“得失觀”在模擬電子技術(shù)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)中的啟迪

王文虎+楊峰+李建奇

摘要：“得失”思想隱含在許多模擬電子技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)中，教學(xué)中教師要結(jié)合《模擬電子技術(shù)》的課程特點(diǎn)，不斷挖掘這些知識(shí)點(diǎn)所蘊(yùn)含的此類思想。模擬電子技術(shù)知識(shí)內(nèi)容的教與學(xué)隱含了得失道理，這樣，把得失理念貫穿在教學(xué)中，就可以把一個(gè)個(gè)抽象的知識(shí)點(diǎn)現(xiàn)實(shí)化、通俗化、直觀化。圍繞模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容，按照得與失的觀念，對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體、PN結(jié)、放大電路、差分電路、帶寬增益積、反饋電路、橋式整流電路等知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)了得與失的分析。在這種一得一失的分析中，通俗了知識(shí)內(nèi)容的理解，強(qiáng)化了知識(shí)內(nèi)容的掌握，教學(xué)中可以起到畫(huà)龍點(diǎn)睛、事半功倍的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：得失觀;模擬電子技術(shù);課程教研

中圖分類號(hào)：G642.4 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2014）42-0189-03

得與失，得多少失幾何，得失之間產(chǎn)生一種現(xiàn)象、狀態(tài)、結(jié)果，不斷融入在人們現(xiàn)實(shí)生活的思考與權(quán)衡中，是人們潛在的本能行為。模擬電子技術(shù)知識(shí)內(nèi)容的教與學(xué)隱含了得失道理，這樣，把得失理念貫穿在教學(xué)中，就可以把一個(gè)個(gè)抽象的知識(shí)點(diǎn)現(xiàn)實(shí)化、通俗化、直觀化。

模擬電子技術(shù)知識(shí)點(diǎn)的細(xì)、繁、雜、廣，以及教學(xué)課時(shí)的吃緊，帶來(lái)了對(duì)這門(mén)課程學(xué)習(xí)的很大難度。如何在有限的時(shí)間里理解并掌握模擬電子技術(shù)課程的基本內(nèi)容，是每一個(gè)致力于電子應(yīng)用技術(shù)人員以及任課教師試圖回答的命題。在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中，把模擬電子技術(shù)許多知識(shí)點(diǎn)的理解映射到現(xiàn)實(shí)生活中的得失觀，有助于知識(shí)的理解、消化與掌握。

一、雜質(zhì)半導(dǎo)體的得與失

本征半導(dǎo)體摻雜后就是雜質(zhì)半導(dǎo)體，非四價(jià)原子與四價(jià)原子在形成共價(jià)鍵中，得到電子成為負(fù)離子，失去電子成為正離子。N型半導(dǎo)體就是本征半導(dǎo)體摻入施主雜質(zhì)所形成的，一個(gè)施主雜質(zhì)原子在形成一個(gè)自由電子過(guò)程中變成了一個(gè)固定而不能移動(dòng)的正離子，電子則為多數(shù)載流子，而本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴只是少數(shù)載流子。相反，P型半導(dǎo)體則是本征半導(dǎo)體摻入受主雜質(zhì)形成的，一個(gè)受主雜質(zhì)原子在形成一個(gè)空穴過(guò)程中變成了一個(gè)固定而不能移動(dòng)的負(fù)離子，空穴則為多數(shù)載流子，而本征激發(fā)產(chǎn)生的電子只是少數(shù)載流子。

正是本征半導(dǎo)體摻雜后的得與失，使得雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子數(shù)量有了量以及性質(zhì)的改變，相對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力有了一定的提高，但并沒(méi)有帶來(lái)質(zhì)的改變，所以，一般不會(huì)作為普通導(dǎo)體應(yīng)用。

