一文极速理解模电

引言

放心铁子们，本文会从最基础的讲起，适合刚接触电子的童鞋，就算躺在床上，花十几分钟看完本文你将无痛地对模拟电路有个全面的了解！
模电是一块硬骨头，对于很基础的概念我会细说，对于一些进阶的概念我会尽量用语言解释，所以我会尽量把模拟电路涉及的知识点都囊括到，旨在让各位先见识模拟电路的全貌，为以后的学习打基础！
下图是模拟电路的知识框架，棕色的知识我会详细说说，大家可以马上掌握，蓝色的知识我会尽量用语言讲明白。希望对大家有帮助。

 

正文

为什么要学模电？我个人认为，模电，还有数电（数字电路），是电子学目前的两大基石，且数电是又模电发展而来，我强烈建议大学专业涉及到电的童鞋，都好好学一下这两门课，对数电感兴趣可以去康康我的另一篇文章哦一文极速理解数电。了解了模电数电，你才能够知道身边所有电器的基本原理，你才能有能力去领悟到这个电子世界的美妙。
OK，下面的内容环环相扣，事不宜迟，我们开搞！
 

半导体器件

模电的第一课肯定就是了解半导体器件。半导体就是既不是导体，也不是绝缘体，处于一个很尴尬的位置，但正是这样的交叉特性，赋予了它极大的灵活性，导致了时代的变革，如今所有电器都离不开半导体的功劳。硅和锗是现在常用的半导体材料，硅可以从沙子中提取，所以现在人类智慧结晶“芯片”，就来源于沙子哈哈。

PN结：采用掺杂技术，给半导体掺多点电子，形成N型半导体；掺多点空穴，形成P型半导体。（这么说是为了便于理解，其实是掺入5价的磷元素形成N型半导体，掺入3价的硼元素形成P型半导体）（空穴是指电子走了之后留下的位置，其实是没有东西的，只是为了和带负电的电子相对于，我们人为地称呼这个位置为空穴，定义为带正电） 这俩双向奔赴，合在一起后，中间形成了一个区域，其名为PN结。理论上一个N型半导体和P型半导体就形成了二极管，正向导通，反向截止。

双极型晶体管BJT：也叫三极管，就是两个PN结，像三明治一样夹在一起，有NPN，也有PNP。


场效应晶体管MOSFET：也是两个PN结，不过跟BJT不一样，现在更多用的是MOSFET，因为它功耗低且易集成，芯片里面都是mosfet。


关于半导体器件这一个概念就可以出一本书了，三言两语我也很难讲明白，这里推荐两个非常棒的b站视频 BV12x41187RN，BV1Ly4y1178Q，看完这俩视频你就对PN结、BJT和MOSFET有很好的理解了。
 

放大

个人觉得放大是模电里面最重要的概念！模电之后基本全在讲放大。各位对于放大的理解是什么？
是不是觉得有这样一个器件，只有两个口，一个输入，一个输出，输入给个小信号，输出就会有大信号？这是不可能的，不然永动机早就做出来了。现实是你必须给它插上电！它才有能量去放大。
所以放大的本质，就是对电源能量的控制！也可以理解为能量的转换，它把电源的能量转换为输出。

上面这个图形象地说明了这一点，电源的能量可以看成水桶里的水，在三极管的b极输入的小信号，可以看成对阀门的控制，即对水流大小的控制，在e极收到的所谓放大的信号实质上是被b极控制的电源的能量！如果b极没有电流，即阀门关闭，则e极也不会有电流；b极的电流慢慢增大，阀门慢慢打开，e极收到的电流自然也慢慢增大，所以 $I_B与I_E$ 之间成正比关系，我们俗称 $I_E$ 是放大的 $I_B$，但现在大家应该理解其中控制的味道了吧。

 

