模电这门课的一些核心思想和知识点

sunsili

模电这门课的一些核心思想和知识点

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。这里说一说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

何为工程思想呢？

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。

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

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，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=A*I ，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=0*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。

可以列出方程组：

解得整个电路的放大倍数：

如果设计电路让放大倍数A非常大，同时F不至于很小，则

符号">>"表示远大于

根据近似的思想，上述整个电路放大倍数：

由于反馈器件可由电阻实现，普通电阻的阻值不容易受外界干扰，因此F的值很稳定，于是整个电路的放大倍数就很稳定。我们成功的通过负反馈解决了三极管的放大倍数稳定性问题。

可以看到这里的反馈部分和放大部分构成了一个环形，所以将整个电路的放大倍数称为环路增益，或者闭环增益；而把增加反馈之前，电路的放大倍数A称为开环增益。由于是负反馈，虽然电路增益稳定性提高了，但也有代价：

由于AF>>1，于是A>>1/F

即开环增益远大于闭环增益，也就是放大器增益大大降低。但总的来说，为了稳定性，这样做是值得的。

运算放大器

在上面的电路中，为了实际制造出开环增益A很大的放大器，往往要用多级三极管放大电路串联的方式设计。

由于这种高增益放大器的需求很常见，于是历史上有人就把它们做成一个成品电路板模块，要用的时候直接当成一个元件用就行了，非常方便。

这就是最初的运算放大器，简称运放。

集成电路的发展，使得大量晶体管元器件集成在一个小芯片上成为可能，于是就有了今天十分常用的集成运算放大器。

“运算放大器”由于最初用于模拟计算机上进行数学运算而得名。尽管现在广泛使用的数字计算机不再用运放进行计算操作，但名称还是保留了下来。

而今天，运放在模拟电路中发挥着十分重要的作用，也成为模电课程的重点之一。

运放的非理想特性

运放由三极管构成，显然和三极管一样，也会有很多不理想的特性。前面讲的都是理想运放的特点。

而实际运放，它不会完全满足虚短虚断特性，正常工作时输入端需要电流流入，这个电流便被称作输入偏置电流。同样运放还有输入偏置电压、输入失调电压、输入失调电流等非理想参数。

这些非理想特性，比如输入偏置电流虽然很小，但有时候却会对电路造成很大影响，导致电路无法工作。

因此则需要通过一些手段减小这些因素造成的影响。在实际应用中，运放的非理想特性是一个非常重要的问题。运放非理想特性的消除有很多方法，这里不做介绍。

其他内容

模电课程的核心就是三极管和运放。围绕这些器件，讲解多种电路，包括：

• 放大电路的计算分析、多级放大电路、放大器的频率特性、反馈的思想；
• 功率放大电路；
• 比较器、振荡器、积分器、微分器、波形发生等；
• 信号运算处理；
• 滤波器；
• 集成稳压电源电路等。
  
  

运放和三极管的比较

在实际设计电路时，运放比三极管用的相对会多一些。因为运放的很多特性比三极管要优秀，电路设计简单，而且往往运放的成本并不高。

很多时候用三极管和运放实现同样的效果，使用运放的成本反而更低。因为运放是将大量晶体管集成在一块的，平均每个晶体管的制造成本非常低。

例如一个常规音频前级放大器，一个通用运放就能搞定，成本可能是0.2元，而用三极管实现同样的效果，可能需要10个甚至更多三极管，成本或许要0.5元，并且设计时所花费的人力成本远比运放方案高。

当然三极管也有其优势。在一些非常简单的电路中，并不严格要求放大倍数的稳定性，一两个三极管就能完成任务，往往会用三极管以节省成本。

另外在一些比较极端的条件下，比如工作在高频率、大功率的环境下（例如射频信号发射电路），设计良好的三极管电路的性能会比运放效果好很多，或者成本低很多，甚至有些情况下只有直接使用晶体管才能完成，这时就需要使用三极管来搭建电路了。