電路設計從入門到棄坑0【電路概論】
在本系列博客中，將遵循以下縮寫/簡寫
- 電路原理：電子線路、電子線路分析基礎等基礎電路課
- 模電：模擬電子電路、模擬電路、模擬電子技術、模擬電子線路等模擬電路課
- 數電：數字電子電路、數字電路、數字電子技術、數字電子線路等數字電路課
- 通信原理：通信原理、通信電子線路、通信電子電路、高頻電子電路、高頻電子線路等高頻電路及通信理論課
- 強電：功率電子電路、功率電子線路、電力電子電路、電力電路等電力電子系統及理論課
電路原理闡述了電路運行的基本規律：使用抽象電路模型、電磁學、圖論、高等數學、線性代數、拉普拉斯變換等基礎學科知識描述電路，提供一般的電路分析方法
模電則是從半導體器件的性質介紹如何使用這些器件構建能夠對電信號或功率電壓電流進行處理的電路
數電針對邏輯電路進行分析，結合布爾代數引入了晶體管在導通、截至兩狀態下的應用，並提煉出使用硬件描述語言對數字電路進行設計、分析、仿真的基本方法
通信原理則從分布參數電路與諧振、傅里葉分析角度解釋模擬電路工作在高頻情況下的狀態與應用，並根據電磁場與電磁波理論介紹如何對通信信號進行調制-解調，以實現遠距離電通信
強電則結合電機學、電工學相關知識，闡明功率半導體器件的工作原理和應用，主要關注功率、效率、質量三個要素
專有名詞解釋
本教程中使用的專有名詞是更貼近直觀的解釋，和專業參考書籍存在一定差異，請以專業參考書為准
- 電路拓撲：就是電路圖的“形式”——把具體元件抽離出電路圖，把實際電路圖變換成理想電路模型，抽象出節點、支路后剩下的一個圖就稱為電路拓撲。可以形象理解成電路的套路或者說格式
- 系統：電路實現其功能過程的抽象。可以形象理解成電路功能框圖
- 信息：就是信息論里面的信息
- 信號：從系統角度看，每個支路量都承載了信息，因此支路量可以稱為信號
- 激勵-響應：從系統的角度看電路時，系統中某個功能框的輸入稱為激勵，系統某個功能框的輸出稱為響應
- 反饋：把某個響應引入到激勵部分或功能框內部的過程稱為反饋，對應的信號稱為反饋信號
模電
模電的知識結構是自下而上的
半導體物理與半導體器件
講述摻雜與導電性、PN結、雙結型晶體管、場效應管等的基本物理原理和制造工藝對器件性能的影響
這一部分內容更偏重理論，和電路原理一樣屬於幫助理解模電、數電等工程應用的理論基礎
常見的半導體器件
二極管、三極管、場效應管等基本的半導體器件，連同它們的變種器件，共同組成了模擬電子電路，經由開關頻率特殊優化的開關管器件則構成了數字電路的基礎——邏輯門和觸發器
二極管
由一個PN結封裝成器件，就得到了具有單向導電性的二極管
生產中用到的不僅有二極管的單向導電性，還有擊穿電壓、漏電流等等一系列特性
三極管和場效應管
兩個PN結封裝成一個器件，就得到了三極管；而利用金屬-氧化物絕緣層-半導體形式封裝產生的電場效應，可以生產出場效應管。
三極管一般是電流控制電流型器件；而場效應管一般是電壓控制電壓型器件，二者可以互補——於是出現了結合二者，能夠實現高功率輸出的晶閘管（可控硅）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），以及復合單一器件的達林頓管
早期設備中使用真空管（電子管），正是因為半導體技術的發展才讓三極管取代了真空管，但是二者的功能是一致的：對電信號加以控制
晶體管信號放大電路
這里的晶體管是BJT（雙結型晶體管，也就是三極管）和FET（場效應管）的統稱
晶體管通過某些組合，可以最大限度發揮其控制信號的作用，而這種電路一般用於放大某些小信號，所以被稱為晶體管信號放大電路。
放大電路並不是指輸入1V，憑空就能輸出3V，而是指輸入信號1V，通過外加2V的供電，能輸出為2V的信號
信號放大電路往往看重信號的保真程度和信號的放大倍數，然而晶體管往往很容易受到門限電壓、溫度升高、電源變化等影響造成信號失真，為了避免這些問題，人們就對普通放大電路進行改進；同時為了獲取更高的放大倍數，常常采用前級-輸入級-驅動級-輸出級這樣的多級放大模式，從而提高信號放大倍數
