如何成為硬件高手

　　摘要：駕駛著進(jìn)取號(hào)電子飛船，從發(fā)射區(qū)進(jìn)入充滿黑洞的基區(qū)，一些同伴被黑洞束縛，一些擄去另一世界，你幸運(yùn)地躲過一劫飛到集電結(jié)，受到強(qiáng)大的吸力快速渡越出集電區(qū)，漫游在低阻導(dǎo)線上，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(fù)載中到處碰壁……

　　古人學(xué)問無遺力，少壯工夫老始成。若問硬件速成法，猶似浮沙立大廈。千萬別認(rèn)為看后就能成為高手，當(dāng)然筆者亦非高手，水滴石穿又豈是朝夕之功!謹(jǐn)以過往經(jīng)歷和拙見與在校學(xué)生朋友和剛工作的工程師分享共勉。

　　理論學(xué)習(xí)

　　沒有滿腹經(jīng)綸，何能出口成章。但覺得書海茫茫，不知從何下手?應(yīng)先把課本啃完，此是基礎(chǔ)。怎算啃完?把所有內(nèi)容看完，所有公式推導(dǎo)一遍，習(xí)題全部做完。按照老師講授的內(nèi)容只夠應(yīng)付考試，書名都帶基礎(chǔ)，還挑著學(xué)，還想從事此行業(yè)，連門都還沒進(jìn)呢!事實(shí)證明，往往選讀的內(nèi)容實(shí)際工作中很常用到。

　　淡然無味的文字，晦澀的公式，望而生畏?此時(shí)需要一位良師——興趣。每人興趣來源也許不同，為了電子競(jìng)賽，為了找個(gè)好工作，無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，總想拆開收音機(jī)看看人在哪里，只見元件一堆。后來將壞電器的元件拆下用細(xì)銅絲連接釘于木板上，插上220V，試試有何功能，結(jié)果當(dāng)然是爆了。直到五年級(jí)從親戚處拿來一些電器維修的書，從7管收音機(jī)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(zhuǎn)磁場(chǎng)，電飯鍋利用鐵氧體的居里點(diǎn)自動(dòng)跳閘，頓覺電子世界其樂無窮。凡見帶電的東西都要一窺其原理，地?cái)偺耘f書，抄壞電器的電路圖研究，利是錢買來一把烙鐵和一個(gè)指針萬用表，一堆腐乳瓶裝住分好類的阻容晶體管，從此踏上這條不歸路。

　　大學(xué)課本爛熟于心后，可以先找開創(chuàng)性、原理性的書籍來研究，看到技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。比如從電子管開始研究放大器，了解柵偏壓對(duì)陽極電流的控制作用，如何設(shè)置工作點(diǎn)和負(fù)反饋，到晶體管放大再到集成電路，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)JFET與電子管有些類似。從電磁學(xué)到電動(dòng)力學(xué)，固體物理、半導(dǎo)體物理到半導(dǎo)體器件物理，控制理論。另外還可學(xué)習(xí)熱力學(xué)、光學(xué)，一級(jí)級(jí)進(jìn)階豐富知識(shí)面。當(dāng)前工程實(shí)踐中的問題都可應(yīng)用這些理論解釋，電路調(diào)試中所謂“靈異”現(xiàn)象不過是你水平不夠而已。而一些設(shè)計(jì)手冊(cè)、指南是應(yīng)對(duì)器件電路非理想特性的應(yīng)用技巧，沒有過多推導(dǎo)，也不難理解。

　　別以為老舊的知識(shí)過了時(shí)，當(dāng)今熱門技術(shù)早有理論研究?，F(xiàn)在火熱的AI，從1950年提出圖靈試驗(yàn)，1969年成立IJCAI，1987年召開第一次國(guó)際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議，到當(dāng)今隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和硬件計(jì)算能力提高，理論才得以實(shí)現(xiàn)和大量應(yīng)用，被常人所熟知。

　　最重要一點(diǎn)，別刻意記憶結(jié)論，要自己推導(dǎo)一遍。有人覺得為何不能寫得生動(dòng)活潑，公式一大堆，其實(shí)技術(shù)是講求根據(jù)的，非憑感覺，任何試圖以通俗易懂的方式去轉(zhuǎn)化都有可能偏離本質(zhì)，真正有興趣的人自不覺枯燥，望而卻步的人也許志不在此。像《一分鐘理解xxx》，不過是為讓常人易于理解，對(duì)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(duì)一些結(jié)論和想法進(jìn)行驗(yàn)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(shè)置得比較低，輸入線引長(zhǎng)之后竟然收到了AM電臺(tái)，說明低偏置電流下三極管發(fā)射結(jié)進(jìn)行了檢波，將靠近輸入端的引線在鐵氧體磁芯上繞幾圈便被抑制了，說明了扼流圈的作用。

　　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(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上，電池碳棒作電刷，齒輪通斷形成開關(guān)，工頻變壓器倒過來用，實(shí)現(xiàn)了升壓，但變壓器燙手，要先轉(zhuǎn)起來再用碳棒靠近，避免鐵芯飽和。

