淺談模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)及教學(xué)策略

劉蕓 陸洪毅 王學(xué)慧

[摘 要]電子技術(shù)是研究用電子電路對各種電信號進(jìn)行分析處理的技術(shù)，應(yīng)用面極其廣泛，具有自身的理論和實(shí)踐體系。學(xué)會用工程近似方法處理問題，認(rèn)識各種常用單元電路，學(xué)會常用儀器儀表使用和實(shí)際電路測試，是“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)的基本要求。針對學(xué)生在學(xué)習(xí)時存在的諸多難點(diǎn)問題，以上教學(xué)策略的實(shí)施能有效地解決一些疑難問題，幫助學(xué)生提升學(xué)好模擬電子技術(shù)的信心，激發(fā)進(jìn)一步鉆研電子技術(shù)的興趣。

[關(guān)鍵詞]模擬電子技術(shù) 教學(xué)策略 單元電路

[中圖分類號] TN710.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）01-0120-04

一、引言

電子技術(shù)是研究用電子電路對各種電信號進(jìn)行分析處理的技術(shù)，應(yīng)用面極其廣泛，具有自身的理論和實(shí)踐體系?！澳M電子技術(shù)基礎(chǔ)”作為電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的課程，是電氣、電子信息類等專業(yè)本科學(xué)生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程主要介紹半導(dǎo)體器件的基本特性、模擬電路及系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本理論、基本方法和基本技能。由于半導(dǎo)體器件和模擬電路種類繁多，性能復(fù)雜，分析和設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性，因此初學(xué)者往往感到這門課程很難學(xué)，戲稱“模電”為“魔電”。

究竟這門課程的學(xué)習(xí)難在哪？在教學(xué)中如何化解這些難點(diǎn)問題，本文結(jié)合作者的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了一些探討。

二、模擬電子技術(shù)的主要學(xué)習(xí)難點(diǎn)

（一）元器件特性難理解

電子電路是由二極管、三極管等半導(dǎo)體器件和電阻、電容等無源元件組成的實(shí)用電路，包含模擬電路和數(shù)字電路兩大類。模擬電子技術(shù)主要學(xué)習(xí)模擬電路的分析計(jì)算方法，其基本思想是運(yùn)用線性電路的基本理論和方法，通過求解電路中電壓、電流等物理量，來分析模擬電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)，或確定電路中元器件的參數(shù)值。由電路理論我們知道：基爾霍夫電壓電流定律（KVL、KCL）和元器件的電壓電流關(guān)系（VAR）是求解電壓、電流的兩個基本出發(fā)點(diǎn)。因此模擬電子技術(shù)課程首先介紹半導(dǎo)體器件的基本特性及VAR。

常用的半導(dǎo)體元器件有二極管、三極管和場效應(yīng)晶體管等。對器件工作特性的理解，涉及到半導(dǎo)體PN結(jié)微觀機(jī)理、器件端口非線性VAR、電容效應(yīng)、主要參數(shù)和溫度特性等諸多內(nèi)容，尤其是三極管和場效應(yīng)晶體管是三端元件，端與端之間的VAR更加復(fù)雜。這些半導(dǎo)體元器件表現(xiàn)出的非線性VAR的復(fù)雜性及溫度特性讓初學(xué)者感到頭緒亂、難理解。

（二）工程近似方法難適應(yīng)

在接觸模擬電子技術(shù)之前，學(xué)生被訓(xùn)練成的思維模式是習(xí)慣用精確計(jì)算方法分析解決問題。而在模擬電子技術(shù)中，常采用工程近似方法，即根據(jù)實(shí)際情況采用不同的簡化方法分析各種電子電路。近似體現(xiàn)在具體情況具體分析，突出主要矛盾，簡化電路的分析計(jì)算模型，這種近似雖然會造成計(jì)算精度上的誤差，但可以大大地簡化分析計(jì)算的難度和工作量，而且也完全符合實(shí)際電子電路的精度要求。在模擬電路的分析計(jì)算中，有多種近似處理方法，如基本放大電路的交直流分析，對三極管采用不同的近似模型;運(yùn)放應(yīng)用電路的分析，對運(yùn)放采用理想化的近似;功放電路的功率計(jì)算，采用大信號圖解分析對功率管做有效的近似，等等。學(xué)生頭腦中本來還沒有這種工程近似分析的思維方式，一下子面對這么多近似化簡的具體情況，容易不知所措，難適應(yīng)。

