如何成為硬件高手

　　摘要：駕駛著(zhù)進(jìn)取號電子飛船，從發(fā)射區進(jìn)入充滿(mǎn)黑洞的基區，一些同伴被黑洞束縛，一些擄去另一世界，你幸運地躲過(guò)一劫飛到集電結，受到強大的吸力快速渡越出集電區，漫游在低阻導線(xiàn)上，松了一口氣。然而前路不如你所愿地一帆風(fēng)順，阻力重重的負載中到處碰壁……

　　古人學(xué)問(wèn)無(wú)遺力，少壯工夫老始成。若問(wèn)硬件速成法，猶似浮沙立大廈。千萬(wàn)別認為看后就能成為高手，當然筆者亦非高手，水滴石穿又豈是朝夕之功!謹以過(guò)往經(jīng)歷和拙見(jiàn)與在校學(xué)生朋友和剛工作的工程師分享共勉。

　　理論學(xué)習

　　沒(méi)有滿(mǎn)腹經(jīng)綸，何能出口成章。但覺(jué)得書(shū)海茫茫，不知從何下手?應先把課本啃完，此是基礎。怎算啃完?把所有內容看完，所有公式推導一遍，習題全部做完。按照老師講授的內容只夠應付考試，書(shū)名都帶基礎，還挑著(zhù)學(xué)，還想從事此行業(yè)，連門(mén)都還沒(méi)進(jìn)呢!事實(shí)證明，往往選讀的內容實(shí)際工作中很常用到。

　　淡然無(wú)味的文字，晦澀的公式，望而生畏?此時(shí)需要一位良師——興趣。每人興趣來(lái)源也許不同，為了電子競賽，為了找個(gè)好工作，無(wú)論如何有了興趣就有求知的欲望。筆者的興趣源于幼時(shí)的好奇心，總想拆開(kāi)收音機看看人在哪里，只見(jiàn)元件一堆。后來(lái)將壞電器的元件拆下用細銅絲連接釘于木板上，插上220V，試試有何功能，結果當然是爆了。直到五年級從親戚處拿來(lái)一些電器維修的書(shū)，從7管收音機電路了解到放大的概念，電風(fēng)扇副繞組電容分相與主繞組形成旋轉磁場(chǎng)，電飯鍋利用鐵氧體的居里點(diǎn)自動(dòng)跳閘，頓覺(jué)電子世界其樂(lè )無(wú)窮。凡見(jiàn)帶電的東西都要一窺其原理，地攤淘舊書(shū)，抄壞電器的電路圖研究，利是錢(qián)買(mǎi)來(lái)一把烙鐵和一個(gè)指針萬(wàn)用表，一堆腐乳瓶裝住分好類(lèi)的阻容晶體管，從此踏上這條不歸路。

　　大學(xué)課本爛熟于心后，可以先找開(kāi)創(chuàng )性、原理性的書(shū)籍來(lái)研究，看到技術(shù)發(fā)展脈絡(luò )。比如從電子管開(kāi)始研究放大器，了解柵偏壓對陽(yáng)極電流的控制作用，如何設置工作點(diǎn)和負反饋，到晶體管放大再到集成電路，你會(huì )發(fā)現其實(shí)JFET與電子管有些類(lèi)似。從電磁學(xué)到電動(dòng)力學(xué)，固體物理、半導體物理到半導體器件物理，控制理論。另外還可學(xué)習熱力學(xué)、光學(xué)，一級級進(jìn)階豐富知識面。當前工程實(shí)踐中的問(wèn)題都可應用這些理論解釋?zhuān)娐氛{試中所謂“靈異”現象不過(guò)是你水平不夠而已。而一些設計手冊、指南是應對器件電路非理想特性的應用技巧，沒(méi)有過(guò)多推導，也不難理解。

　　別以為老舊的知識過(guò)了時(shí)，當今熱門(mén)技術(shù)早有理論研究?，F在火熱的AI，從1950年提出圖靈試驗，1969年成立IJCAI，1987年召開(kāi)第一次國際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )會(huì )議，到當今隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展和硬件計算能力提高，理論才得以實(shí)現和大量應用，被常人所熟知。