　　在實(shí)踐過程中，還需結(jié)合理論總結(jié)分析。你會(huì)認(rèn)識(shí)到器件的非理想特性，為何會(huì)有很大干擾、噪聲、自激，達(dá)不到預(yù)期性能。導(dǎo)體存在電阻和電感，導(dǎo)體間存在電容，載流子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱噪聲等等，只不過大多數(shù)情況下你潛意識(shí)里理想化了。地環(huán)路——法拉第電磁感應(yīng)定律，多點(diǎn)接地——導(dǎo)線的阻抗已經(jīng)不能忽略，公共阻抗、一點(diǎn)接地——不過是歐姆定律，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，并沒有多神秘。所以沒有豐富的理論，不提煉總結(jié)，依賴于別人的經(jīng)驗(yàn)，不知其所以然。

　　思考

　　問渠那得清如許?為有源頭活水來。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(shí)間的聯(lián)系，融會(huì)貫通。一個(gè)環(huán)形電感，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U=Ldi/dt，又有另外的形式U=Ndφ/dt，這兩者有什么聯(lián)系，結(jié)合安培環(huán)路定理推導(dǎo)你會(huì)找出電感量與線圈匝數(shù)、磁導(dǎo)率和磁路截面S和磁路長(zhǎng)度l的關(guān)系L=μN(yùn)2S/l。根據(jù)電感的定義L=Ψ/i=Nφ/i同樣得到L=μN(yùn)2S/l，殊途同路。SI單位制中有7個(gè)基本單位，當(dāng)前科學(xué)技術(shù)中如此之多的物理量單位由其導(dǎo)出，你說各種知識(shí)之間有沒有密切的聯(lián)系?

　　通電導(dǎo)線內(nèi)平均電場(chǎng)有多大呢，不妨推導(dǎo)一下，其結(jié)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(dǎo)體中電子平均速度是多少呢?設(shè)銅導(dǎo)線截面積為1mm2，電流為1A，根據(jù)銅相對(duì)原子質(zhì)量和密度，可得摩爾密度為1.4×105mol/m3，1mol數(shù)量為阿伏伽德羅常數(shù)，設(shè)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(jù)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(dǎo)體既然有電場(chǎng)為何電子不是加速呢，實(shí)際電子運(yùn)動(dòng)會(huì)經(jīng)歷加速、與原子碰撞等，碰撞、束縛宏觀為阻力，與宏觀電場(chǎng)力相等，電場(chǎng)力克服阻力做功使導(dǎo)體發(fā)熱，此為電阻。

　　大膽假設(shè)，然后證明。摩擦帶電的塑料可以吸引紙屑，220V帶電導(dǎo)線為何不會(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。不過用一個(gè)絕緣棒連接的金屬球碰觸一個(gè)對(duì)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(jù)電場(chǎng)高斯定理、電壓、電容定義得孤立導(dǎo)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(dāng)然脫離電源后球體電勢(shì)只有100V。當(dāng)充進(jìn)1.5μC電量時(shí)(相當(dāng)于人體帶10kV靜電的電量，冬天很平常)電勢(shì)有682kV，表面電場(chǎng)是很高的。能否吸引紙屑還沒試過，充這么高電壓需要起電機(jī)。曾經(jīng)有一個(gè)靜電發(fā)電機(jī)的想法，一個(gè)固定，一個(gè)可動(dòng)極板構(gòu)成電容，可動(dòng)極板靠近固定極板時(shí)，電源對(duì)極板充進(jìn)電荷，然后可動(dòng)極板由機(jī)械能帶動(dòng)遠(yuǎn)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(dá)頂端連接到輸出電容對(duì)其充電，然后返回充電，周而復(fù)此，這樣輸入輸出的平均電流相同但電壓變高了，驅(qū)動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

　　別人的經(jīng)驗(yàn)，千萬別不假思索拿來即用。比如驅(qū)動(dòng)繼電器，很多書上都說線圈要并聯(lián)一個(gè)二極管吸收反電動(dòng)勢(shì)。然而這不是任何時(shí)候都合適的，二極管正向?qū)〞r(shí)壓降低等效電阻小，時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)/R，電流衰減緩慢，導(dǎo)致觸點(diǎn)斷開時(shí)間延后，吸力不足的時(shí)間區(qū)間變大，斷開不夠干脆。有些情況就需要并聯(lián)電阻或二極管串聯(lián)穩(wěn)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(shí)分為原理和技巧，利用工具是一種技巧，但應(yīng)以原理為基礎(chǔ)。剛開始學(xué)習(xí)和工作，建議盡量手算，減少對(duì)工具的依賴，對(duì)成長(zhǎng)也有好處。下面有一個(gè)電路，兩個(gè)四線電阻并聯(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(duì)輸出的影響，光是前者計(jì)算就可以寫滿幾頁紙，這也需要毅力。

　　要做好產(chǎn)品，需要長(zhǎng)久的學(xué)習(xí)積累，并不輕松。如當(dāng)決心從事研發(fā)，那就堅(jiān)定不移地走下去吧。化身為史波克，駕駛著進(jìn)取號(hào)電子飛船，踏上探索未知世界的征程。在發(fā)射區(qū)，偏置已使耗盡層變窄，你與大量小伙伴受電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)輕松地涌進(jìn)了基區(qū)，這是一個(gè)充滿黑洞的時(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(qū)很薄)，你幸運(yùn)地躲過一劫，未及看清便和大部分同伴飛到了集電結(jié)，突然受到一股強(qiáng)大吸力牽引，快速渡越了空曠的集電區(qū)，漫游在低阻導(dǎo)線上，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(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(xiǎn)阻才到達(dá)勝利彼岸，人生猶如一場(chǎng)電子的旅行!