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。

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(xué)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(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(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，舉兩個例子。

玩倒立擺時，我們用手支撐起一個倒立的木棍，當(dāng)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(xué)有這樣的習(xí)慣：當(dāng)一次成績考得比較差的時候，就會開始好好學(xué)習(xí)，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(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，只畫一個簡單的框圖，來說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(yuǎn)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(fù)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(fù)反饋，雖然電路增益穩(wěn)定性提高了，但也有代價：

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(dāng)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(jìn)行數(shù)學(xué)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(jìn)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(yuǎn)比運放方案高。

當(dāng)然三極管也有其優(yōu)勢。在一些非常簡單的電路中，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。

審核編輯：湯梓紅