電路理念/哲學
愛因斯坦
通常，經典電子學課程遵循傳統的“場景”：首先，作者以完整、最終和完美的形式展示電子電路；然後，作者使用抽象的正式方法準確地分析電路。[1]這種古典教學方法在電子學教育中占主導地位。環顧四周，你會發現它無處不在：在書籍、雜誌和網站上，作者展示現成的電路解決方案；在講堂上，教師試圖使用量化工具解釋電路的定性現象；在教育實驗室，學生進行“確定性”實驗，這些實驗只會證實占主導地位的電路理念的正確性。 [2]
最終，沒有地方可以揭示基本的電路理念。沒有人展示我們，人類，真正需要什麼 - 什麼是基本的電路理念，新的電路理念從何而來，以及它們是如何隨著時間的推移而演變的，以便我們不僅能夠理解，甚至能夠發明新的電路。這樣一來，主要依靠邏輯推理的教育抑制了我們由於想象力而擁有的最人性化的能力 - 創造甚至發明自然界中不存在的事物。因此，教育沒有在學生心中激發創造力。
例如，沒有人告訴我們相同電路的無源版本和有源版本之間的關係。首先，他們展示無源電路（例如，右側上圖中的無源 RC 積分器）作為現成的電路解決方案，並說服我們它們是不完美的。然後，他們給我們有源電子電路（例如，下圖中的運放反相 RC 積分器），並說服我們現在它們是完美的。只是，雖然他們分別展示了無源版本和有源版本，但我們猜測它們是相關的。所以，沒有人告訴我們我們真正需要什麼 - 如何將不完美的無源電路轉化為近乎理想的有源電子電路。如果我們只知道如何做到這一點，我們將能夠理解甚至發明更多新的電子電路！
然而，我們不是機器人或計算機，而是普通人；我們血管裡流淌的不是冰冷的機油，而是溫暖的人血。當我們檢查電子元件的複雜混合物時，我們拼命地試圖辨別出更簡單的電路構建塊，並將抽象的電路理念與熟悉的日常情況聯絡起來。例如，我們可以認為，流行的運放反相放大器電路是由兩個更簡單的轉換器組成的：一個無源電壓到電流轉換器和一個有源電流到電壓轉換器，它們透過著名的虛擬地現象統一起來。
我們人類在理解、解釋和發明電路時，並不以形式分析的方式思考。 [3]我們首先需要用定性方法理解定性事物；然後，用量化方法計算量化事物。在電子學中，這意味著首先要使用人類直覺、想象力和情感來理解、構建和發明電路；然後，使用正式方法精確地定義電路引數，徹底分析電路的執行情況。
我們需要的不僅僅是具體的技術解釋和計算。首先，我們人類需要一種人性化的電路哲學。
在這本華夏公益教科書中，我們建立了一種新的電路哲學，作為對經典形式方法的替代方案。新的哲學更依賴人類的想象力，而不是邏輯推理。它將類比電路更多地視為藝術而不是科學，將電子電路的建立視為人類幻想、想象力和熱情的結果。
理解和展示不熟悉電路的最佳方法是再次“發明”它們（重塑）。因此，我們可以重塑電路，包括學生參與到這個“遊戲”中，而不是將電路展示為已完成的、一成不變的解決方案。這樣一來，透過重現發明過程，我們可以展示電路理念的演變。這有助於學生掌握一套電路設計技術和技巧，使他們能夠在以後構建電路，甚至發明新的電路。
在這本書中，我們將在三個層面上發展啟發式理念
- 在書籍層面上，我們通常透過按照無源 > 有源 > 負反饋電路的順序進行展示來揭示電路理念（參見內容部分揭示電路理念的主要小標題）。
當我們重新發明電路時，我們會從頭到尾進行。這是一個典型的自上而下場景
1. 提出要解決的問題（改進無源電路，解決電路矛盾等）
2. 在非電氣領域揭示基本思想（尋找類比，推匯出框圖和操作演算法）。
3. 在電力領域應用一般思想（構建等效的“人工控制”電氣電路）。
4. 展示無源電路應用（構建獨立的和複合的無源器件）。
5. 揭示無源電路缺陷（揭示和評估固有電路缺陷）。
6. 改進有缺陷的無源電路，並建立完美的主動版本（將無源電路轉換為有源電路）。
7. 在電子領域應用該思想（基於同一思想構建各種有源器件）。
這種自上而下的重新發明方法的典型例子是關於無源和有源電壓到電流轉換器的故事，我們是從基本的歐姆電路由來推導的。
構建方法
