如何從模擬電路菜鳥變大牛 三位前輩如是說
剛開始學(xué)習(xí)模擬電路?覺得學(xué)的云里霧里的?覺得老師講的不好?覺得教材爛?好了,別找理由了,學(xué)不好應(yīng)該是沒找到方法,分享3位前輩的經(jīng)驗(yàn)給你,看看前輩們都是怎么成菜鳥變成大牛的。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/365721.htm第一位,資深模擬ic設(shè)計(jì)工程師,知乎用戶Yike,本著強(qiáng)大的責(zé)任感來為大家傳道授業(yè)解惑,讓各位看到這篇文字的人學(xué)模電的時(shí)候少走彎路,有更多的時(shí)間踢球把妹聊天喝酒……
知道各位學(xué)業(yè)繁重,趕緊進(jìn)入正題:
我念大學(xué)的時(shí)候,也覺得模擬電路這門課,學(xué)得稀里糊涂的。
特別是在玩過一把CS以后,這種感覺更加明顯。
這里先要肯定題主是一個(gè)有上進(jìn)心的好孩子。想把模電學(xué)好。
我當(dāng)年感覺到云里霧里的時(shí)候,根本沒想過要學(xué)好模電。我做的事情,就是跟班里學(xué)習(xí)好的同學(xué)搞好關(guān)系。這樣等到期末的時(shí)候,我就能順利地借到筆記,高分就很簡單了。
所以談到這里,首先第一步是要明確: 什么樣才算”學(xué)好“模擬電路。
如果你的訴求是期末拿到高分而已,那么您不用往下看了。出門往右電子科技書屋有歷年的考題和課件。平日里該干嘛干嘛。拿星爺?shù)呐_(tái)詞說,妞照泡舞照跳。等到期末背一下就行啦。
如果分?jǐn)?shù)不說明問題。那么怎樣才算學(xué)好模擬電路呢?
問一下自己一個(gè)問題: 我學(xué)模擬電路可以做什么?
為了設(shè)計(jì)一個(gè)增益為5的放大器嗎?
很多年以后,我回顧我自己大學(xué)那段時(shí)光,終于搞清楚我為什么老是覺得沒有學(xué)好模擬電路了。答案其實(shí)很簡單。我感覺自己學(xué)了好多東西,但不知道這些東西學(xué)來干什么。 不知道各位覺得模電奇奇怪怪的朋友,是不是有類似的感覺。
__模擬電路學(xué)來干什么? __
我想回答一下這個(gè)問題。這是一個(gè)重要的問題。很多人有疑問,現(xiàn)在是一個(gè)數(shù)字時(shí)代,我為什么要學(xué)模擬電路。zhihu里面還有一個(gè)問題是“模擬電路設(shè)計(jì)師會(huì)不會(huì)消失掉”
答案是:不會(huì)的。
只要我們還需要跟真實(shí)的世界接觸,那么我們不可避免地就會(huì)需要模擬電路,因此就需要可愛的模擬電路設(shè)計(jì)師們。
打一個(gè)比方。就拿CPU來說好了。CPU處理的都是數(shù)字信號(hào)。但是它沒有辦法用數(shù)字電路來監(jiān)控自己的溫度。這個(gè)接口永遠(yuǎn)會(huì)是一個(gè)模擬接口。
CPU需要的工作電壓要求很精準(zhǔn)。比方說,就是1V。各位想一想,這個(gè)1V怎么實(shí)現(xiàn)呢? 用數(shù)字電路時(shí)沒有辦法實(shí)現(xiàn)的。
你在你的手機(jī)屏幕上劃了一下,你的手機(jī)怎么能知道你劃了一下呢?
重力感應(yīng)怎么實(shí)現(xiàn)呢?
