對靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路教學(xué)設(shè)計(jì)的研究和改進(jìn)

王軍強(qiáng)++吳晶

摘 要 靜態(tài)工作點(diǎn)電路是“模擬電子技術(shù)”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的教法中注重理論分析和推導(dǎo)過程，但電路中信號的變化是一抽象過程，在初學(xué)時(shí)學(xué)生理解困難，講授難度大。本文針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，將仿真軟件Multisim應(yīng)用到教學(xué)過程中，將抽象難于理解的內(nèi)容，通過仿真圖形化展示，同時(shí)合理設(shè)置教學(xué)過程環(huán)節(jié)，有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題能力。

關(guān)鍵詞 靜態(tài)工作點(diǎn) 教學(xué)方法 Multisim仿真 模擬電子技術(shù)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.12.057

Research and Improvement of Static Operating

Point Stabilizing Circuit Teaching Design

WANG Junqiang[1]， WU Jing[2]

（[1] School of Physics and Electronic Information， Luoyang Normal University， Luoyang， He'nan 471022；

[2] Information Engineering College of He'nan University of Science and Technology， Luoyang， He'nan 471000）

Abstract Quiescent operation point is important and difficult "Analog Electronic Technology" Course. The traditional emphasis on teaching the theoretical analysis and derivation， but the change in the signal circuit is a process of abstraction， in the beginner students to understand the difficulties， teaching difficult. In this paper， the traditional teaching of the problems， the simulation software Multisim applied to the teaching process， difficult to understand the contents of the abstract， the simulation graphical display， while setting a reasonable part of the teaching process， to help students discover and problem-solving skills.

Key words Static Operating Point； teaching methods； Multisim simulation； Analog Electronic Technology

0 引言

“模擬電子技術(shù)”是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，也是電子信息類專業(yè)一+門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程特點(diǎn)為非線性、復(fù)雜性、工程實(shí)用性，因此在對電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，要從實(shí)際出發(fā)，抓住主要矛盾，用工程的觀點(diǎn)進(jìn)行估算，弄清楚電路的實(shí)質(zhì)，這需要根據(jù)該課程特點(diǎn)，不斷采用新的教學(xué)方法，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用在課程教學(xué)過程中。①本文將根據(jù)該模擬電子技術(shù)課程中放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定一節(jié)教學(xué)內(nèi)容中采用的教學(xué)方法進(jìn)行討論。

1 存在的問題

本節(jié)內(nèi)容的難點(diǎn)是理解什么是靜態(tài)工作點(diǎn)？靜態(tài)工作點(diǎn)對放大電路會產(chǎn)生什么樣的影響？如何合理地設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)？但放大電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)是一個(gè)抽象的概念，不易理解。傳統(tǒng)的教學(xué)思路如下：首先分析電路圖，接下來對該電路模型進(jìn)行定量的分析計(jì)算；最后進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。按此做法理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離，教學(xué)效果較差，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，整個(gè)教學(xué)過程中學(xué)生只是被動接受，很難調(diào)動學(xué)習(xí)興趣。

學(xué)生在學(xué)習(xí)該章節(jié)過程中，存在一些預(yù)期的學(xué)習(xí)困難，其一、放大電路受溫度影響三極管參數(shù)的變化，溫度對雙極型三極管參數(shù)的變化是一個(gè)極其微觀的過程，其特性參數(shù)需要通過專業(yè)設(shè)備進(jìn)行測量，在教學(xué)過程中不可能采用此種方法，并且學(xué)生在初級學(xué)習(xí)階段，不理解其特性參數(shù)變化的意義，也不關(guān)注元器件參數(shù)的選取及變化。其二、放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)不便于觀察，理解抽象。靜態(tài)工作點(diǎn)是一個(gè)抽象的概念，并且現(xiàn)實(shí)生活中可以觀察到的一個(gè)點(diǎn)，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中往往不理解，太抽象，觀察不到具體的靜態(tài)工作點(diǎn)，因此也很難理解靜態(tài)工作點(diǎn)對放大電路的作用，在合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)顯得更加無從下手。②

2 仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用

為了更好地分析問題，通常會借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，模擬各種情況，進(jìn)而對問題對比分析找出原因。在本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)過程中，將理論分析和Multisim電路仿真相結(jié)合，可增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，從而讓學(xué)生快速掌握教學(xué)內(nèi)容，提高課堂效率。在本節(jié)授課過程中，通過采用圖示法、邏輯分析法和對比分析等多種方法，并通過Multisim仿真分析，能夠準(zhǔn)確觀測電路中信號的變化，從而達(dá)到快速理解并掌握課程內(nèi)容中的重難點(diǎn)知識。③將Multisim電路仿真軟件應(yīng)用于本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)過程中，可以改善教學(xué)方法，提高教學(xué)效率，達(dá)到良好的教學(xué)效果。④

（1）動態(tài)觀測和圖形化顯示。首先搭建自給偏壓式共射極放大電路電路模型，然后借助于Multisim仿真軟件進(jìn)行電路仿真，觀測電路中電壓、電流參數(shù)的變化情況，并且通過軟件中示波器窗口功能顯示電路中信號波形的變化，讓學(xué)生進(jìn)一步加深理解靜態(tài)工作點(diǎn)在放大電路中的重要作用。endprint

（2）通過對比分析，快速查找原因。在進(jìn)行放大電路分析時(shí)，一般不易發(fā)現(xiàn)具體存在的問題，本節(jié)內(nèi)容將自給偏壓式共射極放大電路、分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路兩個(gè)放大電路放在一起進(jìn)行對比分析，并通過Multisim仿真軟件中模擬雙極型三極管在受到外界溫度變化時(shí)放大倍數(shù)的改變，進(jìn)而觀測放大倍數(shù)受溫度變化的情況下電路中信號的波形變化，電路仿真結(jié)果表明，分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定，而自給偏壓共射極放大電路卻出現(xiàn)波形失真，從而說明靜態(tài)工作點(diǎn)的對放大電路的作用。

