簡介：在電子類專業中，模擬電路是一門非常重要，並且不少人覺得很難的一門課。這裡我來說一說我對模擬電路這門課的理解，希望能對大家有所幫助。
工程思想
如果說到考試成績，我的考試成績一般，並非什麼高分；但如果說到對模擬電路的理解和應用，倒是用模擬電路做過一些東西，也參加過一些競賽。模擬電路是一門工程性質的課程，學習它的重點在於掌握其中的工程思想，同時最好能用於實踐，而不只是為了做題考試。
何為工程思想呢？百度百科的解釋是這樣的：
工程是科學和數學的某種應用，通過這一應用，使自然界的物質和能源的特性能夠通過各種結構、機器、產品、系統和過程，是以最短的時間和精而少的人力做出高效、可靠且對人類有用的東西。於是工程的概念就產生了，並且它逐漸發展為一門獨立的學科和技藝。
例如在模擬電路中，有個非常重要的工程思想——近似。中學物理課上，我們學的很多電路都是理想電路，導線電阻始終為0，變壓器的效率是100%，理想電壓表內阻無窮大，理想電流表內阻為0等。你可以發現，很多時候模擬電路中的計算會常常省略掉一兩個比較小的項，而且直接用等號而不是約等號。
為什麼要用近似呢？說白了就是人類科學對自然的理解還不夠全面，無法絕對精確的描述自然現象；或者是人的理解力有限，精確描述代價太大。通過近似的手段，不僅對解決問題沒有明顯的影響，而且大大簡化了步驟，節約了時間和精力。運用這種思想，人類科學取得了很多成果，也充分證明了其可靠性。
概要
模電本身是一個非常複雜的學科，而模電課程只是其中最基礎的東西。模擬電路（Analog Circuit）的含義是處理模擬信號的電子電路。自然界中絕大多數信號都是模擬信號，它們有連續的幅度值，比如說話時的聲音信號。模擬電路可以對這樣的信號直接處理（當然需要先轉換成電信號），比如功放能放大聲音信號，廣播電臺能將模擬的聲音信號、圖像信號進行發送。甚至可以認為，所有電路的基礎都是模擬電路（即使是數字電路，其底層原理也是基於模擬電路的）。其重要性不言而喻。
由於數字電路、可編程器件的迅速發展，體現了很多優越特性。很多電子設備都慢慢數位化，但始終還是離不開模擬電路。
目前模擬電路中最重要的器件，則非半導體器件莫屬。最基本和常用的半導體器件有二極體、三極體、場效應管和運算放大器。
二極體的作用很多，如普通二極體可用於整流，發光二極體可用於指示燈和照明，穩壓管可進行穩壓，變容二極體可用來進行信號調製等。模電課程中，涉及到二極體的部分相對比較簡單，而場效應管的很多特性類似三極體，所以常以三極體或運放為主體進行講解。
三極體與放大器
三極體的基本功能是放大，通過這一特性，三極體構成各種電路，體現出了很多工程思想。
三極體基本電路就是放大器，例如功放就是一個放大器，輸入的聲音很小，輸出的聲音卻很大。放大器的輸出和輸入電壓（或電流）之比稱為放大倍數，又叫做增益。
對於一個電壓來說，如果以時間為橫軸、電壓為縱軸作圖，這個圖形則為這個電壓的波形。
如果一個放大倍數為5的放大器，輸入恆定的1V電壓（波形如下左圖），則輸出應該始終是5V（波形如下中圖），既不會隨時間改變，也不會隨溫度而變化，輸出和輸入的電壓形狀完全一樣。但如果放大倍數不穩定，不斷變化，原先輸入的信號就會變形（如下右圖），信號可能由一條水平直線變成了一條曲線。這種波形變化叫做失真。
一個理想的放大器，希望其放大倍數是恆定值。如果功放的放大倍數不穩定，聲音就會忽大忽小，波形變化還會導致聲音發生變化，即失真。
現實總是和理想相違背。很不幸，三極體的特性並不理想，它在放大電路中工作時，放大倍數不僅受輸入電壓、電源電壓影響，而且自身發熱導致溫度變化，也會影響它的放大倍數。這實在是讓很多工程師頭疼，如果不能找到有效的方法，減少這一特性帶來的影響，三極體很難應用到實際中來。
負反饋基本概念
