快快樂樂跟我學模擬電路

《快快樂樂跟我學模擬電路》

2009/07/21

asdjf@163.com

“模擬電路太難了，怎么學呀？怎樣快速入門呢？”

“這個模擬電路實現(xiàn)了什么功能？”

“三極管驅動電路周邊的電阻值怎么計算？”

“怎樣設計模擬電路實現(xiàn)XXX功能??？用什么電路形式？選什么器件？參數(shù)是什么？”

“仿了一個模擬電路，怎么指標就是達不到原先的水準呢？”

“10uV信號怎么放大到10V？”

很多《ecos增值包》用戶希望在自己的項目里使用模擬電路，實現(xiàn)高頻信號的采集、處理，畢竟現(xiàn)實世界的信號大多數(shù)是模擬的，但苦于模擬電路開發(fā)太深奧，不知如何快速入門。為此，在€cos增值包》中增加關于模擬電路設計方面的文檔。

現(xiàn)在大部分人熱衷于學習數(shù)字電路技術，比如：單片機、DSP、ARM、FPGA、Windows/Linux/網(wǎng)頁編程等等，不能說這種作法有什么錯誤，因為數(shù)字技術相對于模擬技術來說有很多優(yōu)點，比如：（1）靈活性；（2）精度高；（3）可靠性和可重復性；（4）大規(guī)模集成?！秂cos增值包》平臺也提供了所有這些數(shù)字技術內(nèi)容（感興趣的用戶可以訪問

了解更詳細信息）。但是僅靠數(shù)字技術不能解決所有問題，有些時候必須使用模擬電路。

模擬電路并不難學，難的是長期積累，有老師指點，堅持做實驗。

我們首先介紹什么是模擬電路，時代劃分，模電開發(fā)需要具備的能力，模電難在哪里，模電涉及的內(nèi)容，元器件選型，然后用實例進行讀圖訓練，計算電路參數(shù)，設計指導，最后推薦閱讀書目、網(wǎng)站以及一些心得體會。

模擬電路相關技術

模擬電路博大精深，涉及內(nèi)容廣泛，本文檔重在介紹模擬電路，對于那些和模電密切相關，但又不是模電所特有的內(nèi)容，本文將不再贅述，感興趣的用戶可以參閱《ecos增值包》中的其他相關文檔。

《快快樂樂跟我學高速PCB設計》------用于指導設計高速PCB板/插卡

《快快樂樂跟我學開關電源設計》------用于指導開關電源設計

《快快樂樂跟我學EMC設計》------用于指導EMC設計

總之，《ecos增值包》已經(jīng)覆蓋了大部分模電通用技術，我們只需要繼續(xù)學習模電專用技術就可以了，大大減輕了負擔。

以上文檔可在網(wǎng)站上閱讀下載。

模擬電路介紹

模擬電路（AnalogCircuit）:處理模擬信號的電子電路。模擬信號：時間和幅度都連續(xù)的信號（連續(xù)的含義是在某取值范圍內(nèi)可以取無窮多個數(shù)值）。工業(yè)控制里的溫度、液面、壓力、流量、長度等都是連續(xù)的模擬量。

模擬信號的特點：

1、 函數(shù)的取值為無限多個；

2、 當圖像信息和聲音信息改變時，信號的波形也改變，即模擬信號待傳播的信息包含在它的波形之中（信息變化規(guī)律直接反映在模擬信號的幅度、頻率和相位的變化上）。

模擬電路時代劃分

50年代前電子管

1947年晶體管誕生，以半導體器件為核心

1958年集成電路問世

1969年大規(guī)模集成電路問世，品種齊全

1975年超大規(guī)模集成電路問世，價格下降

隨著器件的不斷發(fā)展，模擬電路的應用和教學也經(jīng)歷了以電子管為中心；以晶體管為中心；以集成電路（如：運放）為中心等多個階段。

翻開很早以前的模電教材，都是以電子管為核心講解電路原理的，那時的收音機、電視機、擴音器、電臺等都是電子管的?，F(xiàn)在仍然有不少音響發(fā)燒友使用電子管做功放，做收音機，稱之為，膽機”，看著電路放音時，一堆燈絲閃動，別有一番DIY樂趣，據(jù)說可以聽出特別的味道，只是現(xiàn)在電子管不太好買了。

后來的模電教材主要以分立的晶體管元件為核心，這一時期的收音機、擴音器等都改成品體管的了，現(xiàn)在模電實驗課還有七管超外差調(diào)幅收音機實習。盡管現(xiàn)在很少產(chǎn)品完全使用分立元件設計，但是大學課本仍然以這些分立器件為核心授課，究其原因，品體管畢竟是集成電路的基礎，學好這些分立器件，才能更好地理解集成電路。目前一些分立晶體管主要用在驅動電路中，比如：驅動數(shù)碼管、繼電器等，完全使用分立元件實現(xiàn)的模擬電路越來越少了。

