電路理念/如何理解電路
為了理解電路，我們首先要揭示構建它們的根本理念。但“理解”究竟意味著什麼？“分析”和“理解”之間有什麼區別？
分析主要依靠形式化的方法，而理解則依賴於啟發式方法。因此，理解電子電路意味著透過啟發式方法來分析它們。理解一個電路意味著識別構建它的基本理念，而這個基本理念由一個框圖和一個行動演算法表示。基本理念不一定是電氣性的，並且獨立於它們的特定電路實現。元件庫（電子管、電晶體、運算放大器）不斷變化，但基本理念仍然存在；它們是不朽的……它們是永恆的！
在理解未知電子電路的過程中，可以區分五個階段：分析電路的結構，分析電路的操作，識別已知的電路基本原理，在其他電路或生活場景中尋找類似的理念，將結果總結成一個新的電路原理。在這裡，它們是為了方法學目的而被分離的，但在實踐中，它們大多是同時進行的。
理解技術在下面用運算放大器反相求和器的示例電路進行說明。
理解電子電路從分析其結構開始。比喻地說，這包括在陌生的電路圖中發現熟悉的模式。為此，仔細檢查電路圖，試圖識別出其中已知的更基本器件。形成識別出的已知器件的功能性子器件和元件組被標記（圈出）並標註。這個分解過程繼續透過將電路分解成更基本的構建塊（在下面的具體示例中，構建塊的名稱為斜體）來進行。
示例。運算放大器反相求和器（例如，有兩個輸入）的流行類比電路傳統上被表示為由四個元件組成 - 電阻 R1、電阻 R2、電阻 R 和運算放大器 OA（圖 1a）；然後它被形式化地分析。然而，以這種方式呈現，各個元件的功能在其內部不可見（正如他們所說，“你可以看到樹木，但你卻看不到森林”）。讓我們嘗試看到功能性子電路構建塊…
1. 電壓到電流轉換器。然而，如果我們仔細觀察電路，我們將很容易識別出電阻 R1 和 R2 中的基本電壓到電流轉換器（圖 1b）。在運算放大器反相求和器中，運算放大器 A 由於其高增益和負反饋的存在，在其輸入端保持幾乎為零的電壓。因此，電阻 R1 和 R2 被“虛擬接地”到右側，並根據歐姆定律（以其通常形式 I = V/R 編寫）將輸入電壓轉換為電流。
2. 電流求和器。流過電阻 R1 和 R2 的輸入電流根據 KCL 在連線到運算放大器反相輸入的公共點（節點）處求和。因此，該節點充當基本電流求和器。
3. 電流到電壓轉換器。電流求和器輸出產生的總電流流過電阻 R 並被轉換為電壓，再次根據歐姆定律，但現在以其“反向”形式 V = I.R 編寫。因此，電阻 R 充當雙電流到電壓轉換器。
4. 無源電壓求和器。然後，如果我們將這些元件組合成一個整體，我們將在其中識別出一個無源電壓求和器的電路。因此，電壓到電流轉換器（電阻 R1、R2）、電流求和器（節點）和電流到電壓轉換器（電阻 R）形成了一個無源電壓到電壓求和器。
5. 運算放大器。最後，剩下的就是澄清運算放大器（圖 1f）的作用，但這最好在考慮電路操作之後進行。
在分析結構之後，我們透過研究電路的操作來繼續理解未知電路。我們現在試圖發現它背後的基本原理。我們可以使用思考、模擬和真實實驗來探索電路。在理解階段，我們最常使用思想實驗，因為人腦是一個奇妙的研究實驗室，我們可以在其中進行復雜的思維實驗。比喻地說，我們可以“投影”電子電路的操作，並在我們想象力的精神螢幕上“實驗”它們。在這個階段，我們可以使用模擬軟體和實驗室中的真實實驗來支援和驗證思想實驗。
以其傳統的緊湊形式繪製的分析電路易於記憶，但不易於理解。因此，我們需要用額外的元件來豐富它，這些元件將幫助我們更好地實現它。為此
- 將輸入源（電壓或電流，取決於電路）連線到電路輸入。與極性不明確（在給定時刻）的交流電源相比，最好使用具有已知值和極性的直流電源（最好在開始時為正極）。因此，我們可以對電路中的電量進行瞬間“快照”。
- 將負載連線到電路輸出（最好具有歐姆電阻）。
- 將電源連線到電路。