单管放大

下面进入单管放大的内容，单管就是电路中只有一个BJT或MOSFET。
对于任何的放大电路，我们最关注的三个方面就是：输入电阻、输出电阻、增益
想要理解输入输出电阻，先介绍一个概念，叫带负载能力。现实生活中，两节都标着3v的电池A和B，分别给理想的1Ω电阻供电，那么电阻上的电压是多少？你们可能马上说，3V！答案是错的，现实中不可能得到3V，因为电池会有内阻，假设电池A的内阻是1Ω，电池B的内阻是2Ω，则电阻的电压分别为1.5V和1V，你看，两节都说3V的电池接上负载后效果不同，我们称 内阻小的电池A带负载能力强。

输入电阻 就是从输入端看进去的等效电阻，从我们上面举的电池例子，从输入端看进去，输入电阻就是1Ω的负载电阻，它越大，抢的电压就越多，所以输入电阻越大越好！
输出电阻 就是从输出端看进去的等效电阻，从我们上面举的电池例子，从输出端看进去，输出电阻就是电池的内阻，它越小，负载抢的电压就越多，所以输出电阻越小越好！
那么对于增益，就是放大倍数，大家是不是觉得越大越好？前面我们讲过，放大的本质是对电源能量的控制，我的电源只有5V，无论放大倍数多少，就算给你10000倍，撑死也是放大到5V，现实中4.8v都不错了，反而放大倍数太大，给一个很小的输入，一下就放大到饱和，这个电路就失去了意义，所以放大倍数合适最好！

那么是不是给一个单管，给它加上电源，它就能如我们所愿乖乖地放大？还不行！就如考试前我们要吃好睡好，调整好自己，我们还需要先把放大器件调教好，专业点叫设置好静态工作点！
因为一般的输入都是交流的小信号，而供电的电源是直流，所以一般对于放大电路的分析我们会先画出它的直流通路，做静态分析，分析静态工作点，保证交流的小信号无论正半周还是负半周都能完美地被放大（三极管中发射结正向偏置，集电结反向偏置）；再画出它的交流通路，识别电路组态，做动态分析，这个电路基本就被你搞定啦。

看看下面这个最经典的单管放大电路，共射是指三极管的射极接了地，在交流通路中它也接地。

$V_{CC}$ 和 $V_{BB}$ 用于供电，$V_s$ 就是用于控制的小信号，它越大，输出越大。电阻$R_b$ 和 $R_c$ 就是用于调节静态工作点的。
同理，三极管中还有 共集（共集电极）和 共基（共基极），各有特点；MOSFET有共源、共漏和共栅，跟三极管大同小异。
 

多管放大电路

单管会了当然就要学多管啦，就是多个BJT或MOSFET接在一起。如下图：

多个管子接在一起会加大放大倍数，减小前级驱动电流，即当输入的信号很小很小时，可能就需要多个放大管接在一起增大放大倍数。一般放在多级电路的中间级放大增益。
拓展一下，三极管之间的连接叫耦合，像上面这样直接接在一起叫直接耦合，，低频特性好，利于集成；若它们通过电容连接，就叫阻容耦合，利于分析；耦合方式还有很多种，各有特点。
 

差分放大电路

最初使用放大电路时，人们发现有一个很讨厌的参数会引起输出波动，它就是温度。即使没有输入，由于温度的变化，有时输出也会偏离固定值上下波动，这就是零点漂移，这是我们不希望看到的，正当人们头疼之时，一位老哥提出了差分的思想，非常非常的美妙！就是引入两个输入，我们对于这两个输入作差！因为俩输入离得很近，所以温度对它们的影响是一样的，一作差，就被消掉了！这种信号叫共模信号。你可能马上会问，那我们原本有用的信号也被你作差消掉了耶，有什么意义？转变下思路，我们将有用的信号取反，在另一个输入口输入，这样作差不会消失，而且还翻倍了，妙哉！这种信号叫差模信号。
所以对于差分放大电路，它的核心思想就是 抑制共模，放大差模, 一般放在多级电路的第一级当输入电路，可以很有效地消除干扰。

 

