干貨|模電到底難在哪?帶你透徹理解模電
在電子類專業(yè)中,模擬電路是一門非常重要,并且不少人覺得很難的一門課。這里說一說對模擬電路這門課的理解,希望能對大家有所幫助。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202304/445797.htm工程思想
說到對模擬電路的理解和應(yīng)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(zhì)的課程,學習它的重點在于掌握其中的工程思想,同時最好能用于實踐,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(shù)學的某種應(yīng)用,通過這一應(yīng)用,使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過各種結(jié)構(gòu)、機器、產(chǎn)品、系統(tǒng)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。于是工程的概念就產(chǎn)生了,并且它逐漸發(fā)展為一門獨立的學科和技藝。
例如在模擬電路中,有個非常重要的工程思想—近似。
中學物理課上,我們學的很多電路都是理想電路,導(dǎo)線電阻始終為0,變壓器的效率是100%,理想電壓表內(nèi)阻無窮大,理想電流表內(nèi)阻為0等。
你可以發(fā)現(xiàn),很多時候模擬電路中的計算會常常省略掉一兩個比較小的項,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(xiàn)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,不僅對解決問題沒有明顯的影響,而且大大簡化了步驟,節(jié)約了時間和精力。運用這種思想,人類科學取得了很多成果,也充分證明了其可靠性。
概要
模電本身是一個非常復(fù)雜的學科,而模電課程只是其中最基礎(chǔ)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(shù)信號都是模擬信號,它們有連續(xù)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直接處理(當然需要先轉(zhuǎn)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(fā)送。
甚至可以認為,所有電路的基礎(chǔ)都是模擬電路(即使是數(shù)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(shù)字電路、可編程器件的迅速發(fā)展,體現(xiàn)了很多優(yōu)越特性。很多電子設(shè)備都慢慢數(shù)字化,但始終還是離不開模擬電路。
目前模擬電路中最重要的器件,則非半導(dǎo)體器件莫屬。最基本和常用的半導(dǎo)體器件有二極管、三極管、場效應(yīng)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(wěn)壓管可進行穩(wěn)壓,變?nèi)荻O管可用來進行信號調(diào)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(yīng)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。
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(gòu)成各種電路,體現(xiàn)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(shù),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(shù)為5的放大器,輸入恒定的1V電壓(波形如下左圖),則輸出應(yīng)該始終是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(shù)不穩(wěn)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(shù)是恒定值。如果功放的放大倍數(shù)不穩(wěn)定,聲音就會忽大忽小,波形變化還會導(dǎo)致聲音發(fā)生變化,即失真。
現(xiàn)實總是和理想相違背。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(shù)不僅受輸入電壓、電源電壓影響,而且自身發(fā)熱導(dǎo)致溫度變化,也會影響它的放大倍數(shù)。
這實在是讓很多工程師頭疼,如果不能找到有效的方法,減少這一特性帶來的影響,三極管很難應(yīng)用到實際中來。
負反饋
反饋是指將系統(tǒng)的輸出又返回到輸入端而影響輸入,從而對系統(tǒng)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(tǒng)輸出趨于穩(wěn)定。
上面的解釋不好理解,舉兩個例子。
· 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。
· 高中的時候經(jīng)常月考,我發(fā)現(xiàn)有些同學有這樣的習慣:當一次成績考得比較差的時候,就會開始好好學習,然后下次成績就上漲;而考得比較好時,接下來的一個月又會松懈,于是成績又會降下來,如此周而復(fù)始。
這兩個例子都充分說明,負反饋可以讓系統(tǒng)更穩(wěn)定。
負反饋放大器
我們忽略具體電路,只畫一個簡單的框圖,來說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三極管構(gòu)成的放大器,放大倍數(shù)為 A,輸入為 I ,則輸出 O=A*I ,由于放大倍數(shù)A不穩(wěn)定,所以輸出波形會有失真。
在電路中添加了一些器件如下。