3 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

首先整體了解課程內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)，然后將各知識點(diǎn)有機(jī)地聯(lián)系起來，從而有效地組織教學(xué)過程。本文中靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路教學(xué)過程如圖1所示，從提出問題入手導(dǎo)入課程，然后分析其原因，繼而尋找解決方法，最后對方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

為了更加形象準(zhǔn)確地說明靜態(tài)工作點(diǎn)的對放大電路的重要性，在課程開始前準(zhǔn)備一個(gè)的基本放大電路板，并且該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)可調(diào)。操作步驟分以下幾步：首先給放大電路板通過直流穩(wěn)壓電源提供5V直流電，然后在調(diào)整設(shè)置信號源輸出一恒定頻率的正弦信號，將該恒定頻率的正弦信號接入基本放大電路板的信號輸入端，然后通過示波器的兩個(gè)通道分別觀察輸入和輸出信號的波形。為了提高課堂教學(xué)效率，在電路設(shè)置時(shí)提前調(diào)整放大電路中的電位器將放大電路調(diào)設(shè)成底部失真的形態(tài)，基于此種現(xiàn)像，提出問題：放大電路出現(xiàn)底部失真原因是什么？

3.2 分析問題，查找原因

為了查找出現(xiàn)該失真的原因，首先分析放大電路的組成，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面進(jìn)行。靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的外因主要是由于放大電路所處環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致放大器件的放大倍數(shù)發(fā)生變化；靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的內(nèi)因主要以下兩個(gè)因素：（1）BJT三極管是一種熱敏性器件，溫度變化對其性能有一定的影響；（2）BJT三極管具有非線性的特性。

在放大電路工作過程中，外界溫度變化時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)隨之發(fā)生移動：當(dāng)溫度升高時(shí)Q點(diǎn)動態(tài)上移，當(dāng)Q點(diǎn)上移超出線性放大區(qū)時(shí)放大電路就會出現(xiàn)飽和失真，溫度降低時(shí)Q點(diǎn)動態(tài)下移；當(dāng)Q點(diǎn)下移超出線性放大區(qū)時(shí)會出現(xiàn)截止失真。

3.3 提出解決方法

根據(jù)放大電路出現(xiàn)失真的情況和原因，從以下方面進(jìn)行改進(jìn)和解決：外因方面，如保持放大電路的工作環(huán)境溫度恒定不變，但該項(xiàng)措施在現(xiàn)實(shí)中基本不會采用；內(nèi)因方面：（1）選擇具有良好溫度系數(shù)的放大器件，如場效應(yīng)MOS管，該措施可行，但成本會比傳統(tǒng)的晶體管稍高一點(diǎn)；（2）合理設(shè)計(jì)改進(jìn)放大電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的自動調(diào)整。通過分析，本節(jié)內(nèi)容重點(diǎn)從從放大電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。

3.4 搭建模型，仿真驗(yàn)證

從理論分析角度，得知分壓式的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路是可以有效地實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定，為了更好了解穩(wěn)定效果，接下來通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真測試。

鑒于此，在課程教學(xué)過程中，引入計(jì)算機(jī)仿真軟件multisim對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，觀察信號的波形變化情況，首先搭建單管共射極放大電路和分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路模型，⑤圖2所示為單管共射極放大電路模型；然后模擬由于外部環(huán)境溫度發(fā)生變化，三極管的參數(shù)隨之變化，設(shè)定三極管放大倍數(shù) 值為相應(yīng)的數(shù)值；運(yùn)行仿真軟件，通過虛擬示波器觀察波形變化情況，同時(shí)測量晶體三極管基極、集電極和發(fā)射極電壓情況。

仿真測試結(jié)果數(shù)據(jù)表明，溫度變化時(shí)，分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中 △UBEQ、△UCEQ遠(yuǎn)小于單管共射極放大電路，底部和頂部失真現(xiàn)象消除，放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。

在此教學(xué)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)及時(shí)講解，適時(shí)歸納，引導(dǎo)學(xué)生完成教學(xué)目標(biāo)。

4 總結(jié)

靜態(tài)工作點(diǎn)電路是模擬電子技術(shù)課程中較抽象、難易理解的一節(jié)重要內(nèi)容，傳統(tǒng)的理論教學(xué)的過程中枯燥，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，首先可通過仿真分析使電路中信號波形的形象展示出來，并結(jié)合理論進(jìn)行講授可達(dá)到良好的教學(xué)效果；其次通過計(jì)算機(jī)仿真讓學(xué)生感受實(shí)際的問題，從教學(xué)中培養(yǎng)解決問題的方法和能力，理論與和實(shí)踐結(jié)合，對培養(yǎng)學(xué)生工作和學(xué)習(xí)的方法中具有重要意義。

資助項(xiàng)目：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（14A510012）

注釋

① 秦新燕，王曉明.Multisim在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（2）：100-102.

② 王峰.模擬電子技術(shù)教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].計(jì)算機(jī)教學(xué)與信息化，2010（9）：2191-2193.

③ 夏陸，張曉梅，趙琳.仿真實(shí)驗(yàn)在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2010（6）：89-90.

④ 王樹斌，吳新華.計(jì)算機(jī)仿真軟件在模擬電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2008（4）：132-133.

⑤ 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（3版）[M].北京：高等教育出版社，2006.endprint