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模电学习的一些经验(转)

linan 在 2014-10-28 建立的討論區

首先该明白这门课的研究对象,其实这门课可以说是电路理论的延伸。其中要运用到电路理论的分析方法,所不同的是,新增加了不少复杂的电气元器件。

 

说到元器件,首先接触到的便是二、三极管。不论哪种版本的教材,一开始都会介绍pn结的特性,个人觉得可以不要太在乎里面的结构,但其特性方程是一定要记得的。然后,二极管比较简单,就是一个单一的pn结,在电路中的表现在不同情况下可以用不同的模型解决(理想模型、恒压降模型、小信号模型,前两者是用于直流分析的,而最后一个是用于交流分析的)。而对于三极管,就相对来说复杂些,在此本人不想说书上有的东西,只想强调一下学习中该注意的问题:

 

1、对于三极管,它总共有三种工作状态,当它被放在电路中时,我们所要做的第一件事就是判断它在所给参数下的工作状态。(在模电的习题中,除非那道题是专门地考你三极管的状态,否则都是工作在放大区,因为只有这样,管子才能发挥我们想它有的效用。但在数电中,我们却是靠管子的不同状态的切换来做控制开关用的)

 

2、既然管子基本在放大区,那么它的直流特性就有:be结的电压为0.7V(硅管,锗管是0.2V),发射极电流约等于集电集电流并等于基极电流的贝塔倍。通过这几个已知的关系,我们可以把管子的静态工作点算出来——所谓静态工作点就是:ce间电压,三个极分别的电流。

 

3、为什么我们得先算出静态工作点呢?这就要弄清直流和交流之间的关系了:在模电里,我们研究的对象都是放大电路,而其中的放大量都是交流信号,并且是比较微弱的交流信号。大家知道,三极管要工作是要一定的偏置条件的,而交流信号又小又有负值,所以我们不能直接放大交流信号,在此我们用的方法就是:给管子一个直流偏置,让它在放大区工作,然后在直流上叠加一个交流信号(也就是让电压波动,不过不是像单一的正弦波一样围绕0波动,而是围绕你加的那个直流电压波动),然后由于三极管的性质,就能产生放大的交流信号了。

 

4、关于分析电路:从以上的叙述,我们可以看出分析电路应该分为两部分:直流分析和交流分析。不同的分析下,电路图是不一样的,这是因为元件在不同的量下,它的特性不同。(例如电容在直流下就相当于开路,而在交流下可以近似为短路)。而三极管,在交流下就有一个等效模型,也就是把be间等效为一个电阻,ce间等效为一个受控电流源,其电流值为be间电流的贝塔倍。这样分析就可以很好的进行下去了

 

5、备注:在模电中,我们分析的都是工程电路,而在工程中,对于精确度的要求不是很高,所以在分析时能够忽略的因子就该忽略,例如在加减法中,如果有项与项之间相差十倍以上,那么那个很小的项是可以忽略的。

 

(二)接着就是场效应管了


对于场效应管,其种类多,性质较三极管也复杂,但其原理还是一样的,所以我想如果你的三极管会分析的话,应该不会成问题。比起三极管,场效应管要求你记住它的直流特性(是把电流Id写成关于Vgs的二次方程),然后交流时,要注意跨导的概念,具体的,书上都有写。

 

接着是说三极管的高频、低频模型了

 

我们以开始说的交流分析都是在中频下的,在中频下,耦合电容可以看为短路,极间电容可以看为开路——而在低频下,耦合电容不能当作短路;高频下,极间电容不能当成开路。这就造成了交流信号的频率对于电路放大特性的影响(整个电路的等效模型都变了嘛^_^)

 

在此,我们把放大倍数写成频率的函数,这样我们可以得到一个曲线,在用20log|A|的关系画出来,就得到了波特图。对于波特图,我不想赘述,只想强调大家要注意一下低频截止频率、高频截止频率的概念,然后注意一下几级放大电路的相频和幅频曲线随频率变化的斜率。

 

接着就是说三极管的一大应用了——集成放大电路

 

集成发大电路对体积要求尽可能小,所以我们就无法再用大电容了,所以一切的电路都采用直接耦合的方式。但这样,各级工作会互相影响。而且,由于三极管的特性对温度很敏感,所以我们必须采取措施来抑制由于温度变化而产生的噪声。

 

几乎所有的方法都是镜像:利用产生对称电路来抑制温度或其它噪声的影响。具体的,我也不多说了。但这部分内容的基础还是三极管的分析,只是管子变多了,电路结构变巧妙了!

