电路理念/如何理解电路
为了理解电路，我们首先要揭示构建它们的根本理念。但“理解”究竟意味着什么？“分析”和“理解”之间有什么区别？
分析主要依靠形式化的方法，而理解则依赖于启发式方法。因此，理解电子电路意味着通过启发式方法来分析它们。理解一个电路意味着识别构建它的基本理念，而这个基本理念由一个框图和一个行动算法表示。基本理念不一定是电气性的，并且独立于它们的特定电路实现。元件库（电子管、晶体管、运算放大器）不断变化，但基本理念仍然存在；它们是不朽的……它们是永恒的！
在理解未知电子电路的过程中，可以区分五个阶段：分析电路的结构，分析电路的操作，识别已知的电路基本原理，在其他电路或生活场景中寻找类似的理念，将结果总结成一个新的电路原理。在这里，它们是为了方法学目的而被分离的，但在实践中，它们大多是同时进行的。
理解技术在下面用运算放大器反相求和器的示例电路进行说明。
理解电子电路从分析其结构开始。比喻地说，这包括在陌生的电路图中发现熟悉的模式。为此，仔细检查电路图，试图识别出其中已知的更基本器件。形成识别出的已知器件的功能性子器件和元件组被标记（圈出）并标注。这个分解过程继续通过将电路分解成更基本的构建块（在下面的具体示例中，构建块的名称为斜体）来进行。
示例。运算放大器反相求和器（例如，有两个输入）的流行模拟电路传统上被表示为由四个元件组成 - 电阻 R1、电阻 R2、电阻 R 和运算放大器 OA（图 1a）；然后它被形式化地分析。然而，以这种方式呈现，各个元件的功能在其内部不可见（正如他们所说，“你可以看到树木，但你却看不到森林”）。让我们尝试看到功能性子电路构建块…
1. 电压到电流转换器。然而，如果我们仔细观察电路，我们将很容易识别出电阻 R1 和 R2 中的基本电压到电流转换器（图 1b）。在运算放大器反相求和器中，运算放大器 A 由于其高增益和负反馈的存在，在其输入端保持几乎为零的电压。因此，电阻 R1 和 R2 被“虚拟接地”到右侧，并根据欧姆定律（以其通常形式 I = V/R 编写）将输入电压转换为电流。
2. 电流求和器。流过电阻 R1 和 R2 的输入电流根据 KCL 在连接到运算放大器反相输入的公共点（节点）处求和。因此，该节点充当基本电流求和器。
3. 电流到电压转换器。电流求和器输出产生的总电流流过电阻 R 并被转换为电压，再次根据欧姆定律，但现在以其“反向”形式 V = I.R 编写。因此，电阻 R 充当双电流到电压转换器。
4. 无源电压求和器。然后，如果我们将这些元件组合成一个整体，我们将在其中识别出一个无源电压求和器的电路。因此，电压到电流转换器（电阻 R1、R2）、电流求和器（节点）和电流到电压转换器（电阻 R）形成了一个无源电压到电压求和器。
5. 运算放大器。最后，剩下的就是澄清运算放大器（图 1f）的作用，但这最好在考虑电路操作之后进行。
在分析结构之后，我们通过研究电路的操作来继续理解未知电路。我们现在试图发现它背后的基本原理。我们可以使用思考、模拟和真实实验来探索电路。在理解阶段，我们最常使用思想实验，因为人脑是一个奇妙的研究实验室，我们可以在其中进行复杂的思维实验。比喻地说，我们可以“投影”电子电路的操作，并在我们想象力的精神屏幕上“实验”它们。在这个阶段，我们可以使用模拟软件和实验室中的真实实验来支持和验证思想实验。
以其传统的紧凑形式绘制的分析电路易于记忆，但不易于理解。因此，我们需要用额外的元件来丰富它，这些元件将帮助我们更好地实现它。为此
- 将输入源（电压或电流，取决于电路）连接到电路输入。与极性不明确（在给定时刻）的交流电源相比，最好使用具有已知值和极性的直流电源（最好在开始时为正极）。因此，我们可以对电路中的电量进行瞬间“快照”。
- 将负载连接到电路输出（最好具有欧姆电阻）。
