第一章电子电路设计基础知识

本章将针对模拟电路学习中的一些极其重要又经常被无视甚至误解的内容进行讲解。

●1.1电压源与电流源

对于什么是电源，大家都感觉这还不简单吗，市电是220V交流电源，锂电池是4.2V直流电源，干电池是1.5V直流电源。但是，只要是能输出电压的电路就能叫电源吗？此外，我们日常生活中遇到的上述电源其实只是电源中的“电压源”，对于电源的另一种“电流源”却知之甚少。我们从一个真实的笑话来开启电压源与电流源的学习之旅。一天，一个学生跑来问我，他的5V/1A的电源找不到了，他找到一个5V/2A的，插上去会不会把他的设备给烧了。石化的同时，我意识到有必要讲讲什么是电压什么是电流了。

●1.2电子器件的本质

既然电压和电流本质不是我们之前想象的那样简单，电子器件的本质我们是否真的知道呢。包括我们自认为熟悉无比的电阻，一般熟悉的电容，和基本不熟的电感其实都可以换一种角度去重新理解。

●1.3阻抗与滤波器

在上一节我们通过电阻、电容、电感的特性方程分析了电路的动态特性，即任何一瞬间电路的电压电流情况。本节我们将用阻抗的观点来看待电阻、电容和电感三种电子元件，这将有助于我们分析电路中滤波器是如何产生的。

●1.4实际电容与电源滤波

实际电容可以看成是电容、电阻、电感三者的串联。其中等效串联电阻ESR（Equivalent Series Resistance）和等效串联电感ESL（Equivalent Series Inductance）分别从两个方面对电容的特性产生影响。

●1.5热阻与散热

本节内容是关于定量计算散热能力的。虽然偷工减料不值得提倡，但是用料过度的设计也属于无能的表现。某型飞机设计的纪录片中有一段应力破坏试验的内容：“机翼在102%设计载荷时，在预计部位产生破坏；机身在105%设计载荷时，在预计部位产生破坏”。清楚知道自己的设计裕量是多少，才是合格的设计！

●1.6TINA-TI仿真软件应用基础

无论多么精心的去设计模拟电路的实验板，实际都只能实验有限的几个电路知识。对于EE专业的学生来说，有大量成熟专业电路仿真软件可以使用是十分幸运的，它可以大大提高学习的效率和兴趣。我们如果不利用电路仿真软件来学习和设计模拟电路，将是非常悲哀的一件事。在浩如烟海的电路仿真软件中，适用于初学者的免费软件不多。其中，TINA-TI是由世界上最大的模拟器件生产商美国德州仪器公司与DesignSoft公司共同开发的免费模拟电路仿真软件，可以认为是全功能收费仿真软件TINA的精简版。虽然不能说TINA-TI的功能是最全的，但是它对TI公司器件电路仿真的支持是最好的。并且TINA-TI是基于SPICE技术的仿真软件，这与其他仿真软件在本质上是一致的，学会使用TINA-TI也将更容易的上手其他仿真软件。

第二章晶体管电路设计

每当我看到有学生在对三极管接近无知的情况下，去使用各种高性能运放的时候，我就不禁发出“何弃疗”的感慨。急功近利在数字电路和单片机的学习中是非常有效的学习方法，但是模拟电路的学习，必须内外兼修，晶体管电路设计就是内功。

●2.1二极管电路

二极管是最简单的双极性半导体元件，最初我们对它的认识仅停留在单向导电这一层面，实际二极管的用途是非常丰富的，当然要用好它，所需要学习的知识点也是不少的。

●2.2三极管基本特性

三极管的特性就是流控电流源，并没有什么神奇之处。神奇的是利用三极管搭建的各种电路，在一只三极管价值一个月伙食费的英雄年代，诞生了无数经典的三极管电路。本节开始我们将陆续介绍那些流传至今仍在使用的电路。

●2.3共射放大电路

模拟电路的一个重要任务就是放大模拟信号，共射放大电路是最重要的一种模拟放大电路。

●2.4差分放大电路

在模拟电路基础知识章节我们讲过，所有电子元件的特性多少都会受温度影响，但是半导体材料受影响最大。1)对于N结来说，温度系数高达-2.5mV/℃，意思是二极管的管压降UAK或三极管管压降UBE随温度升高而降低（变得更易导电）。2)在共射放大电路中，由于温度变化产生的ΔUBE实际等同于输入信号ui的“地位”，输出信号因而也会发生与输入信号无关变动，这种捣蛋的现象称为“温漂”。

●2.5共集放大电路

本节开始，我们讲解共集放大电路，也就是传说中的“功放”电路。大家第一次听“功放”这个词大概都和音响系统有关，这是有深刻原因的。音响中作为最终负载的喇叭，其阻抗一般是8Ω或4Ω，如此重的负载一般的电路是无法驱动的。

●2.6共基放大电路

共射共集放大电路的组合可以解决共射放大输出阻抗大的缺点，但是无法解决频率特性差的问题，因为两个放大电路属于前后级联，后级电路最多是不进一步减低带宽而已，无法改善前级的带宽。要解决共射放大的带宽问题，需要引入共基放大电路。

●2.7场效应管概述

场效应管工作在开关状态，无论带什么负载，都仅有开关损耗，这是与其他几类功放最大的区别。

第三章运放应用基础

运放的使用既简单又不简单。说它简单是因为设计运放电路时，可以避免晶体管电路的复杂参数计算。说它不简单，是因为很多时候运放并不“理想”，总是按理想运放去设计电路会导致错误结果。
本章将基于仿真软件分别从原理、性能、功能、差别四个侧重点，讲解了基本运算放大电路的原理；实际运算放大器的性能；特殊运算放大器的功能；有源滤波器的拓扑差别。

