彭佳卉，郭彩萍

(太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西 太原 030008)

《模擬電子技術(shù)》(簡(jiǎn)稱《模電》)是電子信息、通信工程、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是本科培養(yǎng)方案中的重要環(huán)節(jié)之一。該課程具有較強(qiáng)的工程性、實(shí)踐性等特點(diǎn)，因此，在構(gòu)建學(xué)生電子技術(shù)基礎(chǔ)理論、基本技能和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力方面起著非常重要的作用。但以往的教學(xué)多以教師灌輸為主，學(xué)生普遍學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足，這也使得他們對(duì)課程知識(shí)的理解僅局限于分散的知識(shí)點(diǎn)層面，不僅缺乏對(duì)其整體性、系統(tǒng)性的認(rèn)知和理解，更加缺少對(duì)電子技術(shù)應(yīng)用層面問題的考慮[1]。于是，如何培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生電子技術(shù)的理論和應(yīng)用技能，使他們成為既能綜合應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)理論，又具備現(xiàn)代工程意識(shí)的技術(shù)人才，成為了高等院校特別是高等工科院校急需研究解決的問題。

1 工程意識(shí)培養(yǎng)的目的及意義

從工程上看，模電課程主要分析電子系統(tǒng)中的模擬電路部分。實(shí)際的工程電子系統(tǒng)往往是較為復(fù)雜的，因此，為了從理論上更快、更好地了解實(shí)際電子系統(tǒng)的性能，就需要加強(qiáng)學(xué)生“工程意識(shí)”的培養(yǎng)?！肮こ桃庾R(shí)”能夠指導(dǎo)學(xué)生從工程角度分析問題，即采用模塊等效的分析方法，先對(duì)一些實(shí)際的電子元器件及線路進(jìn)行模型化處理，并根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和特征用線性方法略去次要成分，簡(jiǎn)化電路模型，再利用基本的定理、定律和網(wǎng)絡(luò)分析方法進(jìn)行分析[2]。雖然模型等效的分析方法會(huì)帶來一定的誤差，但大多數(shù)電子元器件參數(shù)具有離散性，一味追求分析精度自然失去了實(shí)際意義。

綜上所述，“工程意識(shí)”的培養(yǎng)對(duì)學(xué)生學(xué)好《模電》課程具有重要意義[3]。

2 模電中工程意識(shí)培養(yǎng)的方法

2.1 工程意識(shí)啟蒙

學(xué)生工程意識(shí)的培養(yǎng)應(yīng)該貫穿模電課程教學(xué)的整個(gè)過程。在緒論教學(xué)中引入學(xué)生熟悉的擴(kuò)音機(jī)系統(tǒng)作為工程案例，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣使工程意識(shí)覺醒。

擴(kuò)音機(jī)是生活中一種常見的電子系統(tǒng)，從電路角度來看，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)音頻功率放大器。圖1是電子分頻擴(kuò)音機(jī)的電路方框圖，整個(gè)系統(tǒng)包括麥克風(fēng)放大器、電子三分頻器、功率放大和保護(hù)、電源電路等部分。

圖1 電子分頻擴(kuò)音機(jī)電路方框圖

下文將主要從電子分頻器電路中的基礎(chǔ)模塊入手，以二極管及集成運(yùn)放元件為例來具體闡述如何應(yīng)用工程分析方法，培養(yǎng)工程意識(shí)。

2.2 引入案例培養(yǎng)工程分析方法

2.2.1 二極管的工程分析

二極管是《模擬電子技術(shù)》中的基礎(chǔ)器件之一，在整流、檢波、限幅等電路中應(yīng)用非常廣泛，也是電源電路的重要組成部分。其伏安特性曲線描述的是二極管兩端的電壓uD與通過二極管的電流iD之間的關(guān)系，如圖2所示，其正向特性為指數(shù)曲線，反向特性為橫軸的平行線。具體表達(dá)式為：iD=IS(eud/UT-1)，式中IS為二極管的反向飽和電流，UT為溫度電壓當(dāng)量，在T=300 K時(shí)，UT=26 mV[4]。

圖2 二極管的伏安特性曲線

由圖2可以看出，二極管是一個(gè)非線性元件，直接分析計(jì)算比較復(fù)雜，因此為了簡(jiǎn)化分析，可用線性元件組成的電路來模擬二極管，使線性電路的電壓、電流關(guān)系與二極管外特性近似一致，從而構(gòu)成二極管的簡(jiǎn)化電路模型，如圖3所示。

圖3 二極管簡(jiǎn)化模型

1) 理想模型

二極管正向?qū)〞r(shí)，其正向壓降為零；反向截止時(shí)，認(rèn)為反向電阻為無窮大，反向電流為零。此時(shí)二極管等效于理想開關(guān)。

若電路元件允許忽略導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通電阻及反向漏電流，或電源電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管的正向壓降時(shí)，可采用此模型。