　　最重要一點(diǎn)，別刻意記憶結論，要自己推導一遍。有人覺(jué)得為何不能寫(xiě)得生動(dòng)活潑，公式一大堆，其實(shí)技術(shù)是講求根據的，非憑感覺(jué)，任何試圖以通俗易懂的方式去轉化都有可能偏離本質(zhì)，真正有興趣的人自不覺(jué)枯燥，望而卻步的人也許志不在此。像《一分鐘理解xxx》，不過(guò)是為讓常人易于理解，對工程師是不夠的，高端技術(shù)也不會(huì )通俗易懂。

　　實(shí)踐

　　實(shí)踐的重要性不言而喻，對一些結論和想法進(jìn)行驗證，印象異常深刻。以前做一個(gè)晶體管音頻放大器，偏置電流設置得比較低，輸入線(xiàn)引長(cháng)之后竟然收到了AM電臺，說(shuō)明低偏置電流下三極管發(fā)射結進(jìn)行了檢波，將靠近輸入端的引線(xiàn)在鐵氧體磁芯上繞幾圈便被抑制了，說(shuō)明了扼流圈的作用。

　　可惜大學(xué)里提供給學(xué)生實(shí)踐的資源還是很有限。不過(guò)即便如此，有時(shí)還是可以變通一下，以前做一個(gè)升壓逆變器，沒(méi)有大功率晶體管，就用薄鐵片剪一個(gè)齒輪，膠水固定在錄音機馬達轉軸上，電池碳棒作電刷，齒輪通斷形成開(kāi)關(guān)，工頻變壓器倒過(guò)來(lái)用，實(shí)現了升壓，但變壓器燙手，要先轉起來(lái)再用碳棒靠近，避免鐵芯飽和。

　　在實(shí)踐過(guò)程中，還需結合理論總結分析。你會(huì )認識到器件的非理想特性，為何會(huì )有很大干擾、噪聲、自激，達不到預期性能。導體存在電阻和電感，導體間存在電容，載流子熱運動(dòng)產(chǎn)生熱噪聲等等，只不過(guò)大多數情況下你潛意識里理想化了。地環(huán)路——法拉第電磁感應定律，多點(diǎn)接地——導線(xiàn)的阻抗已經(jīng)不能忽略，公共阻抗、一點(diǎn)接地——不過(guò)是歐姆定律，非理想特性是被忽略的分布存在的真實(shí)元件以及元件的真實(shí)特性，本該如此，并沒(méi)有多神秘。所以沒(méi)有豐富的理論，不提煉總結，依賴(lài)于別人的經(jīng)驗，不知其所以然。

　　思考

　　問(wèn)渠那得清如許?為有源頭活水來(lái)。勤于思考，用心感悟，觸發(fā)靈感和產(chǎn)生創(chuàng )新的源泉。

　　思考知識間的聯(lián)系，融會(huì )貫通。一個(gè)環(huán)形電感，感應電動(dòng)勢U=Ldi/dt，又有另外的形式U=Ndφ/dt，這兩者有什么聯(lián)系，結合安培環(huán)路定理推導你會(huì )找出電感量與線(xiàn)圈匝數、磁導率和磁路截面S和磁路長(cháng)度l的關(guān)系L=μN2S/l。根據電感的定義L=Ψ/i=Nφ/i同樣得到L=μN2S/l，殊途同路。SI單位制中有7個(gè)基本單位，當前科學(xué)技術(shù)中如此之多的物理量單位由其導出，你說(shuō)各種知識之間有沒(méi)有密切的聯(lián)系?

　　通電導線(xiàn)內平均電場(chǎng)有多大呢，不妨推導一下，其結果為電流密度和電阻率乘積。

　　眾所周知電傳播速度非載流子的移動(dòng)速度。那么實(shí)際導體中電子平均速度是多少呢?設銅導線(xiàn)截面積為1mm2，電流為1A，根據銅相對原子質(zhì)量和密度，可得摩爾密度為1.4×105mol/m3，1mol數量為阿伏伽德羅常數，設銅原子最外層為1個(gè)電子脫離束縛，則自由電子密度為8.4×1028/m3，根據電流定義I=Q/t=vtSpq/t得到速度v=I/(Spq)=1/(1×10-6×8.4×1028×1.6×10-19)≈74μm/s，這只是大概值。導體既然有電場(chǎng)為何電子不是加速呢，實(shí)際電子運動(dòng)會(huì )經(jīng)歷加速、與原子碰撞等，碰撞、束縛宏觀(guān)為阻力，與宏觀(guān)電場(chǎng)力相等，電場(chǎng)力克服阻力做功使導體發(fā)熱，此為電阻。

