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假设我们回到第一个实用放大电路诞生之前#xff1a;
某天你开始做一个CS单管放大器#xff0c;电阻负载#xff0c;可是有一大堆问题#xff0c;电阻做的不准#xff0c;温度对器…首先提出这个问题就很不容易啊我们看两个精彩回答。 From 骄建
假设我们回到第一个实用放大电路诞生之前
某天你开始做一个CS单管放大器电阻负载可是有一大堆问题电阻做的不准温度对器件影响大电源噪声增益不够等等
你决定改进一下你用理想电流源做负载增益变大了你很高兴可现在又蹦出来一大堆新问题首先你做不了理想电流源其次你这电路的非线性简直是弯到姥姥家去了而且增益还是不够使的。
你苦思冥想搞出来了所谓的差分电路很好的抑制了非线性但代价是两倍的功耗和面积当你把差分电路负载换成电流源后又出了新问题你很难把做负载的管子偏置到饱和区这迫使你换思路要么引入CMFB要么就用新结构。此外增益大小还行但PVT问题简直让人崩溃。
你深入学习了自动化的理论决定引入电路设计中划时代的思想——反馈这样你就可以通过做大loop gain来稳定环路增益。因此你的主要目标变成了做一个增益超大的电路。你开始研究最终你搞出来了一个叫做cascode的结构这个结构可以变大阻抗你发展了级联的思想把cascode差分电路和单管电路级联到一块第一次得到了经典5管放大电路。
然后你的第一次实验不出意料的失败了。
温漂对电源的影响还没有解决为了解决温漂你研究了半导体物理创造性的引入补偿思想使用三极管和一大堆运放搭建出了第一个带隙基准电路PATA这个电路比你的五管运放复杂了不知道多少倍。第二次实验你发现了新的问题这破电路的输出摆幅比阈值电压还小
又是一夜无眠你创造性的设计了一种名为folded的结构这个结构用更大的功耗和更多的管子换来了摆幅的优化然后你的第三次实验再度失败因为你发现电路的增益在随频率改变
你重新投入器件研究建立了管子的高频分析理论提出了miller效应极点观察法和开路时间常数法来计算电路的高频特性当你尝试向电路里添加电容和反馈时你发现这个电路居然开始了诡异的震荡
于是你把巴尔豪森判据引入了电路分析发展了电路的稳定性理论之后你的五管运放终于可以运行了但你对增益还是不满意你知道增益必须变得更大但过多的级联会导致电路不稳定天才的你反其道而行之使用电流—电压反馈影响输出阻抗的思路设计出了人类历史上第一个gain boosting结构这个结构用较小的不稳定性换来了更大的输出阻抗。
现在你把CMFB加入你的电路中再扔到一个闭环反馈里一个2级的运算放大器就诞生了。之后你使用电流镜做负载设计出了差分输入转单端输出的理论你很满意觉得这项工作可以拿诺奖并没有。
而这仅仅是一个放大器。。。。。
随后的某一天你开始思考极端情况假如频率极高电路变成分布式的该如何处理呢
于是传输线诞生了。你开始对电路进行建模发展了端口网络理论。
为了进行阻抗匹配你又设计了一大堆五花八门的匹配网络。RF电路的高频级之间必须加上阻抗匹配网络。这把电路变的不直观了。研究者往往看着你电路里莫名出现的网络一头雾水。