（三）交直流的作用和相互影響難想象

最基本的模擬電路是放大電路，即對輸入的模擬信號進(jìn)行放大處理。放大電路也是構(gòu)成各種功能模擬電路的基本電路。在分析放大電路時，一般用正弦波表示輸入的模擬信號，而電路要起到正常的放大作用，需要加直流電源，以保證電路中的三極管處于放大的狀態(tài)，同時還需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以保證能對輸入信號進(jìn)行不失真的放大。因此在實(shí)際的放大電路中，直流電源的作用和交流信號的作用總是共存的，但在分析計(jì)算時，往往采用分別計(jì)算方式，即在直流等效電路中計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)，在交流等效電路中計(jì)算動態(tài)參數(shù)。在這些分析計(jì)算中，交直流電壓電流是如何相互影響的？何處體現(xiàn)出了這種影響？對用圖解法定性分析這種影響，學(xué)生往往不容易理解。

另外模擬電路都是反饋電路，放大電路引入負(fù)反饋以改善電路的性能，信號產(chǎn)生器電路引入正反饋以實(shí)現(xiàn)振蕩。由于反饋?zhàn)饔茫敵龆说碾妷弘娏鲿绊戄斎攵说碾妷弘娏?，有的只有交流影響，有的只有直流影響，有的交直流影響共存，這種電壓電流相互影響關(guān)系使得電路分析計(jì)算更加復(fù)雜，學(xué)生更是難以想象這種作用對電路性能的影響。

（四）基本單元電路種類繁多性能各異難掌握

盡管當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展日新月異，新的電子產(chǎn)品層出不窮，電路系統(tǒng)的集成度越來越高，功能越來越全，但是構(gòu)成這些電路系統(tǒng)核心的基本單元電路基本上沒有變化。掌握這些基本單元電路的電路結(jié)構(gòu)，學(xué)會分析計(jì)算這些電路的性能指標(biāo)，是模擬電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

模擬電路系統(tǒng)的基本單元電路包括低頻電子電路和高頻電子電路?！澳M電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程主要涉及低頻電子電路的分析與計(jì)算，其中包含了許多基本單元電路，如晶體三極管基本放大電路的三種組態(tài);場效應(yīng)管放大電路三種組態(tài);功率放大電路;多級放大電路;差分式放大電路;電流源電路;反饋電路;集成運(yùn)放電路及應(yīng)用電路;穩(wěn)壓電路等等。這些單元電路各有其基本的電路結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，在分析計(jì)算時，考慮的細(xì)節(jié)問題不同，采用的近似方法也不同。如基本放大電路的作用是不失真地放大微小的輸入信號，采用微變等效電路模型進(jìn)行分析計(jì)算，而功率放大電路的作用是輸出大功率，即在電路的輸出端得到盡量大的輸出電壓和輸出電流，常采用圖解法分析電路的功率問題;為了克服直接耦合多級放大電路的零點(diǎn)漂移問題，采用差分電路結(jié)構(gòu)，等等。這么多的基本電路結(jié)構(gòu)，在分析計(jì)算時要考慮的細(xì)節(jié)和方法，都是與實(shí)際需求相關(guān)，沒有統(tǒng)一的規(guī)律和方法可循，正因如此，學(xué)生在學(xué)習(xí)時往往感覺很凌亂，摸不著頭緒，不容易掌握其核心思想方法，碰到一些實(shí)際電路問題就容易不知所措。由于缺乏對實(shí)際電路的了解和見識，即便是照葫蘆畫瓢會計(jì)算各種電路的性能指標(biāo)，但還是難以想象這些單元電路究竟是如何體現(xiàn)它的功能的。

