如何成为硬件高手

摘要：驾驶着进取号电子飞船，从发射区进入充满黑洞的基区，一些同伴被黑洞束缚，一些掳去另一世界，你幸运地躲过一劫飞到集电结，受到强大的吸力快速渡越出集电区，漫游在低阻导线上，松了一口气。然而前路不如你所愿地一帆风顺，阻力重重的负载中到处碰壁……

古人学问无遗力，少壮工夫老始成。若问硬件速成法，犹似浮沙立大厦。千万别认为看后就能成为高手，当然笔者亦非高手，水滴石穿又岂是朝夕之功！谨以过往经历和拙见与在校学生朋友和刚工作的工程师分享共勉。

理论学习

没有满腹经纶，何能出口成章。但觉得书海茫茫，不知从何下手？应先把课本啃完，此是基础。怎算啃完？把所有内容看完，所有公式推导一遍，习题全部做完。按照老师讲授的内容只够应付考试，书名都带基础，还挑着学，还想从事此行业，连门都还没进呢！事实证明，往往选读的内容实际工作中很常用到。

淡然无味的文字，晦涩的公式，望而生畏？此时需要一位良师——兴趣。每人兴趣来源也许不同，为了电子竞赛，为了找个好工作，无论如何有了兴趣就有求知的欲望。笔者的兴趣源于幼时的好奇心，总想拆开收音机看看人在哪里，只见元件一堆。后来将坏电器的元件拆下用细铜丝连接钉于木板上，插上220V，试试有何功能，结果当然是爆了。直到五年级从亲戚处拿来一些电器维修的书，从7管收音机电路了解到放大的概念，电风扇副绕组电容分相与主绕组形成旋转磁场，电饭锅利用铁氧体的居里点自动跳闸，顿觉电子世界其乐无穷。凡见带电的东西都要一窥其原理，地摊淘旧书，抄坏电器的电路图研究，利是钱买来一把烙铁和一个指针万用表，一堆腐乳瓶装住分好类的阻容晶体管，从此踏上这条不归路。

大学课本烂熟于心后，可以先找开创性、原理性的书籍来研究，看到技术发展脉络。比如从电子管开始研究放大器，了解栅偏压对阳极电流的控制作用，如何设置工作点和负反馈，到晶体管放大再到集成电路，你会发现其实JFET与电子管有些类似。从电磁学到电动力学，固体物理、半导体物理到半导体器件物理，控制理论。另外还可学习热力学、光学，一级级进阶丰富知识面。当前工程实践中的问题都可应用这些理论解释，电路调试中所谓“灵异”现象不过是你水平不够而已。而一些设计手册、指南是应对器件电路非理想特性的应用技巧，没有过多推导，也不难理解。

别以为老旧的知识过了时，当今热门技术早有理论研究。现在火热的AI，从1950年提出图灵试验，1969年成立IJCAI，1987年召开第一次国际神经网络会议，到当今随着网络发展和硬件计算能力提高，理论才得以实现和大量应用，被常人所熟知。

最重要一点，别刻意记忆结论，要自己推导一遍。有人觉得为何不能写得生动活泼，公式一大堆，其实技术是讲求根据的，非凭感觉，任何试图以通俗易懂的方式去转化都有可能偏离本质，真正有兴趣的人自不觉枯燥，望而却步的人也许志不在此。像《一分钟理解xxx》，不过是为让常人易于理解，对工程师是不够的，高端技术也不会通俗易懂。

实践

实践的重要性不言而喻，对一些结论和想法进行验证，印象异常深刻。以前做一个晶体管音频放大器，偏置电流设置得比较低，输入线引长之后竟然收到了AM电台，说明低偏置电流下三极管发射结进行了检波，将靠近输入端的引线在铁氧体磁芯上绕几圈便被抑制了，说明了扼流圈的作用。

可惜大学里提供给学生实践的资源还是很有限。不过即便如此，有时还是可以变通一下，以前做一个升压逆变器，没有大功率晶体管，就用薄铁片剪一个齿轮，胶水固定在录音机马达转轴上，电池碳棒作电刷，齿轮通断形成开关，工频变压器倒过来用，实现了升压，但变压器烫手，要先转起来再用碳棒靠近，避免铁芯饱和。

在实践过程中，还需结合理论总结分析。你会认识到器件的非理想特性，为何会有很大干扰、噪声、自激，达不到预期性能。导体存在电阻和电感，导体间存在电容，载流子热运动产生热噪声等等，只不过大多数情况下你潜意识里理想化了。地环路——法拉第电磁感应定律，多点接地——导线的阻抗已经不能忽略，公共阻抗、一点接地——不过是欧姆定律，非理想特性是被忽略的分布存在的真实元件以及元件的真实特性，本该如此，并没有多神秘。所以没有丰富的理论，不提炼总结，依赖于别人的经验，不知其所以然。

