安娜 任宇飛 劉紹海

[摘 要]模擬電子技術(shù)課程知識點抽象、理論性強是授課時面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，而問題引導式主線教學模式，以解決問題為中心，引發(fā)學員學習興趣，以主線為依托，幫助學員理順思路，有條理地掌握分散的知識點，并在此基礎上總結(jié)規(guī)律。文章以模擬電子技術(shù)課程中差分放大電路為例，闡述問題引導式主線教學模式具體實施方法。實踐表明，采用問題引導式主線教學模式，可以在有效的課上時間引發(fā)學員學習興趣，最大程度提高教學質(zhì)量和教學效果。

[關鍵詞]差分放大電路;Re電阻;零點漂移

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）12-0114-03

模擬電子技術(shù)課程是電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的基礎課程[1]，是電氣、電子信息類等本科學生必修的專業(yè)基礎課，具有自己的理論體系，也有很強的工程性和實踐性。模擬電子技術(shù)課程不僅要讓學員掌握必要的電子技術(shù)的基本知識，為后續(xù)課程奠定基礎，還要培養(yǎng)學生的工程意識和動手操作能力。鑒于它在工科教學中的重要地位，做好模擬電子技術(shù)課程的教學工作是不言而喻的。但是該課程內(nèi)容多，而難度系數(shù)較大，學員普遍反映這門課程很難學。如何化解這些難題，在有效的課上時間引發(fā)學員學習興趣，最大程度的提高教學質(zhì)量和教學效果呢？問題引導式[2]主線教學模式，是以問題為引導，以解決問題為中心，以主線為依托，注重培養(yǎng)學員獨立思考的能力，在課堂教的教學中注重學為主體，教為指導，著眼于學生探究能力和思維能力的培養(yǎng)。

模擬電子技術(shù)主要介紹半導體器件的基本特性、基本單元電路及集成電路的基本理論及基本分析方法，同時介紹信號的放大、運算、處理、轉(zhuǎn)換以及產(chǎn)生電路等。由于半導體器件的非線性特性以及有源元件受外界條件的影響，模擬電路的種類繁多、性能復雜，因此模電課程難度系數(shù)較大、知識點多是授課時面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。在授課過程中，采用問題引導式[3]主線教學模式，通過提出問題引發(fā)學員學習興趣，突出主線，幫助學員理順思路，有條理地掌握分散的知識點，并在此基礎上總結(jié)規(guī)律。問題引導式主線教學模式可充分調(diào)動學員的自主學習的熱情，培養(yǎng)其獨立思考問題和解決問題的能力。

模擬電子技術(shù)課程中，差分放大電路[4]這一節(jié)一直是教學的重點及難點內(nèi)容。差分放大電路利用電路結(jié)構(gòu)和元件的對稱性，有效的抑制零點漂移，更多的應用于多級直接耦合放大電路的輸入級，是集成運算放大電路的重要組成部分。差分放大電路的結(jié)構(gòu)特點決定了其對共模信號有很強的抑制作用，對差模信號有很強的放大能力，因此對共模信號和差模信號的分析方法不同，所采用的等效電路也不同，因而差分放大電路這一節(jié)的內(nèi)容一直是模擬電子技術(shù)基礎教學的難點。下面以長尾式差分放大電路為例 ，探討問題引導式主線教學法如何在模擬電子技術(shù)課中應用的。

一、教學設計

首先通過解決零點漂移現(xiàn)象的問題引出差分放大電路，探究電路產(chǎn)生的背景以及電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)思過程，力圖使學員不但“知其然”還“知其所以然”;依據(jù)一條主線Re電阻對其進行分析包括靜態(tài)工作點的分析、共模信號的分析、差模信號的分析，針對Re電阻對共模信號和差模信號所起的作用不同，在共模信號中Re電阻相當于2倍Re電阻起作用，但差模信號作用時，Re電阻相當于短路，因此針對不同的信號，其微變等效電路也不同;最后針對Re電阻的特殊性，引導學員思考如何改進行差分放大電路，得出具有恒流源的差分放大電路。

發(fā)現(xiàn)問題：零點漂移現(xiàn)象。

分析問題并解決問題 ：采用啟發(fā)式教學引導學員思考零點漂移現(xiàn)象產(chǎn)生的原因;并試圖和學員共同探究解決零點漂移的辦法，引出長尾式差分放大電路。

