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模拟电路心得

模拟电路心得


“模拟电路太难了,怎么学呀?怎样快速入门呢?”
“这个模拟电路实现了什么功能?”
“三极管驱动电路周边的电阻值怎么计算?”
“怎样设计模拟电路实现XXX功能啊?用什么电路形式?选什么器件?参数是什么?”
“仿了一个模拟电路,怎么指标就是达不到原先的水准呢?”
“10uV信号怎么放大到10V?”
......
模拟电路并不难学,难的是长期积累,有老师指点,坚持做实验。

我们首先介绍什么是模拟电路,时代划分,模电开发需要具备的能力,模电难在哪里,模电涉及的内容,元器件选型,然后用实例进行读图训练,计算电路参数,设计指导.
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模拟电路介绍
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模拟电路(Analog Circuit):处理模拟信号的电子电路。模拟信号:时间和幅度都连续的信号(连续的含义是在某取值范围内可以取无穷多个数值)。工业控制里的温度、液面、压力、流量、长度等都是连续的模拟量。

模拟信号的特点:
1、函数的取值为无限多个;
2、当图像信息和声音信息改变时,信号的波形也改变,即模拟信号待传播的信息包含在它的波形之中(信息变化规律直接反映在模拟信号的幅度、频率和相位的变化上)。
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模拟电路时代划分
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50年代前 电子管
1947年 晶体管诞生,以半导体器件为核心
1958年 集成电路问世
1969年 大规模集成电路问世,品种齐全
1975年 超大规模集成电路问世,价格下降

随着器件的不断发展,模拟电路的应用和教学也经历了以电子管为中心;以晶体管为中心;以集成电路(如:运放)为中心等多个阶段。

翻开很早以前的模电教材,都是以电子管为核心讲解电路原理的,那时的收音机、电视机、扩音器、电台等都是电子管的。现在仍然有不少音响发烧友使用电子管做功放,做收音机,称之为“胆机”,看着电路放音时,一堆灯丝闪动,别有一番DIY乐趣,据说可以听出特别的味道,只是现在电子管不太好买了。

后来的模电教材主要以分立的晶体管元件为核心,这一时期的收音机、扩音器等都改成晶体管的了,现在模电实验课还有七管超外差调幅收音机实习。尽管现在很少产品完全使用分立元件设计,但是大学课本仍然以这些分立器件为核心授课,究其原因,晶体管毕竟是集成电路的基础,学好这些分立器件,才能更好地理解集成电路。目前一些分立晶体管主要用在驱动电路中,比如:驱动数码管、继电器等,完全使用分立元件实现的模拟电路越来越少了。

现在我们已经到了超大规模集成电路时代,真正的产品大多是由集成电路实现的。可是一些初学者由于大学课本教的是分立元件,所以不习惯用集成电路。看到有网友设计一个指标较高的放大电路,仍然首先考虑用三极管搭,现在都什么年代了,有运放为什么不用!集成电路体积小、功能强、性能稳定、成本低(单位晶体管价格),现在设计模拟电路首选集成电路。不过,集成电路的设计方法和原来分立器件的又有不同,复杂的设计由模拟IC厂商完成,使用者最重要的能力是选择合适IC。

综上所述,时代不同,模拟电路的学习和应用侧重点就不同。现在分工比较细:模拟IC芯片设计,板级应用设计,EDA工具开发,射频,测量仪器,EMC设计等等,根据你的方向,有选择地重点学习,效果较好。

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模电开发需要具备的能力
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模拟电路课程的学习目的是:掌握电子技术的基本概念,基本电路,基本分析方法,基本实验技能。尤其需要强调的是模电学习,实验不可少。

模电开发需要具备的能力:

1、读图能力
定性分析。能够正确分析出一张模拟电路原理图所要实现的功能。

经常看到论坛上一堆人把同一个电路图分析出10多种不同功能,而且居然没一个分析对的。本来想让大家一起分析出个正确答案,但是结论不收敛,谁也说服不了谁,大多数都分析错了,越分析越乱,所以给大家造成了模电难学的错觉。其实,这就是缺乏读图能力训练造成的。如果连图都看不懂,定性分析功能也不会,那么就别指望后面的定量分析,设计调试了。读图能力是学好模电的基础。拥有这个能力后,你才能考虑自学模电。后面我们将用实例说明如何把复杂的总原理图分解成若干基本部分,如何分析估算,如何举一反三。

2、估算能力
定量分析。能够正确估算出一张模拟电路原理图中各元件参数值。

注意:这里特别强调“估算”,因为模拟电路分散性,只能近似估算。模电定量分析属于工程问题,你不能指望得到精确解,只能得到大概数据,然后做实验验证。前面也说过,模电的实验不能少。

经常看到论坛上有人问元器件(电阻、电容、电感等)的取值,然后众人给出一堆答案,都不带重样的。这又给大家造成了模电难学的错觉。其实,主要是缺乏定量估算能力造成的。估算能力需要不断训练,不断积累,了解各种电路形式,各种数学模型,计算流程,计算公式,经验公式。估算能力的提高没有捷径可走,只能一点一滴,循序渐进地积累,不过,如果多看一些前人总结好的范例,并能举一反三,那么,提高快一点还是有可能的。

