概要

模電本身是一個(ge) 非常複雜的學科，而模電課程隻是其中最基礎的東(dong) 西。模擬電路（Analog Circuit）的含義(yi) 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(men) 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，廣播電台能將模擬的聲音信號、圖像信號進行發送。甚至可以認為(wei) ，所有電路的基礎都是模擬電路（即使是數字電路，其底層原理也是基於(yu) 模擬電路的）。其重要性不言而喻。

由於(yu) 數字電路、可編程器件的迅速發展，體(ti) 現了很多優(you) 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(ti) 器件莫屬。最基本和常用的半導體(ti) 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，如普通二極管可用於(yu) 整流，發光二極管可用於(yu) 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製等。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(wei) 主體(ti) 進行講解。

三極管與(yu) 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(ti) 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(ge) 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(wei) 放大倍數，又叫做增益。

對於(yu) 一個(ge) 電壓來說，如果以時間為(wei) 橫軸、電壓為(wei) 縱軸作圖，這個(ge) 圖形則為(wei) 這個(ge) 電壓的波形。

如果一個(ge) 放大倍數為(wei) 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(hui) 隨時間改變，也不會(hui) 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(hui) 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(ge) 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(hui) 忽大忽小，波形變化還會(hui) 導致聲音發生變化，即失真。

現實總是和理想相違背。很不幸，三極管的特性並不理想，它在放大電路中工作時，放大倍數不僅(jin) 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(hui) 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

於(yu) 是一些非常厲害的人找到了好方法：負反饋。什麽(me) 是負反饋呢？

“反饋是指將係統的輸出又返回到輸入端而影響輸入，從(cong) 而對係統整體(ti) 輸出產(chan) 生作用。反饋可分為(wei) 正反饋和負反饋。負反饋是使輸出起到與(yu) 輸入相反的作用，使係統輸出趨於(yu) 穩定。”

上麵的解釋不好理解，我舉(ju) 兩(liang) 個(ge) 例子。

玩倒立擺時，我們(men) 用手支撐起一個(ge) 倒立的木棍，當木棍往某個(ge) 方向傾(qing) 斜時，我們(men) 通過將手移動到木棍傾(qing) 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(xi) 慣：當一次成績考得比較差的時候，就會(hui) 開始好好學習(xi) ，然後下次成績就上漲；而考得比較好時，接下來的一個(ge) 月又會(hui) 鬆懈，於(yu) 是成績又會(hui) 降下來，如此周而複始。

這兩(liang) 個(ge) 例子都充分說明，負反饋可以讓係統更穩定。

負反饋放大器

我們(men) 忽略具體(ti) 電路，隻畫一個(ge) 簡單的框圖，來說明三極管放大電路是如何利用負反饋的。

下麵三角形表示一個(ge) 三極管構成的放大器，放大倍數為(wei) A，輸入為(wei) I，則輸出O=I∗A，由於(yu) 放大倍數A不穩定，所以輸出波形會(hui) 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(cong) 輸出O取出信號，並將其與(yu) F相乘，得到X，所以X=O∗F，這裏F小於(yu) 1（這個(ge) 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，很容易受幹擾。

可以列出方程組：

Y=I−X

O=Y∗A

X=O∗F

解得整個(ge) 電路的放大倍數：

如果設計電路讓放大倍數A非常大，同時F不至於(yu) 很小，則

A∗F》》1

符號“》》”表示遠大於(yu)

根據近似的思想，上述整個(ge) 電路放大倍數：

由於(yu) 反饋器件可由電阻實現，普通電阻的阻值不容易受外界幹擾，因此F的值很穩定，於(yu) 是整個(ge) 電路的放大倍數就很穩定。我們(men) 成功的通過負反饋解決(jue) 了三極管的放大倍數穩定性問題。

可以看到這裏的反饋部分和放大部分構成了一個(ge) 環形，所以將整個(ge) 電路的放大倍數稱為(wei) 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(wei) 開環增益。由於(yu) 是負反饋，雖然電路增益穩定性提高了，但也有代價(jia) ：

