如何成為硬件高手？

 

　　摘要：駕駛著進取號電子飛船，從發射區進入充滿黑洞的基區，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，漫游在低阻導線上，松了一口氣。然而前路不如你所愿地一帆風順，阻力重重的負載中到處碰壁……
 

　　古人學問無遺力，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！謹以過往經歷和拙見與在校學生朋友和剛工作的工程師分享共勉。
 

　　理論學習
 

　　沒有滿腹經綸，何能出口成章。但覺得書海茫茫，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，書名都帶基礎，還挑著學，還想從事此行業，連門都還沒進呢！事實證明，往往選讀的內容實際工作中很常用到。
 

　　淡然無味的文字，晦澀的公式，望而生畏？此時需要一位良師——興趣。每人興趣來源也許不同，為了電子競賽，為了找個好工作，無論如何有了興趣就有求知的欲望。筆者的興趣源于幼時的好奇心，總想拆開收音機看看人在哪里，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一些電器維修的書，從7管收音機電路了解到放大的概念，電風扇副繞組電容分相與主繞組形成旋轉磁場，電飯鍋利用鐵氧體的居里點自動跳閘，頓覺電子世界其樂無窮。凡見帶電的東西都要一窺其原理，地攤淘舊書，抄壞電器的電路圖研究，利是錢買來一把烙鐵和一個指針萬用表，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。
 

　　大學課本爛熟于心后，可以先找開創性、原理性的書籍來研究，看到技術發展脈絡。比如從電子管開始研究放大器，了解柵偏壓對陽極電流的控制作用，如何設置工作點和負反饋，到晶體管放大再到集成電路，你會發現其實JFET與電子管有些類似。從電磁學到電動力學，固體物理、半導體物理到半導體器件物理，控制理論。另外還可學習熱力學、光學，一級級進階豐富知識面。當前工程實踐中的問題都可應用這些理論解釋，電路調試中所謂“靈異”現象不過是你水平不夠而已。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，沒有過多推導，也不難理解。
 

　　別以為老舊的知識過了時，當今熱門技術早有理論研究。現在火熱的AI，從1950年提出圖靈試驗，1969年成立IJCAI，1987年召開*次神經網絡會議，到當今隨著網絡發展和硬件計算能力提高，理論才得以實現和大量應用，被常人所熟知。
 

　　zui重要一點，別刻意記憶結論，要自己推導一遍。有人覺得為何不能寫得生動活潑，公式一大堆，其實技術是講求根據的，非憑感覺，任何試圖以通俗易懂的方式去轉化都有可能偏離本質，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，對工程師是不夠的，技術也不會通俗易懂。
 

　　實踐
 

　　實踐的重要性不言而喻，對一些結論和想法進行驗證，印象異常深刻。以前做一個晶體管音頻放大器，偏置電流設置得比較低，輸入線引長之后竟然收到了AM電臺，說明低偏置電流下三極管發射結進行了檢波，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。
 

　　可惜大學里提供給學生實踐的資源還是很有限。不過即便如此，有時還是可以變通一下，以前做一個升壓逆變器，沒有大功率晶體管，就用薄鐵片剪一個齒輪，膠水固定在錄音機馬達轉軸上，電池碳棒作電刷，齒輪通斷形成開關，工頻變壓器倒過來用，實現了升壓，但變壓器燙手，要先轉起來再用碳棒靠近，避免鐵芯飽和。
 

　　在實踐過程中，還需結合理論總結分析。你會認識到器件的非理想特性，為何會有很大干擾、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，載流子熱運動產生熱噪聲等等，只不過大多數情況下你潛意識里理想化了。地環路——法拉第電磁感應定律，多點接地——導線的阻抗已經不能忽略，公共阻抗、一點接地——不過是歐姆定律，非理想特性是被忽略的分布存在的真實元件以及元件的真實特性，本該如此，并沒有多神秘。所以沒有豐富的理論，不提煉總結，依賴于別人的經驗，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，觸發靈感和產生創新的源泉。
 

　　思考知識間的，融會貫通。一個環形電感，感應電動勢U=Ldi/dt，又有另外的形式U=Ndφ/dt，這兩者有什么，結合安培環路定理推導你會找出電感量與線圈匝數、磁導率和磁路截面S和磁路長度l的關系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個基本單位，當前科學技術中如此之多的物理量單位由其導出，你說各種知識之間有沒有密切的？
 

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

　　*電傳播速度非載流子的移動速度。那么實際導體中電子平均速度是多少呢？設銅導線截面積為1mm2，電流為1A，根據銅相對原子質量和密度，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zui外層為1個電子脫離束縛，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。導體既然有電場為何電子不是加速呢，實際電子運動會經歷加速、與原子碰撞等，碰撞、束縛宏觀為阻力，與宏觀電場力相等，電場力克服阻力做功使導體發熱，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帶電導線為何不會吸引紙屑？其實前者指帶電荷，后者指通有電流是電中性的。不過用一個絕緣棒連接的金屬球碰觸一個對大地為100V的電壓，實際上吸引不了紙屑，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1.5μC電量時(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。曾經有一個靜電發電機的想法，一個固定，一個可動極板構成電容，可動極板靠近固定極板時，電源對極板充進電荷，然后可動極板由機械能帶動遠離固定極板并脫離電源，克服極板間電場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，驅動極板運動的機械能轉化為電能。
 

　　別人的經驗，千萬別不假思索拿來即用。比如驅動繼電器，很多書上都說線圈要并聯一個二極管吸收反電動勢。然而這不是任何時候都合適的，二極管正向導通時壓降低等效電阻小，時間常數為L/R，電流衰減緩慢，導致觸點斷開時間延后，吸力不足的時間區間變大，斷開不夠干脆。有些情況就需要并聯電阻或二極管串聯穩壓管提高吸收電壓，使電流迅速衰減。
 

　　關于仿真
 

　　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。剛開始學習和工作，建議盡量手算，減少對工具的依賴，對成長也有好處。下面有一個電路，兩個四線電阻并聯，求輸出電壓和輸入電流的關系，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滿幾頁紙，這也需要毅力。
 

 

　　要做好產品，需要長久的學習積累，并不輕松。如當決心從事研發，那就堅定不移地走下去吧。化身為史波克，駕駛著進取號電子飛船，踏上探索未知世界的征程。在發射區，偏置已使耗盡層變窄，你與大量小伙伴受電場力驅動輕松地涌進了基區，這是一個充滿黑洞的時空，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，漫游在低阻導線上，總算松了一口氣。然而前路不如你所愿地一帆風順，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力逃離魔鬼的掌控，曲折中前行，歷經艱難險阻才到達勝利彼岸，人生猶如一場電子的旅行！