你離不開模擬電路。模擬電路就好像是你的眼睛,耳朵,還有嘴巴,鼻子,手腳一樣。數(shù)字電路就好比你的大腦。只要未來的世界不會(huì)發(fā)展成直接在大腦上接兩根線,需要的時(shí)候打點(diǎn)兒多巴胺進(jìn)去,這個(gè)世界就需要模擬電路來完成虛擬世界和真實(shí)世界的接口。
現(xiàn)在可以說說看,我們是怎么完成這個(gè)接口的。
現(xiàn)在假設(shè)我們要坐一個(gè)電路來sense你手機(jī)電池的溫度,以免它越來越高,最后在你正在跟妹子聊天的時(shí)候爆了。毀容是小,還得花錢重新買一個(gè)手機(jī)。
負(fù)責(zé)外圍應(yīng)用的工程師很貼心地給了你一個(gè)熱敏電阻。電阻的阻值會(huì)隨著溫度的上升而不斷減小。他希望你能做一件事兒,就是當(dāng)溫度高過一定值的時(shí)候,給一個(gè)幅度為3V的數(shù)字信號(hào)出來,讓系統(tǒng)能關(guān)掉電池。
我們需要什么東西呢? 首先我們需要一個(gè)電源。沒有電源,什么東西都沒辦法工作。
電源需要怎么做呢?直接從電池來拿電或許是個(gè)好方法,可是輸出電壓的幅度有限制,怎么辦呢?
有了,做一個(gè)local的3V電源吧。電源的要求是什么?內(nèi)阻越低越好。什么樣的電路能夠給出一個(gè)低的輸出內(nèi)阻呢? 電壓-電壓反饋運(yùn)放。
所以第一個(gè)需要的block是一個(gè)運(yùn)放。
(題外話: 在分立器件的時(shí)代,我們可以買一個(gè)運(yùn)放。
如果題主想做的是芯片級(jí)的設(shè)計(jì),那么我們需要選取合適的器件,把這個(gè)運(yùn)放做在芯片上面。)
好吧,運(yùn)放是有了,可是沒有基準(zhǔn)電壓,運(yùn)放怎么才能輸出一個(gè)恰好3V的電壓呢?
第二個(gè)需要的block是一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。
(在分立器件時(shí)代,我們可以買一個(gè)基準(zhǔn)電壓源,題主如果想做芯片級(jí)的設(shè)計(jì),那么我們需要在芯片上面做一個(gè)基準(zhǔn)電壓。目前幾乎所有的基準(zhǔn)電壓,都是依靠硅本身的能帶來實(shí)現(xiàn)的。所以叫做帶隙基準(zhǔn)。約為1.2V。實(shí)現(xiàn)帶隙基準(zhǔn)的過程,不會(huì)是開環(huán)實(shí)現(xiàn)的,是閉環(huán)的過程。需要經(jīng)行環(huán)路分析,穩(wěn)定性分析,失配分析。)
現(xiàn)在,你把1.2V的電壓源得到了,然后做了一個(gè)1.2:1.8阻值的電阻作為反饋電阻,使用運(yùn)放得到了一個(gè)3V的電源電壓。你使用環(huán)路穩(wěn)定性分析方法分析知道環(huán)路是穩(wěn)定的。算一算電路的輸出電阻,知道大概這個(gè)電路有多少電流輸出能力,能帶多少負(fù)載。還不錯(cuò),你覺得。虛短路虛斷路的分析方法挺靠譜的。
緊接著就是真正有用的部分了。你需要一個(gè)比較器,來把熱敏電阻與非熱敏電阻的分壓與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。那么就用一個(gè)比較器吧。
(分立器件時(shí)代,你可以買一個(gè)比較器,想在單片上做完,那么就自己設(shè)計(jì)一個(gè)比較器吧。自己設(shè)計(jì)的比較器往往不那么理想。沒有全電壓輸出范圍,也沒有全電壓輸出范圍。 增益也可能只有60個(gè)dB。但是你一看參數(shù)要求,夠啦,60dB就60dB吧,總比沒有好。)
好了。你完成了設(shè)計(jì)。
以上只是舉了一個(gè)簡單例子。實(shí)際遇到的模擬電路系統(tǒng)遠(yuǎn)比這個(gè)小系統(tǒng)復(fù)雜的多。市場(chǎng)的要求也越來越變態(tài)。誰叫有那么多聰明的人在設(shè)計(jì)模擬電路呢。
所以設(shè)計(jì)模擬電路的人,都在嘔心瀝血。窮其心智去滿足各種不合理的要求,達(dá)到許多不合理的標(biāo)準(zhǔn)。
不過對(duì)題主來說,這些都是后話了。
題主假如希望做模擬設(shè)計(jì)這方面的工作,那么按照上面所寫的這個(gè)小小的例子,可以看出來有多少科目需要學(xué)么?
