趣解模擬電路課程_原來模電還是很緊要的

2021-04-24 ryder

在子類專業中，模擬電路是一門非常緊要，并且不少人覺得很難的一門課。這里我來說一說我對模擬電路這門課的理解，希望能對大家有所幫助。

1.工程思想

如果說到考試成就，我的考試成就一般，并非什么高分；但如果說到對模擬電路的理解和使用，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，同時最好能用于踐行，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使用，通過這一使用，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。于是工程的概念就萌生了，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，有個非常緊要的工程思想近似。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經常省略掉一兩個比較小的項，而且筆直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，不僅對處理問題沒有分明的影響，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，也充足證明了其可靠性。

2.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（AnalogCircuit）的含義是解決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筆直解決（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）。其緊要性不言而喻。

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。

目前模擬電路中最緊要的器件，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，如一般二極管可用于整流，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。

3.三極管與放大器

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），則輸出應當始終是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。

實際總是和理想相違背。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。這確實是讓很多工程師頭疼，如果不能找到有效的辦法，減少這一特性帶來的影響，三極管很難使用到實際中來。

4.負反饋

基本概念

于是一些非常厲害的人找到了好辦法：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萌生作用。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.高中的時候常常月考，我發現有些同學有這樣的習慣：當一次成就考得比較差的時候，就會開始好好學習，然后下次成就就上漲；而考得比較好時，接下來的一個月又會松懈，于是成就又會降下來，如此周而復始。

這兩個例子都充足說明，負反饋可以讓系統更穩定。

負反饋放大器

我們忽略詳盡電路，只畫一個簡單的框圖，來說明三極管放大電路是要怎么樣利用負反饋的。