 

接着学完集成放大电路的结构后,内容就相对简单了,因为此时我们不再是用一根根的三极管来组成电路,而是用已经做好了的集成放大器来组成电路。对于集成放大器,想必大家在电路理论这门课上也学过,但要注意的是:在电路理论中,我们只强调它的“虚短”“虚断”的性质,而从来没有考虑到它的同相端和反相端的接法问题。而实际上,由于开环的输出相位直接和端口接法相关,因此在这里我们不得不考虑。然后就是反馈,信号处理电路和信号产生电路了。

 

(三)接下来是负反馈


这部分的内容本人觉得是最难也最重要的。主要内容有:反馈类型的判断、反馈引入的方法、反馈对放大电路性能的影响、反馈的放大倍数计算和自激震荡(不做要求)。

 

首先,对于反馈类型的判断,用到的方法是瞬时极性法。这里就不赘述了,不过我想讲句就是:当考虑输出经过反馈回路对输入造成影响的时候,要把输入当成是零,然后再用叠加原理看反馈回路的作用进而判断反馈类型。然后,对于反馈网络和放大网络,都可以当成二端口网络来看,因此分析时就可以将其抽象化,不必考虑其结构,而对不同的反馈类型又有不同的网络连接结构。在计算深度反馈放大电路的放大时,放大倍数为反馈网络放大倍数的倒数,因此我们只要把反馈网络抽象出来再对其加以运算就够了!至于反馈网络对放大电路的影响,书上有详细的说明,我也不赘述了。其实也就是反馈输出影响了输入,自然就影响了放大电路的一些特性咯^_^

 

为什么我说反馈重要呢?因为后两章的内容都要用到集成运放,而对于运放,其开环性能很不好,我们通常引入反馈使其工作在闭环状态下。对于信号处理电路,我们通常引入负反馈,而对于信号产生电路,我们引入正反馈。

 

先说信号处理电路,我觉得也没什么好说的,其实本质都是负反馈的特例,只不过为了实现不同的功能,我们必须引入不同的负反馈罢了。而且引入的都是深度负反馈,因此分析整个电路性能的时候,主要还是抓住反馈电路的性质入手!

 

再说信号产生电路,与信号处理电路不同,它的电路中除了提供集成运放的工作电压外,并无输入,在这种情况下,为了得到我们想要的信号,就必须引入正反馈。此时,正反馈可以将偶然的噪声源放大然后输出。当然,我们并不想要噪声,我们只是利用噪声得到我们所需的信号,因此这里就要求我们的电路里有个选择信号的网络以滤去我们不想要的信号.总的说来,信号产生电路就分为三部分:放大电路,反馈网络,选频网络。当然,反馈网络和放大网络还得满足一定的参数条件,具体见书上!

 

(四)剩下还是补充一下直流电源的内容吧:


直流电源的构成分成三个部分:整流、滤波、稳压。这部分比较简单,书上有的东西我就不多说了,说些对大家有启发的东西(主要是用信号的观点来看待全过程)。首先,我们拥有的是一个频率单一的正弦交流信号,这个时候,我们先将其进行整流,书上说整流的作用是将交流信号转化为方向单一的直流信号,在此,我觉得更好的理解是利用二极管的单向导电性将频率单一的信号变成了频率丰富的信号(原信号的频谱完全集中在它的角频率上,而整流后的信号,在频率为0(即直流)、原角频率的两倍、及原角频率的偶数倍都有频谱分布,而且,在频率为零处的功率最大),而我们想要的,只是直流信号(即频率为零的信号)。此时,我们用一个理想低通滤波器便可将直流信号提取出来、把其他频率的交流信号滤去,但实际上理想低通是不存在的,我们只有用性能并不是很好的RC滤波器先将低频部分提取出来,此时,我们得到的信号已经与直流信号差不多,只是还有些少量的交流信号。接着,我们便利用稳压管的稳压特性进而将小的交流信号也滤去!

結果