“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容改革探討

張 林，鄧天平

(華中科技大學(xué)電子與信息工程系，湖北武漢430074)

“模擬電子技術(shù)”課程是電氣、電子信息類和部分非電類專業(yè)本科生在電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有自身的體系和很強(qiáng)的實(shí)踐性[1]。其實(shí)踐性的重要表現(xiàn)之一是課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用緊密相關(guān)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)有重要的影響。目前課程教學(xué)內(nèi)容比較注重知識(shí)體系的完整性，而實(shí)際應(yīng)用方面的內(nèi)容相對(duì)偏弱，導(dǎo)致課程教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，嚴(yán)重影響課程教學(xué)質(zhì)量。本文從該課程教學(xué)內(nèi)容改革入手，探討提高其教學(xué)質(zhì)量的方法。

1 教學(xué)內(nèi)容改革的必要性

目前“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)中至少存在以下兩個(gè)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的問題。

(1)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

電子技術(shù)發(fā)展至今，集成電路早已在各行業(yè)普遍應(yīng)用。就我校而言，開設(shè)“模擬電子技術(shù)”課程的有電信系、自動(dòng)化學(xué)院等八個(gè)主要院系，除了與集成電路設(shè)計(jì)制造有關(guān)的部分專業(yè)對(duì)三極管電路要求較高外，目前模擬電子技術(shù)在這些院系的大多數(shù)專業(yè)的應(yīng)用基本上是集成模擬器件的應(yīng)用，其中最基本的是集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用，但實(shí)際運(yùn)放(非理想運(yùn)放)應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容(將其作為一個(gè)實(shí)際器件應(yīng)用)在本課程中安排偏少，而且這些專業(yè)后續(xù)課程中也少有如何用好集成運(yùn)放的相關(guān)問題介紹，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)造成負(fù)面影響。

(2)有限的學(xué)時(shí)限制了教學(xué)內(nèi)容的持續(xù)擴(kuò)充

盡管模擬電子技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)不如數(shù)字電子技術(shù)那樣快，但是從來沒有停止過，其重要表現(xiàn)就是集成電路的發(fā)展。實(shí)際上在“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)中很早就提出了以集成電路為主干的思路，但由于教學(xué)學(xué)時(shí)的限制和普遍追求課程知識(shí)體系的完整性，使得當(dāng)前實(shí)際教學(xué)情況距離這一目標(biāo)仍有較大差距。體現(xiàn)知識(shí)體系完整性的一個(gè)重要方面是學(xué)生需要學(xué)習(xí)集成運(yùn)算放大器內(nèi)部所有的三極管電路，為此花費(fèi)了很多時(shí)間。

就目前情況而言，最佳的方案是學(xué)完了集成運(yùn)算放大器內(nèi)部所有三極管電路后，再加強(qiáng)實(shí)際運(yùn)放(非理想運(yùn)放)的應(yīng)用知識(shí)，從而即保持了知識(shí)的完整性，又密切了與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，這樣做意味著課程需要增加學(xué)時(shí)。實(shí)際上國(guó)外經(jīng)典教材[2]的前言中就建議，教材內(nèi)容分兩學(xué)期學(xué)習(xí)，每學(xué)期需40-50學(xué)時(shí)?？梢妵?guó)外高校學(xué)習(xí)這門課程內(nèi)容的學(xué)時(shí)數(shù)并不比我們少，是比較合理的。但是增加學(xué)時(shí)對(duì)我們來說顯然是行不通的，因此要解決與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)問題就需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革。

2 教學(xué)內(nèi)容改革思路與方法

2.1 縮減分立元件電路內(nèi)容

“模擬電子技術(shù)”課程的核心內(nèi)容是放大電路，目前課程中有關(guān)放大電路的內(nèi)容包括分立元件構(gòu)成的放大電路(如單管放大電路、多級(jí)放大電路、差分式放大電路)、集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的各種放大電路和由三極管和集成運(yùn)放構(gòu)成的功率放大電路、反饋放大電路等?？s減這部分內(nèi)容是一件非常困難的事情。但是，目前模擬電子技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用絕大多數(shù)是集成電路的應(yīng)用，因此課程內(nèi)容壓縮的重點(diǎn)應(yīng)放在三極管電路方面。課程內(nèi)容至今仍包含較多分立元件電路的主要原因是，它們是構(gòu)成集成電路的基礎(chǔ)，只有掌握了這些知識(shí)，才能更好的理解和應(yīng)用集成電路。當(dāng)然這種觀點(diǎn)不無道理，但是為了解脫當(dāng)前課程教學(xué)困境，在有限學(xué)時(shí)情況下，縮減分立元件的相關(guān)內(nèi)容，是權(quán)衡利弊后做出的一種更好的選擇。