紫色的圓形是相加器,結(jié)合紫色的“+”、“-”符號,表示其輸出 Y=(+I)+(-X)=I-X ,在實際電路中用電阻就可以實現(xiàn);
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 (這個部分在實際電路中可以用電阻實現(xiàn));
三角形表示的放大器A,主要用三極管構(gòu)成,滿足 O=A*Y ,且A的放大倍數(shù)不穩(wěn)定,很容易受干擾。
可以列出方程組:
解得整個電路的放大倍數(shù):
如果設(shè)計電路讓放大倍數(shù)A非常大,同時F不至于很小,則
符號">>"表示遠大于
根據(jù)近似的思想,上述整個電路放大倍數(shù):
由于反饋器件可由電阻實現(xiàn),普通電阻的阻值不容易受外界干擾,因此F的值很穩(wěn)定,于是整個電路的放大倍數(shù)就很穩(wěn)定。我們成功的通過負反饋解決了三極管的放大倍數(shù)穩(wěn)定性問題。
可以看到這里的反饋部分和放大部分構(gòu)成了一個環(huán)形,所以將整個電路的放大倍數(shù)稱為環(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(shù)A稱為開環(huán)增益。由于是負反饋,雖然電路增益穩(wěn)定性提高了,但也有代價:
由于
于是 A>>1/F
即開環(huán)增益遠大于閉環(huán)增益,也就是放大器增益大大降低。但總的來說,為了穩(wěn)定性,這樣做是值得的。
運算放大器
在上面的電路中,為了實際制造出開環(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(shè)計。
由于這種高增益放大器的需求很常見,于是歷史上有人就把它們做成一個成品電路板模塊,要用的時候直接當成一個元件用就行了,非常方便。
這就是最初的運算放大器,簡稱運放。
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行數(shù)學運算而得名。盡管現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字計算機不再用運放進行計算操作,但名稱還是保留了下來。
而今天,運放在模擬電路中發(fā)揮著十分重要的作用,也成為模電課程的重點之一。
運算的虛短虛斷特性
通常運放有兩個輸入端U+和U?,一個輸出端Uo,它們之間滿足
運放開環(huán)增益A常常高達幾十萬~幾百萬,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)系類似下圖形狀。
圖中橫軸是,縱軸是U。
在中間那一段直線區(qū)域,運放在正常放大狀態(tài),稱為線性區(qū),滿足Uo=A?(U+?U?)。
而當輸入的絕對值稍大一點時,輸出就會受到電源限制,不再滿足上述關(guān)系式,Uo的值通常比電源電壓范圍略?。ㄗ⒁膺\放可以用雙電源,即電源電壓范圍可以在一個負值和一個正值之間),稱為非線性區(qū)。
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)上搜索學習。
當運放工作在線性區(qū)時,Uo的值很有限,但是A很大,所以U+?U?=Uo/A≈0,即U+≈U?。
此時運放正負輸入端電壓幾乎相等,就像短路了一樣,稱為虛短。所以只有當運放工作在放大區(qū)才會有“虛短”的特點,而非運放自身固有屬性。
另一方面,由于運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性,其輸入阻抗很大。
輸入阻抗可以簡單理解為: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。
運放這一特性被稱為虛斷,也就是輸入端和斷路一樣,幾乎沒有電流流入。
與虛短不同,虛斷是運放自身固有屬性,不會隨著電路的不同而改變。
運放的非理想特性
運放由三極管構(gòu)成,顯然和三極管一樣,也會有很多不理想的特性。前面講的都是理想運放的特點。
而實際運放,它不會完全滿足虛短虛斷特性,正常工作時輸入端需要電流流入,這個電流便被稱作輸入偏置電流。同樣運放還有輸入偏置電壓、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等非理想?yún)?shù)。
這些非理想特性,比如輸入偏置電流雖然很小,但有時候卻會對電路造成很大影響,導(dǎo)致電路無法工作。
因此則需要通過一些手段減小這些因素造成的影響。在實際應(yīng)用中,運放的非理想特性是一個非常重要的問題。運放非理想特性的消除有很多方法,這里不做介紹。
其他內(nèi)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(wěn)壓電源電路等。
運放和三極管的比較
在實際設(shè)計電路時,運放比三極管用的相對會多一些。因為運放的很多特性比三極管要優(yōu)秀,電路設(shè)計簡單,而且往往運放的成本并不高。
很多時候用三極管和運放實現(xiàn)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,平均每個晶體管的制造成本非常低。
例如一個常規(guī)音頻前級放大器,一個通用運放就能搞定,成本可能是0.2元,而用三極管實現(xiàn)同樣的效果,可能需要10個甚至更多三極管,成本或許要0.5元,并且設(shè)計時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。在一些非常簡單的電路中,并不嚴格要求放大倍數(shù)的穩(wěn)定性,一兩個三極管就能完成任務(wù),往往會用三極管以節(jié)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(shè)計良好的三極管電路的性能會比運放效果好很多,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,這時就需要使用三極管來搭建電路了。
評論