於是一些非常厲害的人找到了好方法：負反饋。什麼是負反饋呢？
反饋是指將系統的輸出又返回到輸入端而影響輸入，從而對系統整體輸出產生作用。反饋可分為正反饋和負反饋。負反饋是使輸出起到與輸入相反的作用，使系統輸出趨於穩定。
上面的解釋不好理解，我舉兩個例子。
玩倒立擺時，我們用手支撐起一個倒立的木棍，當木棍往某個方向傾斜時，我們通過將手移動到木棍傾斜的方向來抵消這種變化，使得木棍能在手上平衡。 高中的時候經常月考，我發現有些同學有這樣的習慣：當一次成績考得比較差的時候，就會開始好好學習，然後下次成績就上漲；而考得比較好時，接下來的一個月又會鬆懈，於是成績又會降下來，如此周而復始。
這兩個例子都充分說明，負反饋可以讓系統更穩定。
負反饋放大器
我們忽略具體電路，只畫一個簡單的框圖，來說明三極體放大電路是如何利用負反饋的。
下面三角形表示一個三極體構成的放大器，放大倍數為A，輸入為I，則輸出O=A*I，由於放大倍數A不穩定，所以輸出波形會有失真。
在電路中添加了一些器件如下。
紫色的圓形是相加器，結合紫色的「+」、「-」符號，表示其輸出Y=(+I)+(-X)=I-X，在實際電路中用電阻就可以實現； 方框F是反饋器件，表示從輸出O取出信號，並將其與F相乘，得到X，所以X=0*F，這裡F＜1（這個部分在實際電路中可以用電阻實現）； 三角形表示的放大器A，主要用三極體構成，滿足O=A*Y，且A的放大倍數不穩定，很容易受幹擾。
可以列出方程組：
解得整個電路的放大倍數：
如果設計電路讓放大倍數A非常大，同時F不至於很小，則
符號">>"表示遠大於
根據近似的思想，上述整個電路放大倍數：
由於反饋器件可由電阻實現，普通電阻的阻值不容易受外界幹擾，因此F的值很穩定，於是整個電路的放大倍數就很穩定。我們成功的通過負反饋解決了三極體的放大倍數穩定性問題。
可以看到這裡的反饋部分和放大部分構成了一個環形，所以將整個電路的放大倍數稱為環路增益，或者閉環增益；而把增加反饋之前，電路的放大倍數A稱為開環增益。由於是負反饋，雖然電路增益穩定性提高了，但也有代價：
由於
於是
A>>1/F
即開環增益遠大於閉環增益，也就是放大器增益大大降低。但總的來說，為了穩定性，這樣做是值得的。
運算放大器
在上面的電路中，為了實際製造出開環增益A很大的放大器，往往要用多級三極體放大電路串聯的方式設計。由於這種高增益放大器的需求很常見，於是歷史上有人就把它們做成一個成品電路板模塊，要用的時候直接當成一個元件用就行了，非常方便。這就是最初的運算放大器，簡稱運放。
集成電路的發展，使得大量電晶體元器件集成在一個小晶片上成為可能，於是就有了今天十分常用的集成運算放大器。
「運算放大器」由於最初用於模擬計算機上進行數學運算而得名。儘管現在廣泛使用的數字計算機不再用運放進行計算操作，但名稱還是保留了下來。而今天，運放在模擬電路中發揮著十分重要的作用，也成為模電課程的重點之一。
運放的虛短虛斷特性
通常運放有兩個輸入端U+和U−，一個輸出端Uo，它們之間滿足
運放開環增益A常常高達幾十萬~幾百萬，但運放的輸出電壓受電源電壓限制，不能超出電源電壓。於是運放的輸入-輸出關係類似下圖形狀。
在中間那一段直線區域，運放在正常放大狀態，稱為線性區，滿足
Uo=A∗(U+−U−)
而當輸入的絕對值稍大一點時，輸出就會受到電源限制，不再滿足上述關係式，Uo的值通常比電源電壓範圍略小（注意運放可以用雙電源，即電源電壓範圍可以在一個負值和一個正值之間），稱為非線性區。
軌對軌運放的輸出可以達到電源電壓，有興趣可以自行在網上搜索學習。
當運放工作在線性區時，Uo的值很有限，但是A很大，所以
U+−U−=UoA≈0
即
U+≈U−
此時運放正負輸入端電壓幾乎相等，就像短路了一樣，稱為虛短。所以只有當運放工作在放大區才會有「虛短」的特點，而非運放自身固有屬性。