[edit | edit source]電路思想基於這樣一個信念，即關於電路現象的真相隱藏在從簡單電路到複雜電路的演變過程中，而不是最終完美的電路解決方案中。因此，我們在這裡沒有將電路作為現成的解決方案來呈現，以便以完整、最終和完美的形式進行分析。相反，我們使用已經“發明”的更基本的構建塊，逐步構建電路。我們根據從現實生活中推匯出的基本思想來連線這些“磚塊”。
遵循這種構建方法，在本書中，我們將每一個新的更復雜的電路呈現為基於之前的更簡單的電路。首先，我們從歐姆、基爾霍夫、戴維南和諾頓的基本電路由來推匯出最基本的無源構建塊。然後，我們使用這些“立方體”來構建更復雜的複合無源電路。此外，根據合適的基本思想新增有源元件，我們構建了各種電晶體電路。最後，在所有變體中應用強大的負反饋原理，我們將這些電路改造為幾乎理想的運算放大器電路。
這種自下而上的構建方法的一個例子是關於並聯電壓求和器的故事，該故事的演變如下。在最初的故事中，我們推匯出基本的電壓到電流轉換器、電流到電壓轉換器和電流求和器。在下一個故事中，我們使用它們來構建一個複合無源電壓求和器。最後，我們向這個無源電路新增一個運算放大器，從而將其轉換為一個有源並聯電壓求和器.
使用聯想
[edit | edit source]我們從出生那天起就開始學習。這樣，在我們童年的早期，我們積累了關於我們世界可見（機械、液壓、氣動、社會等）現象的生活知識。但是，這個世界安排得如此有趣，以至於表面上不同的現象服從相同的規律；它們是類比的。
那麼，為什麼我們不將聯想作為教育支柱，將關於可見世界現象的共同知識傳達給看不見的抽象電氣現象呢？因此，它們看起來很熟悉、基本且易於理解。之所以如此，是因為我們人類，從開始辨別其中的熟悉事物時，就開始理解新的不熟悉事物。我們只是將新的複雜事物視為由幾個簡單的已知元件組成。以下是一些應用類比的示例。
當我們“重新發明”基本的電氣電路（電壓到電流轉換器、電流到電壓轉換器等）和更復雜的電子電路（例如，右邊的運算放大器反相積分器、Deboo 積分器等）時，我們使用各種流體類比（氣動、液壓、熱學、擴散等）。當我們試圖弄清楚阻擋電容器在交流電晶體放大電路中究竟做了什麼時，我們會將其視為電氣“減震器”，它移動電壓“運動”（參見頂部的歡迎電路圖）。稍後，我們將使用各種驅動程式、教師、重量、經濟、社會等類比來推匯出負反饋系統的最簡單框圖。
視覺化
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根據古老的諺語“一圖勝千言”，我們必須在這本書中儘可能多地放置影像。如果無法做到這一點，我們將使用一種富有想象力、形象化和色彩豐富的語言，在讀者的腦海中描繪影像。
此外，我們可以透過類似的幾何屬性條形和迴圈來視覺化看不見的電氣屬性電壓和電流，它們基於著名的水塔和魚缸液壓類比。在此幾何表示中，電壓條的高度與相應的電壓成正比，電流迴圈的厚度與電流的大小成正比。
最後，我們可以透過電壓圖來表示電路操作，該圖表示電阻膜上的電壓分佈[4]。在此引人入勝的幾何表示中，具有相應高度的區域性條形表示區域性電壓降。為簡單起見，我們通常只繪製電壓圖的包絡線。
依靠因果關係
[edit | edit source]揭示因果關係。經典電子學課程沒有揭示電子電路中的因果關係。例如，誰在乎歐姆定律中是否存在因果關係以及什麼導致了什麼（哪個量是輸入，哪個是輸出）？作者只是假設電壓和電流同時變化；他們並不關心著名的規則是如何書寫的（I = V/R、V = I.R 或 R = V/I）。
只有我們人類認為這個世界上每一個變化都是由某個原因引起的（在電子學中，這意味著輸出量是輸入量的結果）。我們無法想象輸入量和輸出量可以同時變化。我們知道，輸入總是先於輸出，因此，輸出總是跟隨（延遲）輸入。
引入因果關係。在電子電路中表面上沒有因果關係的情況下，我們可以引入因果關係。讓我們以歐姆定律為例，具體說明一下。首先，我們假設電壓引起電流（I = V/R）在一個電壓供電的歐姆電路中；因此我們“發明”了最簡單的電壓到電流轉換器.