我們認(rèn)為，學(xué)習(xí)三極管電路至少有三方面的需求:①學(xué)習(xí)有關(guān)放大電路的基本概念、基本原理、基本分析和設(shè)計(jì)方法，以及基本電路;②在工程實(shí)際中直接應(yīng)用，包括開關(guān)狀態(tài)下的應(yīng)用，通常這種應(yīng)用并非是復(fù)雜的多級(jí)放大電路;③為學(xué)習(xí)集成電路內(nèi)部電路和設(shè)計(jì)集成電路打下良好基礎(chǔ)。因此，為了既保證課程的基礎(chǔ)性(基本概念、基本原理、基本方法和基本電路)，又適應(yīng)當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用情況，縮減服務(wù)于集成電路的分立元件內(nèi)容(包括復(fù)雜的多級(jí)放大電路)是我們遵循的原則。

依據(jù)該原則，可以壓縮和刪減差分式放大電路、電流源電路以及復(fù)雜的多級(jí)放大電路，縮減反饋放大電路中分立元件相關(guān)電路。在教材處理上可將有些內(nèi)容移至相關(guān)章節(jié)之后作為附錄。當(dāng)然，這樣做可能會(huì)影響一些重要基本概念的學(xué)習(xí)，如差模信號(hào)、共模信號(hào)、差模增益、共模增益、共模抑制比和零點(diǎn)漂移等。實(shí)際上也可以嘗試依托集成運(yùn)算放大器外特性來介紹這些概念。這種改變適合絕大部分專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)要求，而對(duì)于與集成電路設(shè)計(jì)制造有關(guān)的部分專業(yè)，也準(zhǔn)備了必要的入門知識(shí)。

2.2 加強(qiáng)實(shí)際集成運(yùn)算放大器應(yīng)用知識(shí)

模擬電子技術(shù)發(fā)展至今，大部分專業(yè)都應(yīng)該將集成運(yùn)算放大器當(dāng)作一個(gè)基本器件來應(yīng)用。目前課程教學(xué)內(nèi)容中，關(guān)于集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用主要是將其作為理想運(yùn)放的應(yīng)用，實(shí)際上這距運(yùn)放的實(shí)際應(yīng)用仍有較大差距。

為了將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，我們認(rèn)為需要加強(qiáng)以下幾方面內(nèi)容:①實(shí)際運(yùn)放參數(shù)帶來的影響，這些參數(shù)包括輸入直流偏置和失調(diào)、有限增益、有限共模抑制比、有限帶寬、轉(zhuǎn)換速率、軌到軌輸入/輸出、噪聲等;②運(yùn)放使用中輸入端的直流通路問題;③運(yùn)放在單電源下工作問題;④其他類型的運(yùn)算放大器，如互導(dǎo)型(電流輸出型)、互阻型(電流反饋型)和全差分型等。這些內(nèi)容都是放大器應(yīng)用的基本知識(shí)，但在目前課程教學(xué)內(nèi)容中卻明顯缺失，而在各專業(yè)后續(xù)課程中也沒有專門的討論。

2.3 互換BJT和MOSFET角色

在當(dāng)今教學(xué)內(nèi)容中是否需要將MOSFET置于比BJT更優(yōu)先的位置?這一問題已困擾很久，為此我們調(diào)研了業(yè)界發(fā)展情況和國(guó)外相關(guān)教材情況。

(1)業(yè)界發(fā)展情況

由于集成運(yùn)算放大器是模擬電子技術(shù)中最具代表性的器件，所以我們重點(diǎn)調(diào)研了全球業(yè)界最具代表性的三大模擬IC廠商——德州儀器(TI)、意法半導(dǎo)體(ST)和亞德諾(ADI)--現(xiàn)有的運(yùn)算放大器制造工藝情況，查閱了它們網(wǎng)站上公布在產(chǎn)的近2000款集成運(yùn)算放大器，對(duì)2000年以后上市的運(yùn)算放大器的不同新品占比發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖1 所示[3～5]。

由圖上看出無論哪家廠商，從2005年左右開始，新上市的BJT運(yùn)放占比開始下降，而CMOS運(yùn)放的新品占比開始上升，而且到目前為止，CMOS新品占比均已超過BJT 2倍以上，成為絕對(duì)的主流工藝。這意味著CMOS工藝不僅在數(shù)字IC中全面取代了BJT工藝，在模擬IC中也已占據(jù)了統(tǒng)治地位。

