在電子類專業中，模擬電路是一門非常重要，并且不少人覺得很難的一門課。這里我來說一說我對模擬電路這門課的理解，希望能對大家有所幫助。

工程思想

如果說到考試成績，我的考試成績一般，并非什么高分；但如果說到對模擬電路的理解和應用，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：

工程是科學和數學的某種應用，通過這一應用，使自然界的物質和能源的特性能夠通過各種結構、機器、產品、系統和過程，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生了，并且它逐漸發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，導線電阻始終為0，變壓器的效率是100%，理想電壓表內阻無窮大，理想電流表內阻為0等。你可以發現，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雜的學科，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展，體現了很多優越特性。很多電子設備都慢慢數字化，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，發光二極管可用于指示燈和照明，穩壓管可進行穩壓，變容二極管可用來進行信號調制等。模電課程中，涉及到二極管的部分相對比較簡單，而場效應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，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。但如果放大倍數不穩定，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，希望其放大倍數是恒定值。如果功放的放大倍數不穩定，聲音就會忽大忽小，波形變化還會導致聲音發生變化，即失真。

現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，放大倍數不僅受輸入電壓、電源電壓影響，而且自身發熱導致溫度變化，也會影響它的放大倍數。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，三極管很難應用到實際中來。

負反饋

基本概念

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。

高中的時候經常月考，我發現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，如此周而復始。

這兩個例子都充分說明，負反饋可以讓系統更穩定。

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成的放大器，放大倍數為A，輸入為I，則輸出O=I?A，由于放大倍數A不穩定，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；
• 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=O?F，這里F<1（這個部分在實際電路中可以用電阻實現）；
• 三角形表示的放大器A，主要用三極管構成，滿足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：

Y=I?XO=Y?AX=O?F

解得整個電路的放大倍數：

OI=A1+AF

如果設計電路讓放大倍數A非常大，同時F不至于很小，則

A?F>>1

符號">>"表示遠大于

根據近似的思想，上述整個電路放大倍數：

OI=A1+AF=AAF=1F

由于反饋器件可由電阻實現，普通電阻的阻值不容易受外界干擾，因此F的值很穩定，于是整個電路的放大倍數就很穩定。我們成功的通過負反饋解決了三極管的放大倍數穩定性問題。

可以看到這里的反饋部分和放大部分構成了一個環形，所以將整個電路的放大倍數稱為環路增益，或者閉環增益；而把增加反饋之前，電路的放大倍數A稱為開環增益。由于是負反饋，雖然電路增益穩定性提高了，但也有代價：
由于

AF>>1

于是

A>>1/F

即開環增益遠大于閉環增益，也就是放大器增益大大降低。但總的來說，為了穩定性，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增益A很大的放大器，往往要用多級三極管放大電路串聯的方式設計。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學運算而得名。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揮著十分重要的作用，也成為模電課程的重點之一。

運放的虛短虛斷特性

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

Uo=A?(U+?U?)

運放開環增益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-輸出關系類似下圖形狀。

圖中橫軸是(U+?U?)，縱軸是Uo。

在中間那一段直線區域，運放在正常放大狀態，稱為線性區，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負值和一個正值之間），稱為非線性區。

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上搜索學習。

當運放工作在線性區時，Uo的值很有限，但是A很大，所以

U+?U?=UoA≈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，由于運放內部結構特性，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，但有時候卻會對電路造成很大影響，導致電路無法工作。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、波形發生等；
• 信號運算處理；
• 濾波器；
• 集成穩壓電源電路等。

運放和三極管的比較

在實際設計電路時，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秀，電路設計簡單，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勢。在一些非常簡單的電路中，并不嚴格要求放大倍數的穩定性，一兩個三極管就能完成任務，往往會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、大功率的環境下（例如射頻信號發射電路），設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。

推薦書目

有關模擬電路的學習，我推薦幾本書：
一本是清華大學童詩白、華成英老師主編的《模擬電子技術基礎》。這本書是比較經典的模電教材，圍繞三極管展開，講解的比較詳細。

豆瓣鏈接：http://book.douban.com/subject/1836441/

另一本是西電孫肖子老師主編的《模擬電子電路及技術基礎》。這本教材個人感覺非常好，和大部分模電教材不同，這本書圍繞運放展開，介紹反饋等思想以及各種電路，到后來再講三極管。運放遠比三極管理解起來容易，因為運放把繁雜的計算分析全部集成到它的內部了，我們一開始并不需要關注其內部構造。這樣精力可以完全放在對各種電路原理的理解上來。

豆瓣鏈接：http://book.douban.com/subject/3044231/

另外還有一門入門書籍，清華大學出版的《電子設計從零開始》，這本書作為電子設計入門書籍，講的不只是模擬電路，還有數字電路、單片機等。

豆瓣鏈接：http://book.douban.com/subject/1446895/

結尾

模電課程的介紹到此為止。但是我想說的是，模擬電路是一門非常復雜的學科，涉及的知識遠不止書上的那些。書上都是按照工作原理大致介紹，簡化了很多難以理解但實際中必須考慮的問題，因此實際電路和書上的差距非常之大。比如模電書中用運放搭建的三角波發生器，用于實際電路十有八九不能工作。不過實際電路的主要原理和書中描述是一致的。因此設計模擬電路往往需要大量的經驗，有很多東西甚至難以解釋無法計算得出。

希望本文能對學習模擬電路的同學有一定幫助。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的我对模拟电路课程的理解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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