由於(yu)

AF》》1

於(yu) 是

A》》1/F

即開環增益遠大於(yu) 閉環增益，也就是放大器增益大大降低。但總的來說，為(wei) 了穩定性，這樣做是值得的。

運算放大器

在上麵的電路中，為(wei) 了實際製造出開環增益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。由於(yu) 這種高增益放大器的需求很常見，於(yu) 是曆史上有人就把它們(men) 做成一個(ge) 成品電路板模塊，要用的時候直接當成一個(ge) 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(ti) 管元器件集成在一個(ge) 小芯片上成為(wei) 可能，於(yu) 是就有了今天十分常用的集成運算放大器。

“運算放大器”由於(yu) 最初用於(yu) 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(wei) 模電課程的重點之一。

運放的虛短虛斷特性

通常運放有兩(liang) 個(ge) 輸入端U+和U−，一個(ge) 輸出端Uo，它們(men) 之間滿足Uo=A∗（U+−U−）運放開環增益A常常高達幾十萬(wan) ~幾百萬(wan) ，但運放的輸出電壓受電源電壓限製，不能超出電源電壓。於(yu) 是運放的輸入-輸出關(guan) 係類似下圖形狀。

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(wei) 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(hui) 受到電源限製，不再滿足上述關(guan) 係式，Uo的值通常比電源電壓範圍略小（注意運放可以用雙電源，即電源電壓範圍可以在一個(ge) 負值和一個(ge) 正值之間），稱為(wei) 非線性區。

軌對軌運放的輸出可以達到電源電壓，有興(xing) 趣可以自行在網上搜索學習(xi) 。

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(wei) 虛短。所以隻有當運放工作在放大區才會(hui) 有“虛短”的特點，而非運放自身固有屬性。

另一方麵，由於(yu) 運放內(nei) 部結構特性，其輸入阻抗很大。

輸入阻抗可以簡單理解為(wei) 輸入阻抗 = 輸入端電壓 / 輸入端電流

輸入阻抗大，意味著運放輸入端隻需很小的電流就能正常工作。正因為(wei) 如此，運放才能用於(yu) 一些微弱電流的檢測，比如人體(ti) 的腦電波、肌電波，其最高電壓值隻有幾mV，電流值也非常小。

運放這一特性被稱為(wei) 虛斷，也就是輸入端和斷路一樣，幾乎沒有電流流入。與(yu) 虛短不同，虛斷是運放自身固有屬性，不會(hui) 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(hui) 有很多不理想的特性。前麵講的都是理想運放的特點。而實際運放，它不會(hui) 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(ge) 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(hui) 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(ge) 非常重要的問題。運放非理想特性的消除有很多方法，這裏不做介紹。

其他內(nei) 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(hui) 多一些。因為(wei) 運放的很多特性比三極管要優(you) 秀，電路設計簡單，而且往往運放的成本並不高。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(wei) 運放是將大量晶體(ti) 管集成在一塊的，平均每個(ge) 晶體(ti) 管的製造成本非常低。

例如一個(ge) 常規音頻前級放大器，一個(ge) 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(ge) 甚至更多三極管，成本或許要0.5元，並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(you) 勢。在一些非常簡單的電路中，並不嚴(yan) 格要求放大倍數的穩定性，一兩(liang) 個(ge) 三極管就能完成任務，往往會(hui) 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(hui) 比運放效果好很多，或者成本低很多，甚至有些情況下隻有直接使用晶體(ti) 管才能完成，這時就需要使用三極管來搭建電路了。

結尾

模電課程的介紹到此為(wei) 止。但是我想說的是，模擬電路是一門非常複雜的學科，涉及的知識遠不止書(shu) 上的那些。書(shu) 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(shu) 上的差距非常之大。比如模電書(shu) 中用運放搭建的三角波發生器，用於(yu) 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(shu) 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(dong) 西甚至難以解釋無法計算得出。