另一方面，由於運放內部結構特性，其輸入阻抗很大。
輸入阻抗可以簡單理解為 輸入阻抗 = 輸入端電壓 / 輸入端電流
輸入阻抗大，意味著運放輸入端只需很小的電流就能正常工作。正因為如此，運放才能用於一些微弱電流的檢測，比如人體的腦電波、肌電波，其最高電壓值只有幾mV，電流值也非常小。
運放這一特性被稱為虛斷，也就是輸入端和斷路一樣，幾乎沒有電流流入。與虛短不同，虛斷是運放自身固有屬性，不會隨著電路的不同而改變。
運放的非理想特性
運放由三極體構成，顯然和三極體一樣，也會有很多不理想的特性。前面講的都是理想運放的特點。而實際運放，它不會完全滿足虛短虛斷特性，正常工作時輸入端需要電流流入，這個電流便被稱作輸入偏置電流。同樣運放還有輸入偏置電壓、輸入失調電壓、輸入失調電流等非理想參數。
這些非理想特性，比如輸入偏置電流雖然很小，但有時候卻會對電路造成很大影響，導致電路無法工作。因此則需要通過一些手段減小這些因素造成的影響。在實際應用中，運放的非理想特性是一個非常重要的問題。運放非理想特性的消除有很多方法，這裡不做介紹。
其他內容
模電課程的核心就是三極體和運放。圍繞這些器件，講解多種電路，包括：
放大電路的計算分析、多級放大電路、放大器的頻率特性、反饋的思想； 功率放大電路； 比較器、振蕩器、積分器、微分器、波形發生等； 信號運算處理； 濾波器； 集成穩壓電源電路等。 運放和三極體的比較
在實際設計電路時，運放比三極體用的相對會多一些。因為運放的很多特性比三極體要優秀，電路設計簡單，而且往往運放的成本並不高。很多時候用三極體和運放實現同樣的效果，使用運放的成本反而更低。因為運放是將大量電晶體集成在一塊的，平均每個電晶體的製造成本非常低。
例如一個常規音頻前級放大器，一個通用運放就能搞定，成本可能是0.2元，而用三極體實現同樣的效果，可能需要10個甚至更多三極體，成本或許要0.5元，並且設計時所花費的人力成本遠比運放方案高。
當然三極體也有其優勢。在一些非常簡單的電路中，並不嚴格要求放大倍數的穩定性，一兩個三極體就能完成任務，往往會用三極體以節省成本。另外在一些比較極端的條件下，比如工作在高頻率、大功率的環境下（例如射頻信號發射電路），設計良好的三極體電路的性能會比運放效果好很多，或者成本低很多，甚至有些情況下只有直接使用電晶體才能完成，這時就需要使用三極體來搭建電路了。
推薦書目
有關模擬電路的學習，我推薦幾本書：一本是清華大學童詩白、華成英老師主編的《模擬電子技術基礎》。這本書是比較經典的模電教材，圍繞三極體展開，講解的比較詳細。
另一本是西電孫肖子老師主編的《模擬電子電路及技術基礎》。這本教材個人感覺非常好，和大部分模電教材不同，這本書圍繞運放展開，介紹反饋等思想以及各種電路，到後來再講三極體。運放遠比三極體理解起來容易，因為運放把繁雜的計算分析全部集成到它的內部了，我們一開始並不需要關注其內部構造。這樣精力可以完全放在對各種電路原理的理解上來。
另外還有一門入門書籍，清華大學出版的《電子設計從零開始》，這本書作為電子設計入門書籍，講的不只是模擬電路，還有數字電路、單片機等。
結尾
模電課程的介紹到此為止。但是我想說的是，模擬電路是一門非常複雜的學科，涉及的知識遠不止書上的那些。書上都是按照工作原理大致介紹，簡化了很多難以理解但實際中必須考慮的問題，因此實際電路和書上的差距非常之大。比如模電書中用運放搭建的三角波發生器，用於實際電路十有八九不能工作。不過實際電路的主要原理和書中描述是一致的。因此設計模擬電路往往需要大量的經驗，有很多東西甚至難以解釋無法計算得出。
希望本文能對學習模擬電路的同學有一定幫助。
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