本篇結合我的親身體會，通過簡單的舉例，來說明模擬電路設計的一些特點，希望對有意從事模擬電路設計相關方向的同學有所幫助。
理論知識
模擬電路需要的理論知識比較多，需要用到不少數學計算，電路基礎、信號與系統等學科，而這些學科又需要用到高等數學、線性代數、複變函數等數學基礎。當然用到的數學知識不是很複雜，一般是比較基本的數學知識，高數中的微積分、線性代數中的矩陣、複變函數中的複數運算等。很多計算和物理電學中的計算有點像，數學上不是很複雜，但每個式子背後的原理很多，還要考慮很多現實因素。之所以模擬電路學起來難，有一個因素就是不少人大學期間的數學基礎沒學好，對理論計算有種恐懼心理（學的時候不知道幹什麼，用的時候才發現沒學好）。
科學家與工程師
三極管是模擬電路當中非常基礎和重要的知識。
一方面，科學家（物理學家、化學家等）從微觀角度進行理論分析、假設與實驗，研製出了三極管這種器件，具有放大作用，但是放大效果並不理想。三極管的放大倍數，受到溫度、電源電壓、輸入電壓等因素的影響，實在是太不理想化了。科學家已經盡力了，或許有一天，能找到更加完美的放大器件，比三極管好用。
另一方面，理想的放大器的放大倍數應該是恆定的，不然輸出就會忽大忽小。我們生活中不能缺少比較理想的放大器，因爲我們要用放大器製造電話、擴音喇叭等各種設備。
協調這兩方面的衝突，解決這種難題，就是工程師的任務了；模擬電路的核心正是工程思想。工程師不關注三極管怎麼被髮明的，只關注三極管有什麼特性，關注人們實際生活中需要什麼樣的電路。然後設法用不完美的器件，製造出儘可能滿足人們需要的設備。利用不完美的東西去創造完美，工程很多時候就是在做這件事。
解決難題的方法：三極管放大倍數不穩定，我們可以通過負反饋的形式，犧牲放大倍數，實現放大倍數的穩定。
信號與系統
信號與系統是一門很重要的基礎理論課。信號系統這門課很抽象，基本上就是在學數學。而正是因爲它的抽象，能應用到很多學科中來。信號系統不僅能用到電路中，也能用到力學系統中，還能用到聲學系統中（例如音箱的聲學設計）。信號系統這門理論課有點不好理解，因爲不知道它如何應用。我們能做的就是不要過早的問爲什麼，先踏踏實實把那些理論知識記住，後面再去實踐（理論與實踐相結合的學習固然更好，但知識很難安排）。
何爲負反饋，以及如何實現了放大器放大倍數的穩定，可參考《我對模擬電路課程的理解》 http://www.paincker.com/analog-circuit
理論的神話與殘酷的現實
模擬電路尤其是高頻/射頻，難度往往很大，除了需要較多理論知識，還需要大量經驗積累。做電賽的時深有體會，模擬電路的設計不容易，即使是最簡單的運放積分器。理想情況下，積分器電路如下圖，理論分析也比較簡單（學過信號系統和模電的人應該能理解，這裏不做分析）。
而實際上這樣的電路往往不能工作，因爲運放等器件的非理想特性使然。即便是最基本的導線都有電阻，理論分析很難考慮那麼多非理想因素。實際上一般需要再添加一些器件，如下圖。
即使完善了電路，每個器件參數也不能任意取值，甚至電源、佈線也有講究。特別是在高頻/射頻中，元器件之間會因爲電磁波互相干擾，解決這些問題又需要用到一些類似信號系統的理論課程知識。最後才能實現設想的積分器效果，並且只能在給定的條件下正常工作（可以想象一下收音機，或者以前用天線的電視機，人靠近了都可能會影響電視機的工作）。
理論分析/軟件仿真/實際電路
在模擬電路設計中，通常的設計流程是，先進行理論分析，設計出電路，然後通過仿真軟件進行驗證，最後製作實際電路，並進行修改和調試。對於簡單和要求較低的電路，可以嘗試先用麪包板搭建，再進行焊接；對於一些要求較高的電路，例如要求大電流，高頻率等，麪包板就很難實現了；甚至萬用焊板焊接的也不能使用，還得設計PCB進行嘗試，過程就比較麻煩了。
整體的情況是，理論分析和仿真電路差遠了；而仿真電路和實際電路又差遠了。像前面舉的例子，不少看似簡單的電路，完全按照最初設計的電路去搭建，很可能不工作。這個時候就需要通過儀器測試等輔助手段，進行分析和電路改進了。
芯片手冊
芯片手冊在電路設計的過程中是經常要用到的參考資料，特別是集成芯片的手冊，當然很多基本元件包括三極管、MOS管等也有芯片手冊。
現代電路設計往往都會用芯片，而不是完全由分立元件搭建。芯片一旦設計出來，批量製造能大大節省成本，提高電路設計效率。很多時候用運算放大器來設計放大器，遠比用分立的三極管等器件容易，並且反而節省了不小的成本。
芯片手冊中會有器件的封裝、管腳等基本信息，還有使用電壓、溫度、溼度範圍的要求，芯片往往還有內部構造的框圖等內容，甚至有些芯片特別是高頻和大功率的芯片，還會給出參考PCB設計圖。
學會閱讀芯片手冊，是模擬電路設計必不可少的基本技能。很多芯片手冊都是英文版的，這時不得不去熟悉各種英文的專業名詞術語。關於這個話題，在下文中有較爲詳細的討論：
《不要懼怕英文——英文的作用和重要性》 http://www.paincker.com/english
豐富的經驗
解決模擬電路中的很多問題，需要大量經驗積累，很多時候很難用理論去解釋一些問題，因爲太複雜了。經驗很豐富的硬件工程師非常難得（例如幾十年經驗），年薪百萬都不成問題。所以如果對硬件很感興趣，可以一直做下去，往往越老越吃香。
這些知識很多很雜，很難被整理出來（潛心做技術的工程師很多都不太善於表達，也沒有那麼多精力）；即使整理出來成書，也很難快速的被別人學會；而且有些情況下，這些知識往往價值很高，不一定會隨便公開（例如國外的很多保密的高科技）。從全人類的角度來看，這些知識的傳播也是個亟待解決的難題。
學習條件
學習硬件不僅是難度大，而且很燒錢。最好通過競賽來學習，因爲往往實驗室才能提供各種價格高昂的儀器，競賽則會有經費購買各種器件，從而能有充足的學習條件。電賽時很多學校條件不夠，甚至沒有幾臺示波器，只能做單片機控制類方向。但是在西電，高頻、開關電源、儀器儀表等各種方向都有充足的條件（學校對電賽非常重視，提供的經費也比較多，但是想參與進來要求也比較高）。較好的學校資金比較充足，圖書館特別是實驗室能提供更多難得的學習機會。
西電的電賽過程可參考《2013電賽總結【西電專用】》 http://www.paincker.com/nuedc
本文由jzj1993原創，轉載請註明來源：http://www.paincker.com/analog-circuit-design
