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模拟电路设计:理论的神话与残酷的现实

电路设计 1,386℃ 1 3年前 (2014-12-22)

本篇结合我的亲身体会,通过简单的举例,来说明模拟电路设计的一些特点,希望对有意从事模拟电路设计相关方向的同学有所帮助。

理论知识

模拟电路需要的理论知识比较多,需要用到不少数学计算,电路基础、信号与系统等学科,而这些学科又需要用到高等数学、线性代数、复变函数等数学基础。当然用到的数学知识不是很复杂,一般是比较基本的数学知识,高数中的微积分、线性代数中的矩阵、复变函数中的复数运算等。很多计算和物理电学中的计算有点像,数学上不是很复杂,但每个式子背后的原理很多,还要考虑很多现实因素。之所以模拟电路学起来难,有一个因素就是不少人大学期间的数学基础没学好,对理论计算有种恐惧心理(学的时候不知道干什么,用的时候才发现没学好)。

科学家与工程师

三极管是模拟电路当中非常基础和重要的知识。

一方面,科学家(物理学家、化学家等)从微观角度进行理论分析、假设与实验,研制出了三极管这种器件,具有放大作用,但是放大效果并不理想。三极管的放大倍数,受到温度、电源电压、输入电压等因素的影响,实在是太不理想化了。科学家已经尽力了,或许有一天,能找到更加完美的放大器件,比三极管好用。

另一方面,理想的放大器的放大倍数应该是恒定的,不然输出就会忽大忽小。我们生活中不能缺少比较理想的放大器,因为我们要用放大器制造电话、扩音喇叭等各种设备。

协调这两方面的冲突,解决这种难题,就是工程师的任务了;模拟电路的核心正是工程思想。工程师不关注三极管怎么被发明的,只关注三极管有什么特性,关注人们实际生活中需要什么样的电路。然后设法用不完美的器件,制造出尽可能满足人们需要的设备。利用不完美的东西去创造完美,工程很多时候就是在做这件事。

三极管的特性:学习三极管一般都从PN结基本原理开始,涉及一点化学分子方面的知识。在模拟电路中,主要关注PN结的特性,而不做进一步深入。

解决难题的方法:三极管放大倍数不稳定,我们可以通过负反馈的形式,牺牲放大倍数,实现放大倍数的稳定。

 

信号与系统

信号与系统是一门很重要的基础理论课。信号系统这门课很抽象,基本上就是在学数学。而正是因为它的抽象,能应用到很多学科中来。信号系统不仅能用到电路中,也能用到力学系统中,还能用到声学系统中(例如音箱的声学设计)。信号系统这门理论课有点不好理解,因为不知道它如何应用。我们能做的就是不要过早的问为什么,先踏踏实实把那些理论知识记住,后面再去实践(理论与实践相结合的学习固然更好,但知识很难安排)。

何为负反馈,以及如何实现了放大器放大倍数的稳定,可参考《我对模拟电路课程的理解》 http://www.paincker.com/analog-circuit

理论的神话与残酷的现实

模拟电路尤其是高频/射频,难度往往很大,除了需要较多理论知识,还需要大量经验积累。做电赛的时深有体会,模拟电路的设计不容易,即使是最简单的运放积分器。理想情况下,积分器电路如下图,理论分析也比较简单(学过信号系统和模电的人应该能理解,这里不做分析)。

而实际上这样的电路往往不能工作,因为运放等器件的非理想特性使然。即便是最基本的导线都有电阻,理论分析很难考虑那么多非理想因素。实际上一般需要再添加一些器件,如下图。

即使完善了电路,每个器件参数也不能任意取值,甚至电源、布线也有讲究。特别是在高频/射频中,元器件之间会因为电磁波互相干扰,解决这些问题又需要用到一些类似信号系统的理论课程知识。最后才能实现设想的积分器效果,并且只能在给定的条件下正常工作(可以想象一下收音机,或者以前用天线的电视机,人靠近了都可能会影响电视机的工作)。

理论分析/软件仿真/实际电路

在模拟电路设计中,通常的设计流程是,先进行理论分析,设计出电路,然后通过仿真软件进行验证,最后制作实际电路,并进行修改和调试。对于简单和要求较低的电路,可以尝试先用面包板搭建,再进行焊接;对于一些要求较高的电路,例如要求大电流,高频率等,面包板就很难实现了;甚至万用焊板焊接的也不能使用,还得设计PCB进行尝试,过程就比较麻烦了。

整体的情况是,理论分析和仿真电路差远了;而仿真电路和实际电路又差远了。像前面举的例子,不少看似简单的电路,完全按照最初设计的电路去搭建,很可能不工作。这个时候就需要通过仪器测试等辅助手段,进行分析和电路改进了。

芯片手册

芯片手册在电路设计的过程中是经常要用到的参考资料,特别是集成芯片的手册,当然很多基本元件包括三极管、MOS管等也有芯片手册。

现代电路设计往往都会用芯片,而不是完全由分立元件搭建。芯片一旦设计出来,批量制造能大大节省成本,提高电路设计效率。很多时候用运算放大器来设计放大器,远比用分立的三极管等器件容易,并且反而节省了不小的成本。

芯片手册中会有器件的封装、管脚等基本信息,还有使用电压、温度、湿度范围的要求,芯片往往还有内部构造的框图等内容,甚至有些芯片特别是高频和大功率的芯片,还会给出参考PCB设计图。

学会阅读芯片手册,是模拟电路设计必不可少的基本技能。很多芯片手册都是英文版的,这时不得不去熟悉各种英文的专业名词术语。关于这个话题,在下文中有较为详细的讨论:

《不要惧怕英文——英文的作用和重要性》 http://www.paincker.com/english

丰富的经验

解决模拟电路中的很多问题,需要大量经验积累,很多时候很难用理论去解释一些问题,因为太复杂了。经验很丰富的硬件工程师非常难得(例如几十年经验),年薪百万都不成问题。所以如果对硬件很感兴趣,可以一直做下去,往往越老越吃香。

这些知识很多很杂,很难被整理出来(潜心做技术的工程师很多都不太善于表达,也没有那么多精力);即使整理出来成书,也很难快速的被别人学会;而且有些情况下,这些知识往往价值很高,不一定会随便公开(例如国外的很多保密的高科技)。从全人类的角度来看,这些知识的传播也是个亟待解决的难题。

学习条件

学习硬件不仅是难度大,而且很烧钱。最好通过竞赛来学习,因为往往实验室才能提供各种价格高昂的仪器,竞赛则会有经费购买各种器件,从而能有充足的学习条件。电赛时很多学校条件不够,甚至没有几台示波器,只能做单片机控制类方向。但是在西电,高频、开关电源、仪器仪表等各种方向都有充足的条件(学校对电赛非常重视,提供的经费也比较多,但是想参与进来要求也比较高)。较好的学校资金比较充足,图书馆特别是实验室能提供更多难得的学习机会。

西电的电赛过程可参考《2013电赛总结【西电专用】》 http://www.paincker.com/nuedc

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评论1条

  1. win 回复

    好干货

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