数字电路与模拟电路：电子工程领域的两大支柱
数字电路与模拟电路：电子工程领域的两大支柱
模拟电子电路和数字电子电路是电子工程领域的两大支柱。模拟电路处理连续变化的信号，而数字电路则擅长处理离散的数字信号。本文将深入探讨这两种电路的基本概念、特点以及它们之间的差异，帮助读者更好地理解电子工程的核心知识。
模拟电子电路
模拟电子电路，简称模电，主要处理频率在百兆赫兹以下、电压在数十伏以内的模拟信号。这些信号具有连续的时间和幅度特性，即它们在某个取值范围内可以取无数个数值。模电领域涵盖了信号的分析、处理以及相关器件的应用。
模拟电子技术包括半导体器件、放大电路的基本原理和分析方法、功率放大等多个重要章节。这些内容为理解模拟电路的工作原理和应用提供了坚实的基础。
放大电路
- 集成放大电路：包括偏置电路、差分放大电路、中间级和输出级。
- 放大电路的反馈：正反馈与负反馈的对比；负反馈的四种组态：电压串联、电压并联、电流串联和电流并联负反馈。需注意输出电阻和输入电阻的变化。
模拟信号运算电路
- 理想运放的特点：虚短、虚地
- 比例运放：反向、同向及差分比例运放
- 求和电路：反向输入、同向输入
- 积分、微分电路
- 对数、指数电路
- 乘法、除法电路
信号处理电路
- 有源滤波器：低通LPF、高通HPF、带通BPF、带阻BEF
- 电压比较器：过零、单限、滞回及双限比较器
波形发生电路
- 正弦波振荡电路：条件、组成及分析步骤
- RC正弦波振荡电路：RC串并联网络的选频特性
- LC正弦波振荡电路：LC并联网络的选频特性，包括电感三点式和电容三点式
- 石英晶体振荡器
- 非正弦波振荡器：如矩形波、三角波及锯齿形发生器
直流电路
- 单相整流电路
- 滤波电路：电容滤波、电感滤波及复式滤波
- 倍压整流电路：二倍压及多倍压整流电路
- 串联型直流稳压电路
数字电子电路
数字电路，或数字系统，是用于对数字量进行算术和逻辑运算的电路。由于其具有逻辑运算和逻辑处理功能，因此也被称为数字逻辑电路。现代的数字电路主要由半导体工艺制成的数字集成器件构成。逻辑门是数字逻辑电路的基本构成单元，而存储器则用于存储二值数据。从整体上看，数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。
数字电路的特点包括：
- 兼具算术运算与逻辑运算功能：数字电路以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既擅长算术运算也便于进行逻辑运算，如与、或、非等操作，非常适合于运算、比较、存储、传输、控制等应用。
- 简单实现与系统可靠性：数字电路实现起来相对简单，且系统可靠性高。
- 以二进制为基础的数字逻辑电路，具有出色的可靠性。即使电源电压出现轻微波动，或温度和工艺存在偏差，也不会对其工作稳定性造成显著影响，这一点远优于模拟电路。
- 此外，数字电路还具备高集成度、功能实现简便等优势。随着集成电路技术的飞速发展，数字逻辑电路的集成度日益提高，使得电路设计、维修和维护更加灵活便捷。通过使用标准集成电路块单元的组合连接，就能轻松实现各种电路功能。对于非标准的特殊电路需求，还可采用可编程逻辑阵列电路，通过编程方式实现任意逻辑功能。
相比之下，模拟电路的设计则更为复杂。它要求深入理解和掌握电阻、电容、二极管、三极管等半导体器件的工作原理和特性，同时结合精密的电子调试技术。数字电路则主要关注逻辑门关系和大规模集成芯片的应用，其设计过程更侧重于逻辑数学与电路理论的结合。
在应用上，数字电路和模拟电路的工作逻辑存在显著差异。数字电路设计完成后，逻辑设计基本就确定了整个电路的功能。但在实际PCB设计过程中，仍需考虑模拟电路的电磁兼容问题，可能需要对原始逻辑连接进行适当修改以简化布线。而模拟电路的设计则更注重全局性和基础技能的掌握。
数字电路的模拟“部分”在设计过程中得到了充分体现，尤其在PCB设计阶段，元件间的连接、布局、散热以及电源设计等都会一一呈现。然而，模拟的范畴远不止于此，它还涉及到系统级的电磁兼容问题，包括元件间、电路板间、设备间以及与主控室(器)的通讯线路等。此外，雷电和静电等不可预见因素也需要纳入考虑范围。
相较之下，模电的难度在于其全局性的知识和技能要求。在解决信号与干扰的矛盾时，不仅需要关注电路的逻辑问题，还要处理相互关系和环境条件的问题。同时，经济性和实用性也是模电设计中必须考虑的因素。
在逻辑关系上，模电通常需要定量分析；而在相互关系方面，则常常面临与各种干扰（如电干扰、电磁干扰等）的斗争。这些斗争不仅考验人们的意志，也是模电真正难度所在。
由于模电涉及的知识面广泛，因此要成就真功夫需要下苦功夫积累。突击学习可能难以覆盖所有方面，而标准仪器的使用要求（如预热时间）也从一定程度上反映了模电的某些难点。
综上所述，数字电路与模拟电路在设计上各有侧重，而模拟电路的复杂性更需要我们在学习过程中保持整体性和联系性。
时下，有人认为“现在搞数电的比模电赚钱，搞软件的比硬件的牛”。尽管如此，单纯依赖软件而忽视硬件，或反之，都难以达到真正的技术高度。许多人的成功，其实都是在知识重新组合后取得的。实践证明，没有一定的软件基础，很难做出优秀的硬件设计。
事实上，“搞数电的比模电赚钱”这种说法并不准确。在当今社会，仅会模电或数电的人，其发展空间都相对有限。同样地，如果只会数电，那么如何设计出性能卓越的电路板，将是一个难以解决的问题。
在我看来，模电、数电和软件技能，在个人发展道路上应该是相辅相成、不可分割的。在学习过程中，我们不应偏废任何一方面，以确保在实际工作中能够应对各种挑战。
模拟与数字技术，如同人的双腿，缺一不可。在追求全面发展时，我们应注重模拟与数字技术的平衡发展。当然，这并不意味着必须同时精通模拟和数字技术；而是要根据个人的兴趣和职业规划，有针对性地选择和发展自己的技能。
在模拟技术方面，尽管现在的模拟集成电路已达到较高水平，但其发展潜力仍然巨大。特别是在甚高频和微波等更高频率领域，模拟人才的需求和缺乏程度更是日益显著。因此，能够在这些领域取得成就的人，将会有更广阔的发展空间。
在数字领域，随着大规模和超大规模集成电路技术的持续进步，数字电路在现代电子系统中的占比日益提升。数字电路的核心在于信号的数字化处理，这一学科领域的发展迅猛，同时，数字电路的设计理念也在不断更新。可以说，当前设备间的竞争焦点在很大程度上集中在数字处理能力的比拼上。数电工程师们正引领着系统的变革，他们无疑是系统竞争中的核心力量。如今，超大规模集成芯片已迈向系统级芯片的发展方向，而FPGA技术已接近ASIC的水平（例如XILINX的V2 pro），这为工程师们提供了更为广阔的发挥空间。甚至有人戏言，随着软件无线电的实现，模电工程师或许将面临失业的困境。