电路理念/哲学
爱因斯坦
通常，经典电子学课程遵循传统的“场景”：首先，作者以完整、最终和完美的形式展示电子电路；然后，作者使用抽象的正式方法准确地分析电路。[1]这种古典教学方法在电子学教育中占主导地位。环顾四周，你会发现它无处不在：在书籍、杂志和网站上，作者展示现成的电路解决方案；在讲堂上，教师试图使用量化工具解释电路的定性现象；在教育实验室，学生进行“确定性”实验，这些实验只会证实占主导地位的电路理念的正确性。 [2]
最终，没有地方可以揭示基本的电路理念。没有人展示我们，人类，真正需要什么 - 什么是基本的电路理念，新的电路理念从何而来，以及它们是如何随着时间的推移而演变的，以便我们不仅能够理解，甚至能够发明新的电路。这样一来，主要依靠逻辑推理的教育抑制了我们由于想象力而拥有的最人性化的能力 - 创造甚至发明自然界中不存在的事物。因此，教育没有在学生心中激发创造力。
例如，没有人告诉我们相同电路的无源版本和有源版本之间的关系。首先，他们展示无源电路（例如，右侧上图中的无源 RC 积分器）作为现成的电路解决方案，并说服我们它们是不完美的。然后，他们给我们有源电子电路（例如，下图中的运放反相 RC 积分器），并说服我们现在它们是完美的。只是，虽然他们分别展示了无源版本和有源版本，但我们猜测它们是相关的。所以，没有人告诉我们我们真正需要什么 - 如何将不完美的无源电路转化为近乎理想的有源电子电路。如果我们只知道如何做到这一点，我们将能够理解甚至发明更多新的电子电路！
然而，我们不是机器人或计算机，而是普通人；我们血管里流淌的不是冰冷的机油，而是温暖的人血。当我们检查电子元件的复杂混合物时，我们拼命地试图辨别出更简单的电路构建块，并将抽象的电路理念与熟悉的日常情况联系起来。例如，我们可以认为，流行的运放反相放大器电路是由两个更简单的转换器组成的：一个无源电压到电流转换器和一个有源电流到电压转换器，它们通过著名的虚拟地现象统一起来。
我们人类在理解、解释和发明电路时，并不以形式分析的方式思考。 [3]我们首先需要用定性方法理解定性事物；然后，用量化方法计算量化事物。在电子学中，这意味着首先要使用人类直觉、想象力和情感来理解、构建和发明电路；然后，使用正式方法精确地定义电路参数，彻底分析电路的运行情况。
我们需要的不仅仅是具体的技术解释和计算。首先，我们人类需要一种人性化的电路哲学。
在这本维基教科书中，我们建立了一种新的电路哲学，作为对经典形式方法的替代方案。新的哲学更依赖人类的想象力，而不是逻辑推理。它将模拟电路更多地视为艺术而不是科学，将电子电路的创建视为人类幻想、想象力和热情的结果。
理解和展示不熟悉电路的最佳方法是再次“发明”它们（重塑）。因此，我们可以重塑电路，包括学生参与到这个“游戏”中，而不是将电路展示为已完成的、一成不变的解决方案。这样一来，通过重现发明过程，我们可以展示电路理念的演变。这有助于学生掌握一套电路设计技术和技巧，使他们能够在以后构建电路，甚至发明新的电路。
在这本书中，我们将在三个层面上发展启发式理念
- 在书籍层面上，我们通常通过按照无源 > 有源 > 负反馈电路的顺序进行展示来揭示电路理念（参见内容部分揭示电路理念的主要小标题）。
当我们重新发明电路时，我们会从头到尾进行。这是一个典型的自上而下场景
1. 提出要解决的问题（改进无源电路，解决电路矛盾等）
2. 在非电气领域揭示基本思想（寻找类比，推导出框图和操作算法）。
3. 在电力领域应用一般思想（构建等效的“人工控制”电气电路）。
4. 展示无源电路应用（构建独立的和复合的无源器件）。
5. 揭示无源电路缺陷（揭示和评估固有电路缺陷）。
6. 改进有缺陷的无源电路，并创建完美的主动版本（将无源电路转换为有源电路）。
7. 在电子领域应用该思想（基于同一思想构建各种有源器件）。
这种自上而下的重新发明方法的典型例子是关于无源和有源电压到电流转换器的故事，我们是从基本的欧姆电路由来推导的。
构建方法