主要參考的性能參數就是電壓增益和電流增益：\(A_v=\frac{v_o}{v_i}\) \(A_i=\frac{i_o}{i_i}\)
晶體管功率放大電路
對於一些特殊的應用（比如音響），信號放大電路無法驅動后級輸出設備（揚聲器）
於是出現了晶體管功率放大電路
這類電路一般使用特殊設計的能經受大電流、高電壓的晶體管作為放大器件，於是可以在電源部分加大功率
通常需要注意功率放大電路的效率：\(\eta=\frac{P_L}{P_S}\)
晶體管振盪電路
為了控制或產生周期性的激勵，人們還設計出了能夠產生振盪信號的晶體管電路
這種電路建立在放大電路和閉環控制理論的基礎上，利用反饋進行工作
一般分立式元件難以產生高精度的信號輸出，現在一般使用單片機（微控制器）或專用的集成電路生成振盪信號
集成運算放大器
隨着集成電路技術的發展，可以將多個二極管和晶體管集成在單個芯片中，內部大多為模擬電路的芯片被稱為模擬集成電路，內部結構中多數字電路的芯片則是數字集成電路。其中通過將晶體管信號放大電路集成在一個芯片上，可以實現良好的放大性能，這種模擬集成電路就是集成運算放大器
集成運算放大器具有虛短、虛短、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特征，利用這些特征可以組合出模擬運算電路和其他特殊的放大電路
集成運放工作在晶體管的基礎上
集成功率放大器
集成功率放大器即集成功放，是分立式晶體管功率放大器在功率半導體器件發展的基礎上形成的一套新型集成電路
現代模擬電路具有集成化、小型化的趨勢，集成功率電路正是舍棄了一部分高功率特性換來了更高的轉換效率和更小的體積
電源管理芯片和功率電源電路
模擬電路的另一作用就是基於變壓器、二極管、晶體管、基本電抗元件等構建穩壓或恆流電源
在此基礎上伴隨半導體技術的發展，氮化鎵、氮化砷等新型功率半導體器件為實現小型化、大功率、高效率的電源電路提供了可能
數電
數電的知識結構是從抽象到具體的
布爾代數
布爾代數就是邏輯代數，使用布爾代數可以化簡很多代數運算，並讓電路得以實現
數電的基礎是數學，數電的所有器件都是為了解決數學計算問題而設計
所以布爾代數是數字電路的基礎
開關管與邏輯門
電路可以使用高電平或低電平表示布爾代數中的0和1，進而實現數學計算
為了對數字信號進行處理，前人設計出了三種基本的邏輯門——與門、或門、非門
使用MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管）可以實現這三種邏輯門，進而實現更多復雜功能
在現代集成電路技術中，多采用CMOS工藝，將兩個MOSFET制造在一起，並通過兩個成對的MOSFET實現基礎的邏輯門
只使用邏輯門構成的數字電路稱為組合邏輯電路
組合邏輯電路只能“瞬時”（由於寄生電容的存在，實際的組合邏輯電路存在延遲）地反映當前輸入對應的輸出，換句話說，它可以描述函數關系，但不能描述狀態關系
觸發器與鎖存器
使用CMOS器件還可以制造具有“記憶”功能的器件——鎖存器
鎖存器可以暫時地保存輸入的電平，通過再次加入一對MOSFET便可以讓鎖存器“滴答”（Tik-Tok）起來，這就是所謂的觸發器
觸發器是一種在外部信號輸入后輸出之前保存過電平的器件
使用觸發器就可以實現隨狀態變化的數字電路，我們一般將其稱為狀態機
數電模電混合電路
在生活中的任何一個角落，都有數模混合電路的存在——模擬電路負責供能、處理信號；數字電路負責對電信號進行計算、控制。
本系列博客將結合個人所學，以模電-數電-數模混合電路的邏輯講述電路設計中的一些基礎知識與技巧，同步進行開關電源、MCU板級外設電路等成體系電路的設計方法說明
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