在分析長尾式差分放大電路過程中，Re電阻貫穿始終，在靜態(tài)分析、動態(tài)分析（差模信號和共模信號作用時）與學員共同探討Re電阻起了什么樣的作用？為了更好地抑制共模信號放大差模信號，與學員共同探討要用什么樣的電路來取代Re電阻，讓學員總結(jié)規(guī)律，最后得出用電流源電路取代Re電阻。

二、長尾式差分放大電路的分析

（一）問題的提出——零點漂移現(xiàn)象

直接耦合放大電路的輸入端短路，用靈敏的毫伏級直流表接輸出端，指針會無規(guī)律變化，也就是輸入沒有變化時，輸出產(chǎn)生了變化，這種現(xiàn)象叫零點漂移。從而引出問題：為什么會產(chǎn)生零點漂移呢？如何解決呢？

教員進行引導性分析，半導體器件是溫度敏感性很強的器件，溫度變化會使得晶體管各方面的性能發(fā)生變化，這是產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象的主要原因，故零點漂移也稱為溫飄;另外，電網(wǎng)電壓的波動、器件的老化等也是產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象的原因，但這兩種原因可以通過一些人為的操作避免，比如采用精密的直流電源使輸出電壓不隨電網(wǎng)電壓波動，同時器件通過老化測試可延緩器件的老化壽命。差分放大電路能較好地解決以上問題，對其進行分析，讓學員理解差分放大電路是如何抑制零點漂移的。

（二）差分放大電路的結(jié)構(gòu)分析

對單管放大電路輸出端加可變電源V，就可以做到零輸入零輸出，但這種可調(diào)電源很難做，鑒于此，再加入一個完全對稱的電源，如圖1（a）所示。無論從結(jié)構(gòu)還是器件參數(shù)上看都是一樣的，兩個電路是一種鏡像的關系。在這種情況下，兩邊集電極變化相同，于是它的輸入為零，它的輸出就是零，圖1（a）就是差分放大電路的雛形;為了使電路更好地抑制差模信號放大共模信號將兩端集電極電阻Re合二為一構(gòu)成了長尾式差分放大電路，如圖1（b）所示。實際上差分放大電路中依然存在零點漂移，但它是通過電路結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)的對稱性使得輸出端沒有漂移的產(chǎn)生，達到抑制零點漂移的目的。

（三）長尾式差分放大電路分析[1][5]——以Re電阻為主線

本文主要以Re電阻為主線分析長尾式差分放大電路靜態(tài)工作點及動態(tài)參數(shù)，包括對差模信號及共模信號的分析，對其他公式推導不做過多介紹。

1.? Q點分析

長尾式差分電路靜態(tài)工作點分析如圖2所示。首先進行定性分析各極電流和集電極電壓的改變，由于差分放大電路兩端理想對稱，使得兩邊電路各極電流和集電極電位相等，最終輸出為零。

通過公式（1）（2）（3）定量求解靜態(tài)工作點。

通過公式（1）確定一個合適的靜態(tài)基極工作電流IEQ，式中電阻Re是以兩倍阻值出現(xiàn)的，這是因為Re電阻流過的電流IE1+IE2，因此電阻Re可當作2倍Re來看，再通過式（2）（3）分別求解IBQ、UCEQ。

電阻Re的作用：通過式（1）可以看出負電源和Re電阻共同確定了靜態(tài)工作點IEQ，這樣會使得設置靜態(tài)工作點的時候，簡單明了，選取參數(shù)本身很少;電阻Re是靜態(tài)工作點穩(wěn)定電阻，它是以2倍阻值出現(xiàn)的，這樣會使得工作點更加穩(wěn)定。

2.抑制共模信號

將差分放大電路兩個輸入端接在一起，加信號UIC，兩邊電路產(chǎn)生了同樣大小的變化量，這個信號就是大小相等方向相同的共模信號，差分放大電路輸入共模信號電路如圖3（a）所示。由于管子的理想對稱性，溫度變化時管子的電流變化完全相同，因此可以將溫度漂移等效成共模信號。