[edit | edit source]电路思想基于这样一个信念，即关于电路现象的真相隐藏在从简单电路到复杂电路的演变过程中，而不是最终完美的电路解决方案中。因此，我们在这里没有将电路作为现成的解决方案来呈现，以便以完整、最终和完美的形式进行分析。相反，我们使用已经“发明”的更基本的构建块，逐步构建电路。我们根据从现实生活中推导出的基本思想来连接这些“砖块”。
遵循这种构建方法，在本书中，我们将每一个新的更复杂的电路呈现为基于之前的更简单的电路。首先，我们从欧姆、基尔霍夫、戴维南和诺顿的基本电路由来推导出最基本的无源构建块。然后，我们使用这些“立方体”来构建更复杂的复合无源电路。此外，根据合适的基本思想添加有源元件，我们构建了各种晶体管电路。最后，在所有变体中应用强大的负反馈原理，我们将这些电路改造为几乎理想的运算放大器电路。
这种自下而上的构建方法的一个例子是关于并联电压求和器的故事，该故事的演变如下。在最初的故事中，我们推导出基本的电压到电流转换器、电流到电压转换器和电流求和器。在下一个故事中，我们使用它们来构建一个复合无源电压求和器。最后，我们向这个无源电路添加一个运算放大器，从而将其转换为一个有源并联电压求和器.
使用联想
[edit | edit source]我们从出生那天起就开始学习。这样，在我们童年的早期，我们积累了关于我们世界可见（机械、液压、气动、社会等）现象的生活知识。但是，这个世界安排得如此有趣，以至于表面上不同的现象服从相同的规律；它们是类比的。
那么，为什么我们不将联想作为教育支柱，将关于可见世界现象的共同知识传达给看不见的抽象电气现象呢？因此，它们看起来很熟悉、基本且易于理解。之所以如此，是因为我们人类，从开始辨别其中的熟悉事物时，就开始理解新的不熟悉事物。我们只是将新的复杂事物视为由几个简单的已知组件组成。以下是一些应用类比的示例。
当我们“重新发明”基本的电气电路（电压到电流转换器、电流到电压转换器等）和更复杂的电子电路（例如，右边的运算放大器反相积分器、Deboo 积分器等）时，我们使用各种流体类比（气动、液压、热学、扩散等）。当我们试图弄清楚阻挡电容器在交流晶体管放大电路中究竟做了什么时，我们会将其视为电气“减震器”，它移动电压“运动”（参见顶部的欢迎电路图）。稍后，我们将使用各种驱动程序、教师、重量、经济、社会等类比来推导出负反馈系统的最简单框图。
可视化
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根据古老的谚语“一图胜千言”，我们必须在这本书中尽可能多地放置图像。如果无法做到这一点，我们将使用一种富有想象力、形象化和色彩丰富的语言，在读者的脑海中描绘图像。
此外，我们可以通过类似的几何属性条形和循环来可视化看不见的电气属性电压和电流，它们基于著名的水塔和鱼缸液压类比。在此几何表示中，电压条的高度与相应的电压成正比，电流循环的厚度与电流的大小成正比。
最后，我们可以通过电压图来表示电路操作，该图表示电阻膜上的电压分布[4]。在此引人入胜的几何表示中，具有相应高度的局部条形表示局部电压降。为简单起见，我们通常只绘制电压图的包络线。
依靠因果关系
[edit | edit source]揭示因果关系。经典电子学课程没有揭示电子电路中的因果关系。例如，谁在乎欧姆定律中是否存在因果关系以及什么导致了什么（哪个量是输入，哪个是输出）？作者只是假设电压和电流同时变化；他们并不关心著名的规则是如何书写的（I = V/R、V = I.R 或 R = V/I）。
只有我们人类认为这个世界上每一个变化都是由某个原因引起的（在电子学中，这意味着输出量是输入量的结果）。我们无法想象输入量和输出量可以同时变化。我们知道，输入总是先于输出，因此，输出总是跟随（延迟）输入。
引入因果关系。在电子电路中表面上没有因果关系的情况下，我们可以引入因果关系。让我们以欧姆定律为例，具体说明一下。首先，我们假设电压引起电流（I = V/R）在一个电压供电的欧姆电路中；因此我们“发明”了最简单的电压到电流转换器.
