模电如何入门
多学科:电子学、控制理论、信号系统、微积分、统计学
很多物理学家本身都是很优秀的数学家,学好物理需要很扎实的数学功底。
物理电路经过抽象建模之后可以得到一个数学模型,物理学和数学相辅相成,物理学推动数学在实际中的应用。通过物理电路的实践操作,感受真实的物理世界。通过数学建模,把物理电路理论化,从更底层的数学基础上去理解物理电路的工作过程。
要学好模拟电路,首先要相信逻辑思维、相信基本定律。模拟电路在我们遇到问题的时候表现得像一门玄学,对于初入门的人来说多了许多神秘感。但是我们要相信自己的思维判断,要相信最基本的逻辑思维和基本定律。包括欧姆定律、能量守恒定律等等。
多看书、多动手计算、勤于思考发散思维、多实操电路。
由浅入深,从最基本的电路慢慢深入到复杂电路,最后再把复杂电路简单化。
此文不需要过多的数学和物理知识以及部分的微积分基础就可以迅速建立起一套知识框架,但是我们需要对于这部分的理论进行一定深度的探索,需要对基础理论进行熟练详细的推导。
- 电路分析基础
- 一阶RC系统
- 运放电路分析
- 运放参数概念【核心】
- 运放参数产生的误差【核心】
- 频域——时域变换
- 反馈控制基础
运放是一门数学为基础的学科。
运算放大器基础
为什么需要运放?
Harold Black发明了负反馈放大电路,不仅促进了电子学的发展,也促进了控制理论的发展。
A选取足够大,放大倍数与前向增益A无关,只与 $\beta$ 有关。($\beta$ 是反馈端电阻配比)
R1和R2实现了一个反馈控制网络。人们先发明了反馈控制环路,所以他们需要一个求差的一个器件,而放大器刚好可以满足这样的要求。求差、乘以前向增益、得到的Vout乘以反馈系数…….如此循环。
- 运算放大器增益越大越好,单个放大器中放大倍数一般是10倍或20倍,而不会是100倍,就是因为实际情况增益A并不是无穷大。因为放大倍数越大,要达到理想状态对运放的增益A要求也就越大。
- $\beta = \frac{R_1}{R_1+R_2}$ 的前提是放大器的负输入端无电流(虚断),因为如果有电流,那么在这一端就会有压降。
- 在运放的两条等式中,我们都是在虚短和虚断的条件下来列等式的。
运放需要满足的三个理想化条件:增益无穷大、虚短、虚断(输入阻抗无穷大)
非理想因素 $A\beta >> 0$
电路分析基础
能量守恒定律
孤立系统的总能量保持不变。
能量既不会凭空产生也不会凭空消失,只会从一个物体转化到另一个物体,或者从一种形式转化为另一种形式,而在转化或者转移的过程中,能量总量保持不变。
电荷守恒定律
对一个孤立系统,不论发生什么变化,其中所有电荷的代数和永远保持不变。
如果某一区域中的电荷增加或减少了,那么必定有等量的电荷进入或离开该区域;如果一个物流过程中产生或消失了某种符号的电荷,那么必定有等量的异号电荷产生或消失。
欧姆定律
在同一电路中,通过某一导体的电流跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。
KCL定律(基尔霍夫电流定律)
流入任何节点的电流代数和等于零。
KVL定律(基尔霍夫电压定律)
沿任何闭合回路电压的代数和等于零。
时域下电容的IV方程
电压源下电容
电流源下电感(电容和电感存在一种对偶的特性)