理想的放大器，希望其放大倍数是恒定值。如果功放的放大倍数不稳定，声音就会忽大忽小，波形变化还会导致声音发生变化，即失真。


现实总是和理想相违背。很不幸，三极管的特性并不理想，它在放大电路中工作时，放大倍数不仅受输入电压、电源电压影响，而且自身发热导致温度变化，也会影响它的放大倍数。这实在是让很多工程师头疼，如果不能找到有效的方法，减少这一特性带来的影响，三极管很难应用到实际中来。


负反馈


基本概念


于是一些非常厉害的人找到了好方法：负反馈。什么是负反馈呢？


“反馈是指将系统的输出又返回到输入端而影响输入，从而对系统整体输出产生作用。反馈可分为正反馈和负反馈。负反馈是使输出起到与输入相反的作用，使系统输出趋于稳定。”


上面的解释不好理解，我举两个例子。


玩倒立摆时，我们用手支撑起一个倒立的木棍，当木棍往某个方向倾斜时，我们通过将手移动到木棍倾斜的方向来抵消这种变化，使得木棍能在手上平衡。


高中的时候经常月考，我发现有些同学有这样的习惯：当一次成绩考得比较差的时候，就会开始好好学习，然后下次成绩就上涨；而考得比较好时，接下来的一个月又会松懈，于是成绩又会降下来，如此周而复始。


这两个例子都充分说明，负反馈可以让系统更稳定。


负反馈放大器


我们忽略具体电路，只画一个简单的框图，来说明三极管放大电路是如何利用负反馈的。


下面三角形表示一个三极管构成的放大器，放大倍数为A，输入为I，则输出O=I∗A，由于放大倍数A不稳定，所以输出波形会有失真。




在电路中添加了一些器件如下。


紫色的圆形是相加器，结合紫色的“+”、“-”符号，表示其输出Y=（+I）+（−X）=I−X，在实际电路中用电阻就可以实现；


方框F是反馈器件，表示从输出O取出信号，并将其与F相乘，得到X，所以X=O∗F，这里F<1（这个部分在实际电路中可以用电阻实现）；


三角形表示的放大器A，主要用三极管构成，满足O=A∗Y，且A的放大倍数不稳定，很容易受干扰。

学这个又不挣钱！