3、选择能力
独立设计能力。能够根据功能指标要求,选择电路形式,选择合适器件,选择合适元器件参数。

到这一步,已经具备独立设计能力了。这三步有先后顺序,先会读图,给出一张图能够分析出功能,然后,能够估算给定图纸各元器件参数值,最后,能选择合适电路实现指定功能。

经常看到论坛上有人问实现某功能该选择那种型号的三极管、运放,该选哪个厂商生产的,用什么电路形式比较好,具体参数怎么确定云云。很明显,缺乏选择能力,不能独立设计电路。

你想选择合适元器件,就必须事先积累大量元器件信息,否则,连个选择范围都没有,还谈什么选择啊,对吧。比如:你想选个合适的运放,那么你就必须事先搜集十几种运放的数据手册,然后才能开始选择。选择电路形式同样需要事先积累,建议把各种电路形式列出对比表备查。至于选择合适的元器件参数,那就得经常用啦,熟能生巧,用多了自然能轻松选择。总之,选择能力需要长期积累,长期实践。当然,从工程角度来说,找第三方咨询,利用第三方平台弥补自己积累的不足,也是行之有效的办法。毕竟,具备独立设计能力是个漫长的修炼过程,可工作也要按时完成,正确的观念和方法才能解决这个二难困境,后面会谈谈这方面的心得体会。

4、调试能力
动手能力,具体实现。根据设计出来的图纸,实际制作出符合要求的硬件电路。

仅有图纸,只能说刚完成一半工作量,模电设计从出图到硬件实现还有很长很长的路要走。

经常看到论坛上有人问,参照某图纸设计的硬件出现这样那样的问题。比如自激、啸叫、干扰辐射、不稳定、噪声淹没有效信号、各项指标达不到等等。很多人感到模电难学的一个重要原因是,即使你有一个好的图纸,也并不能组装出达到预期效果的设备,常常要在调试上花费大量的时间和精力。模拟电路技术不仅是种实验技术,还是种工艺技术,容易防盗版,即使盗版者拥有电路图,拆解了设备,如果没有一定的模电功底,高超的工艺技术,照样仿造不出来。利用这一特性,在数字电路中加入适当的模拟电路,控制关键部件,进而掌控供应链,获得最大利润。

还是前面说过的,模电的实验不能少,第三次强调了。就象写程序需要调试一样,模电调试更是家常便饭,而且困难得多,大部分是体力活。首先要了解各种测试方法,其次要熟练掌握常用仪器的使用,这些需要长期积累实践,多做实验。另外,模拟电路的电磁兼容EMC设计非常重要,模拟电路的EMC设计可比数字电路的难度大多了,不过本文档将不涉及这方面的重要内容,而是将其放在《快快乐乐跟我学EMC设计》中统一讨论。
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模电难在哪里
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很多人都说模电很难学,到底难在哪里呢?我们尝试归纳了一些原因,不一定全面,但足够说明问题。

1、模电实验多。
获得元器件原始数据,测试,验证,调试,总结经验公式等都需要做大量实验,因此实验设备必不可少,比如:示波器、信号发生器、电子负载、实验电源等,而大多数人没有财力购置全套实验设备,或者只能购买低档型号,这就给学习和应用带来了限制,不是每个人都有机会拥有开发实验环境。如果计算机程序出错,只要单步调试就可以了,而调试模拟电路,必须设计实验方案,做大量实验,费时费力费钱。

经常看到论坛上有人问某某电路工作不正常到底是什么原因的问题,其实不用问任何人,用仪器调试一下就知道了。如果程序工作不正常,那就单步跟踪。如果DIP封装芯片没有器件手册,那就直接用尺子量。同样,如果模拟电路工作不正常就用示波器等仪器定位错误。可能很多人手头没有测试设备,所以不得不一遇到问题就到处问人吧。
2、理论和实践脱节
教科书上全是针对理想器件进行理论分析的,可是实际使用的器件不是理想的。这不能怨教材误导,用理想器件分析可以抓住主要矛盾,便于说明本质问题,但这样做会隐藏很多细节问题,看书时什么都明白,一到实践就什么都不明白了。

比如:电感存在寄生电容,电容存在引线电感,由LC构成的低通滤波器并不能滤除很高频率的噪声,因为当频率很高时,噪声会直接通过电感的寄生电容旁路到输出端,此时电感失效,同样,大电容在高频时引线电感不能忽略,也不会滤除高频,所以,LC低通滤波并不是你想象的那么完美。如果噪声频率更高,一小段导线都会成为天线,将能量发射出去,更不会经过LC低通了。很多人看书明白了LC低通滤波原理,但就是弄不明白为什么加了LC低通后仍不能有效滤除高频噪声的原因。

