工程是科學(xué)和數學(xué)的某種應用，通過(guò)這一應用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過(guò)各種結構、機器、產(chǎn)品、系統和過(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，程控直流電源電路設計工程師學(xué)的很多電路都是理想電路，導線(xiàn)電阻始終為0，變壓器的效率是100%，理想電壓表內阻無(wú)窮大，理想電流表內阻為0等。你可以發(fā)現，很多時(shí)候模擬電路中的計算會(huì )常常省略掉一兩個(gè)比較小的項，而且直接用等號而不是約等號。
為什么要用近似呢？說(shuō)白了就是人類(lèi)科學(xué)對自然的理解還不夠全面，無(wú)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(jià)太大。通過(guò)近似的手段，不僅對解決問(wèn)題沒(méi)有明顯的影響，而且大大簡(jiǎn)化了步驟，節約了時(shí)間和精力。運用這種思想，人類(lèi)科學(xué)取得了很多成果，也充分證明了其可靠性。
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概要
模電本身是一個(gè)非常復雜的學(xué)科，而模電課程只是其中最基礎的東西。模擬電路(Analog Circuit)的含義是處理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(shuō)話(huà)時(shí)的聲音信號。
模擬電路可以對這樣的信號直接處理(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(jìn)行發(fā)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)。其重要性不言而喻。
由于數字電路、可編程器件的迅速發(fā)展，體現了很多優(yōu)越特性。很多電子設備都慢慢數字化，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(chǎng)效應管和運算放大器。
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，穩壓管可進(jìn)行穩壓，變容二極管可用來(lái)進(jìn)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(jiǎn)單，而場(chǎng)效應管的很多特性類(lèi)似三極管，所以常以三極管或運放為主體進(jìn)行講解。
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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(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，又叫做增益。
對于一個(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)放大倍數為5的放大器，輸入恒定的1V電壓(波形如下左圖)，則輸出應該始終是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。但如果放大倍數不穩定，不斷變化，原先輸入的信號就會(huì )變形(如下右圖)，信號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，希望其放大倍數是恒定值。如果功放的放大倍數不穩定，聲音就會(huì )忽大忽小，波形變化還會(huì )導致聲音發(fā)生變化，即失真。
現實(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)，放大倍數不僅受輸入電壓、電源電壓影響，而且自身發(fā)熱導致溫度變化，也會(huì )影響它的放大倍數。
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，三極管很難應用到實(shí)際中來(lái)。
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負反饋
于是一些非常厲害的人找到了好方法：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產(chǎn)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(gè)例子。
玩倒立擺時(shí)，程控直流電源電路設計工程師用手支撐起一個(gè)倒立的木棍，當木棍往某個(gè)方向傾斜時(shí)，程控直流電源電路設計工程師通過(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。
高中的時(shí)候經(jīng)常月考，我發(fā)現有些同學(xué)有這樣的習慣：當一次成績(jì)考得比較差的時(shí)候，就會(huì )開(kāi)始好好學(xué)習，然后下次成績(jì)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(jì)又會(huì )降下來(lái)，如此周而復始。
這兩個(gè)例子都充分說(shuō)明，負反饋可以讓系統更穩定。
負反饋放大器
程控直流電源電路設計工程師忽略具體電路，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反饋的。
下面三角形表示一個(gè)三極管構成的放大器，放大倍數為 A，輸入為 I ，則輸出 O=A*I ，由于放大倍數A不穩定，所以輸出波形會(huì )有失真。
紫色的圓形是相加器，結合紫色的“+”、“-”符號，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；方框F是反饋器件，表示從輸出O取出信號，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)；三角形表示的放大器A，主要用三極管構成，滿(mǎn)足 O=A*Y ，且A的放大倍數不穩定，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：
如果設計電路讓放大倍數A非常大，同時(shí)F不至于很小，則
符號">>"表示遠大于，根據近似的思想，上述整個(gè)電路放大倍數：
由于反饋器件可由電阻實(shí)現，普通電阻的阻值不容易受外界干擾，因此F的值很穩定，于是整個(gè)電路的放大倍數就很穩定。程控直流電源電路設計工程師成功的通過(guò)負反饋解決了三極管的放大倍數穩定性問(wèn)題。