2) 恒壓源模型

二極管的正向壓降為常數(shù)、反向電阻為無窮大、反向電流為0。此時(shí)二極管可以用一個(gè)理想二極管串聯(lián)一個(gè)恒壓源UON表示。

若電路元件允許忽略導(dǎo)通電阻及反向漏電流，或二極管的電流大于1 mA時(shí)，二極管的壓降近似恒定為0.7 V，即可采用此模型。

3) 折線模型

二極管的折線模型即管壓降與通過二極管的電流呈線性關(guān)系，反向電阻無窮大、反向電流為0。折線模型是修正后的恒壓源模型[5]。

2.2.2 二極管模型的工程應(yīng)用

在電路分析時(shí)，一般需根據(jù)實(shí)際要求，選擇合適的工程簡(jiǎn)化模型。模電教學(xué)中可以基于下述電路案例，靈活應(yīng)用簡(jiǎn)化模型，完成二極管電路的工程分析，從而進(jìn)一步說明工程意識(shí)在電路分析的過程中具有重要指導(dǎo)意義。

案例：在電子分頻擴(kuò)音機(jī)電路系統(tǒng)中，若要對(duì)采集到信號(hào)的幅值進(jìn)行處理，則需將信號(hào)送入限幅電路，利用二極管的作用來防止信號(hào)電壓超過限定值，電路圖如圖4所示。

圖4 二極管限幅電路

在圖4電路中，假設(shè)輸入信號(hào)uI為正弦信號(hào)，當(dāng)uI反向輸入時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)輸出電壓uO隨uI的變化而變化。反之，uI正向輸入時(shí)，其電壓值是時(shí)間的函數(shù)，當(dāng)uI值小于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，uO變化與反向輸入時(shí)相同，而當(dāng)uI值大于二極管的導(dǎo)通電壓后，二極管即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓uO的值由E決定。對(duì)該電路分別用二極管的理想模型及恒壓源模型進(jìn)行等效，可以對(duì)比得到uO的不同結(jié)果，如圖5所示。

圖5 兩種模型結(jié)果對(duì)比圖

綜上所述，在模電教學(xué)電路的設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)要求，構(gòu)建不同工程模型，通過合理的工程近似，將問題簡(jiǎn)化。

2.2.3 集成運(yùn)放的工程分析

集成運(yùn)放是集成運(yùn)算放大電路的簡(jiǎn)稱，它具有高電壓放大倍數(shù)、高輸入阻抗、低輸出阻抗等特點(diǎn)，是《模電》課程的核心內(nèi)容。集成運(yùn)放電路的工程應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)研究等有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程分析意識(shí)[6]。

集成運(yùn)放有線性和非線性兩種工作方式，實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)集成運(yùn)放電路外接深度電壓負(fù)反饋后，即可以理想工作在線性范圍內(nèi)，此時(shí)集成運(yùn)放可作為理想運(yùn)放分析，其輸出電壓與輸入電壓的運(yùn)算關(guān)系呈線性變化且僅取決于外接負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入端阻抗的連接方式，與運(yùn)放本身無關(guān)[7]。

理想運(yùn)放具有以下特點(diǎn)：運(yùn)放開環(huán)電壓放大倍數(shù)A→∞，共模抑制比CMRR→∞，輸入阻抗Ri→∞，輸出阻抗Ro→0。由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般為十幾伏，因此，運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，可視為兩輸入端電位近似相等，相當(dāng)于“短路”，即u+=u-=0，且開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近[8]。當(dāng)然這一現(xiàn)象并不是真正的短路，而是虛假短路，簡(jiǎn)稱“虛短”。同時(shí)，由于實(shí)際運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在1 MΩ以上，遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻，所以流入運(yùn)放輸入端的電流往往很小，幾乎為零。故在對(duì)運(yùn)放進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，通?？珊雎缘暨@個(gè)很小的輸入電流，把運(yùn)放的兩輸入端視為斷路，即i+=i-=0，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近斷路[9]。同樣的，這一現(xiàn)象也不是真正的斷路，而是虛假斷路，簡(jiǎn)稱“虛斷”。一般地，市場(chǎng)上正規(guī)的運(yùn)放成品在工程計(jì)算上，都把它視作理想運(yùn)放，因此“虛短”和“虛斷”的合理利用，可以大大簡(jiǎn)化集成運(yùn)放電路的分析。下文將以電壓跟隨器電路為例進(jìn)行說明。

2.2.4 集成運(yùn)放的工程應(yīng)用

圖6所示為電壓跟隨器電路，其中(a)圖為實(shí)際電路圖，(b)圖為考慮虛短虛斷后的等效電路圖，根據(jù)等效電路，很容易得：u0=u-=u+=ui。

圖6 電壓跟隨器電路

對(duì)該電路輸入10組不同的輸入信號(hào)測(cè)量輸出信號(hào)并記錄分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集成運(yùn)放的工程模型和分析方法方便有效，工程誤差在允許的范圍之內(nèi)。

由上例可見，從工程的角度，合理利用“虛短”和“虛斷”，忽略次要問題，能夠大大實(shí)現(xiàn)計(jì)算的簡(jiǎn)化。

3 結(jié)語

工程意識(shí)的培養(yǎng)貫穿了整個(gè)《模擬電子技術(shù)》課程的教學(xué)過程，針對(duì)具體要求，培養(yǎng)學(xué)生在分析中能夠抓住主要矛盾，靈活采用假設(shè)、近似等處理手段，合理構(gòu)建理想模型，將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，從而達(dá)到高效解決工程問題的目的，同時(shí)提高模擬電子技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。