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為什么模電這么難學(xué)?這是我見過最好的回答

硬件攻城獅 ? 來源:知乎 ? 2024-01-12 16:29 ? 次閱讀
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在高等教育體系中,模電是涉及半導(dǎo)體方向的第一門工程類課程,是一門技術(shù)類的啟蒙教材。他不同于電路(Circuit),電路是基于普通物理基礎(chǔ)的電氣入門課程,誕生于第二次工業(yè)革命,從摩擦起電到伏特電池,奧斯特,法拉第,安培,麥克斯韋等一大批物理學(xué)家構(gòu)建了物理的一個全新分支:電磁學(xué),與傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)和開爾文熱力學(xué)并肩存在。所以電路很大程度上是物理學(xué)的延申,學(xué)起來邏輯性強,有數(shù)學(xué)定理可以依靠。高中都設(shè)置有物理課程,所以到了大學(xué)學(xué)電路就很容易。

模擬電子學(xué)(Analog Electronics)是一門純技術(shù)類學(xué)科,是伴隨半導(dǎo)體技術(shù)而誕生的。其中的已知電路,拓?fù)洌瑧?yīng)用手段都是純技術(shù),更多的是一種工作筆記匯總。其中記錄的是20世紀(jì)這100年中被人類發(fā)明的一系列的模擬電子技術(shù)成果。很顯然,作為半導(dǎo)體方向的啟蒙讀物,模電教材是不合格的。在沒有介紹學(xué)科發(fā)展,技術(shù)背景,應(yīng)用場景的情況下,直接羅列技術(shù)成果基本上就是讓學(xué)生去背下來所有內(nèi)容。

我們回頭來看模電的歷史,大概能明白模電到底是什么,誰發(fā)明的,現(xiàn)在怎么樣了,哪些人還在用。

模電最早不是為了做半導(dǎo)體,不是為了做二極管、三極管,不是為了做放大器,亦不是為了做音響功放、電報電話。模電誕生的初衷是為了直接做計算機。對,你沒看錯,是直接推塔,做計算機。1930年,MIT誕生了世界上第一臺通用模擬計算機[1],主要工作是求解6階微分方程。這臺計算機甚至和電都沒有關(guān)系,是一個純機械的求解方法。因為世界生產(chǎn)力發(fā)展迅猛,人類對于計算能力的渴望增長飛快。到了第二次世界大戰(zhàn)開始后,計算能力甚至開始影響到了戰(zhàn)爭發(fā)展。1940年,貝爾實驗室研發(fā)出了第一臺M-9模電計算機,而且一上來就直接放在戰(zhàn)斗機上,通過雷達(dá)數(shù)據(jù)在線計算敵機軌跡,形成一套自動機炮火瞄系統(tǒng),美軍戰(zhàn)機射殺敵機的耗彈量下降了10倍,也就是說射殺精度上升了10倍,一臺計算機就可以匹敵一個王牌飛行員,計算的威力實打?qū)嵉淖屗腥碎_始重視。歐洲戰(zhàn)局中,美國開始占領(lǐng)制空權(quán),到了1944年,終于終止了德國V1火箭對倫敦的繼續(xù)空襲,這其中M-9模算功高至偉。在M-9計算機中的核心元件便是帶負(fù)反饋的真空管放大器。兩個天才Randall Ragazzini和Russell歷史性發(fā)明了運算放大器(operational amplifier),并同時基于運放構(gòu)造了積分、求反、加減法電路。他們在論文中寫道:“把放大器的輸出端反過來連到輸入端后竟然可以進行電壓的數(shù)學(xué)運算了……”

1952年,從戰(zhàn)爭中走出來的大明星,運算放大器,終于走向民用。George A. Philbrick 引入第一個商業(yè)化的運算放大器 K2-W。+/-300 V供電,+/- 50 V壓擺,可以帶50K歐負(fù)載,售價22美元。

由此我們可以看到,這時候的模電,主要是為了搭建運算電路,執(zhí)行加減乘除,積分微分,求反求倒。這就是各位課本里各個章節(jié)的由來。那么為了能算的更快,更準(zhǔn),運放的性能就會被各大科技公司拿出來攻關(guān)克難。這時候,米勒效應(yīng)的問題出現(xiàn)了,振蕩問題出現(xiàn)了,那么人們通過科學(xué)知識逐步的找出了物理模型并系統(tǒng)的研究怎樣避免這些問題出現(xiàn)。這時候運放還都是真空管,因為半導(dǎo)體還沒有商業(yè)化。

1962年,一個叫 Bob Widlar的小伙剛剛從美國中部科羅拉多大學(xué)本科畢業(yè)了。他在一家研究機構(gòu)工作,他在電路設(shè)計方面天賦異稟,直接吸引了給他們供貨的一家供應(yīng)商的注意。盡管挖客戶跳槽是商業(yè)忌諱,但這家供應(yīng)商還是想方設(shè)法挖到Widlar并讓他負(fù)責(zé)一款新產(chǎn)品的研發(fā)。1964年,Widlar不負(fù)眾望,主導(dǎo)研發(fā)的產(chǎn)品面世了,這便是大名鼎鼎的μA702,世界上第一款基于半導(dǎo)體的運算放大器,從此世界進入了一個新時代。這個時代叫做“超大規(guī)模集成電路”,而這個挖墻腳的公司叫做“仙童半導(dǎo)體”。