改變因果關係。但是我們知道，這種因果關係是一個任意的選擇；因此，我們可以改變（反轉）它。這意味著我們可以同樣成功地假設電流引起電壓（V = I.R）在一個電流供電的歐姆電路中；因此我們“發明”了反向電流到電壓轉換器.
發展這個強大的思想，我們將透過使用任何可訪問的電路點（包括電路輸出、電源端子等）和元件引數作為輸入來（重新）發明許多有用且原始的電路。例如，隨著電阻作為輸入量而變化，我們將獲得一個電阻到電流轉換器（在一個電壓供電的歐姆電路的情況下）和一個電阻到電壓轉換器（在一個電流供電的歐姆電路的情況下）。然後，將輸入電壓應用於射極跟隨器的輸出，我們將“發明”奇特的共基極電晶體放大級。之後，改變因果關係，我們將數字-模擬轉換器轉化為數字控制放大器。
應用感覺運動活動
[edit | edit source]為了“感受”電子電路是如何工作的，我們必須與它們互動：首先，刺激它們，然後，感知它們的反應。當然，最好的方法是真實的和模擬的實驗室實驗。在這本書中，我們還將進行心理實驗，將感覺運動概念建立到讀者心中。
例如，當我們探索流行的共射極電晶體放大級時，我們會在心理上“升高”和“降低”基極電壓。然後，當我們“實驗”奇特的共基極級時，我們將輸入電壓應用於發射極，然後“擺動”它。類似地，當我們探索經典的差分電晶體放大器時，我們將（在相同的方向和相反的方向上）“移動”兩個輸入電壓，以觀察差分和共模操作。
ECL 門的更復雜示例由電壓條和電流迴圈視覺化
功能性考慮
[edit | edit source]我們可以從不同的抽象層次來考慮電子元件。例如，我們可以用半導體理論來解釋電晶體是如何工作的，即在“微觀層面上”來呈現它。但這不足以解釋特定的電子電路是如何工作的。為了理解電晶體電路，我們需要的不是內部電晶體結構是什麼，而是電晶體在電路中的行為。
在這一“宏觀層面上”，我們用眾所周知的電力基本概念（*電流源*、*非線性電阻*、*電流-電流轉換器*、*可變電阻*等）來呈現電晶體的操作。從“功能”的角度思考，我們想象電流（而不是特定的電子或空穴）的流動方向，以及元件端子上的電壓和電阻等。
在這一功能性方法的基礎上，我們將實現不同元件層級的電子電路。例如，我們將展示以下級別的電壓放大器：*單電晶體放大器*、*分立電晶體放大器*（由幾個電晶體構成）、*積體電路放大器*（例如，單個運算放大器）、*負反饋放大器*（這裡運算放大器只是系統的一個元件）、*電子裝置*（現在負反饋放大器只是一個元件）等等。
如你所見，在這本書中，電路更像是藝術而不是科學。比喻地說，這本書是一個獨特的“劇場”，特定的電路故事是“場景”，電子電路在上面“表演”我們的“劇本”：）
情感是藝術的根源。我們人類擁有情感；我們可以感受、興奮、愛、恨、尷尬、痛苦、嫉妒、想象、夢想…… 但我們在分析電路時不能像圖靈機那樣盲目地運作！
因此，在這本書中，我們將熱愛我們的電路…… 在它們“首映”之前感到興奮…… 當它們失敗時感到痛苦…… 當一個新的電路想法在我們腦海中誕生時感到勝利！
- ↑ 一種啟發式類比電子教學方法依賴於人類的想象力、直覺和情感。
- ↑ 為什麼公式無法解釋電路
- ↑ 沿著電阻膜行走（研究各種電阻材料上的電壓分佈）
構建以理解電路 是一個基於網路的多媒體教程的介紹（需要 Flash Player），專為 2003 年的流行電子學 設計（另請參閱論文）。
基於網路的類比電子學構建課程 - 老師關於實施該理念的故事。
運算放大器反向求和器 是一個動畫教程（需要 Flash Player），展示了該理念的另一種實施方式。