丁宏 黎翠鳳 王洪剛

作者簡(jiǎn)介：丁宏（1965.09），男，魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院教師（264001），工學(xué)博士，副教授，從事高低頻電子技術(shù)及信號(hào)處理方面的研究。

摘要：電子技術(shù)是工科電類專業(yè)多年來(lái)學(xué)生反映比較難學(xué)、教師覺(jué)得比較難教的一門課程。特別是一些需要較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和邏輯思維能力的問(wèn)題的理解會(huì)存在一些困難。本文的幾位作者從事了多年本課程教學(xué)，經(jīng)摸索總結(jié)，發(fā)現(xiàn)采用直觀理解、簡(jiǎn)單類比的方式往往能使學(xué)生很快掌握、不易忘記。本文具體總結(jié)了晶體管電路分析時(shí)用到的交直流通路的類比畫(huà)法以及分立元件電路反饋的判別與集成運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)單類比法，經(jīng)過(guò)在教學(xué)過(guò)程中的檢驗(yàn)及對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的跟蹤，證明這些方法在教學(xué)大綱中規(guī)定的指標(biāo)點(diǎn)及指標(biāo)達(dá)成度等方面起到了較好的作用。

關(guān)鍵詞：類比法;直流通路;交流通路;反饋模式

一、引言

分立元件（三極管、場(chǎng)效應(yīng)管）電路的工作原理是本課程的基礎(chǔ)，也可以很好地解釋常用的模擬集成電路的一些外部特點(diǎn)，如反相（同相）輸入端與輸出電壓反相（同相）等等，這些問(wèn)題僅在集成運(yùn)算放大電路的章節(jié)里是較難闡述得很清楚的。教學(xué)中，歷屆的學(xué)生也有很多在這些地方產(chǎn)生疑問(wèn)，因此使學(xué)生對(duì)分立元件電路原理準(zhǔn)確熟練掌握有助于學(xué)生對(duì)這門課程的總體把握。而在有限的學(xué)時(shí)下，采用直觀、易于理解的方式對(duì)分立元件的一些工作原理進(jìn)行剖析和闡述就顯得事半功倍了。

二、三極管交直流通路的獲得

對(duì)于如圖1所示的三極管共射極放大電路，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析時(shí)，通常需要畫(huà)出其直流通路和交流通路。

畫(huà)直流等效電路的原則是：

（1）電容斷開(kāi);

（2）去掉因電容斷開(kāi)而不構(gòu)成回路的元件。于是得到如圖2（a）所示的直流通路。

畫(huà)交流等效電路主要原則是：

（1）電容短路（電容值足夠大）;

（2）直流電源對(duì)地短路。

對(duì)于畫(huà)交流等效電路的原則（2），若干參考文獻(xiàn)[1][2][3]的解釋通常是因理想電壓源電壓無(wú)波動(dòng)（即無(wú)交流量），而其內(nèi)阻也很小，因此對(duì)交流信號(hào)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于短路，如圖2（b）。這個(gè)論述和據(jù)此而畫(huà)出的交流通路當(dāng)然是正確的，但一些學(xué)生卻難以理解：內(nèi)阻很小為什么就把直流電源直接短掉了呢，或者說(shuō)Vcc的符號(hào)怎么就可以消失了呢？做為初學(xué)者的學(xué)生，授課教師僅僅這樣解釋似乎還不能讓他們感到明了。

為此，課程組總結(jié)出了一個(gè)直觀、易于理解的方法。首先，從概念出發(fā)：既然直流通路是僅有直流信號(hào)得以通過(guò)回路，而本電路的所謂直流信號(hào)就只有直流電壓源Vcc。

既然交流通路是僅有交流信號(hào)得以通過(guò)回路，而本電路的所謂交流信號(hào)就只有輸入信號(hào)Vi。因此，可以利用學(xué)生已學(xué)的《電路分析》相關(guān)知識(shí)——疊加原理——進(jìn)行類比。

疊加原理所描述的是：當(dāng)兩個(gè)電壓信號(hào)（Vi1、Vi2）同時(shí)作用于電路的輸入端時(shí)，電路的輸出端所得到的信號(hào)是這兩個(gè)輸入信號(hào)分別作用的效果的疊加。而具體計(jì)算的時(shí)候則是分別進(jìn)行計(jì)算，即假設(shè)只有Vi1起作用，此時(shí)Vi2=0，;如果是Vi2起作用，則Vi1=0。這個(gè)方法剛好應(yīng)用于本問(wèn)題上。