圖1 三大模擬IC廠商運(yùn)算放大器不同工藝新品占比趨勢(shì)

(2)國(guó)外相關(guān)教材情況

就MOSFET和BJT之地位問題，我們也試圖從國(guó)外相關(guān)教材中獲得啟發(fā)，為此我們查閱了表1所示的9本國(guó)外教材。這些教材大都是國(guó)際知名學(xué)者的優(yōu)秀經(jīng)典之作，且為國(guó)外高校廣泛采用。

這9本教材關(guān)于MOSFET與BJT先后次序情況見表1最后一列。從中看出:①有3本最初版本是BJT先于MOSFET，后來修訂版改為MOSFET在前，且最后出版年份都在2004年以后;②有3本開始就是MOSFET在前;③只有3本是BJT先于MOSFET，但這3本書的最后出版年份都早于2003年?？梢娫诮滩闹袑OSFET置于BJT之前已是一種趨勢(shì)，顯示了MOSFET的重要地位，這也意味著教學(xué)內(nèi)容的變化趨勢(shì)。

通過上述的比較與分析，可以看出，MOSFET的地位變得越來越重要，并逐漸取代了原來BJT的位置，成為模擬電子技術(shù)中主要的內(nèi)容(至少不弱于BJT)。因此我們的教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)該做出相應(yīng)的調(diào)整互換BJT和MOSFET角色，順應(yīng)這一趨勢(shì)。這樣做還有一個(gè)好處是更加有利于數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)。

表1 9本國(guó)外教材中關(guān)于MOSFET與BJT先后次序情況

2.4 教學(xué)內(nèi)容改革方案

為便于比較，首先列出當(dāng)前主要教學(xué)內(nèi)容:①緒論;②運(yùn)算放大器及其基本運(yùn)算電路;③半導(dǎo)體二極管及其基本電路;④BJT及其放大電路;⑤FET及其放大電路;⑥模擬集成電路(電流源、差分式放大電路、集成運(yùn)算放大器及主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)用電路的影響);⑦反饋放大電路;⑧功率放大電路;⑨信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路;⑩直流穩(wěn)壓電源。

下面是改革后主要教學(xué)內(nèi)容。

(1)基本不變的內(nèi)容:①緒論;②運(yùn)算放大器及其基本運(yùn)算電路;③半導(dǎo)體二極管及其基本電路;⑧功率放大電路;⑨信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路;⑩直流穩(wěn)壓電源。

(2)MOSFET與BJT內(nèi)容地位互換:④BJT及其放大器(簡(jiǎn)略);⑤FET及其放大電路(以MOSFET為主，縮減服務(wù)于集成運(yùn)放內(nèi)部電路的內(nèi)容)。

(3)加強(qiáng)集成運(yùn)放實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容:⑥集成運(yùn)算放大器(縮減電流源和差分式放大電路內(nèi)容，補(bǔ)充加強(qiáng)非理想?yún)?shù)帶來的影響，如失調(diào)電壓、失調(diào)電流、偏置電流、共模抑制比、轉(zhuǎn)換速率、軌到軌輸入/輸出、噪聲，以及輸入端直流通路、運(yùn)放在單電源下工作等問題);⑦反饋放大電路(縮減分立元件相關(guān)內(nèi)容，補(bǔ)充環(huán)路增益帶來的誤差及對(duì)帶寬的影響，其他類型的運(yùn)算放大器等)。

3 結(jié)語

本文針對(duì)目前“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)中存在的問題，分析了與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)、影響教學(xué)質(zhì)量的因素，提出了在當(dāng)前學(xué)時(shí)數(shù)限制下，調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容的思路與方法，為擺脫“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)困境尋找一條可行的途徑。盡管這一改革方案會(huì)部分影響知識(shí)體系完整性，但可以較好地解決課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的問題，這也是在當(dāng)下課程教學(xué)改革中更好的選擇。

[1]教育部高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京:高等教育出版社，2011

[2]Adel S.Sedra and Keneth C.Smith.Microelectronic Circuits 6th ed[M].New York;Oxford Univesity Press，2009

[3]TI運(yùn)算放大器:http://www.ti.com.cn/tihome/cn/docs/homepage.tsp

[4]ST 運(yùn)算放大器:http://www.stmicroelectronics.com.cn/web/cn/catalog/sense_power/FM123/SC61