功率放大电路

顾名思义就是放大功率，对于比较大的负载，它能直接驱动，能有效地放大电流，供大负载正常工作。 一般放在多级电路的 最后一级 当输出电路。
有甲类，乙类，甲乙类和丙类。先别头晕，有个印象就行，甲乙类功放是最重要的，它克服了交越失真，兼顾了失真和效率问题，大多优质的音响里用的就是甲乙类功放。下图为经典甲乙类功率放大电路（红色部分克服了乙类功放出现的交越失真问题）。

 

电流源

如果大家学过电路分析，对电流源应该不陌生，如果不太了解可以去我的文章里康康哦《一文极速理解电路分析》。在电路分析里电流源是很重要的电源，但在模电里，电流源主要充当负载！对你没听错，用电流源当负载，这种负载叫有源负载，因为电流源能提供静态稳定的电流，所以整个电路的增益会大大提升，有比例电流源，镜像电流源等等。
下图中T1和T2管组成电流源。

 

集成运算放大电路（运放）

前方高能！！！我们将能消除干扰的差分放大电路放在第一级，多管放大电路放在中间级提升增益，功率放大器放在最后驱动负载，再加上电流源充当有源负载，一个集成运算放大电路诞生！！！

这么复杂的电路其实也不过如此，我们可以简单地将它画成：（V+是同相端，V-是反相端，这俩就是第一级差分放大器的输入嘛，Vs为电源，Vout为输出）

我个人认为运放就是模电的 主角 ！它的功能非常非常强大，可以对输入实现加减乘除、微分、积分、指数、对数、滤波、整流、整形… 我觉得最牛的是它为纯模拟器件。一般来说对信号的处理时模拟信号进来，经过模数转换AD变为数字0和1，送给数字芯片处理，再经过数模转换DA把0和1变为模拟信号，送给输出。而运放是模拟进来，模拟处理，模拟出去，没有数字信号什么事，很原始，强大的一个电路。
这是它的公式！
$$V_{out}=A_{od}\ast (V_{+}-V_{-})$$再看看它的参数，输入电阻为无穷大，输出电阻为0，增益为无穷大，所以它是完美选手。
慢着，它的增益这么大，我们不是说过增益太大会容易饱和吗？对的，所以我们还要加上一个重要概念：反馈！

反馈

将信号的输出引一部分回输入，与原本的输入一起影响下一次的输出。
正反馈：这次考试很好，使我信心大增，下一次考得更好；
负反馈：这次考试很差，使我信心大减，下一次考得更差；
通过反馈（深度负反馈），我们就可以通过加电阻自由控制放大的增益！这时候运放才真正可以说完善了。

虚短

看回它的公式，因为 $A_{od}$ 为无穷大，除过去左边，一个数除以无穷大为0，所以：
$$V_{+}-V_{-}=0$$

虚断

因为运放输入电阻为无穷大，所以输入的电流近似为0！，即：
$$I_{+}=I_{-}=0$$

同相比例运算

利用虚断，把输入端断掉，再利用虚短，$U_N$ 的电位就等于 $U_I$ 。那就好办了，对于R，有 $i_R=\frac{U_N}{R}$ , 对于Rf，有 $i_F=\frac{U_0-U_N}{R_f}$ , 因为它俩电流一样，所以
$$\frac{U_I}{R}=\frac{U_0-U_I}{R_f}$$ 变一下就是图中的公式！

反相比例运算

与同相比例同理，用虚短虚断就可以求出图中的公式。

进阶知识

运放能组成很多的功能电路，加减乘除、微分、积分、指数、对数、滤波、整流、整形等等，这时就可以研究一下对于不同频率的输入，这些电路会有怎么样的响应。利用有源器件组成滤波器，叫有源滤波，效果会比无源的滤波器要好很多。
然后运放还能组成电压比较器。对于波形的发生和转换，比如方波变三角波，也可以研究一番。
这些知识比较硬，需要大家静下心好好看书领悟哦。
 

END

最后再看一下模电所有知识的知识框架，希望能帮助各位对模电形成大致的了解。

 
附上另外两篇的链接《一文极速理解数电》，《一文极速理解电路分析》。