于是把本問(wèn)題類比成是兩個(gè)信號(hào)（Vcc和Vi）同時(shí)作用于電路（圖1），由疊加原理，當(dāng)只有Vcc作用于電路時(shí)，Vi=0，因電路中只有直流信號(hào)，所以電容相當(dāng)于開(kāi)路，于是得到圖2（a），即直流通路;當(dāng)只有Vi作用于電路時(shí)，VCC=0，因電路中只有交流信號(hào)，所以電容（“足夠大”為前提）相當(dāng)于短路，而既然Vcc=0，自然相當(dāng)于Vcc短路。便得到了如圖2（b），即交流通路。這樣由疊加原理的類比就可以很直觀且比較容易理解地得到交流通路了。

三、反饋電路中分立元件反饋類型的直觀理解

分立元件的反饋類型判斷相對(duì)集成運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)要難一些，比如正（負(fù)）反饋、串（并）聯(lián)反饋、電流（電壓）反饋的判別。課程組這樣解決：如圖3，分析反饋效果時(shí)，可以把一個(gè)三極管類比包裝成運(yùn)算放大器，而通常此時(shí)三極管放大電路的集電極做為輸出端。

具體分析反饋時(shí)，可依據(jù)下面的方法：當(dāng)基極作為輸入端、集電極做為輸出端時(shí)，與圖1的共射極放大電路相比擬。此時(shí)的基極可認(rèn)為是反相輸入端，因?yàn)槠渑c輸出端（集電極）的相位是相反的;而此時(shí)的發(fā)射極則可以認(rèn)為是運(yùn)放的另一個(gè)輸入端——同相輸入端，因?yàn)橐园l(fā)射極為輸入、集電極為輸出的三極管放大電路是共基極組態(tài)的放大電路，這種組態(tài)發(fā)射極與集電極的相位是相同的。于是一個(gè)三極管就被類比成了如圖3所示的一個(gè)運(yùn)算放大器。其凈輸入電流是ib，凈輸入電壓是Vbe，有反饋到來(lái)，如果使ib或Vbe減小，這就是負(fù)反饋，反之就是正反饋。這樣再運(yùn)用對(duì)集成運(yùn)算放大器的判斷方式，很多問(wèn)題迎刃而解。諸多分立元件反饋模式的判斷均可用此法。

四、結(jié)論

類比法直觀地應(yīng)用在教學(xué)中的上述幾個(gè)環(huán)節(jié)后，學(xué)生在這些環(huán)節(jié)的問(wèn)題理解和解決相關(guān)問(wèn)題的能力等方面迅速得到了提高。作者將2015年以來(lái)的歷屆學(xué)生的期末考試成績(jī)做了統(tǒng)計(jì)調(diào)查，特別關(guān)注了這些試卷中與類比法相關(guān)的問(wèn)題的得分率及教學(xué)大綱中的相關(guān)目標(biāo)達(dá)成度。數(shù)據(jù)對(duì)比列在了表1中。

在表1的第一行中，K1代表三極管電路分析考核點(diǎn)，K2代表反饋分析考核點(diǎn)，分值則表示此題滿分分?jǐn)?shù);被統(tǒng)計(jì)的試卷來(lái)自通信工程及電子信息工程兩個(gè)專業(yè)的本科生。每個(gè)專業(yè)每屆2個(gè)班，每班37-41人。從2014年的秋季學(xué)期開(kāi)始統(tǒng)計(jì)（我校每年的秋季學(xué)期開(kāi)設(shè)模擬電子技術(shù)課程）。其中，2014-2015-1學(xué)期，課程組還沒(méi)有明確統(tǒng)一使用類比的授課方式。該方式從2015-2016-1學(xué)期開(kāi)始使用。表中（不連續(xù)）統(tǒng)計(jì)了其后幾年的教學(xué)效果。從表中可以看出，從2016年開(kāi)始至2020年，各項(xiàng)指標(biāo)均明顯強(qiáng)于2015年（第一行數(shù)據(jù)）。同時(shí)，從講述相關(guān)部分內(nèi)容時(shí)課堂互動(dòng)的分析解題速度及互動(dòng)效果也能看出學(xué)生掌握的更加堅(jiān)實(shí)了。

參考文獻(xiàn)

1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2013

2 孫肖子，模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014

3 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006

4 謝嘉奎.電子線路（線性部分）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999

5 高文煥，劉潤(rùn)生.電子線路基礎(chǔ)，北京：高等教育出版社，1997

6 傅豐林，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：人民郵電出版社，2008

作者單位 魯東大學(xué)