模擬電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
信號(hào)與系統(tǒng)
反饋理論/補(bǔ)償理論
如果題主想做的是模擬IC設(shè)計(jì),你還需要學(xué)習(xí)以下科目:
半導(dǎo)體工藝技術(shù)
半導(dǎo)體器件原理
概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)
其中,模擬IC設(shè)計(jì)包括:
小信號(hào)分析
放大器的線性建模
基準(zhǔn)設(shè)計(jì)
ESD保護(hù)
版圖設(shè)計(jì)
寄生效應(yīng)
失效分析
噪聲
振蕩器
太TM多的省略號(hào)
希望回答能讓題主滿意,或者幫助更多的年輕EE們。
以上回答是針對(duì)模擬集成電路設(shè)計(jì)的,下面這位知乎用戶Tariel重點(diǎn)關(guān)注針對(duì)信號(hào)鏈設(shè)計(jì):
(下面的內(nèi)容主要針對(duì)信號(hào)鏈設(shè)計(jì), 即已知應(yīng)用需求, 在與現(xiàn)實(shí)世界的接口(傳感器/執(zhí)行器)、信號(hào)調(diào)理電路/執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路、ADC、數(shù)字域器件之間分配指標(biāo), 并對(duì)模擬部分進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程。)
首先跟大家灌點(diǎn)兒心靈雞湯: 怎樣不去學(xué)模擬電路。
有經(jīng)濟(jì)壓力的不要去學(xué)模擬電路, 尤其是有在京滬穗等一線城市還房貸壓力的。 雖然模擬電路聽起來很高洋上, 被大家認(rèn)為是黑科技, 但是這一行市場(chǎng)實(shí)在過小, 分得也太細(xì), 指望它賺錢, 隨機(jī)性太大; 而且在這一行里, 頻繁跳槽其實(shí)對(duì)水平的提高不利。 所以如果有經(jīng)濟(jì)壓力, 請(qǐng)考慮盡早轉(zhuǎn)向目前風(fēng)險(xiǎn)最低的勞動(dòng)致富方法——當(dāng)碼農(nóng)。 當(dāng)然如果能承擔(dān)得起創(chuàng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn), 參與到目前很火的智能硬件行業(yè)里去也是不錯(cuò)的。
沒興趣的不要去學(xué)模擬電路。 搞模擬電路需要大量的時(shí)間和持續(xù)的心情, 如果對(duì)這項(xiàng)工作沒有興趣, 并且也自我感覺培養(yǎng)不出興趣的話, 也是盡早改行為佳, 因?yàn)槿绻麤]有興趣, 不去思考, 腦袋里面留下的東西只會(huì)越來越蕪雜, 對(duì)工作的提高并無幫助。
不會(huì)動(dòng)手, 或者不想動(dòng)手的不要去學(xué)模擬電路。 搞數(shù)字電路的時(shí)候, 設(shè)計(jì)工程師可以只畫原理圖, 把下游的東西(布局布線乃至工藝上的事情)都扔給別人, 但是搞模擬電路要求設(shè)計(jì)工程師必須親自動(dòng)手搭建原型、診斷故障, 大部分情況下只靠仿真是不夠的。 所以如果不知道烙鐵拿哪頭, 或者怕拿烙鐵, 或者不屑于拿烙鐵, 請(qǐng)盡早改行; 如果焊出來的東西跟豆腐渣一樣的話, 在排除烙鐵故障和使用了劣質(zhì)焊錫的情況之后, 也請(qǐng)盡早改行。
