第一位,资深模拟ic设计工程师,知乎用户Yike,本着强大的责任感来为大家传道授业解惑,让各位看到这篇文字的人学模电的时候少走弯路,有更多的时间踢球把妹聊天喝酒……

知道各位学业繁重,赶紧进入正题:

我念大学的时候,也觉得模拟电路这门课,学得稀里糊涂的。

特别是在玩过一把CS以后,这种感觉更加明显。

这里先要肯定题主是一个有上进心的好孩子。想把模电学好。

我当年感觉到云里雾里的时候,根本没想过要学好模电。我做的事情,就是跟班里学习好的同学搞好关系。这样等到期末的时候,我就能顺利地借到笔记,高分就很简单了。

所以谈到这里,首先第一步是要明确: 什么样才算”学好“模拟电路。

如果你的诉求是期末拿到高分而已,那么您不用往下看了。出门往右电子科技书屋有历年的考题和课件。平日里该干嘛干嘛。拿星爷的台词说,妞照泡舞照跳。等到期末背一下就行啦。

如果分数不说明问题。那么怎样才算学好模拟电路呢?

问一下自己一个问题: 我学模拟电路可以做什么?

为了设计一个增益为5的放大器吗?

很多年以后,我回顾我自己大学那段时光,终于搞清楚我为什么老是觉得没有学好模拟电路了。答案其实很简单。我感觉自己学了好多东西,但不知道这些东西学来干什么。 不知道各位觉得模电奇奇怪怪的朋友,是不是有类似的感觉。

__模拟电路学来干什么? __

我想回答一下这个问题。这是一个重要的问题。很多人有疑问,现在是一个数字时代,我为什么要学模拟电路。zhihu里面还有一个问题是“模拟电路设计师会不会消失掉”

答案是:不会的。

只要我们还需要跟真实的世界接触,那么我们不可避免地就会需要模拟电路,因此就需要可爱的模拟电路设计师们。

打一个比方。就拿CPU来说好了。CPU处理的都是数字信号。但是它没有办法用数字电路来监控自己的温度。这个接口永远会是一个模拟接口。

CPU需要的工作电压要求很精准。比方说,就是1V。各位想一想,这个1V怎么实现呢? 用数字电路时没有办法实现的。

你在你的手机屏幕上划了一下,你的手机怎么能知道你划了一下呢?

重力感应怎么实现呢?

你离不开模拟电路。模拟电路就好像是你的眼睛,耳朵,还有嘴巴,鼻子,手脚一样。数字电路就好比你的大脑。只要未来的世界不会发展成直接在大脑上接两根线,需要的时候打点儿多巴胺进去,这个世界就需要模拟电路来完成虚拟世界和真实世界的接口。

现在可以说说看,我们是怎么完成这个接口的。

现在假设我们要坐一个电路来sense你手机电池的温度,以免它越来越高,最后在你正在跟妹子聊天的时候爆了。毁容是小,还得花钱重新买一个手机。

负责外围应用的工程师很贴心地给了你一个热敏电阻。电阻的阻值会随着温度的上升而不断减小。他希望你能做一件事儿,就是当温度高过一定值的时候,给一个幅度为3V的数字信号出来,让系统能关掉电池。

我们需要什么东西呢? 首先我们需要一个电源。没有电源,什么东西都没办法工作。

电源需要怎么做呢?直接从电池来拿电或许是个好方法,可是输出电压的幅度有限制,怎么办呢?

有了,做一个local的3V电源吧。电源的要求是什么?内阻越低越好。什么样的电路能够给出一个低的输出内阻呢? 电压-电压反馈运放。

所以第一个需要的block是一个运放。

(题外话: 在分立器件的时代,我们可以买一个运放。

如果题主想做的是芯片级的设计,那么我们需要选取合适的器件,把这个运放做在芯片上面。)

好吧,运放是有了,可是没有基准电压,运放怎么才能输出一个恰好3V的电压呢?