二、PN結(jié)的失與得

PN結(jié)就是得與失的產(chǎn)物。P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的交界面因多子極型以及濃度差別，形成多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴擴(kuò)散到N區(qū)，在交界區(qū)域原有的電中性被破壞，P區(qū)失去空穴留下了不能移動(dòng)的雜質(zhì)負(fù)離子，N區(qū)失去電子留下不能移動(dòng)的雜質(zhì)正離子。這些不能移動(dòng)的帶電粒子集中在P區(qū)與N區(qū)交界面附近，形成空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)的逐步建立削弱了多子的擴(kuò)散，而增強(qiáng)了少子的漂移。當(dāng)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與少子漂移運(yùn)動(dòng)保持一種動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。

兩種不同極型的雜質(zhì)半導(dǎo)體在交界面失去多子的過(guò)程，得到了一種導(dǎo)電性能獨(dú)特于雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的介質(zhì)，帶來(lái)了半導(dǎo)體導(dǎo)電能力質(zhì)的突變，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，即正向偏置?dǎo)通，反向偏置截止。

復(fù)合的PN結(jié)，在制作工藝上的差別，分別有雙極型晶體管與單極型晶體管。晶體管在合理偏置下導(dǎo)電性能表現(xiàn)了特有的控制性能，即電流控制型的雙極型晶體管和電壓控制型的單極型晶體管。

三、放大電路的得與失

晶體管器件在“合理偏置以及順暢的交流通道”原則下就可以構(gòu)建一個(gè)放大電路，一個(gè)微弱的輸入信號(hào)從輸入端引入，在輸出端得到一個(gè)幅值足夠的輸出信號(hào)，表現(xiàn)了小幅度的模擬量通過(guò)放大電路后得到了大幅值的模擬量，淋漓盡致地表現(xiàn)出信號(hào)幅值放大的概念。殊不知，這種放大電路的“放大”理解是表面的，是片面的，只看到“得”的現(xiàn)象，而沒(méi)看到“失”的本質(zhì)。

在放大電路中，工作電源不僅僅只是提供合理的偏置，更主要擔(dān)負(fù)著能源作用。放大電路僅僅只是一個(gè)信號(hào)幅值變換的平臺(tái)，微弱的輸入信號(hào)能源通過(guò)晶體管的控制作用改變著工作電源在輸出負(fù)載上的能量消耗。最常見(jiàn)的一個(gè)事例就是人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖找魴C(jī)，收音機(jī)就是一個(gè)典型的放大電路。手持式收音機(jī)沒(méi)有電池，不可能發(fā)聲，裝上電池后就可以接收電臺(tái)信號(hào)，伴隨聽(tīng)的時(shí)間與音量的大小，電池的消耗程度或使用時(shí)間就會(huì)不同。沒(méi)有收音機(jī)，人們不可能感受到空中的電磁波能量，有了收音機(jī)而沒(méi)有電源也聽(tīng)不到悅耳的音樂(lè)，電池能耗使用殆盡了也享受不了。所以，嚴(yán)格意義上的放大電路是一個(gè)能源控制電路，放大電路的本質(zhì)是弱小能量對(duì)大能量的控制。

放大電路表面上得到了信號(hào)的幅值增大，實(shí)質(zhì)上消耗了電源電能。

四、差分電路的失與得

單級(jí)放大電路的放大能力是有限的，總期望多級(jí)放大。多級(jí)放大電路是由若干級(jí)單級(jí)放大電路所組成，這樣單級(jí)放大電路之間就存在耦合關(guān)系，直接耦合是多級(jí)放大電路的典型結(jié)構(gòu)形式，直接耦合的多級(jí)放大電路最突出的弊端就是零點(diǎn)漂移，零點(diǎn)漂移最核心的表現(xiàn)形式就是溫漂，解決零點(diǎn)漂移最有效的手段就是差分電路。

差分電路由兩個(gè)特性完全一致的單級(jí)放大電路復(fù)合而成，表現(xiàn)在晶體管的特性一致，晶體管偏置電路器件參數(shù)一致。差分電路從理論到實(shí)用經(jīng)歷了三個(gè)演變，即基本式差分電路、長(zhǎng)尾式差分電路、帶恒流源的差分電路，這三個(gè)演變唯一不變的就是基本結(jié)構(gòu)不變。通過(guò)電路分析不難得出結(jié)論，差分放大電路的差模增益與單級(jí)放大電路的增益是一樣的，然而，差分電路的共模增益接近零，有較大的共模抑制比，可以很好地抑制溫漂，而單級(jí)放大電路就無(wú)法解決溫漂問(wèn)題。第一級(jí)放大電路溫漂決定了多級(jí)放大電路的溫漂，所以，集成運(yùn)放的第一級(jí)總是差分輸入級(jí)。