腦袋不好使, 邏輯能力不夠的; 或者腦袋有跑偏傾向的, 不要去學(xué)模擬電路。 當(dāng)然如果腦袋不好使, 那么不光模擬電路, 數(shù)字電路也搞不好, 寫碼也寫不好, 其他工程技術(shù)工作應(yīng)該也干不好, 還是趁早別當(dāng)工程師了比較好。 至于腦袋有沒有跑偏傾向, 可以用 @Chris Xia 的語言學(xué)民科偏見大全來自測(cè)——因?yàn)檎Z言是大家從小每天接觸的東西, 你在“自發(fā)的語言研究”上腦子跑得越偏, 進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域之后腦子跑偏的傾向也越大。 如果看了剛才那個(gè)膝蓋中箭數(shù)過多, 并且看完之后還堅(jiān)持自己的偏見, 那么可以考慮先吃點(diǎn)被門夾過的核桃補(bǔ)補(bǔ)腦。
有把工作臺(tái)收拾得特別整潔的癖好的, 不適合搞模擬電路。 這一點(diǎn)不展開說了, 貼一張圖(Jim Williams主編的書 Analog Circuit Design: Art, Science and PersonaliTIes 的封面):
如果面對(duì)這樣的工作臺(tái)有不適感, 那么也趁早改行為好。 當(dāng)然跟前面幾點(diǎn)相比, 這一點(diǎn)是比較容易克服的。。.
喝完了心靈雞湯, 大家活著的還有多少? 恭喜活著看到了這兒的同學(xué), 我是不是可以認(rèn)為你們已經(jīng)有了學(xué)好模擬電路, 并以此作為愛好或職業(yè)的覺悟? 那么我們就回到正題——怎樣學(xué)好模擬電路。
不完全地總結(jié)一下, 模擬電路設(shè)計(jì)大概有這么幾個(gè)不同于其他工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域, 尤其是不同于數(shù)字電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn):
模擬電路處理的量來自現(xiàn)實(shí)世界, 因此模擬電路的輸入中, 既包含與設(shè)計(jì)相關(guān)的信號(hào), 也包含與設(shè)計(jì)不相關(guān)的信號(hào)。 比如設(shè)計(jì)一個(gè)心電圖機(jī), 電極采集進(jìn)來的除了需要處理的心電信號(hào)本身, 還包含電極的極化電位(直流), 從電源感應(yīng)來的50Hz干擾等等, 而這些不相關(guān)的信號(hào)往往要比需要處理的信號(hào)強(qiáng)很多。 因此, 攻城獅需要分析信號(hào)的特點(diǎn)(如心電信號(hào)、極化電位、50Hz干擾所占的頻率范圍不同; 50Hz干擾屬于共模信號(hào), 而心電信號(hào)屬于差分信號(hào)等), 并設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路, 來提取出需要處理的信號(hào), 抑制與設(shè)計(jì)不相關(guān)的信號(hào)(比如設(shè)計(jì)合適的濾波器濾除帶外干擾, 用差分輸入的儀表放大器消除共模干擾等)。