- 将电源连接到电路。
- 假设电路元件是理想的：运算放大器具有无限大的增益、可忽略的输入电流和偏置电压、可忽略的输出电阻；晶体管没有基极电流（当允许时）和阈值电压 UBE0；它们的特性是线性的；电阻的电阻不依赖于温度；电容器不泄漏；双元件完全对称（它们的参数没有差异）等。简而言之，我们忘记了器件缺陷元件，并将所有这些问题留给后续的定量分析。
- 充分利用电子设备的缺陷（这实际上是流行的发明原理“化害为利”或“塞翁失马，焉知非福”）。例如：电阻的温度对电阻的影响；晶体管 PN 结的 VBE 电压；利用 PN 结的“有害”正向压降 VF 作为参考电压；利用晶体管的基极电流 IB 作为运算放大器的补偿输入电流等。在这些情况下，电子设备的缺陷被故意放大，人们的注意力集中在它们身上。
- 准备好要研究的电路（在开始思维实验之前）以备下次应用可视化电量。为此，我们将它以空间（“几何”）形式绘制出来：正电源位于“零”线上方，负电源位于“零”线下方；将要叠加电位图的电阻器被“拉伸”；选择适当的电路拓扑结构，使电流回路不要过多交叉等。
- 通过在电路图上叠加电压和电流图像来可视化无形的电量
- 用红色（与压力、能量相关联）表示电压，其高度与对应元件上的电压成正比。
- 用绿色或蓝色（与水流相关联）闭合线（回路）表示电流，其粗细与电流大小成正比。
示例。在运算放大器反相求和器的概念电路中，输入电压和电阻 R1 和 R2 上的压降为正；因此，我们将这些元件绘制在“零电压线”上方（图 2）。电阻 R 上的压降和补偿电压 VS 为负 - 因此，我们将它们绘制在“零电压线”下方。此外，我们以这样的方式绘制输入电路（VIN1-R1 和 VIN2-R2）、输出电路（VS-R）和负载电路（VS-RL），以便以后可以叠加非交叉电流回路（这适用于整个电路的拓扑结构）。
我们可以通过在脑中施加输入信号并想象它的响应来探索电路的运行。为了对模拟电路有一个定性的认识，在大多数情况下，三个级别的输入信号（零、正和负）就足够了，对于数字电路来说，对应于逻辑“0”和逻辑“1”的两个级别就足够了。因此，我们可以按照以下顺序探索电路
步骤 1. 我们假设，在第一时刻，施加到电路的输入信号等于零。在这种初始状态下，我们试图了解各个电路点的电压、元件上的电压以及电路各个分支的电流是什么。然后我们绘制电压和电流的图像。
例如，在运算放大器反相求和器的电路中，当输入电压 VIN1 和 VIN2 为零时，电路内部的所有电压和电流也为零（图 2a）。
步骤 2. 我们将其中一个输入信号改变一个正方向的跳跃，并观察电路对这种影响的反应。我们试图了解电路中各个点和分支的电压和电流是如何变化的。我们故意延长过渡时间，使其与我们人类思维的速度相称。此外，我们故意将无惯性、比例的主动电子器件（晶体管、运算放大器等）表现为缓慢、惯性、积分的。
输入变化。例如，在运算放大器反相求和器的电路中（图 2b），我们改变了输入电压 V1，使其发生跳跃。结果，它的电压条立即向上延伸。我们（扮演运算放大器 A 的角色）感到惊讶，最初无法做出反应；因此，补偿电压条 VS 保持零长度。输入源 VIN1 通过电路 VIN1-R1 传递电流 I1，然后通过电路 R2-VIN2（在第一时刻，源 V2 是一个消耗者！）、R-VS 传递，最后返回到它开始的地方。我们用相应的粗细绘制这些电流的轨迹，并用箭头指示电流方向。
点 A 的电压上升，电压条 VR1 向上延伸（就好像输入源 VIN1 在正方向上“拉”点 A 一样）。零指示器 I 显示正偏差，我们开始通过将电压 VS 改变到负方向来补偿它，直到零指示器 I 再次显示零电压。结果，电压条 VR 和 VR1 向下延伸，最终长度相等。