三、化解難點(diǎn)的一些教學(xué)策略

（一）利用簡單二極管電路，引入非線性電路近似處理方法

目前許多的模擬電子技術(shù)教材，在關(guān)于二極管、三極管和場效應(yīng)管器件介紹這部分內(nèi)容中，花了相當(dāng)?shù)钠枋銎骷墓ぷ髟怼⑻匦郧€和主要參數(shù)，而在放大電路分析時才引入圖解法和微變等效電路模型方法。圖解法分析放大電路的工作過程是教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生往往對曲線之間的映射關(guān)系不清楚。

其實(shí)圖解法是線性和非線性電阻電路的一種分析方法。我們可以在分析簡單二極管電路時，引入圖解法和一般非線性電阻電路的近似處理方法，使學(xué)生在頭腦中建立起非線性電阻電路分析的一般思路。

分析非線性電阻電路的基本依據(jù)仍然是KVL、KCL和元件的伏安關(guān)系。對如圖1所示的二極管串聯(lián)電路（a）及二極管特性曲線（b），應(yīng)用KVL可以得出電路方程：

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圖1

E=VD+ID R ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

此方程中的VD和ID也要符合二極管的伏安關(guān)系，因?yàn)殡娐分械亩O管處于正向?qū)ㄆ?，其伏安關(guān)系曲線如圖1（b）所示，關(guān)系式為

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聯(lián)立求解式（1）、（2），可以得到此電路中的電壓VDQ和電流IDQ，在特性曲線上表現(xiàn)為一個點(diǎn)Q，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)（簡稱Q點(diǎn)），此時電路中的二極管相當(dāng)于一個VDQ ?/ IDQ的直流電阻。由于（2）式是非線性方程，求解這個方程組是十分困難的，這就是非線性電路計(jì)算的難處所在，為此在實(shí)際中常采用圖解法、近似處理法來解決此問題。

在（ID，VD）坐標(biāo)系中，（1）式是一條直線，如圖2所示，它與縱軸的交點(diǎn)由負(fù)載電阻R所決定，因而這條直線也稱為負(fù)載線，它反映了VD和ID受電路制約的關(guān)系。同時VD和ID又要符合二極管的特性曲線關(guān)系，因此這兩條曲線的交點(diǎn)Q所對應(yīng)的就是VDQ和IDQ，即為以上方程組的解，這就是圖解法。圖解法的精度取決于坐標(biāo)系的刻度，往往不是很精確，但是理解了用圖解法表示電壓電流關(guān)系，就容易理解交流信號作用的分析過程及二極管交流電阻的意義。

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圖2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖3

在電路中加上一個幅度很小的正弦波信號電壓vi，其幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流電源E的幅值，如圖3（a）所示，用圖解容易得到電路中電流ID和電壓VD的變化規(guī)律曲線，如圖3（b）所示，用該圖形可以說明以下3個問題：

（1）VD和ID相當(dāng)于在Q點(diǎn)疊加了一個變化的電壓和電流，輸入vi的幅度越小，這個變化的電壓和電流的波形越接近正弦波;vi的幅度越大，由于特性曲線的非線性，對應(yīng)的電壓、電流波形上下半周將不對稱，稱為非線性失真。

（2）當(dāng)輸入vi幅度很小時，在Q點(diǎn)附近，可以用很小的線段代替Q點(diǎn)附近的曲線，該線段的斜率為rd=△Vd /△Id，作為二極管的交流電阻。顯然，Q在曲線不同的位置，小線段的斜率不同，即rd不同，說明rd的大小與Q點(diǎn)電壓VDQ和電流IDQ有關(guān)。這就是對非線性曲線的一種分段線性化近似處理方法。

同樣，將二極管特性曲線用圖4所示模型等效，也是一種線性化近似處理方法。

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圖4

（3）在圖5所示電路中，假設(shè)單獨(dú)分析正弦交流小信號作用于電路，可以將二極管等效為一個交流小電阻rd，（2）由式可得，rd=△Vd /△Id=dVd /dId≈26mV / IDQ，這就是正偏二極管或正偏pn結(jié)的微變等效電路模型。

