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? ? ? 目 錄
1.?半導體器件
2. 放大
3. 單管放大
4. 多管放大電路
5.?差分放大電路
6. 功率放大電路
7. 電流源
8. 集成運算放大電路(運放)
????反饋
????虛短
????虛斷
????同相比例運算
????反相比例運算
????進階知識
? 引言 ? ?
放心鐵子們,本文會從最基礎的講起,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,為以后的學習打基礎!
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 ? ?
為什么要學模電?我個人認為,模電,還有數電(數字電路),是電子學目前的兩大基石,且數電是又模電發展而來,我強烈建議大學專業涉及到電的童鞋,都好好學一下這兩門課,對數電感興趣可以去康康我的另一篇文章哦一文極速理解數電。了解了模電數電,你才能夠知道身邊所有電器的基本原理,你才能有能力去領悟到這個電子世界的美妙。
OK,下面的內容環環相扣,事不宜遲,我們開搞!
1 半導體器件
模電的第一課肯定就是了解半導體器件。半導體就是既不是導體,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,導致了時代的變革,如今所有電器都離不開半導體的功勞。硅和鍺是現在常用的半導體材料,硅可以從沙子中提取,所以現在人類智慧結晶“芯片”,就來源于沙子。
PN結:采用摻雜技術,給半導體摻多點電子,形成N型半導體;摻多點空穴,形成P型半導體。(這么說是為了便于理解,其實是摻入5價的磷元素形成N型半導體,摻入3價的硼元素形成P型半導體)(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,我們人為地稱呼這個位置為空穴,定義為帶正電) 這倆雙向奔赴,合在一起后,中間形成了一個區域,其名為PN結。理論上一個N型半導體和P型半導體就形成了二極管,正向導通,反向截止。
雙極型晶體管BJT:也叫三極管,就是兩個PN結,像三明治一樣夾在一起,有NPN,也有PNP。
場效應晶體管MOSFET:也是兩個PN結,不過跟BJT不一樣,現在更多用的是MOSFET,因為它功耗低且易集成,芯片里面都是mosfet。
關于半導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、BJT和MOSFET有很好的理解了。
2 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。現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,就是對電源能量的控制!也可以理解為能量的轉換,它把電源的能量轉換為輸出。
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之間成正比關系,我們俗稱IE是放大的IB,但現在大家應該理解其中控制的味道了吧。
3 放單管放大
下面進入單管放大的內容,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。現實生活中,兩節都標著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,現實中不可能得到3V,因為電池會有內阻,假設電池A的內阻是1Ω,電池B的內阻是2Ω,則電阻的電壓分別為1.5V和1V,你看,兩節都說3V的電池接上負載后效果不同,我們稱 內阻小的電池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,大家是不是覺得越大越好?前面我們講過,放大的本質是對電源能量的控制,我的電源只有5V,無論放大倍數多少,就算給你10000倍,撐死也是放大到5V,現實中4.8v都不錯了,反而放大倍數太大,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,調整好自己,我們還需要先把放大器件調教好,專業點叫設置好靜態工作點!
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,做靜態分析,分析靜態工作點,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(三極管中發射結正向偏置,集電結反向偏置);再畫出它的交流通路,識別電路組態,做動態分析,這個電路基本就被你搞定啦。
看看下面這個最經典的單管放大電路,共射是指三極管的射極接了地,在交流通路中它也接地。
VCC和VBB用于供電,VS就是用于控制的小信號,它越大,輸出越大。電阻Rb和Rc就是用于調節靜態工作點的。
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。
4 多管放大電路
單管會了當然就要學多管啦,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,減小前級驅動電流,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。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。
5 差分放大電路
最初使用放大電路時,人們發現有一個很討厭的參數會引起輸出波動,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。
6 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,大多優質的音響里用的就是甲乙類功放。下圖為經典甲乙類功率放大電路(紅色部分克服了乙類功放出現的交越失真問題)。
7 電 流 源
如果大家學過電路分析,對電流源應該不陌生。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穩定的電流,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。
8 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!!!
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這么復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,可以對輸入實現加減乘除、微分、積分、指數、對數、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,經過模數轉換AD變為數字0和1,送給數字芯片處理,再經過數模轉換DA把0和1變為模擬信號,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,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 Aod為無窮大,除過去左邊,一個數除以無窮大為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
利用虛斷,把輸入端斷掉,再利用虛短,UN的電位就等于UI。那就好辦了,對于R,有iR = UN / R,對于Rf,有iF = U0 ? UN / Rf,?因為它倆電流一樣,所以
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、對數、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。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。對于波形的發生和轉換,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悟哦。
9 E N D
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。
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