理論分析和仿真時(shí)忽略的因素, 在實(shí)際的電路中可能產(chǎn)生很大的影響, 甚至是決定性的影響。電路原理圖只能反映元器件之間的連接情況, 是拓?fù)涞? 而實(shí)際的電路是物理的。 這也是課本上講的內(nèi)容和實(shí)際的電路的最大差別。 舉例來說, 任務(wù)要求攻城獅設(shè)計(jì)一個(gè)220V轉(zhuǎn)5V的開關(guān)電源, OK, 很多半導(dǎo)體廠家都有用于隔離開關(guān)電源的控制器, 只要看數(shù)據(jù)手冊(cè)里面給的參考設(shè)計(jì), 根據(jù)計(jì)算更改幾個(gè)反饋元件的量值, 是不是就可以了呢? 這樣做出來的東西, 倒是大都可以工作; 但是也只是可以工作——事實(shí)上印制板布圖的不同, 能夠嚴(yán)重影響輸出紋波的大小。 甚至在很多情況下(如進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)時(shí)), 印制板的分布參數(shù)也會(huì)作為電路中的元件使用。
模擬電路設(shè)計(jì)中充滿著技術(shù)指標(biāo)、功耗、成本等各種約束, 而這些約束往往不能同時(shí)滿足, 甚至?xí)ハ鄾_突。 比如設(shè)計(jì)便攜式心電圖機(jī)時(shí), 考慮到對(duì)功耗的嚴(yán)格限制和直接使用系統(tǒng)提供的電源的方便性, 會(huì)傾向于使用低壓單電源供電; 而考慮到共模抑制比和動(dòng)態(tài)范圍的要求, 又會(huì)傾向于使用雙電源供電。 在這些約束之間妥協(xié)和折衷并作出取舍, 貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)的始終。
那么想要從事模擬電路設(shè)計(jì), 需要做些什么呢? 下面是一個(gè)不完全的列表(詳細(xì)內(nèi)容待補(bǔ)充):
通曉電路分析的方法, 掌握至少一種仿真軟件的使用方法。
掌握閱讀元器件數(shù)據(jù)手冊(cè)的方法。
多動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。
及時(shí)整理自己獲得的結(jié)果, 尤其是負(fù)面結(jié)果。
掌握設(shè)計(jì)電源的技能。
了解熱設(shè)計(jì)的內(nèi)容。
關(guān)于排故技能。
以上兩位還不夠么,再來一個(gè),這位知乎用戶李瑄給你推薦了一個(gè)很好用的免費(fèi)小軟件:強(qiáng)烈的興趣將是你模擬電路學(xué)習(xí)之路的不滅動(dòng)力。業(yè)余無線電?音頻功放?儀器工具發(fā)燒友?…許多大師都是從小時(shí)候的業(yè)余愛好中,愛上模擬設(shè)計(jì)的。
模擬電路設(shè)計(jì) = 系統(tǒng)設(shè)計(jì)(精髓是反饋) +電路分析(數(shù)學(xué)方法的圖形化理解) +有源/無源器件各種特性的利用(了解器件的各項(xiàng)實(shí)際特性)
具體到學(xué)習(xí)上: 1、U-I這類圖解法的嫻熟應(yīng)用,結(jié)合各種器件的特性曲線,對(duì)電路的理解有極大幫助,促進(jìn)直觀理解。 2、疊加原理、戴維寧等效這些方法多去嘗試使用。 (上面2條其實(shí)都需要一個(gè)良好的電路分析的基礎(chǔ))
3、不要記太多公式,注意合理近似和直觀理解公式的意義。 4、模擬設(shè)計(jì)的精華——反饋,好好吃透,積累技巧,建議用純晶體管制作AGC電路、穩(wěn)壓電源以便加深理解。 5、這是一門工程學(xué)科,需要大量的實(shí)踐,以糾正自己理解上的偏頗。
強(qiáng)烈推薦:如果實(shí)驗(yàn)條件不足,推薦用 LTspice 仿真,小巧的免費(fèi)軟件,操作方便,愛不釋手!
素材整理于知乎,感謝作者:Yike,Tariel,李瑄,僅為學(xué)習(xí)交流,版權(quán)歸作者所有
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