一文極速理解模電

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)的概念我會細說，對于一些進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說說，大家可以馬上掌握，藍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)體摻多點電子，形成N型半導(dǎo)體；摻多點空穴，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，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，叫帶負載能力?，F(xiàn)實生活中，兩節(jié)都標著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的電池接上負載后效果不同，我們稱 內(nèi)阻小的電池A帶負載能力強。

輸入電阻 就是從輸入端看進去的等效電阻，從我們上面舉的電池例子，從輸入端看進去，輸入電阻就是1Ω的負載電阻，它越大，搶的電壓就越多，所以輸入電阻越大越好！

輸出電阻 就是從輸出端看進去的等效電阻，從我們上面舉的電池例子，從輸出端看進去，輸出電阻就是電池的內(nèi)阻，它越小，負載搶的電壓就越多，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)點叫設(shè)置好靜態(tài)工作點！

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，保證交流的小信號無論正半周還是負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；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。

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，這就是零點漂移，這是我們不希望看到的，正當人們頭疼之時，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，對于比較大的負載，它能直接驅(qū)動，能有效地放大電流，供大負載正常工作。 一般放在多級電路的 最后一級 當輸出電路。

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，電流源主要充當負載！對你沒聽錯，用電流源當負載，這種負載叫有源負載，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。

集成運算放大電路（運放）

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)動負載，再加上電流源充當有源負載，一個集成運算放大電路誕生?。?！

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）

我個人認為運放就是模電的 主角 ！它的功能非常非常強大，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。而運放是模擬進來，模擬處理，模擬出去，沒有數(shù)字信號什么事，很原始，強大的一個電路。
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

同相比例運算

變一下就是圖中的公式！

反相比例運算

與同相比例同理，用虛短虛斷就可以求出圖中的公式。

進階知識

運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。