放心鐵子們,本文會從最基礎(chǔ)的講起,適合剛接觸電子的童鞋,就算躺在床上,花十幾分鐘看完本文你將無痛地對模擬電路有個全面的了解!
模電是一塊硬骨頭,對于很基礎(chǔ)的概念我會細(xì)說,對于一些進(jìn)階的概念我會盡量用語言解釋,所以我會盡量把模擬電路涉及的知識點(diǎn)都囊括到,旨在讓各位先見識模擬電路的全貌,為以后的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)!
下圖是模擬電路的知識框架,棕色的知識我會詳細(xì)說說,大家可以馬上掌握,藍(lán)色的知識我會盡量用語言講明白。希望對大家有幫助。
正文
為什么要學(xué)模電?我個人認(rèn)為,模電,還有數(shù)電(數(shù)字電路),是電子學(xué)目前的兩大基石,且數(shù)電是又模電發(fā)展而來,我強(qiáng)烈建議大學(xué)專業(yè)涉及到電的童鞋,都好好學(xué)一下這兩門課,對數(shù)電感興趣可以去康康我的另一篇文章哦一文極速理解數(shù)電。了解了模電數(shù)電,你才能夠知道身邊所有電器的基本原理,你才能有能力去領(lǐng)悟到這個電子世界的美妙。
OK,下面的內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣,事不宜遲,我們開搞!
半導(dǎo)體器件
模電的第一課肯定就是了解半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體就是既不是導(dǎo)體,也不是絕緣體,處于一個很尷尬的位置,但正是這樣的交叉特性,賦予了它極大的靈活性,導(dǎo)致了時代的變革,如今所有電器都離不開半導(dǎo)體的功勞。硅和鍺是現(xiàn)在常用的半導(dǎo)體材料,硅可以從沙子中提取,所以現(xiàn)在人類智慧結(jié)晶“芯片”,就來源于沙子哈哈。
PN結(jié):采用摻雜技術(shù),給半導(dǎo)體摻多點(diǎn)電子,形成N型半導(dǎo)體;摻多點(diǎn)空穴,形成P型半導(dǎo)體。(這么說是為了便于理解,其實是摻入5價的磷元素形成N型半導(dǎo)體,摻入3價的硼元素形成P型半導(dǎo)體)(空穴是指電子走了之后留下的位置,其實是沒有東西的,只是為了和帶負(fù)電的電子相對于,我們?nèi)藶榈胤Q呼這個位置為空穴,定義為帶正電) 這倆雙向奔赴,合在一起后,中間形成了一個區(qū)域,其名為PN結(jié)。理論上一個N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體就形成了二極管,正向?qū)?,反向截止?/p>
雙極型晶體管BJT:也叫三極管,就是兩個PN結(jié),像三明治一樣夾在一起,有NPN,也有PNP。
場效應(yīng)晶體管MOSFET:也是兩個PN結(jié),不過跟BJT不一樣,現(xiàn)在更多用的是MOSFET,因為它功耗低且易集成,芯片里面都是mosfet。
關(guān)于半導(dǎo)體器件這一個概念就可以出一本書了,三言兩語我也很難講明白,這里推薦兩個非常棒的b站視頻 BV12x41187RN,BV1Ly4y1178Q,看完這倆視頻你就對PN結(jié)、BJT和MOSFET有很好的理解了。
放大
個人覺得放大是模電里面最重要的概念!模電之后基本全在講放大。各位對于放大的理解是什么?