改变因果关系。但是我们知道，这种因果关系是一个任意的选择；因此，我们可以改变（反转）它。这意味着我们可以同样成功地假设电流引起电压（V = I.R）在一个电流供电的欧姆电路中；因此我们“发明”了反向电流到电压转换器.
发展这个强大的思想，我们将通过使用任何可访问的电路点（包括电路输出、电源端子等）和组件参数作为输入来（重新）发明许多有用且原始的电路。例如，随着电阻作为输入量而变化，我们将获得一个电阻到电流转换器（在一个电压供电的欧姆电路的情况下）和一个电阻到电压转换器（在一个电流供电的欧姆电路的情况下）。然后，将输入电压应用于射极跟随器的输出，我们将“发明”奇特的共基极晶体管放大级。之后，改变因果关系，我们将数字-模拟转换器转化为数字控制放大器。
应用感觉运动活动
[edit | edit source]为了“感受”电子电路是如何工作的，我们必须与它们互动：首先，刺激它们，然后，感知它们的反应。当然，最好的方法是真实的和模拟的实验室实验。在这本书中，我们还将进行心理实验，将感觉运动概念建立到读者心中。
例如，当我们探索流行的共射极晶体管放大级时，我们会在心理上“升高”和“降低”基极电压。然后，当我们“实验”奇特的共基极级时，我们将输入电压应用于发射极，然后“摆动”它。类似地，当我们探索经典的差分晶体管放大器时，我们将（在相同的方向和相反的方向上）“移动”两个输入电压，以观察差分和共模操作。
ECL 门的更复杂示例由电压条和电流循环可视化
功能性考虑
[edit | edit source]我们可以从不同的抽象层次来考虑电子元件。例如，我们可以用半导体理论来解释晶体管是如何工作的，即在“微观层面上”来呈现它。但这不足以解释特定的电子电路是如何工作的。为了理解晶体管电路，我们需要的不是内部晶体管结构是什么，而是晶体管在电路中的行为。
在这一“宏观层面上”，我们用众所周知的电力基本概念（*电流源*、*非线性电阻*、*电流-电流转换器*、*可变电阻*等）来呈现晶体管的操作。从“功能”的角度思考，我们想象电流（而不是特定的电子或空穴）的流动方向，以及元件端子上的电压和电阻等。
在这一功能性方法的基础上，我们将实现不同元件层级的电子电路。例如，我们将展示以下级别的电压放大器：*单晶体管放大器*、*分立晶体管放大器*（由几个晶体管构成）、*集成电路放大器*（例如，单个运算放大器）、*负反馈放大器*（这里运算放大器只是系统的一个组件）、*电子设备*（现在负反馈放大器只是一个组件）等等。
如你所见，在这本书中，电路更像是艺术而不是科学。比喻地说，这本书是一个独特的“剧场”，特定的电路故事是“场景”，电子电路在上面“表演”我们的“剧本”：）
情感是艺术的根源。我们人类拥有情感；我们可以感受、兴奋、爱、恨、尴尬、痛苦、嫉妒、想象、梦想…… 但我们在分析电路时不能像图灵机那样盲目地运作！
因此，在这本书中，我们将热爱我们的电路…… 在它们“首映”之前感到兴奋…… 当它们失败时感到痛苦…… 当一个新的电路想法在我们脑海中诞生时感到胜利！
- ↑ 一种启发式模拟电子教学方法依赖于人类的想象力、直觉和情感。
- ↑ 为什么公式无法解释电路
- ↑ 沿着电阻膜行走（研究各种电阻材料上的电压分布）
构建以理解电路 是一个基于网络的多媒体教程的介绍（需要 Flash Player），专为 2003 年的流行电子学 设计（另请参阅论文）。
基于网络的模拟电子学构建课程 - 老师关于实施该理念的故事。
运算放大器反向求和器 是一个动画教程（需要 Flash Player），展示了该理念的另一种实施方式。