●3.1基本运算放大电路

运放的全称是运算放大器，也就是它可以实现各种模拟电量的数学运算。这种数学运算并不是用来做“计算器”的，而是在模拟信号调理过程中，我们可能需要用到的比例、加减、乘法、积分、微分等操作。

●3.2实际运算放大电路

理想运放将实际运放的很多参数理想化了，多数参数理想化后毫无违和感，例如开环增益、共模抑制比。但是有部分参数在一些场合不能理想化处理。
实际运放和理想运放的区别主要体现在以下几点：
1)理想运放没考虑芯片供电电压与输入输出信号幅值问题，选型实际运放时，则需要考虑这一因素。
2)任何电路存在低通效应，所以实际运放会有带宽问题。
3)运放虚短的假设基本没有问题，但是虚断则不一定成立。处理高内阻信号时，运放的输入电流就不能忽略。
4)在运放产品线中，“潜伏”着一类“电流反馈型”运算放大器，它们在使用时与常规“电压反馈型”运放有许多不同。
5)理想运放不会发生自激振荡，但是实际运放可能会振荡。
6)任何电路都存在噪声，在高精度应用时，需要考虑定量计算运放电路的噪声大小。
对于前4个问题，即使是初学者也是有必要掌握的，否则几乎没有办法正确使用运放。而对于运放的振荡和噪声问题，则可暂不涉及，放在附录A和B中择日再学。

●3.3特殊运算放大器

单独只有运放是无法实现放大功能的，放大电路还需要外接电阻、电容或者其他元件。如果将这些外部元件和运放集成在一起，可以简化应用或提高性能，这就构成了一些特殊的放大器。本节将介绍几类特殊放大器。

●3.4有源滤波器

无源滤波器的负载也构成滤波器的一部分，所以会导致截止频率的偏移。出于隔离负载的目的，引入运放后的滤波器就称为有源滤波器。值得一提的是，并非所有场合都适用有源滤波器。
1)对滤波器截止频率没有严格要求时，例如仅仅是滤除一些高频毛刺干扰，使用RC或LC滤波显然要结构简单成本低。
2)当信号频率非常高时，例如几百MHz至GHz时，高带宽的运放不仅数量稀少而且价格昂贵，此时一般都采用LC滤波。
3)非对信号进行滤波，而是对电源滤波时，考虑到效率，不能使用运放滤波。一般用LC滤波，或者用电力有源滤波（属于开关电路，并非通常意义的运放有源滤波器）。

●3.5运放的稳定性

运放内部电路的延迟往往远小于外部电路延迟，所以内部延迟导致的一般是高频自激振荡，而外部电路延迟更多的表现为振铃。

●3.6运放电路的噪声

在运放电路中，电压噪声、电流噪声、电阻噪声共同作用。
1)输入噪声由三部分组成，电压噪声env，电流噪声在Rs和R1//R2产生的等效电压噪声eni，电阻的热噪声enr，三者的平方和开根号为总输入噪声有效值。
2)输入噪声将被运放电路放大，所以总输出噪声有效值如式B.9所示。需要注意的是，电阻R1的噪声只放大了R2/R1倍（G-1），电阻R2的噪声则并没有被放大，所以不乘以放大倍数。
3)在求解峰值噪声方面，虽然理论上任何峰值的噪声都可能存在，但根据概率统计（此处分析略），99.7%以上的噪声都处于6倍有效值范围。

第四章电源管理

电源是一门博大精深的课程，包含很多内容，电源的以往的教学经验表明，泛泛的讲解主电路原理，收效甚微。学生大可自行从网上搜索到各种电源主电路，主电路拓扑本身也没有多少可供创意的地方，但有关电源设计使用的细节问题却知之甚少。所以本章原则是不求最全，但求最精，只选取最简单的几种电源电路，深入进行讲解。

●4.1电力MOSFET开关

在小功率至中等功率的电源电路中，电力MOSFET作为开关元件性能最为突出。本节将介绍电力MOSFET的工作原理、主要性能参数指标，以及驱动方法。

●4.2斩波电路

对电源的电压频率等参数进行变换的装置称为变流器。对于交流电如果想要变换电压，我们很容易想到用变压器，那么直流电呢，又或者是交流电的频率需要改变呢？
1)在有电力电子开关以前，人们就有“变流”的需求。那时，“变流”是通过电动机加发电机的组合来实现的，称为变流机组。例如直流电想要变交流电，用直流电驱动直流电动机再带动交流发电机即可。任何电源通过电动机加发电机的组合总可以得到另一种电源。
2)变流机组虽然“无敌”且“无赖”，但其弊端是显而易见的，机械装置效率低且噪声大。在电力电子开关诞生以后，变流装置全面进入“静止式变流”时代（与变流机组对应），斩波电路作为最简单的一类静止式变流器，成就了开关电源的霸主地位。

●4.3单相整流电路

单相整流电路包括单相半波整流电路、全波整流电路和全桥整流电路。

●4.4逆变电路

前面介绍的斩波电路（除电流可逆斩波电路外）都坚持只用1个开关，这是因为电力电子开关不仅本身比较值钱（相比电路中其他元件），而且还不好伺候（需要驱动控制）。如果是花钱买大电感大电容，只不过是多花钱，放上就能用了。 

●4.5隔离驱动

电力半导体开关的驱动电路主要由两个作用，在5.1.6节中我们实际讲解了其中一个作用，那就是驱动电路必须提供足够的功率去快速通断开关。本节将讲解驱动电路的另一个作用——隔离，内容包含为什么需要隔离，以及隔离的方法。