　　大膽假設，然后證明。摩擦帶電的塑料可以吸引紙屑，220V帶電導線(xiàn)為何不會(huì )吸引紙屑?其實(shí)前者指帶電荷，后者指通有電流是電中性的。不過(guò)用一個(gè)絕緣棒連接的金屬球碰觸一個(gè)對大地為100V的電壓，實(shí)際上吸引不了紙屑，但也是帶了電荷的。球體半徑R，根據電場(chǎng)高斯定理、電壓、電容定義得孤立導體球電容C=4πε0R。兵乓球大的金屬球電容為2.2pF，連接到100V電壓上充電電量為220pC，當然脫離電源后球體電勢只有100V。當充進(jìn)1.5μC電量時(shí)(相當于人體帶10kV靜電的電量，冬天很平常)電勢有682kV，表面電場(chǎng)是很高的。能否吸引紙屑還沒(méi)試過(guò)，充這么高電壓需要起電機。曾經(jīng)有一個(gè)靜電發(fā)電機的想法，一個(gè)固定，一個(gè)可動(dòng)極板構成電容，可動(dòng)極板靠近固定極板時(shí)，電源對極板充進(jìn)電荷，然后可動(dòng)極板由機械能帶動(dòng)遠離固定極板并脫離電源，克服極板間電場(chǎng)力所做的功使極板間電壓增大(電容減少了)，到達頂端連接到輸出電容對其充電，然后返回充電，周而復此，這樣輸入輸出的平均電流相同但電壓變高了，驅動(dòng)極板運動(dòng)的機械能轉化為電能。

　　別人的經(jīng)驗，千萬(wàn)別不假思索拿來(lái)即用。比如驅動(dòng)繼電器，很多書(shū)上都說(shuō)線(xiàn)圈要并聯(lián)一個(gè)二極管吸收反電動(dòng)勢。然而這不是任何時(shí)候都合適的，二極管正向導通時(shí)壓降低等效電阻小，時(shí)間常數為L(cháng)/R，電流衰減緩慢，導致觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)間延后，吸力不足的時(shí)間區間變大，斷開(kāi)不夠干脆。有些情況就需要并聯(lián)電阻或二極管串聯(lián)穩壓管提高吸收電壓，使電流迅速衰減。

　　關(guān)于仿真

　　暫且將知識分為原理和技巧，利用工具是一種技巧，但應以原理為基礎。剛開(kāi)始學(xué)習和工作，建議盡量手算，減少對工具的依賴(lài)，對成長(cháng)也有好處。下面有一個(gè)電路，兩個(gè)四線(xiàn)電阻并聯(lián)，求輸出電壓和輸入電流的關(guān)系，以及每部分電阻變化對輸出的影響，光是前者計算就可以寫(xiě)滿(mǎn)幾頁(yè)紙，這也需要毅力。

　　要做好產(chǎn)品，需要長(cháng)久的學(xué)習積累，并不輕松。如當決心從事研發(fā)，那就堅定不移地走下去吧?；頌槭凡?，駕駛著(zhù)進(jìn)取號電子飛船，踏上探索未知世界的征程。在發(fā)射區，偏置已使耗盡層變窄，你與大量小伙伴受電場(chǎng)力驅動(dòng)輕松地涌進(jìn)了基區，這是一個(gè)充滿(mǎn)黑洞的時(shí)空，一些同伴被黑洞所束縛，一些被擄去另一世界，還好困難總是短暫的(基區很薄)，你幸運地躲過(guò)一劫，未及看清便和大部分同伴飛到了集電結，突然受到一股強大吸力牽引，快速渡越了空曠的集電區，漫游在低阻導線(xiàn)上，總算松了一口氣。然而前路不如你所愿地一帆風(fēng)順，阻力重重的負載中，到處碰壁，撞得渾身通紅。甚至你的飛船被原子掠去為它運轉，好不容易偷得一艘飛船利用熱動(dòng)力逃離魔鬼的掌控，曲折中前行，歷經(jīng)艱難險阻才到達勝利彼岸，人生猶如一場(chǎng)電子的旅行!