鄧 于

(重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

電子技術(shù)課程是有關(guān)電子類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)性課程，其主要目的是使學(xué)生掌握電子技術(shù)有關(guān)的基本原理、基本概念和基本分析方法，樹立電子電路最基本的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)的理念．在課程的理論教學(xué)中，不能單調(diào)采用理論推導(dǎo)的方法講授，但理論推導(dǎo)又不可避免;而在課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍也是受限的，對(duì)于觀察實(shí)驗(yàn)故障的演示與模擬也不充分，因此，采用軟件仿真技術(shù)就顯得尤其重要．

在多年的電子技術(shù)課程教學(xué)的實(shí)際中，我們總結(jié)出采用參數(shù)計(jì)算、軟件仿真和程序分析相結(jié)合的復(fù)合教學(xué)方式，使在教學(xué)中不失嚴(yán)密性的同時(shí)，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性與趣味性以便于學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握，加深對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解．本文以如圖1所示的分壓偏置式基本放大器為例［1］，來闡述復(fù)合式教學(xué)設(shè)計(jì)在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用．

圖1 分壓偏置式基本放大器電路圖

1 電路參數(shù)的計(jì)算與分析

利用計(jì)算的方法分析放大電路主要包含電路的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，可以在分別畫出電路的直流通路圖和交流通路圖的情況下完成．放大電路的靜態(tài)分析主要計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，包含VBEQ、IBQ、ICQ和VCEQ4個(gè)參數(shù);而放大電路的動(dòng)態(tài)分析主要計(jì)算電路的電壓放大倍數(shù)AV、輸入電阻ri和輸出電阻ro等參數(shù)，必要時(shí)需要對(duì)電路的動(dòng)態(tài)范圍和失真情況進(jìn)行討論．

對(duì)于如圖1所示的電路，其靜態(tài)工作點(diǎn)所包含的4個(gè)參數(shù)由以下的計(jì)算公式確定［2］：

在給定電路參數(shù)的情況下，分壓偏置式基本放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)可以由(1)～(4)式計(jì)算確定．電路的主要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)由以下公式確定：

式中R'L=RL∥RC為放大器集電極有效負(fù)載電阻，rbe為晶體管基極—發(fā)射極之間的等效小信號(hào)交流電阻，其值為

忽略晶體管基區(qū)等效電阻rbb'的影響、滿足RB?rbe的條件下，動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算可簡(jiǎn)化為

在實(shí)際電路的分析中，若給定電路元件參數(shù)，就可以計(jì)算出電路的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù)．以圖1的電路為例，若取β=100、VCC=12 V、Rb1=7．5 kΩ 、Rb2=7．5 kΩ 、RC=2 kΩ 、Re=1 kΩ，求該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)為VBEQ=0．7 V、IBQ=0．022 7 mA 、ICQ=2．27 mA 、VCEQ=5．1 V．若取RL=2 kΩ，則電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)為AV≈-88 、ri≈ rbe=1．44 kΩ 、ro≈ RC=2 kΩ ．

2 Multisim軟件仿真分析

在電子技術(shù)的教學(xué)中，EDA仿真得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而可以用于電子技術(shù)仿真的軟件很多，各有其特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)［3］．由美國(guó) NI公司(美國(guó)國(guó)家儀器公司)開發(fā)的Multisim軟件就是一款專門用于電子電路的仿真與設(shè)計(jì)的工具軟件，它可以在Windows下運(yùn)行，是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境，其具有豐富的元器件庫(kù)和虛擬儀器儀表庫(kù)，能提供電路詳細(xì)的各種分析功能，并還能開設(shè)試驗(yàn)環(huán)境無法進(jìn)行的觀測(cè)開路、短路、漏電等非常態(tài)現(xiàn)象的仿真［4］．

圖2 線性放大狀態(tài)下的輸入/輸出波形

以圖1所示的電路為例，在Multisim的運(yùn)行環(huán)境下設(shè)計(jì)完成電路以后，可以進(jìn)行電路的各種參數(shù)分析、故障模擬等．圖2為放大器在線性放大狀態(tài)下的輸入與輸出波形對(duì)比，而圖3為電路在輸入信號(hào)過大時(shí)所引起的失真情況下的輸入與輸出波形對(duì)比，從對(duì)比波形中可以得出電路的許多性能．更多的對(duì)比分析可以通過修改電路中元件的參數(shù)、設(shè)置電路故障、更換虛擬儀器等實(shí)現(xiàn)．

圖3 失真情況下的輸入/輸出波形

3 Matlab軟件程序分析

利用Matlab軟件強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)功能，可以利用程序設(shè)計(jì)來分析電路，特別是在討論電路元件參數(shù)的變化對(duì)電路的狀態(tài)和參數(shù)的變化過程的分析上，其優(yōu)點(diǎn)特別突出［5-6］．