第二个需要的block是一个基准电压源。

(在分立器件时代,我们可以买一个基准电压源,题主如果想做芯片级的设计,那么我们需要在芯片上面做一个基准电压。目前几乎所有的基准电压,都是依靠硅本身的能带来实现的。所以叫做带隙基准。约为1.2V。实现带隙基准的过程,不会是开环实现的,是闭环的过程。需要经行环路分析,稳定性分析,失配分析。)

现在,你把1.2V的电压源得到了,然后做了一个1.2:1.8阻值的电阻作为反馈电阻,使用运放得到了一个3V的电源电压。你使用环路稳定性分析方法分析知道环路是稳定的。算一算电路的输出电阻,知道大概这个电路有多少电流输出能力,能带多少负载。还不错,你觉得。虚短路虚断路的分析方法挺靠谱的。

紧接着就是真正有用的部分了。你需要一个比较器,来把热敏电阻与非热敏电阻的分压与一个基准电压进行比较。那么就用一个比较器吧。

(分立器件时代,你可以买一个比较器,想在单片上做完,那么就自己设计一个比较器吧。自己设计的比较器往往不那么理想。没有全电压输出范围,也没有全电压输出范围。 增益也可能只有60个dB。但是你一看参数要求,够啦,60dB就60dB吧,总比没有好。)

好了。你完成了设计。

以上只是举了一个简单例子。实际遇到的模拟电路系统远比这个小系统复杂的多。市场的要求也越来越变态。谁叫有那么多聪明的人在设计模拟电路呢。

所以设计模拟电路的人,都在呕心沥血。穷其心智去满足各种不合理的要求,达到许多不合理的标准。

不过对题主来说,这些都是后话了。

题主假如希望做模拟设计这方面的工作,那么按照上面所写的这个小小的例子,可以看出来有多少科目需要学么?

  1. 电路分析
  2. 模拟电路设计基础
  3. 信号与系统
  4. 反馈理论/补偿理论

如果题主想做的是模拟IC设计,你还需要学习以下科目:

  1. 半导体工艺技术
  2. 半导体器件原理
  3. 概率统计知识
  4. 模拟IC设计。

其中,模拟IC设计包括:

  1. 小信号分析
  2. 放大器的线性建模
  3. 基准设计
  4. ESD保护
  5. 版图设计
  6. 寄生效应
  7. 失效分析
  8. 噪声
  9. 振荡器
  10. 太TM多的省略号

希望回答能让题主满意,或者帮助更多的年轻EE们。


以上回答是针对模拟集成电路设计的,下面这位知乎用户Tariel重点关注针对信号链设计:

(下面的内容主要针对信号链设计, 即已知应用需求, 在与现实世界的接口(传感器/执行器)、信号调理电路/执行器驱动电路、ADC、数字域器件之间分配指标, 并对模拟部分进行设计的过程.)

首先跟大家灌点儿心灵鸡汤: 怎样不去学模拟电路.

  1. 有经济压力的不要去学模拟电路, 尤其是有在京沪穗等一线城市还房贷压力的. 虽然模拟电路听起来很高洋上, 被大家认为是黑科技, 但是这一行市场实在过小, 分得也太细, 指望它赚钱, 随机性太大; 而且在这一行里, 频繁跳槽其实对水平的提高不利. 所以如果有经济压力, 请考虑尽早转向目前风险最低的劳动致富方法——当码农. 当然如果能承担得起创业风险, 参与到目前很火的智能硬件行业里去也是不错的.

  2. 没兴趣的不要去学模拟电路. 搞模拟电路需要大量的时间和持续的心情, 如果对这项工作没有兴趣, 并且也自我感觉培养不出兴趣的话, 也是尽早改行为佳, 因为如果没有兴趣, 不去思考, 脑袋里面留下的东西只会越来越芜杂, 对工作的提高并无帮助.

  3. 不会动手, 或者不想动手的不要去学模拟电路. 搞数字电路的时候, 设计工程师可以只画原理图, 把下游的东西(布局布线乃至工艺上的事情)都扔给别人, 但是搞模拟电路要求设计工程师必须亲自动手搭建原型、诊断故障, 大部分情况下只靠仿真是不够的. 所以如果不知道烙铁拿哪头, 或者怕拿烙铁, 或者不屑于拿烙铁, 请尽早改行; 如果焊出来的东西跟豆腐渣一样的话, 在排除烙铁故障和使用了劣质焊锡的情况之后, 也请尽早改行.

  4. 脑袋不好使, 逻辑能力不够的; 或者脑袋有跑偏倾向的, 不要去学模拟电路. 当然如果脑袋不好使, 那么不光模拟电路, 数字电路也搞不好, 写码也写不好, 其他工程技术工作应该也干不好, 还是趁早别当工程师了比较好. 至于脑袋有没有跑偏倾向, 可以用 @Chris Xia 的语言学民科偏见大全来自测——因为语言是大家从小每天接触的东西, 你在"自发的语言研究"上脑子跑得越偏, 进入专业领域之后脑子跑偏的倾向也越大. 如果看了刚才那个膝盖中箭数过多, 并且看完之后还坚持自己的偏见, 那么可以考虑先吃点被门夹过的核桃补补脑.