可見(jiàn)，差分電路通過(guò)“失去”硬件（增加結(jié)構(gòu)等價(jià)的電路，增大電路成本），得到了對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，而并不改變對(duì)差模信號(hào)的放大能力。endprint

五、帶寬增益積的得與失

考核放大電路的性能表現(xiàn)在增益、峰峰值、輸入電阻、輸出電阻、帶寬、失真度、輸出功率與效率等參數(shù)中，它們?nèi)Q于放大電路組態(tài)、晶體管特性、電源以及應(yīng)用的方式。在放大電路的時(shí)域分析過(guò)程中，總是期望放大電路的放大倍數(shù)越大越好，一級(jí)放大能力不夠就采取多級(jí)放大，以提高放大增益;在放大電路的頻域分析過(guò)程中，總是期望放大電路有很小的下限頻率和很大的上限頻率，頻率響應(yīng)范圍越寬越好，即帶寬值越大越好。帶寬是上限頻率與下限頻率的差值，提高帶寬的有限手段就是盡可能提高放大電路的上限頻率值。通過(guò)電路的頻域分析可以發(fā)現(xiàn)，提高上限頻率與提高放大電路的增益是矛盾的，一旦當(dāng)放大電路的晶體管選定之后，帶寬與增益之積是一個(gè)常數(shù)，放大電路的放大倍數(shù)增大幾倍，相應(yīng)地該電路的帶寬就會(huì)減小幾倍，實(shí)際中，既要提高放大電路的增益又要擴(kuò)展放大電路的帶寬，總是選取基區(qū)體電阻小、發(fā)射結(jié)與集電結(jié)電容效應(yīng)小的高頻放大管。

可見(jiàn)，放大電路帶寬增益積概念表現(xiàn)了得與失的理念，欲想得到較大的增益，必然失去頻率響應(yīng)的范圍。

六、反饋放大電路的得與失

反饋是自動(dòng)控制的一個(gè)重要概念，反饋放大電路是提高放大電路放大性能的重要手段，在電子技術(shù)應(yīng)用中運(yùn)用極為普遍。

負(fù)反饋放大電路中，輸出信號(hào)部分或全部反送到輸入端削弱輸入信號(hào)，使得閉環(huán)增益相對(duì)開(kāi)環(huán)增益減小了反饋深度倍，表面上損失了放大電路的增益，然而，對(duì)放大電路的其他性能技術(shù)指標(biāo)得到了極大的改善，表現(xiàn)在增益的穩(wěn)定性得到了提高;環(huán)內(nèi)的噪聲干擾抑制能力以及非線性失真得到了改善;電路的帶寬得到了擴(kuò)展;輸入電阻與輸出電阻得到了相應(yīng)的改善。如電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，增大了輸入電阻，有助于電壓輸入信號(hào)的放大;減少了輸出電阻，有利于輸出電壓的穩(wěn)定性。

正反饋放大電路中，輸出信號(hào)部分或全部反送到輸入端增強(qiáng)輸入信號(hào)，閉環(huán)增益相對(duì)開(kāi)環(huán)增益進(jìn)一步增大，這是信號(hào)發(fā)生電路擾動(dòng)起振的必然要求。信號(hào)發(fā)生器不會(huì)有輸入信號(hào)或者說(shuō)就是一個(gè)零輸入電路，電路接通電源瞬間形成電路換路情形，通過(guò)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)（RC或LC選頻網(wǎng)絡(luò)）把輸出端的信號(hào)有頻率選擇性地反送到輸入端不斷放大，這種無(wú)止境的放大也必然帶來(lái)輸出信號(hào)的非線性失真，所以在電路中為了防止輸出信號(hào)的非線性失真，總是需要設(shè)置輸出穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)?？梢?jiàn)，信號(hào)發(fā)生電路由放大電路、正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)三部分組成。穩(wěn)幅的有效措施就是負(fù)反饋，所以，信號(hào)發(fā)生電路必須維持正反饋特性與負(fù)反饋特性的動(dòng)態(tài)平衡。