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圖5

用簡單二極管電路說明圖解法、線性化近似處理方法和小信號微變等效電路模型方法，學(xué)生容易理解，也能建立非線性電路分析的基本思路。在學(xué)習(xí)三極管放大電路時，再進(jìn)一步運(yùn)用圖解法和微變等效電路模型方法分析計(jì)算，學(xué)生就能更好地理解放大電路的放大原理、三極管微變等效電路模型的意義，從而化解對放大電路放大過程分析不清這個難點(diǎn)。

（二）強(qiáng)調(diào)單元電路分析的基本步驟，引導(dǎo)分析思路和方法

前面提到，基本單元電路是構(gòu)成各種實(shí)際電子系統(tǒng)的基石，掌握了基本單元電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性，就容易分析和設(shè)計(jì)具有實(shí)際功能的各種電子系統(tǒng)。面對眾多的結(jié)構(gòu)和性能各異的基本單元電路，我們采用所謂“五步教學(xué)法”，即固定的5個步驟講解基本單元電路：

（1）電路功能和電路結(jié)構(gòu)

以實(shí)際功能需求為先導(dǎo)，或是在總結(jié)已學(xué)單元電路不足的基礎(chǔ)上，引出要學(xué)習(xí)的單元電路，強(qiáng)調(diào)電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)思方法和特點(diǎn)，使學(xué)生在認(rèn)識電路同時，也能對電路構(gòu)成的基本規(guī)律有所了解。例如在學(xué)習(xí)功率放大電路時，一般的教學(xué)策略就是，先簡單說明單管甲類功放電路的效率低的原因，提高效率的途徑，從而引出互補(bǔ)對稱乙類功率放大電路結(jié)構(gòu)。然后說明構(gòu)成電路的結(jié)構(gòu)要素和關(guān)鍵元件，以幫助學(xué)生認(rèn)識和記憶。

（2）工作原理分析

在這個環(huán)節(jié)，主要是定性分析電路中各個元件的作用，電路的工作過程，從而說明電路的功能。有些單元電路的學(xué)習(xí)，以定性分析為主，如負(fù)反饋放大電路的分類判斷，正弦波振蕩電路的分析等。反饋電路的分析和判斷，可以說是模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)的難中之難，針對具體電路進(jìn)行判斷的過程是，首先要正確辨識反饋網(wǎng)絡(luò)和基本放大器的輸入端，然后判斷反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入信號的位置關(guān)系，從而判斷是串聯(lián)或并聯(lián)反饋，再根據(jù)反饋量和輸出量的關(guān)系，判斷是電壓或電流反饋，最后根據(jù)瞬時極性法判斷是正反饋還是負(fù)反饋。以上判斷過程對負(fù)反饋放大電路和正弦波振蕩電路分析都適用，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)反饋量僅僅取決于輸出量，與輸入量無關(guān)這個基本出發(fā)點(diǎn)。

（3）主要參數(shù)分析計(jì)算

在單元電路的學(xué)習(xí)中，有些電路要求掌握一些性能參數(shù)的計(jì)算，如放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)和動態(tài)參數(shù)的計(jì)算、功放電路輸出功率和效率的計(jì)算，集成運(yùn)放應(yīng)用電路的分析計(jì)算，穩(wěn)壓電路的輸出電壓計(jì)算等等。這些計(jì)算中都采用了工程近似方法，不同的電路分析采用不一樣的近似方法，如靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算在直流通路中進(jìn)行，三極管的發(fā)射極正偏時，采用0.7V模型近似，而在求放大電路的放大倍數(shù)、輸入阻抗和輸出阻抗等動態(tài)參數(shù)時，三極管采用的是微變等效電路模型，這些問題，與前面討論的非線性電路近似處理方法聯(lián)系起來，就好理解啦。討論這些電路的計(jì)算問題時，一定要強(qiáng)調(diào)說明不同電路計(jì)算的近似方法和手段，學(xué)生才會有的放矢地加以運(yùn)用。

（4）應(yīng)用及注意事項(xiàng)

