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为什么电路要设计得这么复杂?

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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。

发布于 2023-10-21 14:24・IP 属地北京
骄健
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