思考

问渠那得清如许？为有源头活水来。勤于思考，用心感悟，触发灵感和产生创新的源泉。

思考知识间的联系，融会贯通。一个环形电感，感应电动势U=Ldi/dt，又有另外的形式U=Ndφ/dt，这两者有什么联系，结合安培环路定理推导你会找出电感量与线圈匝数、磁导率和磁路截面S和磁路长度l的关系L=μN2S/l。根据电感的定义L=Ψ/i=Nφ/i同样得到L=μN2S/l，殊途同路。SI单位制中有7个基本单位，当前科学技术中如此之多的物理量单位由其导出，你说各种知识之间有没有密切的联系？

通电导线内平均电场有多大呢，不妨推导一下，其结果为电流密度和电阻率乘积。

众所周知电传播速度非载流子的移动速度。那么实际导体中电子平均速度是多少呢？设铜导线截面积为1mm2，电流为1A，根据铜相对原子质量和密度，可得摩尔密度为1.4×105mol/m3，1mol数量为阿伏伽德罗常数，设铜原子最外层为1个电子脱离束缚，则自由电子密度为8.4×1028/m3，根据电流定义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，这只是大概值。导体既然有电场为何电子不是加速呢，实际电子运动会经历加速、与原子碰撞等，碰撞、束缚宏观为阻力，与宏观电场力相等，电场力克服阻力做功使导体发热，此为电阻。

大胆假设，然后证明。摩擦带电的塑料可以吸引纸屑，220V带电导线为何不会吸引纸屑？其实前者指带电荷，后者指通有电流是电中性的。不过用一个绝缘棒连接的金属球碰触一个对大地为100V的电压，实际上吸引不了纸屑，但也是带了电荷的。球体半径R，根据电场高斯定理、电压、电容定义得孤立导体球电容C=4πε0R。兵乓球大的金属球电容为2.2pF，连接到100V电压上充电电量为220pC，当然脱离电源后球体电势只有100V。当充进1.5μC电量时（相当于人体带10kV静电的电量，冬天很平常）电势有682kV，表面电场是很高的。能否吸引纸屑还没试过，充这么高电压需要起电机。曾经有一个静电发电机的想法，一个固定，一个可动极板构成电容，可动极板靠近固定极板时，电源对极板充进电荷，然后可动极板由机械能带动远离固定极板并脱离电源，克服极板间电场力所做的功使极板间电压增大（电容减少了），到达顶端连接到输出电容对其充电，然后返回充电，周而复此，这样输入输出的平均电流相同但电压变高了，驱动极板运动的机械能转化为电能。

别人的经验，千万别不假思索拿来即用。比如驱动继电器，很多书上都说线圈要并联一个二极管吸收反电动势。然而这不是任何时候都合适的，二极管正向导通时压降低等效电阻小，时间常数为L/R，电流衰减缓慢，导致触点断开时间延后，吸力不足的时间区间变大，断开不够干脆。有些情况就需要并联电阻或二极管串联稳压管提高吸收电压，使电流迅速衰减。

关于仿真

暂且将知识分为原理和技巧，利用工具是一种技巧，但应以原理为基础。刚开始学习和工作，建议尽量手算，减少对工具的依赖，对成长也有好处。下面有一个电路，两个四线电阻并联，求输出电压和输入电流的关系，以及每部分电阻变化对输出的影响，光是前者计算就可以写满几页纸，这也需要毅力。

要做好产品，需要长久的学习积累，并不轻松。如当决心从事研发，那就坚定不移地走下去吧。化身为史波克，驾驶着进取号电子飞船，踏上探索未知世界的征程。在发射区，偏置已使耗尽层变窄，你与大量小伙伴受电场力驱动轻松地涌进了基区，这是一个充满黑洞的时空，一些同伴被黑洞所束缚，一些被掳去另一世界，还好困难总是短暂的（基区很薄），你幸运地躲过一劫，未及看清便和大部分同伴飞到了集电结，突然受到一股强大吸力牵引，快速渡越了空旷的集电区，漫游在低阻导线上，总算松了一口气。然而前路不如你所愿地一帆风顺，阻力重重的负载中，到处碰壁，撞得浑身通红。甚至你的飞船被原子掠去为它运转，好不容易偷得一艘飞船利用热动力逃离魔鬼的掌控，曲折中前行，历经艰难险阻才到达胜利彼岸，人生犹如一场电子的旅行！