現(xiàn)在我們已經(jīng)到了超大規(guī)模集成電路時代，真正的產(chǎn)品大多是由集成電路實現(xiàn)的?？墒且恍┏鯇W者由于大學課本教的是分立元件，所以不習慣用集成電路?？吹接芯W(wǎng)友設計一個指標較高的放大電路，仍然首先考慮用三極管搭，現(xiàn)在都什么年代了，有運放為什么不用！集成電路體積小、功能強、性能穩(wěn)定、成本低（單位晶體管價格），現(xiàn)在設計模擬電路首選集成電路。不過，集成電路的設計方法

和原來分立器件的又有不同，復雜的設計由模擬IC廠商完成，使用者最重要的能力是選擇合適IC。

綜上所述，時代不同，模擬電路的學習和應用側重點就不同?，F(xiàn)在分工比較細:模擬IC芯片設計，板級應用設計，EDA工具開發(fā)，射頻，測量儀器，EMC設計等等，根據(jù)你的方向，有選擇地重點學習，效果較好。

模電開發(fā)需要具備的能力

模擬電路課程的學習目的是：掌握電子技術的基本概念，基本電路，基本分析方法，基本實驗技能。尤其需要強調(diào)的是模電學習，實驗不可少。

模電開發(fā)需要具備的能力：

1、 讀圖能力

定性分析。能夠正確分析出一張模擬電路原理圖所要實現(xiàn)的功能。

經(jīng)?？吹秸搲弦欢讶税淹粋€電路圖分析出10多種不同功能，而且居然沒一個分析對的。本來想讓大家一起分析出個正確答案，但是結論不收斂，誰也說服不了誰，大多數(shù)都分析錯了，越分析越亂，所以給大家造成了模電難學的錯覺。其實，這就是缺乏讀圖能力訓練造成的。如果連圖都看不懂，定性分析功能也不會，那么就別指望后面的定量分析，設計調(diào)試了。讀圖能力是學好模電的基礎。擁有這個能力后，你才能考慮自學模電。后面我們將用實例說明如何把復雜的總原理圖分解成若干基本部分，如何分析估算，如何舉一反三。

2、 估算能力

定量分析。能夠正確估算出一張模擬電路原理圖中各元件參數(shù)值。

注意：這里特別強調(diào)“估算”，因為模擬電路分散性，只能近似估算。模電定量分析屬于工程問題，你不能指望得到精確解，只能得到大概數(shù)據(jù)，然后做實驗驗證。前面也說過，模電的實驗不能少。

經(jīng)常看到論壇上有人問元器件（電阻、電容、電感等）的取值，然后眾人給出一堆答案，都不帶重樣的。這又給大家造成了模電難學的錯覺。其實，主要是缺乏定量估算能力造成的。估算能力需要不斷訓練，不斷積累，了解各種電路形式，各種數(shù)學模型，計算流程，計算公式，經(jīng)驗公式。估算能力的提高沒有捷徑可走，只能一點一滴，循序漸進地積累，不過，如果多看一些前人總結好的范例，并能舉一反三，那么，提高快一點還是有可能的。

3、 選擇能力

獨立設計能力。能夠根據(jù)功能指標要求，選擇電路形式，選擇合適器件，選擇合適元器件參數(shù)。

到這一步，已經(jīng)具備獨立設計能力了。這三步有先后順序，先會讀圖，給出一張圖能夠分析出功能，然后，能夠估算給定圖紙各元器件參數(shù)值，最后，能選擇合適電路實現(xiàn)指定功能。

經(jīng)?？吹秸搲嫌腥藛枌崿F(xiàn)某功能該選擇那種型號的三極管、運放，該選哪個廠商生產(chǎn)的，用什么電路形式比較好，具體參數(shù)怎么確定云云。很明顯，缺乏選擇能力，不能獨立設計電路。

你想選擇合適元器件，就必須事先積累大量元器件信息，否則，連個選擇范圍都沒有，還談什么選擇啊，對吧。比如：你想選個合適的運放，那么你就必須事先搜集十幾種運放的數(shù)據(jù)手冊，然后才能開始選擇。選擇電路形式同樣需要事先積累，建議把各種電路形式列出對比表備查。至于選擇合適的元器件參數(shù)，那就得經(jīng)常用啦，熟能生巧，用多了自然能輕松選擇?？傊?，選擇能力需要長期積累，長期實踐。當然，從工程角度來說，找第三方咨詢，利用第三方平臺彌補自己積累的不足，也是行之有效的辦法。畢竟，具備獨立設計能力是個漫長的修—煉過程，可工作也要按時完成，正確的觀念和方法才能解決這個二難困境，后面會談談這方面的心得體會。