針對(duì)如圖1所示的電路，仍然取β=100、VCC=12 V 、Rb1=7．5 kΩ 、Rb2=7．5 kΩ 、RC=2 kΩ、Re=1 kΩ．從基礎(chǔ)知識(shí)可知，電路元件的參數(shù)變化都會(huì)引起電路靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化．在Multisim軟件的仿真分析中，可以通過改變?cè)?shù)來觀察電路狀態(tài)的變化，但這種變化的觀察比較孤立，不利于對(duì)比．而采用Matlab軟件程序分析，可以清楚地觀察到元件參數(shù)的變化對(duì)電路狀態(tài)影響的變化過程［7］．

圖4為偏置電阻Rb1變化時(shí)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)IB、IC和VCE三個(gè)參數(shù)的影響變化曲線．從圖線可以看出，在Rb1＞40．3 kΩ時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)的靜態(tài)參數(shù)IB=0 mA、IC=0 mA、VCE=12 V．當(dāng)Rb1＜3．8 kΩ時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，此時(shí)的靜態(tài)參數(shù)IB較大、IC=ICmax=4 mA、VCE=VCEs≈0．3 V ．而當(dāng)3．8 kΩ ＜ Rb1＜ 40．3 kΩ時(shí)，電路處于線性放大狀態(tài)，此時(shí)靜態(tài)參數(shù)的數(shù)值可以由公式計(jì)算，靜態(tài)工作點(diǎn)IB、IC和VCE的數(shù)值都隨Rb1的改變而變化．

圖4 偏置電阻變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響

同樣，如圖5所示為負(fù)載電阻RL變化時(shí)對(duì)放大器的電壓放大倍數(shù)AV的影響變化曲線．曲線較為完備地表征出放大電路的電壓放大倍數(shù)AV隨負(fù)載電阻RL變化規(guī)律．從曲線的變化規(guī)律可以看出，放大器的放大倍數(shù)AV的大小隨著負(fù)載電阻RL的增加而增大，當(dāng)負(fù)載電阻RL的數(shù)值大于20 kΩ以上時(shí)，放大器的放大倍數(shù)AV接近空載時(shí)的放大倍數(shù)-138倍，并隨著負(fù)載電阻RL數(shù)值的增加緩慢變化．

圖5 放大器的放大倍數(shù)隨負(fù)載電阻的變化曲線

4 結(jié)語

針對(duì)同樣的知識(shí)點(diǎn)，采用公式計(jì)算方法來分析電路邏輯嚴(yán)密，特別對(duì)電路元件參數(shù)固定的電路狀態(tài)計(jì)算尤其方便．但在對(duì)電路的故障模擬、參數(shù)變化對(duì)電路狀態(tài)的影響分析時(shí)，公式計(jì)算方法并沒有優(yōu)點(diǎn)，而采用軟件仿真方法就可以克服公式計(jì)算方法所存在的缺點(diǎn)．隨著軟件仿真技術(shù)的提高，電路的軟件仿真在電子技術(shù)課程的教學(xué)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，可選擇與利用的軟件也越來越多．但在對(duì)比電路元件參數(shù)變化對(duì)電路的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響時(shí)，利用程序設(shè)計(jì)來觀察元件參數(shù)變化對(duì)電路參數(shù)的影響過程卻更為直觀．在教學(xué)活動(dòng)中，采用多種方式結(jié)合的復(fù)合教學(xué)設(shè)計(jì)更能被學(xué)生接受，在電子技術(shù)課程的重要知識(shí)點(diǎn)，采用復(fù)合教學(xué)方式可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)重要知識(shí)的理解與掌握．

［1］童詩(shī)白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)［M］．北京：高等教育出版社，2007．

［2］康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分(第5版)［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［3］于京生，陳永志，康元元．Multisim仿真軟件在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．石家莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，13(6)：46-50．

［4］陳曉維，趙建林．Multisim仿真軟件在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．電子技術(shù)，2010(12)：67-68．

［5］鄭雪欽．基于Matlab電力電子技術(shù)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(19)：151-153．

［6］劉桂英，粟時(shí)平．電力電子技術(shù)的Matlab/Simulink教學(xué)仿真實(shí)踐［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(1)：87-90．

［7］李彥，盧虎．基于MATLAB的GUI技術(shù)在電子教學(xué)中的應(yīng)用［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22(3)：77-79．

［8］張艷艷，袁嬡，夏詠梅．Multsim軟件在《電子技術(shù)》課程中的應(yīng)用［J］．重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，30(4)：91-94．