“得失觀”在模擬電子技術(shù)知識點教學(xué)中的啟迪

王文虎，楊 峰，李建奇

（湖南文理學(xué)院 a.芙蓉學(xué)院；b.電氣與信息工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

“得失觀”在模擬電子技術(shù)知識點教學(xué)中的啟迪

王文虎a，b，楊 峰b，李建奇b

（湖南文理學(xué)院 a.芙蓉學(xué)院；b.電氣與信息工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

“得失”思想隱含在許多模擬電子技術(shù)的知識點中，教學(xué)中教師要結(jié)合《模擬電子技術(shù)》的課程特點，不斷挖掘這些知識點所蘊含的此類思想。模擬電子技術(shù)知識內(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，就可以把一個個抽象的知識點現(xiàn)實化、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點展開了得與失的分析。在這種一得一失的分析中，通俗了知識內(nèi)容的理解，強化了知識內(nèi)容的掌握，教學(xué)中可以起到畫龍點睛、事半功倍的教學(xué)效果。

得失觀；模擬電子技術(shù)；課程教研

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，就可以把一個個抽象的知識點現(xiàn)實化、通俗化、直觀化。

模擬電子技術(shù)知識點的細、繁、雜、廣，以及教學(xué)課時的吃緊，帶來了對這門課程學(xué)習(xí)的很大難度。如何在有限的時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)許多知識點的理解映射到現(xiàn)實生活中的得失觀，有助于知識的理解、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，非四價原子與四價原子在形成共價鍵中，得到電子成為負離子，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，一個施主雜質(zhì)原子在形成一個自由電子過程中變成了一個固定而不能移動的正離子，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，一個受主雜質(zhì)原子在形成一個空穴過程中變成了一個固定而不能移動的負離子，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，相對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力有了一定的提高，但并沒有帶來質(zhì)的改變，所以，一般不會作為普通導(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，形成多子擴散運動，N區(qū)的電子擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴擴散到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的雜質(zhì)負離子，N區(qū)失去電子留下不能移動的雜質(zhì)正離子。這些不能移動的帶電粒子集中在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散，而增強了少子的漂移。當多子擴散運動與少子漂移運動保持一種動態(tài)平衡時，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程，得到了一種導(dǎo)電性能獨特于雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的介質(zhì)，帶來了半導(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)建一個放大電路，一個微弱的輸入信號從輸入端引入，在輸出端得到一個幅值足夠的輸出信號，表現(xiàn)了小幅度的模擬量通過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，更主要擔負著能源作用。放大電路僅僅只是一個信號幅值變換的平臺，微弱的輸入信號能源通過晶體管的控制作用改變著工作電源在輸出負載上的能量消耗。最常見的一個事例就是人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖找魴C，收音機就是一個典型的放大電路。手持式收音機沒有電池，不可能發(fā)聲，裝上電池后就可以接收電臺信號，伴隨聽的時間與音量的大小，電池的消耗程度或使用時間就會不同。沒有收音機，人們不可能感受到空中的電磁波能量，有了收音機而沒有電源也聽不到悅耳的音樂，電池能耗使用殆盡了也享受不了。所以，嚴格意義上的放大電路是一個能源控制電路，放大電路的本質(zhì)是弱小能量對大能量的控制。

放大電路表面上得到了信號的幅值增大，實質(zhì)上消耗了電源電能。

四、差分電路的失與得

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

差分電路由兩個特性完全一致的單級放大電路復(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用經(jīng)歷了三個演變，即基本式差分電路、長尾式差分電路、帶恒流源的差分電路，這三個演變唯一不變的就是基本結(jié)構(gòu)不變。通過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，而單級放大電路就無法解決溫漂問題。第一級放大電路溫漂決定了多級放大電路的溫漂，所以，集成運放的第一級總是差分輸入級。

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

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。在放大電路的時域分析過程中，總是期望放大電路的放大倍數(shù)越大越好，一級放大能力不夠就采取多級放大，以提高放大增益；在放大電路的頻域分析過程中，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，一旦當放大電路的晶體管選定之后，帶寬與增益之積是一個常數(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減小幾倍，實際中，既要提高放大電路的增益又要擴展放大電路的帶寬，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，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

反饋是自動控制的一個重要概念，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)用中運用極為普遍。

負反饋放大電路中，輸出信號部分或全部反送到輸入端削弱輸入信號，使得閉環(huán)增益相對開環(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，對放大電路的其他性能技術(shù)指標得到了極大的改善，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)負反饋放大電路，增大了輸入電阻，有助于電壓輸入信號的放大；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，輸出信號部分或全部反送到輸入端增強輸入信號，閉環(huán)增益相對開環(huán)增益進一步增大，這是信號發(fā)生電路擾動起振的必然要求。信號發(fā)生器不會有輸入信號或者說就是一個零輸入電路，電路接通電源瞬間形成電路換路情形，通過正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)（RC或LC選頻網(wǎng)絡(luò)）把輸出端的信號有頻率選擇性地反送到輸入端不斷放大，這種無止境的放大也必然帶來輸出信號的非線性失真，所以在電路中為了防止輸出信號的非線性失真，總是需要設(shè)置輸出穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)。可見，信號發(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反饋，所以，信號發(fā)生電路必須維持正反饋特性與負反饋特性的動態(tài)平衡。

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

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)在兩個方面：（1）表征整流電路質(zhì)量的參數(shù)，有輸出電壓和脈動系數(shù)；（2）表征整流電路對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，脈動系數(shù)大；全波整流輸出電壓高，脈動系數(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，更主要對整流元件的反向耐壓提出了苛刻的要求，它是半波整流對整流元件反向耐壓值要求的兩倍。實際中，既要提高整流輸出電壓并減少紋波系數(shù)，又要對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；橋式整流電路對整流元件的要求等同于半波整流電路對整流元件的要求，把半波整流與全波整流各自的優(yōu)勢整合在一個應(yīng)用電路中。

可見，橋式整流電路通過“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)知識內(nèi)容中還有許多知識點都隱含著“得失”思想，可以不斷挖掘，本文僅僅想達到拋磚引玉的目的?！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，而且實踐性更強；不僅專業(yè)名詞概念繁多，而且各專業(yè)術(shù)語之間的聯(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，重在課程知識點的理解，變抽象為具體，化枯燥為趣味，變被動為主動。人們自身的得失觀是潛在而主動的，模擬電子技術(shù)知識點的理解隱含或潛在著得失理念，二者有機結(jié)合，在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中就可以起到畫龍點睛、事半功倍的成效。

[1]康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2007.

G642.4

A

1674-9324（2014）42-0189-03

王文虎（1964-），男，湖南慈利人，高級工程師，副教授，從事電子技術(shù)教學(xué)以及智能檢測技術(shù)及其自動化系統(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)以及智能檢測技術(shù)及其自動化系統(tǒng)的應(yīng)用研究；李建奇（1980-），男，湖南桃源，博士，教授，從事計算機測量與控制、機器視覺測量等領(lǐng)域的相關(guān)科學(xué)研究與教學(xué)工作。