4、調(diào)試能力

動手能力，具體實現(xiàn)。根據(jù)設計出來的圖紙，實際制作出符合要求的硬件電路。

僅有圖紙，只能說剛完成一半工作量，模電設計從出圖到硬件實現(xiàn)還有很長很長的路要走。

經(jīng)?？吹秸搲嫌腥藛枺瑓⒄漳硤D紙設計的硬件出現(xiàn)這樣那樣的問題。比如自激、嘯叫、干擾輻射、不穩(wěn)定、噪聲淹沒有效信號、各項指標達不到等等。很多人感到模電難學的一個重要原因是，即使你有一個好的圖紙，也并不能組裝出達到預期效果的設備，常常要在調(diào)試上花費大量的時間和精力。模擬電路技術不僅是種實驗技術，還是種工藝技術，容易防盜版，即使盜版者擁有電路圖，拆解了設備，如果沒有一定的模電功底，高超的工藝技術，照樣仿造不出來。利用這一特性，在數(shù)字電路中加入適當?shù)哪M電路，控制關鍵部件，進而掌控供應鏈，獲得最大利潤。

還是前面說過的，模電的實驗不能少，第三次強調(diào)了。就象寫程序需要調(diào)試一樣，模電調(diào)試更是家常便飯，而且困難得多，大部分是體力活。首先要了解各種測試方法，其次要熟練掌握常用儀器的使用，這些需要長期積累實踐，多做實驗。另外，模擬電路的電磁兼容EMC設計非常重要，模擬電路的EMC設計可比數(shù)字電路的難度大多了，不過本文檔將不涉及這方面的重要內(nèi)容，而是將其放在《快快樂樂跟我學EMC設計》中統(tǒng)一討論。

模電難在哪里

很多人都說模電很難學，到底難在哪里呢？我們嘗試歸納了一些原因，不一定全面，但足夠說明問題。

1、 模電實驗多。

獲得元器件原始數(shù)據(jù)，測試，驗證，調(diào)試，總結經(jīng)驗公式等都需要做大量實驗，因此實驗設備必不可少，比如：示波器、信號發(fā)生器、電子負載、實驗電源等，而大多數(shù)人沒有財力購置全套實驗設備，或者只能購買低檔型號，這就給學習和應用帶來了限制，不是每個人都有機會擁有開發(fā)實驗環(huán)境。如果計算機程序出錯，只要單步調(diào)試就可以了，而調(diào)試模擬電路，必須設計實驗方案，做大量實驗，費時費力費錢。

經(jīng)常看到論壇上有人問某某電路工作不正常到底是什么原因的問題，其實不用問任何人，用儀器調(diào)試一下就知道了。如果程序工作不正常，那就單步跟蹤。如果DIP封裝芯片沒有器件手冊，那就直接用尺子量。同樣，如果模擬電路工作不正常就用示波器等儀器定位錯誤?？赡芎芏嗳耸诸^沒有測試設備，所以不得不一遇到問題就到處問人吧。

2、 理論和實踐脫節(jié)

教科書上全是針對理想器件進行理論分析的，可是實際使用的器件不是理想的。這不能怨教材誤導，用理想器件分析可以抓住主要矛盾，便于說明本質問題，但這樣做會隱藏很多細節(jié)問題，看書時什么都明白，一到實踐就什么都不明白了。

比如：電感存在寄生電容，電容存在引線電感，由LC構成的低通濾波器并不能濾除很高頻率的噪聲，因為當頻率很高時，噪聲會直接通過電感的寄生電容旁路到輸出端，此時電感失效，同樣，大電容在高頻時引線電感不能忽略，也不會濾除高頻，所以，LC低通濾波并不是你想象的那么完美。如果噪聲頻率更高，一小段導線都會成為天線，將能量發(fā)射出去，更不會經(jīng)過LC低通了。很多人看書明白了LC低通濾波原理，但就是弄不明白為什么加了LC低通后仍不能有效濾除高頻噪聲的原因。

再比如：用書上的公式計算出了電感值，但教科書上并沒有講怎么實際繞制電感，用多粗的漆包線？繞幾匝？用什么材料的磁芯？多大的體積？什么形狀？開不開氣隙？怎么繞？工藝要求？......看書時很明白，一到實踐才知道這么多不懂的。