負(fù)反饋放大電路失去了增益，得到了電路性能技術(shù)指標(biāo)的改善;正反饋放大電路得到了增益的“膨脹”，失去了輸出信號(hào)的線性度，實(shí)際中為了挽回這種“失”，再次引入負(fù)反饋特性。

七、橋式整流的得與失

小功率直流穩(wěn)壓電源中整流的任務(wù)就是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，衡量整流電路性能的主要參數(shù)表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）表征整流電路質(zhì)量的參數(shù)，有輸出電壓和脈動(dòng)系數(shù);（2）表征整流電路對(duì)整流元件要求的參數(shù)，有正向工作電流和反向峰值耐壓。半波整流輸出電壓低，脈動(dòng)系數(shù)大;全波整流輸出電壓高，脈動(dòng)系數(shù)小。然而，全波整流不僅需要降壓變壓器的副邊引出中間抽頭，更主要對(duì)整流元件的反向耐壓提出了苛刻的要求，它是半波整流對(duì)整流元件反向耐壓值要求的兩倍。實(shí)際中，既要提高整流輸出電壓并減少紋波系數(shù)，又要對(duì)整流元件反向耐壓的要求不苛刻，有效的技術(shù)手段就是橋式整流，橋式整流相比全波整流，在電路結(jié)構(gòu)上只是增加了兩個(gè)整流元件，但輸出效果等同于全波整流電路的整流;橋式整流電路對(duì)整流元件的要求等同于半波整流電路對(duì)整流元件的要求，把半波整流與全波整流各自的優(yōu)勢(shì)整合在一個(gè)應(yīng)用電路中。

可見(jiàn)，橋式整流電路通過(guò)“失去”硬件（增加電路成本），得到了優(yōu)于半波與全波整流電路的整流性能。

在模擬電子技術(shù)知識(shí)內(nèi)容中還有許多知識(shí)點(diǎn)都隱含著“得失”思想，可以不斷挖掘，本文僅僅想達(dá)到拋磚引玉的目的?！赌M電子技術(shù)》課程教學(xué)，內(nèi)容抽象、枯燥，不僅理論性較強(qiáng)，而且實(shí)踐性更強(qiáng);不僅專業(yè)名詞概念繁多，而且各專業(yè)術(shù)語(yǔ)之間的聯(lián)系性很緊密，環(huán)環(huán)相扣;不僅局限于教本的學(xué)習(xí)，而且要有更多應(yīng)用電子線路的捕獵。所以，無(wú)論是應(yīng)付考試學(xué)習(xí)，還是立志電子技術(shù)應(yīng)用技能的提高，重在課程知識(shí)點(diǎn)的理解，變抽象為具體，化枯燥為趣味，變被動(dòng)為主動(dòng)。人們自身的得失觀是潛在而主動(dòng)的，模擬電子技術(shù)知識(shí)點(diǎn)的理解隱含或潛在著得失理念，二者有機(jī)結(jié)合，在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中就可以起到畫(huà)龍點(diǎn)睛、事半功倍的成效。

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作者簡(jiǎn)介：王文虎（1964-），男，湖南慈利人，高級(jí)工程師，副教授，從事電子技術(shù)教學(xué)以及智能檢測(cè)技術(shù)及其自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用研究;楊峰（1983-），男，湖南常德，碩士，助教，從事電路理論、電子技術(shù)教學(xué)以及智能檢測(cè)技術(shù)及其自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用研究;李建奇（1980-），男，湖南桃源，博士，教授，從事計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制、機(jī)器視覺(jué)測(cè)量等領(lǐng)域的相關(guān)科學(xué)研究與教學(xué)工作。endprint