  5. 有把工作台收拾得特别整洁的癖好的, 不适合搞模拟电路. 这一点不展开说了, 贴一张图(Jim Williams主编的书 Analog Circuit Design: Art, Science and Personalities 的封面):

001ic20170112

如果面对这样的工作台有不适感, 那么也趁早改行为好. 当然跟前面几点相比, 这一点是比较容易克服的...

喝完了心灵鸡汤, 大家活着的还有多少? 恭喜活着看到了这儿的同学, 我是不是可以认为你们已经有了学好模拟电路, 并以此作为爱好或职业的觉悟? 那么我们就回到正题——怎样学好模拟电路.

不完全地总结一下, 模拟电路设计大概有这么几个不同于其他工程设计领域, 尤其是不同于数字电路设计的特点:

  1. 模拟电路处理的量来自现实世界, 因此模拟电路的输入中, 既包含与设计相关的信号, 也包含与设计不相关的信号. 比如设计一个心电图机, 电极采集进来的除了需要处理的心电信号本身, 还包含电极的极化电位(直流), 从电源感应来的50Hz干扰等等, 而这些不相关的信号往往要比需要处理的信号强很多. 因此, 攻城狮需要分析信号的特点(如心电信号、极化电位、50Hz干扰所占的频率范围不同; 50Hz干扰属于共模信号, 而心电信号属于差分信号等), 并设计相应的电路, 来提取出需要处理的信号, 抑制与设计不相关的信号(比如设计合适的滤波器滤除带外干扰, 用差分输入的仪表放大器消除共模干扰等).

  2. 理论分析和仿真时忽略的因素, 在实际的电路中可能产生很大的影响, 甚至是决定性的影响.电路原理图只能反映元器件之间的连接情况, 是拓扑的; 而实际的电路是物理的. 这也是课本上讲的内容和实际的电路的最大差别. 举例来说, 任务要求攻城狮设计一个220V转5V的开关电源, OK, 很多半导体厂家都有用于隔离开关电源的控制器, 只要看数据手册里面给的参考设计, 根据计算更改几个反馈元件的量值, 是不是就可以了呢? 这样做出来的东西, 倒是大都可以工作; 但是也只是可以工作——事实上印制板布图的不同, 能够严重影响输出纹波的大小. 甚至在很多情况下(如进行射频设计时), 印制板的分布参数也会作为电路中的元件使用.

  3. 模拟电路设计中充满着技术指标、功耗、成本等各种约束, 而这些约束往往不能同时满足, 甚至会互相冲突. 比如设计便携式心电图机时, 考虑到对功耗的严格限制和直接使用系统提供的电源的方便性, 会倾向于使用低压单电源供电; 而考虑到共模抑制比和动态范围的要求, 又会倾向于使用双电源供电. 在这些约束之间妥协和折衷并作出取舍, 贯穿整个设计的始终.

那么想要从事模拟电路设计, 需要做些什么呢? 下面是一个不完全的列表(详细内容待补充):

  1. 通晓电路分析的方法, 掌握至少一种仿真软件的使用方法.

  2. 掌握阅读元器件数据手册的方法.

  3. 多动手实验.

  4. 及时整理自己获得的结果, 尤其是负面结果.

  5. 掌握设计电源的技能.

  6. 了解热设计的内容.

  7. 关于排故技能.


以上两位还不够么,再来一个,这位知乎用户李瑄给你推荐了一个很好用的免费小软件:强烈的兴趣将是你模拟电路学习之路的不灭动力。业余无线电?音频功放?仪器工具发烧友?…许多大师都是从小时候的业余爱好中,爱上模拟设计的。

模拟电路设计 = 系统设计(精髓是反馈) +电路分析(数学方法的图形化理解) +有源/无源器件各种特性的利用(了解器件的各项实际特性)

具体到学习上: 1、U-I这类图解法的娴熟应用,结合各种器件的特性曲线,对电路的理解有极大帮助,促进直观理解。 2、叠加原理、戴维宁等效这些方法多去尝试使用。 (上面2条其实都需要一个良好的电路分析的基础)

3、不要记太多公式,注意合理近似和直观理解公式的意义。 4、模拟设计的精华——反馈,好好吃透,积累技巧,建议用纯晶体管制作AGC电路、稳压电源以便加深理解。 5、这是一门工程学科,需要大量的实践,以纠正自己理解上的偏颇。

强烈推荐:如果实验条件不足,推荐用 LTspice 仿真,小巧的免费软件,操作方便,爱不释手!

【素材整理于知乎,感谢作者:Yike,Tariel,李瑄,仅为学习交流,版权归作者所有 】

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