是不是覺得有這樣一個器件,只有兩個口,一個輸入,一個輸出,輸入給個小信號,輸出就會有大信號?這是不可能的,不然永動機(jī)早就做出來了?,F(xiàn)實是你必須給它插上電!它才有能量去放大。
所以放大的本質(zhì),就是對電源能量的控制!也可以理解為能量的轉(zhuǎn)換,它把電源的能量轉(zhuǎn)換為輸出。
上面這個圖形象地說明了這一點(diǎn),電源的能量可以看成水桶里的水,在三極管的b極輸入的小信號,可以看成對閥門的控制,即對水流大小的控制,在e極收到的所謂放大的信號實質(zhì)上是被b極控制的電源的能量!如果b極沒有電流,即閥門關(guān)閉,則e極也不會有電流;b極的電流慢慢增大,閥門慢慢打開,e極收到的電流自然也慢慢增大,所以Ib與Ie之間成正比關(guān)系,我們俗稱 Ie是放大的 Ib,但現(xiàn)在大家應(yīng)該理解其中控制的味道了吧。
單管放大
下面進(jìn)入單管放大的內(nèi)容,單管就是電路中只有一個BJT或MOSFET。
對于任何的放大電路,我們最關(guān)注的三個方面就是:輸入電阻、輸出電阻、增益
想要理解輸入輸出電阻,先介紹一個概念,叫帶負(fù)載能力?,F(xiàn)實生活中,兩節(jié)都標(biāo)著3v的電池A和B,分別給理想的1Ω電阻供電,那么電阻上的電壓是多少?你們可能馬上說,3V!答案是錯的,現(xiàn)實中不可能得到3V,因為電池會有內(nèi)阻,假設(shè)電池A的內(nèi)阻是1Ω,電池B的內(nèi)阻是2Ω,則電阻的電壓分別為1.5V和1V,你看,兩節(jié)都說3V的電池接上負(fù)載后效果不同,我們稱 內(nèi)阻小的電池A帶負(fù)載能力強(qiáng)。
輸入電阻 就是從輸入端看進(jìn)去的等效電阻,從我們上面舉的電池例子,從輸入端看進(jìn)去,輸入電阻就是1Ω的負(fù)載電阻,它越大,搶的電壓就越多,所以輸入電阻越大越好!
輸出電阻 就是從輸出端看進(jìn)去的等效電阻,從我們上面舉的電池例子,從輸出端看進(jìn)去,輸出電阻就是電池的內(nèi)阻,它越小,負(fù)載搶的電壓就越多,所以輸出電阻越小越好!
那么對于增益,就是放大倍數(shù),大家是不是覺得越大越好?前面我們講過,放大的本質(zhì)是對電源能量的控制,我的電源只有5V,無論放大倍數(shù)多少,就算給你10000倍,撐死也是放大到5V,現(xiàn)實中4.8v都不錯了,反而放大倍數(shù)太大,給一個很小的輸入,一下就放大到飽和,這個電路就失去了意義,所以放大倍數(shù)合適最好!
那么是不是給一個單管,給它加上電源,它就能如我們所愿乖乖地放大?還不行!就如考試前我們要吃好睡好,調(diào)整好自己,我們還需要先把放大器件調(diào)教好,專業(yè)點(diǎn)叫設(shè)置好靜態(tài)工作點(diǎn)!
因為一般的輸入都是交流的小信號,而供電的電源是直流,所以一般對于放大電路的分析我們會先畫出它的直流通路,做靜態(tài)分析,分析靜態(tài)工作點(diǎn),保證交流的小信號無論正半周還是負(fù)半周都能完美地被放大(三極管中發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置);再畫出它的交流通路,識別電路組態(tài),做動態(tài)分析,這個電路基本就被你搞定啦。
看看下面這個最經(jīng)典的單管放大電路,共射是指三極管的射極接了地,在交流通路中它也接地。
V_{CC}和V_{BB}用于供電,V_{s}就是用于控制的小信號,它越大,輸出越大。電阻R_? 和R_{c}? 就是用于調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的。
同理,三極管中還有 共集(共集電極)和 共基(共基極),各有特點(diǎn);MOSFET有共源、共漏和共柵,跟三極管大同小異。
多管放大電路
單管會了當(dāng)然就要學(xué)多管啦,就是多個BJT或MOSFET接在一起。如下圖:
多個管子接在一起會加大放大倍數(shù),減小前級驅(qū)動電流,即當(dāng)輸入的信號很小很小時,可能就需要多個放大管接在一起增大放大倍數(shù)。一般放在多級電路的中間級放大增益。
拓展一下,三極管之間的連接叫耦合,像上面這樣直接接在一起叫直接耦合,,低頻特性好,利于集成;若它們通過電容連接,就叫阻容耦合,利于分析;耦合方式還有很多種,各有特點(diǎn)。
差分放大電路