單元電路都是構(gòu)成實(shí)際電子產(chǎn)品的基本電路。為了加深學(xué)生對模擬電路的認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)探索精神，在講授一些單元電路時，可以適當(dāng)舉例，說明這些電路在實(shí)際中的應(yīng)用。如學(xué)習(xí)功放電路時，可以擴(kuò)音器電路示例，在學(xué)習(xí)直流穩(wěn)壓電源時，可以一個實(shí)際穩(wěn)壓器電路為例，還有集成運(yùn)放構(gòu)成的各種應(yīng)用電路等等。有兩種教學(xué)策略說明單元電路的應(yīng)用，一是從引入實(shí)際電路開始進(jìn)入單元電路的學(xué)習(xí)，在實(shí)際電路圖中框出單元電路;二是在學(xué)完后舉例說明單元電路的實(shí)際應(yīng)用，這時應(yīng)從應(yīng)用的角度說明應(yīng)用電路的構(gòu)成原則、元器件參數(shù)的選擇、應(yīng)用條件等注意事項(xiàng)，有條件的話，可在課堂上做實(shí)物演示或仿真演示。

（5）歸納小結(jié)

對于每個單元電路講解的最后，都應(yīng)該按照以上4個步驟進(jìn)行歸納小結(jié)，使學(xué)生對該單元電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能的加深認(rèn)識、對該電路的分析方法和手段加深印象。再通過例題講解或練習(xí)，使學(xué)生學(xué)會分析和應(yīng)用。

我們強(qiáng)調(diào)對單元電路結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，這樣在分析一個具體的、復(fù)雜的實(shí)際電路圖時，就容易從中劃分出一個個的單元電路，然后根據(jù)單元電路的功能和連接關(guān)系，推測出該實(shí)際電路的功能，這也是分析實(shí)用電子系統(tǒng)的基本方法。

（三）仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相配合，提高認(rèn)知和動手能力

電子技術(shù)是一門理論和實(shí)踐都很強(qiáng)的學(xué)科，要學(xué)好模擬電子技術(shù)，離不開配套的課后實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以加深對知識的理解，同時學(xué)會使用常用電路測試儀表，了解電路測試技術(shù)，提高動手能力。但以往的課后實(shí)驗(yàn)都是在單元電路學(xué)完后才開展的，在學(xué)習(xí)時仍然存在不好理解等問題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）技術(shù)已成為電子電路分析與設(shè)計(jì)的主要工具，EDA系統(tǒng)中所包含的虛擬仿真技術(shù)可以作為電子技術(shù)課堂教學(xué)有效的輔助手段，實(shí)現(xiàn)對單元電路的演示，幫助學(xué)生理解所學(xué)知識。我們在教學(xué)中采用了Electronics Workbench（EWB）軟件，在課堂上演示基本放大電路、功放電路、振蕩電路等單元電路的功能，能夠形象地看到一些電路現(xiàn)象，如輸出波形的變化及影響因素等。

現(xiàn)在有一種趨勢，就是電子技術(shù)的課程教學(xué)越來越軟化，甚至全部用EDA軟件仿真替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這是不可取的。我們認(rèn)為模擬電子技術(shù)課程教學(xué)，一定要仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相配合。在講授元器件時，把二極管、三極管、集成運(yùn)放芯片等拿到課堂上展示。通過在面包板上搭建一個個實(shí)物電路，并通過實(shí)際儀器儀表對其進(jìn)行測試和觀察，學(xué)生才能感受真實(shí)單元電路的魅力，提高認(rèn)知和動手能力。

四、結(jié)束語

學(xué)會用工程近似方法處理問題，認(rèn)識各種常用單元電路，學(xué)會常用儀器儀表使用和實(shí)際電路測試，是“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)的基本要求。針對學(xué)生在學(xué)習(xí)時存在的諸多難點(diǎn)問題，以上這些教學(xué)策略的實(shí)施能有效地解決一些疑難問題，幫助學(xué)生提升學(xué)好模擬電子技術(shù)的信心，激發(fā)進(jìn)一步鉆研電子技術(shù)的興趣。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 劉蕓，等.電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 童詩白，等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[責(zé)任編輯：張 雷]