可以看到這里的反饋部分和放大部分構成了一個(gè)環(huán)形，所以將整個(gè)電路的放大倍數稱(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A稱(chēng)為開(kāi)環(huán)增益。由于是負反饋，雖然電路增益穩定性提高了，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)，為了穩定性，這樣做是值得的。
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運算放大器
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，往往要用多級三極管放大電路串聯(lián)的方式設計。
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)候直接當成一個(gè)元件用就行了，非常方便。這就是最初的運算放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)運放。
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算放大器。
“運算放大器”由于最初用于模擬計算機上進(jìn)行數學(xué)運算而得名。盡管現在廣泛使用的數字計算機不再用運放進(jìn)行計算操作，但名稱(chēng)還是保留了下來(lái)。而今天，運放在模擬電路中發(fā)揮著(zhù)十分重要的作用，也成為模電課程的重點(diǎn)之一。
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運放的虛短虛斷特性
通常運放有兩個(gè)輸入端U+和U?，一個(gè)輸出端Uo，它們之間滿(mǎn)足
運放開(kāi)環(huán)增益A常常高達幾十萬(wàn)~幾百萬(wàn)，但運放的輸出電壓受電源電壓限制，不能超出電源電壓。于是運放的輸入-輸出關(guān)系類(lèi)似下圖形狀。圖中橫軸是
縱軸是U。
在中間那一段直線(xiàn)區域，運放在正常放大狀態(tài)，稱(chēng)為線(xiàn)性區，滿(mǎn)足
Uo=A?(U+?U?)
而當輸入的絕對值稍大一點(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(注意運放可以用雙電源，即電源電壓范圍可以在一個(gè)負值和一個(gè)正值之間)，稱(chēng)為非線(xiàn)性區。
軌對軌運放的輸出可以達到電源電壓，有興趣可以自行在網(wǎng)上搜索學(xué)習。當運放工作在線(xiàn)性區時(shí)，Uo的值很有限，但是A很大，所以U+?U?=UoA≈0，即U+≈U?。
此時(shí)運放正負輸入端電壓幾乎相等，就像短路了一樣，稱(chēng)為虛短。所以只有當運放工作在放大區才會(huì )有“虛短”的特點(diǎn)，而非運放自身固有屬性。
另一方面，由于運放內部結構特性，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(zhù)運放輸入端只需很小的電流就能正常工作。正因為如此，運放才能用于一些微弱電流的檢測，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，虛斷是運放自身固有屬性，不會(huì )隨著(zhù)電路的不同而改變。
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運放的非理想特性
運放由三極管構成，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放的特點(diǎn)。
而實(shí)際運放，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。同樣運放還有輸入偏置電壓、輸入失調電壓、輸入失調電流等非理想參數。
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 )對電路造成很大影響，導致電路無(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)際應用中，運放的非理想特性是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。運放非理想特性的消除有很多方法，這里不做介紹。
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其他內容
模電課程的核心就是三極管和運放。圍繞這些器件，講解多種電路，包括：
放大電路的計算分析、多級放大電路、放大器的頻率特性、反饋的思想
功率放大電路
比較器、振蕩器、積分器、微分器、波形發(fā)生等
信號運算處理
濾波器
集成穩壓電源電路等
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運放和三極管的比較
在實(shí)際設計電路時(shí)，運放比三極管用的相對會(huì )多一些。因為運放的很多特性比三極管要優(yōu)秀，電路設計簡(jiǎn)單，而且往往運放的成本并不高。
很多時(shí)候用三極管和運放實(shí)現同樣的效果，使用運放的成本反而更低。因為運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)常規音頻前級放大器，一個(gè)通用運放就能搞定，成本可能是0.2元，而用三極管實(shí)現同樣的效果，可能需要10個(gè)甚至更多三極管，成本或許要0.5元，并且設計時(shí)所花費的人力成本遠比運放方案高。
當然三極管也有其優(yōu)勢。在一些非常簡(jiǎn)單的電路中，并不嚴格要求放大倍數的穩定性，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(例如射頻信號發(fā)射電路)，設計良好的三極管電路的性能會(huì )比運放效果好很多，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。
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結尾
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)非常復雜的學(xué)科，涉及的知識遠不止書(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。因此設計模擬電路往往需要大量的經(jīng)驗，有很多東西甚至難以解釋無(wú)法計算得出。
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