通過分析Re的負反饋作用，就可了解兩邊是如何變化的，溫度升高，兩邊管子的Ic就會增大，此時Ie就增大， Re電阻上的電壓就會增大，使得發(fā)射極上的電位升高，Ue就會升高，由于輸入信號不變，使得UBE減小，從而使得Ib1、Ib2減小，那么集電極電流就減小了，可見，雖然是用對稱性抑制共模信號使得輸出為零，但是對于每一邊來講，它也利用到Re電阻的負反饋作用來使得每一邊的漂移減小， R電阻被稱作共模信號起負反饋電阻。從前面的分析得知，Re電阻上流的電流是兩只管子發(fā)射集電阻里流的電流的總和，那么對一邊管子來講就相當于2倍 Re電阻起了負反饋的作用，畫交流通路時，單管射極電阻應為2倍Re，如圖3（b）所示，這樣就會使每一邊的共模負反饋更強一些，當溫度變化時，集電極電位的變化更小。

可見，差分放大電路抑制共模信號不但利用電路參數(shù)的理想對稱性，而且還利用了發(fā)射極電阻Re對共模信號的負反饋作用。

3.放大差模信號

差模信號是數(shù)值相等方向相反的信號，對于差分放大電路加差模信號時，可以如圖4（a）接法相當于每邊都加了1/2的UId， UI1是正的1/2的UId，UI2這邊是負1/2的UId，這時兩端加入大小相等方向相反的信號，這種信號就是差模信號。通過分析可得[ΔIE1=-ΔIE2]，電阻Re中的電流是不變的，發(fā)射極的電位E對于差模信號是沒有變化的，因此在畫交流通路時電阻Re相當于短路，長尾式差分放大電路在輸入差模信號時的交流通路如圖4（b）所示.從而得出輸出電壓如式（4）和輸入電壓如式（5）的表達式，再通過受控關系得出放大倍數(shù)的表達式如式（6）。

Re電阻雖然對共模信號起負反饋作用，在差模信號作用時由于其上電流沒有變化，微變等效電路中相當于適中，對差模信號沒有反饋作用，通過公式（6）可以看出，與靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路相比，分母少了[（1+β）Re]，使得差模信號作用時，放大倍數(shù)更大。

4.改進差分放大電路

從前面分析得知Re電阻是具有共模負反饋作用，它抑制了每一邊的溫漂，且電阻越大，對每一邊的溫漂抑制力就越大，因此Re在動態(tài)時越大越好;但是Re和VEE共同確定了靜態(tài)工作點IEQ，若保證IEQ不變，當Re電阻增大10倍時，電源也增大接近10倍，可以想象，若Re取100KΩ時，就需要-100V的電源，這樣的選取對一個電路的設計是非常不合理的。因此，這是一個矛盾，希望Re電阻在動態(tài)時越大越好，在靜態(tài)時是有限值，這時教員引導學員考慮用學過的電路是否可以取代Re電阻來滿足上述條件，答案是用恒流源電路取代Re電阻的位置，這就是改進型的差分放大電路，恒流源式差分放大電路如圖5所示。

5.小結(jié)

課程教學過程中，首先通過零點漂移現(xiàn)象探究如何消除零漂，從而引出差分放大電路;在對差分放大電路進行分析時以Re電阻為主線，在靜態(tài)分析時，Re電阻與負電源VEE共同確定靜態(tài)工作點;在動態(tài)分析時，針對共模信號，Re電阻的共模負反饋作用與電路的理想對稱性共同抑制共模信號;針對差模信號，Re電阻相當于短路，大大提高了放大差模信號的能力，差分放大電路抑制共模信號放大差模信號與Re電阻的作用密不可分;最后根據(jù)Re的特殊位置，為滿足在動態(tài)時越大越好，在靜態(tài)時是有限值，用電流源電路取代Re電阻，得出改進型差分放大電路-具有恒流源的差分放大電路。

三、結(jié)束語

在模擬電子技術(shù)課程教學中，采用問題引導式主線教學模式，以問題解決為中心，以主線教學為依托，幫助學員理清思路，在教學中以教為輔助，學為主導，發(fā)揮教員的主體指導作和學生的主體參與地位，培養(yǎng)學生獨立思考的能力及自主學習能力，如何將常規(guī)的教學手段的優(yōu)點與現(xiàn)代教育技術(shù)理論有機結(jié)合起來，有待于不斷地研究與探索。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2015：134-144.

[2] 胡小勇，袁振國.當代教育學[M].北京：教育科學出版社，2010：156-188.

[3] 賈元華，鄒乃威.問題式教學方法的課堂教學模式研究與探討[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2010（26）：43.

[4] 劉寶玲.電子電路基礎[M].北京：高等教育出版社，2013：87-102.

[5] 張劍平主編.模擬電子技術(shù)教程[M].北京：清華大學出版社，2010：91-118.

[責任編輯：張 雷]