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(shuō)一說(shuō)對(duì)模擬電路這門課的理解，希望能對(duì)大家有所幫助。

工程思想

何為工程思想呢？

中學(xué)物理課上，我們學(xué)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(wú)窮大，理想電流表內(nèi)阻為0等。

你可以發(fā)現(xiàn)，很多時(shí)候模擬電路中的計(jì)算會(huì)常常省略掉一兩個(gè)比較小的項(xiàng)，而且直接用等號(hào)而不是約等號(hào)。

為什么要用近似呢？說(shuō)白了就是人類科學(xué)對(duì)自然的理解還不夠全面，無(wú)法絕對(duì)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(jià)太大。

通過(guò)近似的手段，不僅對(duì)解決問(wèn)題沒有明顯的影響，而且大大簡(jiǎn)化了步驟，節(jié)約了時(shí)間和精力。運(yùn)用這種思想，人類科學(xué)取得了很多成果，也充分證明了其可靠性。

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(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(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）之比稱為放大倍數(shù)，又叫做增益。

對(duì)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(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(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(shù)不穩(wěn)定，不斷變化，原先輸入的信號(hào)就會(huì)變形（如下右圖），信號(hào)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(gè)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(huì)忽大忽小，波形變化還會(huì)導(dǎo)致聲音發(fā)生變化，即失真。

現(xiàn)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(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(huì)影響它的放大倍數(shù)。

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(yīng)用到實(shí)際中來(lái)。

負(fù)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(duì)系統(tǒng)整體輸出產(chǎn)生作用。反饋可分為正反饋和負(fù)反饋。負(fù)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(gè)例子。

玩倒立擺時(shí)，我們用手支撐起一個(gè)倒立的木棍，當(dāng)木棍往某個(gè)方向傾斜時(shí)，我們通過(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(xiàn)有些同學(xué)有這樣的習(xí)慣：當(dāng)一次成績(jī)考得比較差的時(shí)候，就會(huì)開始好好學(xué)習(xí)，然后下次成績(jī)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(jī)又會(huì)降下來(lái)，如此周而復(fù)始。

這兩個(gè)例子都充分說(shuō)明，負(fù)反饋可以讓系統(tǒng)更穩(wěn)定。

負(fù)反饋放大器

我們忽略具體電路，只畫一個(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(fù)反饋的。

下面三角形表示一個(gè)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(huì)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(hào)，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(xiàn)；

方框F是反饋器件，表示從輸出O取出信號(hào)，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(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(gè)電路的放大倍數(shù)：

如果設(shè)計(jì)電路讓放大倍數(shù)A非常大，同時(shí)F不至于很小，則

符號(hào)">>"表示遠(yuǎn)大于

根據(jù)近似的思想，上述整個(gè)電路放大倍數(shù)：

由于反饋器件可由電阻實(shí)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(gè)電路的放大倍數(shù)就很穩(wěn)定。我們成功的通過(guò)負(fù)反饋解決了三極管的放大倍數(shù)穩(wěn)定性問(wèn)題。

可以看到這里的反饋部分和放大部分構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形，所以將整個(gè)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(fù)反饋，雖然電路增益穩(wěn)定性提高了，但也有代價(jià)：

由于AF>>1，于是A>>1/F

即開環(huán)增益遠(yuǎn)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(wěn)定性，這樣做是值得的。

運(yùn)算放大器

在上面的電路中，為了實(shí)際制造出開環(huán)增益A很大的放大器，往往要用多級(jí)三極管放大電路串聯(lián)的方式設(shè)計(jì)。

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(gè)成品電路板模塊，要用的時(shí)候直接當(dāng)成一個(gè)元件用就行了，非常方便。

這就是最初的運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱運(yùn)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(yùn)算放大器。

“運(yùn)算放大器”由于最初用于模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算而得名。盡管現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字計(jì)算機(jī)不再用運(yùn)放進(jìn)行計(jì)算操作，但名稱還是保留了下來(lái)。

而今天，運(yùn)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(diǎn)之一。

運(yùn)放的非理想特性

運(yùn)放由三極管構(gòu)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(yùn)放的特點(diǎn)。

而實(shí)際運(yùn)放，它不會(huì)完全滿足虛短虛斷特性，正常工作時(shí)輸入端需要電流流入，這個(gè)電流便被稱作輸入偏置電流。同樣運(yùn)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(shí)候卻會(huì)對(duì)電路造成很大影響，導(dǎo)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(yīng)用中，運(yùn)放的非理想特性是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。運(yùn)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(yùn)放。圍繞這些器件，講解多種電路，包括：

放大電路的計(jì)算分析、多級(jí)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(hào)運(yùn)算處理；

濾波器；

集成穩(wěn)壓電源電路等。

運(yùn)放和三極管的比較

在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，運(yùn)放比三極管用的相對(duì)會(huì)多一些。因?yàn)檫\(yùn)放的很多特性比三極管要優(yōu)秀，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且往往運(yùn)放的成本并不高。

很多時(shí)候用三極管和運(yùn)放實(shí)現(xiàn)同樣的效果，使用運(yùn)放的成本反而更低。因?yàn)檫\(yùn)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(guī)音頻前級(jí)放大器，一個(gè)通用運(yùn)放就能搞定，成本可能是0.2元，而用三極管實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)時(shí)所花費(fèi)的人力成本遠(yuǎn)比運(yùn)放方案高。

當(dāng)然三極管也有其優(yōu)勢(shì)。在一些非常簡(jiǎn)單的電路中，并不嚴(yán)格要求放大倍數(shù)的穩(wěn)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(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(hào)發(fā)射電路），設(shè)計(jì)良好的三極管電路的性能會(huì)比運(yùn)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。

審核編輯：湯梓紅