放大器的數(shù)學表達很簡單，就是輸入信號乘以一個常數(shù)A（放大倍數(shù)），但是實際電路很復雜，因為放大器、電阻有噪聲，地不理想，運放還有頻率響應、零點飄移、線性區(qū)、溫度/濕度影響、增益補償、輸入輸出阻抗、電源等諸多問題需要考慮?？傊?，模擬電路設計就是與干擾做斗爭，大部分電路是用來抗干擾的，主功能電路往往非常簡單。所以，模擬電路的難點在于抗干擾，需要考慮的細節(jié)很多很多。

3、靈活多變，器件難買

模擬電路不象數(shù)字電路那么標準化，解決方案靈活多變，實現(xiàn)同一個功能可能有成千上萬種選擇，從好處講，方案多可以讓我們有更多選擇余地，優(yōu)中選優(yōu)，從壞處講，需要長期修—煉，積累大量元器件、典型電路、儀器使用、分析問題的知識。

模擬器件品種繁多，不太容易收集齊全，比如：某些型號的電子管、中周、變壓器、磁性元件、運放停產(chǎn)了，某些不單賣，某些是假貨/翻新貨等等。現(xiàn)在是超大規(guī)模集成電路時代了，如果買不到相應型號的IC，沒辦法自制。

另外，模電對數(shù)學功底有一定要求。模型抽象、近似估算、經(jīng)驗公式都要求有數(shù)學能力。

模電學習內(nèi)容

半導體器件

包括半導體特性，半導體二極管，雙極結性三極管，場效應三級管等

放大電路的基本原理和分析方法：

1.原理單管共發(fā)射極放大電路；雙極性三極管的三組態(tài)---共射共基共集；場效應管放大電路一一共源極放大，分壓自偏壓式共源極放大，共漏極放大；多級放大。2方法直流通路與交流通路；靜態(tài)工作點的分析；微變等效電路法;圖解法等等。

低頻小信號放大電路

高頻放大電路

放大電路的頻率響應

單管共射放大電路的頻響一一下限頻率，上限頻率和通頻帶頻率失真波特圖多級放大電路的頻響

功率放大

互補對稱功率放大電路一一OTL（省去輸出變壓器），OCL（實用電路）

集成放大電路

偏置電路，差分放大電路，中間級，輸出級。

放大電路的反饋

正反饋和負反饋

負反饋：四組態(tài)一一電壓串聯(lián)，電壓并聯(lián)，電流串聯(lián)，電流并聯(lián)負反饋。（注意輸出電阻和輸入電阻的改變）

負反饋的分析：Af=1/F

模擬信號運算電路（運放電路）

理想運放的特點（虛短虛地）；

比例運放（反向比例運放,同向比例運放，差分比例運放）；

求和電路（反向輸入求和，同向輸入求和）

積分電路，微分電路；

對數(shù)電路，指數(shù)電路；

乘法電路，除法電路。

信號處理電路

有源濾波器（低通LPF，高通HPF。帶通BPF，帶阻BEF）

電壓比較器（過零比較器，單限比較器，滯回比較器，雙限比較器）

波形發(fā)生電路（振蕩電路）

正弦波振蕩電路（條件，組成，分析步驟）

RC正弦波振蕩電路（RC串并聯(lián)網(wǎng)絡選頻特性）

LC正弦波振蕩電路（LC并聯(lián)網(wǎng)絡選頻特性電感三點式電容三點式）

石英品體振蕩器

非正弦波振蕩器（矩形波，三角波，鋸齒形發(fā)生器）

十.直流電路

單相整流電路

濾波電路（電容濾波，電感濾波，復式濾波）倍壓整流電路（二倍壓整流電路，多倍壓整壓電路）

串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路

十一?調(diào)制/解調(diào)電路

調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相

—

常用元件

電阻...

電感???

電容...

二極管:

參數(shù)：

平均正向整流電流（最大值）IF、反向耐壓（最大值）VRM、重復正向電流峰值（最大值）IFRM、正向浪涌電流峰值（最大值）IFSM、正向壓差環(huán)境溫度25°C（最大值）Vr、反向電流環(huán)境溫度25°C（最大值）IR、重復反向峰值耐壓、正向平均整流電流、連續(xù)反向耐壓、封裝、主要用途、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品編號、規(guī)格書、價格

型號:

1N4007、1N4148、BAV70、BAV99、BAW56

三極管：

參數(shù)：

集電極電流Ic、集電極-基極電壓Vcbo、集電極-發(fā)射極極電壓Vceo、發(fā)射極-基極電壓ebo、功耗Pc、增益hfe、封裝、工作溫度、頻率響應、主要用途、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品編號、規(guī)格書、價格

型號：

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

場效應管...

讀圖訓練實例

七管超外差收音機低頻信號發(fā)生器品體管擴音機

電路參數(shù)估算訓練實例

一些心得體