最初使用放大電路時,人們發(fā)現(xiàn)有一個很討厭的參數(shù)會引起輸出波動,它就是溫度。即使沒有輸入,由于溫度的變化,有時輸出也會偏離固定值上下波動,這就是零點(diǎn)漂移,這是我們不希望看到的,正當(dāng)人們頭疼之時,一位老哥提出了差分的思想,非常非常的美妙!就是引入兩個輸入,我們對于這兩個輸入作差!因為倆輸入離得很近,所以溫度對它們的影響是一樣的,一作差,就被消掉了!這種信號叫共模信號。你可能馬上會問,那我們原本有用的信號也被你作差消掉了耶,有什么意義?轉(zhuǎn)變下思路,我們將有用的信號取反,在另一個輸入口輸入,這樣作差不會消失,而且還翻倍了,妙哉!這種信號叫差模信號。
所以對于差分放大電路,它的核心思想就是 抑制共模,放大差模, 一般放在多級電路的第一級當(dāng)輸入電路,可以很有效地消除干擾。
功率放大電路
顧名思義就是放大功率,對于比較大的負(fù)載,它能直接驅(qū)動,能有效地放大電流,供大負(fù)載正常工作。 一般放在多級電路的 最后一級 當(dāng)輸出電路。
有甲類,乙類,甲乙類和丙類。先別頭暈,有個印象就行,甲乙類功放是最重要的,它克服了交越失真,兼顧了失真和效率問題,大多優(yōu)質(zhì)的音響里用的就是甲乙類功放。下圖為經(jīng)典甲乙類功率放大電路(紅色部分克服了乙類功放出現(xiàn)的交越失真問題)。
電流源
如果大家學(xué)過電路分析,對電流源應(yīng)該不陌生,如果不太了解可以去我的文章里康康哦《一文極速理解電路分析》。在電路分析里電流源是很重要的電源,但在模電里,電流源主要充當(dāng)負(fù)載!對你沒聽錯,用電流源當(dāng)負(fù)載,這種負(fù)載叫有源負(fù)載,因為電流源能提供靜態(tài)穩(wěn)定的電流,所以整個電路的增益會大大提升,有比例電流源,鏡像電流源等等。
下圖中T1和T2管組成電流源。
集成運(yùn)算放大電路(運(yùn)放)
前方高能?。?!我們將能消除干擾的差分放大電路放在第一級,多管放大電路放在中間級提升增益,功率放大器放在最后驅(qū)動負(fù)載,再加上電流源充當(dāng)有源負(fù)載,一個集成運(yùn)算放大電路誕生!??!
這么復(fù)雜的電路其實也不過如此,我們可以簡單地將它畫成:(V+是同相端,V-是反相端,這倆就是第一級差分放大器的輸入嘛,Vs為電源,Vout為輸出)
我個人認(rèn)為運(yùn)放就是模電的 主角 !它的功能非常非常強(qiáng)大,可以對輸入實現(xiàn)加減乘除、微分、積分、指數(shù)、對數(shù)、濾波、整流、整形… 我覺得最牛的是它為純模擬器件。一般來說對信號的處理時模擬信號進(jìn)來,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換AD變?yōu)閿?shù)字0和1,送給數(shù)字芯片處理,再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換DA把0和1變?yōu)槟M信號,送給輸出。而運(yùn)放是模擬進(jìn)來,模擬處理,模擬出去,沒有數(shù)字信號什么事,很原始,強(qiáng)大的一個電路。
這是它的公式!
Vout?=Aod??(V+??V??)
再看看它的參數(shù),輸入電阻為無窮大,輸出電阻為0,增益為無窮大,所以它是完美選手。
慢著,它的增益這么大,我們不是說過增益太大會容易飽和嗎?對的,所以我們還要加上一個重要概念:反饋!
反饋
將信號的輸出引一部分回輸入,與原本的輸入一起影響下一次的輸出。
正反饋:這次考試很好,使我信心大增,下一次考得更好;
負(fù)反饋:這次考試很差,使我信心大減,下一次考得更差;
通過反饋(深度負(fù)反饋),我們就可以通過加電阻自由控制放大的增益!這時候運(yùn)放才真正可以說完善了。
虛短
看回它的公式,因為
A_{od}為無窮大,除過去左邊,一個數(shù)除以無窮大為0,所以:V+ ?? V??=0
虛斷
因為運(yùn)放輸入電阻為無窮大,所以輸入的電流近似為0!,即:I+?=I??=0
同相比例運(yùn)算
變一下就是圖中的公式!
反相比例運(yùn)算
與同相比例同理,用虛短虛斷就可以求出圖中的公式。
進(jìn)階知識
運(yùn)放能組成很多的功能電路,加減乘除、微分、積分、指數(shù)、對數(shù)、濾波、整流、整形等等,這時就可以研究一下對于不同頻率的輸入,這些電路會有怎么樣的響應(yīng)。利用有源器件組成濾波器,叫有源濾波,效果會比無源的濾波器要好很多。
然后運(yùn)放還能組成電壓比較器。對于波形的發(fā)生和轉(zhuǎn)換,比如方波變三角波,也可以研究一番。
這些知識比較硬,需要大家靜下心好好看書領(lǐng)悟哦。
最后再看一下模電所有知識的知識框架,希望能幫助各位對模電形成大致的了解。