为了发射信号你开始研究一种名叫马尔尚巴伦的结构并用它设计出了一个PA这时你又发现非线性可以在信号调制中发挥作用你利用非线性和吉尔伯特单元设计出了人类史上第一个混频器第一个VCO你将混频器和反馈结合设计出了注入锁定拓扑的分频器当你研究单摆时突然茅塞顿开的设计出了人类历史上最重要的电路之一——PLL并讨论了它的锁定问题随后你又天才性的将PLL和可变分频器组合设计出了一个可以输出频率为三角调制的电路这个电路被称为FMCW信号发生器可惜非线性使得电路变得越加复杂。PLL中滤波器的引入迫使你考虑更多的指标更多的极点更多的带宽你设计了切比雪夫滤波器椭圆滤波器每一个都够写一本书。LNA被引入这玩意儿设计比二级OP复杂多了。有时为了减小功率保护器件你又设计了基于triode的x型衰减器。
那你的墓志铭上该咋写呢
“最大成就是设计了一个FMCW雷达收发机系统”。
。。。。。。。。。
这就是电路设计的复杂性衡量的指标太多增益上去带宽下来带宽上去噪声上来噪声下去非线性又上来了为了减小这些影响电路必须做的复杂再复杂。一个有用的电路往往又是一些基本电路组合起来的导致最后的电路变得极端复杂。 From牧神园地
这位同学能提出这个问题说明很有硬件天赋啊可以考虑从事硬件设计这个方向。^_^
接下来我们开始正题个人认为硬件电路可以简单也可以复杂这取决于什么呢接下来我们来举个栗子。
1. 领导要我设计个点灯LED电路好给你点上只需要:电源串接LED串接电阻RGND这个电路很简单吧如下左图但是我们的电源从哪里来呢一般市电是AC 220V电压也不能直接用啊那就还需要一个一次电源模块AC-DC如下右图得到5V电压电源。 2. 领导一看唉你这个灯只能一直亮着不行啊总得给它闪一闪啥的吧我二话不说行那就给他加个晶振和逻辑门电路吧给他们输出1Hz的闪动的指示灯。 3. 正当我信心满满地准备着原理图领导过来说小王你看你这个灯啊只能1HZ干闪客户说了他们想能够控制的我想它亮就亮、灭就灭、闪出SOS都可以。我一想就问领导那得上单片机了领导大手一挥OK~ 4. 我正加着班看着单片机资料领导过来说小王啊你看单片机都上了要不加一个网口吧这样方便远程控制和升级啊。我xxx那得换个高级的单片机啊还要加一个100M PHY芯片。 5. 又过了一个星期我正干的热火朝天原理图快完工了领导兴奋的跑过来说咱们项目要升级了赶紧分析分析怎么把LED灯改成液晶面板这会我懵逼了怎么改这没法改啊只能推倒重来选一款ARM处理器ba 6. 终于全部搞好了原理图让互连的同事开始布局布线了我正检查着PCB布局突然发觉边上有个人不出意料的还是领导他说小王在忙着呢嗯你看看能不能加个摄像头啊我哦那我要看看这款ARM是否支持还有其它的么领导说嗯再加个喇叭和5G模块我一听头都大了哦哦哦这个信息量有点大我得理一理。 7. 终于安稳了PCB已经全部画好准备投板领导过来叫我去趟会议室我以为这么快就来奖励了吗想想心里就激动一进会议室领导说小王你这段时间辛苦了。我心里窃喜。领导接着说这个项目啊客户觉得功能还不够需要对声音和图像信息进行采集、处理和智能识别然后上报服务器端同时通过显示器进行反馈。这个项目对我们公司非常重要硬件方案还得辛苦你一下。内心万马奔腾。咋整要请出X86了嘛如下为随手画的图不代表真实实现) 至此这个设计已不是一个硬件工程师所能实现的了除了单板硬件本身还需要复杂的结构设计散热设计安规和EMC设计工艺设计生产测试设计除此之外更需要各层软件设计需求。我举起手领导我要求再加100个人。此时我已经忘记了我最初到底是要干嘛的~-_-!!! 正如很多人所说硬件设计就像搭积木在某个层面来说是类似的但绝不仅仅是搭积木硬件设计是先做加法先搭上去后做减法再抽掉加法虽然不易但是减法更难减法需要去澄清客户真正的需求要从系统角度去理解和整合硬件功能模块。一个好的硬件设计是用最简单、可靠的硬件电路实现客户所有的需求。
