深度解读模拟电路

　　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，无法的描述自然现象;或者是人的理解力有限，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。
　　目前模拟电路中重要的器件，则非半导体器件莫属。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。
　　1.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。
　　2.高中的时候经常月考，我发现有些同学有这样的习惯：当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

　　于是
　　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。
　　运放的虚短虚断特性
　　通常运放有两个输入端U+和U?，一个输出端Uo，它们之间满足运放开环增益A常常高达几十万~几百万，但运放的输出电压受电源电压限制，不能超出电源电压。于是运放的输入-输出关系类似下图形状。

　　纵轴是U。

　　在中间那一段直线区域，运放在正常放大状态，称为线性区，满足 Uo=A?(U+?U?)而当输入的稍大一点时，输出就会受到电源限制，不再满足上述关系式，Uo的值通常比电源电压范围略小(注意运放可以用双电源，即电源电压范围可以在一个负值和一个正值之间)，称为非线性区。
　　轨对轨运放的输出可以达到电源电压，有兴趣可以自行在网上搜索学习。
　　当运放工作在线性区时，Uo的值很有限，但是A很大，所以U+?U?=UoA≈0即U+≈U?
　　此时运放正负输入端电压几乎相等，就像短路了一样，称为虚短。所以只有当运放工作在放大区才会有“虚短”的特点，而非运放自身固有属性。
　　另一方面，由于运放内部结构特性，其输入阻抗很大。
　　输入阻抗可以简单理解为 输入阻抗 = 输入端电压 / 输入端电流输入阻抗大，意味着运放输入端只需很小的电流就能正常工作。正因为如此，运放才能用于一些微弱电流的检测，比如人体的脑电波、肌电波，其电压值只有几mV，电流值也非常小。
　　运放这一特性被称为虚断，也就是输入端和断路一样，几乎没有电流流入。
　　与虚短不同，虚断是运放自身固有属性，不会随着电路的不同而改变。
　　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，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。
　　结尾
　　模电课程的介绍到此为止。但是我想说的是，模拟电路是一门非常复杂的学科，涉及的知识远不止书上的那些。书上都是按照工作原理大致介绍，简化了很多难以理解但实际中必须考虑的问题，因此实际电路和书上的差距非常之大。比如模电书中用运放搭建的三角波发生器，用于实际电路十有八九不能工作。不过实际电路的主要原理和书中描述是一致的。因此设计模拟电路往往需要大量的经验，有很多东西甚至难以解释无法计算得出。