恢复平衡。通过“吸”越来越多的电流 I1，源 VS “拉”点 A 的电压向下，直到它归零。因此，电路中有两个接地 - 实际接地和虚拟接地，我们用零指示器 I 读取它们电压的差异。在这个过程结束时，源 VS 将整个电流 I1 转移到自身，并且它的回路加粗到值 I1 = VIN1/R1。
步骤 3. 现在我们将输入信号恢复到初始零位置，然后将其改变一个相反的负方向的跳跃。我们重新检查电路对这种新影响的反应，试图想象电路中各个点和分支的电压和电流是如何变化的。为了更好地理解，我们重新绘制电路图，使其对应于新的极性。
在反相求和器的示例电路中，我们将输入电压 VIN 1 绘制在“零电压线”下方。电阻 R 上的压降和补偿电压 VS 变成正 - 这就是为什么我们将它们绘制在“零电压线”上方。最后，我们反转电流回路的箭头，因为电流改变了方向。
步骤 4. 我们重置负输入电压 VIN1，并开始对下一个输入电压 VIN2 进行实验。因此，在反相求和器的电路中，我们改变了输入电压 VIN2，使其发生跳跃。“运算放大器”现在被迫将电压 VS 进一步改变到负方向，以重新建立平衡。
通过将电压 VS 进一步改变到负方向，直到零指示器 I 再次显示零电压，“运算放大器”设法再次恢复了平衡。
步骤 5. 我们可以通过同时改变多个输入信号或电路参数来深入研究。在实践中，我们通常限于两个量，它们在同一个方向（共模）或相反方向（差模）改变。
步骤 6. 为了扩展我们对电路运行的认识，我们可以使用所有“类比”手段。例如，我们可以想象电压输入源是一个压缩机，它开始向正在研究的设备（气动类比）中充气，我们观察各个点的压力和气流速率是如何变化的。或者，我们可以将电源与一根高出地面的水柱（液压类比）进行比较，并观察水流是如何从高处流向低处的。在某些情况下，机械类比也很好用。
我们继续理解电路，试图在其中识别实现某些已知基本电路原理的组件。为此，我们标记（例如，圈出）并标记对应于表示相应原理的框图的通用元件的电路子设备和元件组。我们绘制框图，并将其与特定电路图中的相应元件联系起来。
如果我们看不到基本电路原理（从原理集合中），我们就开始在其他电子电路的运行（行为）中寻找类似的特征。为此，我们需要处理足够多的电路。每次发现相似之处都会增强我们对普遍原理存在的信心。
如果我们在电子电路中找不到类似的想法，我们就开始在不同的生活场景中寻找相似之处（类比）。
如果我们找不到基本的电路工程原理，那么我们就尝试通过总结研究结果来制定一个新的原理（不仅要理解特定电路的运行方式，还要扩展理解新电子电路的工具集）。
- 尝试在所研究器件的运行和其他已知的电子器件的运行中找到共同点。
- 寻找这组电子器件的动作和周围现实中的生活类比之间的共同点。
- 将观察结果总结成另一个原理，并将其添加到构建电子电路的原理集合中。
- 绘制实现该原理的器件的框图，并将其添加到器件框图集合中。
示例。 以下是如何在反相求和电路示例中找到和推导出基本电路原理。在这个和其他类似的反相电路中（有源电流-电压转换器、反相放大器、积分器、微分器、对数转换器和反对数转换器等），我们可以观察到相同的奇怪现象：电流-电压转换器元件上的电压降 VE2 对输入源有害，但同时它对负载是有用的，因为它实际上是电路的输出量（图 4）。事实证明，VE2 电压是必要的和有用的，但它被破坏了！因此，我们观察到一个明显荒谬的技术矛盾——电压降 VR 必须同时存在和不存在！
我们注意到，这个问题得到了优雅的解决，因为运算放大器破坏了对输入源而言的“有害”电压 VR，通过额外的电压 VH = VR 帮助输入源（图 5）。
如何呈现电路（介绍电路的想法，构建电路配置并演示电路的操作）
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