和K2-W一樣,uA702也采用了兩級電壓放大,于是也面臨一個難題:如何在不犧牲增益(Gain)的情況下將一個差分(Differential signal)信號轉(zhuǎn)換成單端信號(Single-ended signal)。這個問題很難,因為會損失一半的信號。而之前K2-W就直接不要了這一半信號。我們的天才Widlar創(chuàng)造了又一個跨時代的發(fā)明:電流鏡(current-mirror )。他用了9個NPN型的三極管,搭建了一個我們后人都無法理解他怎么搭出來的電路,他把信號成功的向上抬高了一半,從而避免了失真。這就是各位書上電流鏡的由來。那么Widlar的這種把幾個三極管集成在一個器件中的行為被后人稱為:“模擬芯片設(shè)計”(Analog IC Design)。

而這時,神的故事才剛剛開始。Widlar在搞定完運放之后,順手搞了專門用于比較功能的運放710和711,比較時間縮短至40ns,將當(dāng)時其他基于普通云放的帶寬擴展了十倍。而這種專門用來比較的運放被稱為比較器。這就是各位書上比較器那一章的由來。

之后又搞了uA726,將溫漂變態(tài)的壓到了0.2μV/°C,滿足了軍品的溫度參數(shù)(-55°C to +125°C)。這就是各位溫漂那一節(jié)的由來。為什么這時候計算機需求這么大?因為美蘇冷戰(zhàn)開始了,地球人對于軍事和航空航天產(chǎn)業(yè)的升級迅速鋪開。國家每年將GDP的百分之幾十用在了科技創(chuàng)新上,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進入了舉國體制。

1965年,Widlar要求仙童加工資被拒絕,于是帶著同事Talbert離職,進入美國國家半導(dǎo)體公司。跳槽之后的第一款產(chǎn)品是LM100/101A。Wildar想,電流鏡能做信號運算,也同樣能做功率控制,于是用同樣的思路做成了這款基于運放原理的穩(wěn)壓器(Regulator)。這就是大家書上直流穩(wěn)壓電源那一章的由來,也是線性穩(wěn)壓器件的開始。現(xiàn)在你們熟悉的LM317就是這個系列的曾曾曾孫子。這款器件最大的特色是,無論負(fù)載怎么變,輸出電壓穩(wěn)穩(wěn)的定格在一個常值,這對于電源的發(fā)展無疑做出了巨大貢獻(xiàn)。

Widlar的線性穩(wěn)壓思路同時誕生了另一個產(chǎn)品:電壓基準(zhǔn)芯片。在模擬電路中,電壓需要一個絕對準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)作為參考電壓(Reference voltage),比如5V就應(yīng)該是5V,如果實際變成了5.01V,那么最后的計算結(jié)果就跑偏了,相當(dāng)于計算機的浮點精度。而Widlar的穩(wěn)壓思路大大提升了整個模電的參考電壓精度標(biāo)準(zhǔn)。這就是各位書上電壓基準(zhǔn)那一章的由來。那么怎么把一個電壓基準(zhǔn)就死死的釘在一個值呢?Widlar想到了二極管的導(dǎo)通電壓是0.6V,很固定。但這個導(dǎo)通電壓會隨著電流和溫度的變化而變化,高達(dá)0.3%/°C。如果能對這個電壓做一個2mV每攝氏度的補償將是極好的。于是Widlar基于電流鏡的經(jīng)驗,設(shè)計出了CTAT(負(fù)溫漂系數(shù)電路),從物理原理上證明了輸出電壓可以和溫度無關(guān)。電壓準(zhǔn)確度被精確釘在了5mV以內(nèi),即千分之一。

同時期,其他廠家在技術(shù)方面也是百花齊放。比如就職于Signetics的Hans Camenzind。他是專門做鎖相環(huán)(PLL)的,特別希望得到一種可控頻率的器件。不為別的,就是為了自己用方便。于是他做出了一種可調(diào)頻率器件,命名為555振蕩器。任何一個電學(xué)專業(yè)的學(xué)生都聽過用過這個器件,因為555是35年來全球最暢銷的IC,每年全球銷售10億只。

再比如Bill Hewlett和Dave Packard。別人用運放是為了防止振蕩,他們一開始也是,結(jié)果他們接線接錯了,做成了正反饋,電路振個不停。兩人一合計,算了,咱們就專門做振蕩器吧。于是開了公司,公司名就用兩人名字縮寫好了。而這些就是各位書本上“信號轉(zhuǎn)換和發(fā)生電路”那一章的由來。哦對了,那個公司名的縮寫是HP,中文名是惠普。而他們公司的那條街后來變成了一個地名,叫做硅谷。

此時,你們模電的章節(jié)基本上就攢全了。那么基于這些技術(shù)的各類產(chǎn)品開始出現(xiàn),比如無線電呀,比如音響啊,比如電視機啊,電話啊。

后來,到了1970年代,MOSFET的成熟使得集成電路的維度和速度得到進一步的提升,世界開始了數(shù)字化進程,數(shù)字電子技術(shù)開始進入了世界舞臺。一度曾經(jīng)輝煌的模擬電子技術(shù)開始卸任舞臺C位。可以看出,半導(dǎo)體的發(fā)展就是人類對于算力的不斷追求后做出的選擇。

那么模擬電子技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)不是主力了,更多的是服務(wù)于數(shù)字電子技術(shù),成為了外圍。所以美國教材這邊,模電中三極管(BJT)的比例已經(jīng)很小了,一帶而過。更多的篇幅用來講解MOSFET,而咱們國家模電教材基本上還是沒變過,國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也還沒真正起來,所以各位學(xué)起來就有兩個問題:1. 這是啥?2. 我學(xué)他干啥?模電教學(xué)不光是一個教育問題,更是一個商業(yè)問題。

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