- 假設電路元件是理想的：運算放大器具有無限大的增益、可忽略的輸入電流和偏置電壓、可忽略的輸出電阻；電晶體沒有基極電流（當允許時）和閾值電壓 UBE0；它們的特性是線性的；電阻的電阻不依賴於溫度；電容器不洩漏；雙元件完全對稱（它們的引數沒有差異）等。簡而言之，我們忘記了器件缺陷元件，並將所有這些問題留給後續的定量分析。
- 充分利用電子裝置的缺陷（這實際上是流行的發明原理“化害為利”或“塞翁失馬，焉知非福”）。例如：電阻的溫度對電阻的影響；電晶體 PN 結的 VBE 電壓；利用 PN 結的“有害”正向壓降 VF 作為參考電壓；利用電晶體的基極電流 IB 作為運算放大器的補償輸入電流等。在這些情況下，電子裝置的缺陷被故意放大，人們的注意力集中在它們身上。
- 準備好要研究的電路（在開始思維實驗之前）以備下次應用視覺化電量。為此，我們將它以空間（“幾何”）形式繪製出來：正電源位於“零”線上方，負電源位於“零”線下方；將要疊加電點陣圖的電阻器被“拉伸”；選擇適當的電路拓撲結構，使電流回路不要過多交叉等。
- 透過在電路圖上疊加電壓和電流影像來視覺化無形的電量
- 用紅色（與壓力、能量相關聯）表示電壓，其高度與對應元件上的電壓成正比。
- 用綠色或藍色（與水流相關聯）閉合線（迴路）表示電流，其粗細與電流大小成正比。
示例。在運算放大器反相求和器的概念電路中，輸入電壓和電阻 R1 和 R2 上的壓降為正；因此，我們將這些元件繪製在“零電壓線”上方（圖 2）。電阻 R 上的壓降和補償電壓 VS 為負 - 因此，我們將它們繪製在“零電壓線”下方。此外，我們以這樣的方式繪製輸入電路（VIN1-R1 和 VIN2-R2）、輸出電路（VS-R）和負載電路（VS-RL），以便以後可以疊加非交叉電流回路（這適用於整個電路的拓撲結構）。
我們可以透過在腦中施加輸入訊號並想象它的響應來探索電路的執行。為了對類比電路有一個定性的認識，在大多數情況下，三個級別的輸入訊號（零、正和負）就足夠了，對於數位電路來說，對應於邏輯“0”和邏輯“1”的兩個級別就足夠了。因此，我們可以按照以下順序探索電路
步驟 1. 我們假設，在第一時刻，施加到電路的輸入訊號等於零。在這種初始狀態下，我們試圖瞭解各個電路點的電壓、元件上的電壓以及電路各個分支的電流是什麼。然後我們繪製電壓和電流的影像。
例如，在運算放大器反相求和器的電路中，當輸入電壓 VIN1 和 VIN2 為零時，電路內部的所有電壓和電流也為零（圖 2a）。
步驟 2. 我們將其中一個輸入訊號改變一個正方向的跳躍，並觀察電路對這種影響的反應。我們試圖瞭解電路中各個點和分支的電壓和電流是如何變化的。我們故意延長過渡時間，使其與我們人類思維的速度相稱。此外，我們故意將無慣性、比例的主動電子器件（電晶體、運算放大器等）表現為緩慢、慣性、積分的。
輸入變化。例如，在運算放大器反相求和器的電路中（圖 2b），我們改變了輸入電壓 V1，使其發生跳躍。結果，它的電壓條立即向上延伸。我們（扮演運算放大器 A 的角色）感到驚訝，最初無法做出反應；因此，補償電壓條 VS 保持零長度。輸入源 VIN1 透過電路 VIN1-R1 傳遞電流 I1，然後透過電路 R2-VIN2（在第一時刻，源 V2 是一個消耗者！）、R-VS 傳遞，最後返回到它開始的地方。我們用相應的粗細繪製這些電流的軌跡，並用箭頭指示電流方向。
點 A 的電壓上升，電壓條 VR1 向上延伸（就好像輸入源 VIN1 在正方向上“拉”點 A 一樣）。零指示器 I 顯示正偏差，我們開始透過將電壓 VS 改變到負方向來補償它，直到零指示器 I 再次顯示零電壓。結果，電壓條 VR 和 VR1 向下延伸，最終長度相等。
恢復平衡。透過“吸”越來越多的電流 I1，源 VS “拉”點 A 的電壓向下，直到它歸零。因此，電路中有兩個接地 - 實際接地和虛擬接地，我們用零指示器 I 讀取它們電壓的差異。在這個過程結束時，源 VS 將整個電流 I1 轉移到自身，並且它的迴路加粗到值 I1 = VIN1/R1。