再比如:用书上的公式计算出了电感值,但教科书上并没有讲怎么实际绕制电感,用多粗的漆包线?绕几匝?用什么材料的磁芯?多大的体积?什么形状?开不开气隙?怎么绕?工艺要求?......看书时很明白,一到实践才知道这么多不懂的。

放大器的数学表达很简单,就是输入信号乘以一个常数A(放大倍数),但是实际电路很复杂,因为放大器、电阻有噪声,地不理想,运放还有频率响应、零点飘移、线性区、温度/湿度影响、增益补偿、输入输出阻抗、电源等诸多问题需要考虑。总之,模拟电路设计就是与干扰做斗争,大部分电路是用来抗干扰的,主功能电路往往非常简单。所以,模拟电路的难点在于抗干扰,需要考虑的细节很多很多。
3、灵活多变,器件难买
模拟电路不象数字电路那么标准化,解决方案灵活多变,实现同一个功能可能有成千上万种选择,从好处讲,方案多可以让我们有更多选择余地,优中选优,从坏处讲,需要长期修炼,积累大量元器件、典型电路、仪器使用、分析问题的知识。

模拟器件品种繁多,不太容易收集齐全,比如:某些型号的电子管、中周、变压器、磁性元件、运放停产了,某些不单卖,某些是假货/翻新货等等。现在是超大规模集成电路时代了,如果买不到相应型号的IC,没办法自制。

另外,模电对数学功底有一定要求。模型抽象、近似估算、经验公式都要求有数学能力。
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模电学习内容
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一.半导体器件
   包括半导体特性,半导体二极管,双极结性三极管,场效应三级管等
  二.放大电路的基本原理和分析方法:
1.原理 单管共发射极放大电路;双极性三极管的三组态---共射 共基 共集;场效应管放大电路--共源极放大,分压自偏压式共 源极放大,共漏极放大;多级放大。2方法 直流通路与交流通路;静态工作点的分析;微变等效电路法;图解法等等。

低频小信号放大电路

高频放大电路
  三.放大电路的频率响应
  单管共射放大电路的频响--下限频率,上限频率和通频带频率失真波特图多级放大电路的频响
  四.功率放大
   互补对称功率放大电路—— OTL(省去输出变压器),OCL(实用电路)
  五.集成放大电路
  偏置电路,差分放大电路,中间级,输出级。
  六.放大电路的反馈
   正反馈和负反馈
   负反馈:四组态——电压串联,电压并联,电流串联,电流并联负反馈。(注意输出电阻和输入电阻的改变)
   负反馈的分析:Af=1/F
  七.模拟信号运算电路(运放电路)
   理想运放的特点(虚短 虚地);
   比例运放(反向比例运放,同向比例运放,差分比例运放);
   求和电路(反向输入求和,同向输入求和)
   积分电路,微分电路;
   对数电路,指数电路;
   乘法电路,除法电路。
  八.信号处理电路
   有源滤波器(低通LPF,高通HPF。带通BPF,带阻BEF)
   电压比较器(过零比较器,单限比较器,滞回比较器,双限比较器)
  九.波形发生电路(振荡电路)
   正弦波振荡电路(条件,组成,分析步骤)
   RC正弦波振荡电路(RC串并联网络选频特性)
   LC 正弦波振荡电路 (LC并联网络选频特性 电感三点式 电容三点式)
   石英晶体振荡器
   非正弦波振荡器(矩形波,三角波,锯齿形发生器)
  十.直流电路
   单相整流电路
   滤波电路(电容滤波,电感滤波 ,复式滤波)
   倍压整流电路(二倍压整流电路,多倍压整压电路)
   串联型直流稳压电路
十一.调制/解调电路

调幅、调频、调相
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常用元件
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电阻 ...
电感 ...
电容 ...

二极管:

参数:
平均正向整流电流(最大值)IF、反向耐压(最大值)VRM、重复正向电流峰值(最大值)IFRM、正向浪涌电流峰值(最大值)IFSM、正向压差环境温度25°C(最大值)Vr、反向电流环境温度25°C(最大值)IR、重复反向峰值耐压、正向平均整流电流、连续反向耐压、封装、主要用途、生产厂家、产品编号、规格书、价格

型号:
1N4007、1N4148、BAV70、BAV99、BAW56

三极管:

参数:
集电极电流Ic、集电极-基极电压Vcbo、集电极-发射极极电压Vceo、发射极-基极电压ebo、功耗Pc、增益hfe、封装、工作温度、频率响应、主要用途、生产厂家、产品编号、规格书、价格

型号:
8050、9013、9014、BC817、8550、9012、9015、BC807、4401、4403
BC557B、2N3904、2N3906、BC817、2sc3356、2sc9018
3AX31、3DG6、3AX81、3DG12、BT33、3DJ6、3DD15、3AX31B、3DA87C、3DD15D、D880、1815
2N2222、2N2907、B772、D882、TIP122、TIP127
8850、9018、2907、222a、1623、1123
2N5551、2N5401

场效应管 ...

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读图训练实例
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七管超外差收音机
低频信号发生器
晶体管扩音机

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电路参数估算训练实例
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一些心得体会
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