步驟 3. 現在我們將輸入訊號恢復到初始零位置，然後將其改變一個相反的負方向的跳躍。我們重新檢查電路對這種新影響的反應，試圖想象電路中各個點和分支的電壓和電流是如何變化的。為了更好地理解，我們重新繪製電路圖，使其對應於新的極性。
在反相求和器的示例電路中，我們將輸入電壓 VIN 1 繪製在“零電壓線”下方。電阻 R 上的壓降和補償電壓 VS 變成正 - 這就是為什麼我們將它們繪製在“零電壓線”上方。最後，我們反轉電流回路的箭頭，因為電流改變了方向。
步驟 4. 我們重置負輸入電壓 VIN1，並開始對下一個輸入電壓 VIN2 進行實驗。因此，在反相求和器的電路中，我們改變了輸入電壓 VIN2，使其發生跳躍。“運算放大器”現在被迫將電壓 VS 進一步改變到負方向，以重新建立平衡。
透過將電壓 VS 進一步改變到負方向，直到零指示器 I 再次顯示零電壓，“運算放大器”設法再次恢復了平衡。
步驟 5. 我們可以透過同時改變多個輸入訊號或電路引數來深入研究。在實踐中，我們通常限於兩個量，它們在同一個方向（共模）或相反方向（差模）改變。
步驟 6. 為了擴充套件我們對電路執行的認識，我們可以使用所有“類比”手段。例如，我們可以想象電壓輸入源是一個壓縮機，它開始向正在研究的裝置（氣動類比）中充氣，我們觀察各個點的壓力和氣流速率是如何變化的。或者，我們可以將電源與一根高出地面的水柱（液壓類比）進行比較，並觀察水流是如何從高處流向低處的。在某些情況下，機械類比也很好用。
我們繼續理解電路，試圖在其中識別實現某些已知基本電路原理的元件。為此，我們標記（例如，圈出）並標記對應於表示相應原理的框圖的通用元件的電路子裝置和元件組。我們繪製框圖，並將其與特定電路圖中的相應元件聯絡起來。
如果我們看不到基本電路原理（從原理集合中），我們就開始在其他電子電路的執行（行為）中尋找類似的特徵。為此，我們需要處理足夠多的電路。每次發現相似之處都會增強我們對普遍原理存在的信心。
如果我們在電子電路中找不到類似的想法，我們就開始在不同的生活場景中尋找相似之處（類比）。
如果我們找不到基本的電路工程原理，那麼我們就嘗試透過總結研究結果來制定一個新的原理（不僅要理解特定電路的執行方式，還要擴充套件理解新電子電路的工具集）。
- 嘗試在所研究器件的執行和其他已知的電子器件的執行中找到共同點。
- 尋找這組電子器件的動作和周圍現實中的生活類比之間的共同點。
- 將觀察結果總結成另一個原理，並將其新增到構建電子電路的原理集合中。
- 繪製實現該原理的器件的框圖，並將其新增到器件框圖集合中。
示例。 以下是如何在反相求和電路示例中找到和推匯出基本電路原理。在這個和其他類似的反相電路中（有源電流-電壓轉換器、反相放大器、積分器、微分器、對數轉換器和反對數轉換器等），我們可以觀察到相同的奇怪現象：電流-電壓轉換器元件上的電壓降 VE2 對輸入源有害，但同時它對負載是有用的，因為它實際上是電路的輸出量（圖 4）。事實證明，VE2 電壓是必要的和有用的，但它被破壞了！因此，我們觀察到一個明顯荒謬的技術矛盾——電壓降 VR 必須同時存在和不存在！
我們注意到，這個問題得到了優雅的解決，因為運算放大器破壞了對輸入源而言的“有害”電壓 VR，透過額外的電壓 VH = VR 幫助輸入源（圖 5）。
如何呈現電路（介紹電路的想法，構建電路配置並演示電路的操作）
如何發明電路（介紹問題，尋找想法，應用想法，實驗電路並推廣結果）
電壓補償揭示了帶負反饋的運放反相電路背後的哲學
常見電路問題 當我們試圖理解、改進和發明新電路時，我們會問這些問題
特定電路問題 關於基本電路
運放反相求和器 透過使用更簡單的 無源電壓求和器、電壓到電流 和 電流到電壓 轉換器來構建電路（Flash 動畫；需要 Ruffle 外掛）。