Q點穩(wěn)定電路的挖掘和延伸

史雪飛，陳 靜，劉 艷

(北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100083)

本文對“模擬電子技術(shù)”課程的經(jīng)典電路—Q點穩(wěn)定(射極分壓式偏置)電路進行深層次的挖掘:從細致剖析它的結(jié)構(gòu)開始，讓學(xué)生明白結(jié)構(gòu)決定性能的電路基本原則;不僅將電流、電壓的近似計算引入其中，還結(jié)合深度負(fù)反饋的概念闡述估算在該課程中的重要意義;挖掘該電路中隱含的認(rèn)知規(guī)律(發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、發(fā)現(xiàn)新問題、再分析和再解決)，提煉以變化應(yīng)變化的普適工程化思維，使學(xué)生掌握和體會電路背后蘊含的知識和魅力。

1 估算與工程化思維

模擬電路中影響電路工作狀態(tài)的因素往往很復(fù)雜，如電子器件的特性和參數(shù)的分散性等，因此在對電路進行分析計算時要從實際出發(fā)，抓住主要矛盾，用工程的觀點進行估算，以達到事半功倍的效果。而學(xué)生長期以來一直接受的學(xué)習(xí)理念是:求解問題要求邏輯上的嚴(yán)密和數(shù)學(xué)上的精確，但在模擬電路中這種慣性思維卻往往成為解題的障礙，它使問題復(fù)雜化甚至無從下手。學(xué)生腦中還沒有建立工程思維，所以從精確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)酱致浴⒐浪阈枰まD(zhuǎn)思維習(xí)慣。

模擬電路還具有較強的工程性，很多實例滲透和體現(xiàn)著工程化的思維[1]。千變?nèi)f化的電路背后其實都遵循著相同的解決方法和思想，如何通過簡單的電路在有限的時間里傳遞給學(xué)生重要的思想和方法是每一個任課教師應(yīng)該研究的課題。

2 Q點穩(wěn)定電路的深層挖掘

本文以Q點穩(wěn)定電路為例，從解析它的結(jié)構(gòu)開始，傳遞給學(xué)生一個簡單的原則——電路結(jié)構(gòu)決定其性能;通過比較該電路精確計算和近似計算之間的差異，感性地引入估算在模擬電路中的有效性和重要性;分析Q點穩(wěn)定電路真正穩(wěn)定的秘密，將解決思想和方法提煉為普適的工程化思維;挖掘該電路中蘊含的認(rèn)知規(guī)律，使學(xué)生體驗并學(xué)會電路背后隱藏的知識和魅力。

2.1 電路結(jié)構(gòu)決定其性能

如圖1所示，首先比較圖1(b)所示的射極分壓式偏置電路:Q點穩(wěn)定電路與圖1(a)所示的固定偏置電路在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。對比兩個基本放大電路中的元器件，圖1(b)中的Q點穩(wěn)定電路增加了兩個電阻Rb1和Re。其中Rb1的存在保證了放大電路中基極電位UB近似不變;發(fā)射極電阻Re引入了直流負(fù)反饋，起到穩(wěn)定Q點的作用。射極分壓式偏置電路結(jié)構(gòu)上的這兩個改變正是為了創(chuàng)造出穩(wěn)定Q點的條件。在整個Q點穩(wěn)定的過程中，Re介于輸入和輸出回路中間，輸出電流IC流經(jīng)它，當(dāng)IC增加(IE增加)時，Ue增加，電壓UBE減小(這里強調(diào)基極到地電位UBO固定的必要性)，從而穩(wěn)定Q點(IC減小);上述分析中，UBO電位的固定和發(fā)射極電阻Re的直流負(fù)反饋作用對穩(wěn)定Q點來說缺一不可。

圖1 固定偏置電路和射極分壓式偏置電路

通過分析Rb1和Re這兩個電阻的作用，便傳遞給學(xué)生電子技術(shù)中所遵循的電路結(jié)構(gòu)決定其性能的基本原則。

2.2 電路中估算的重要性

對于圖1(b)所示的射極分壓式偏置電路，由于基極電流IBQ遠小于流經(jīng)Rb1的電流，故可以將兩只分壓電阻Rb1、Rb2近似看成串聯(lián)，因此基極電位UBQ近似為兩電阻對VCC分壓后Rb1上的電壓。雖然用結(jié)點電流方程也可以精確地求出UBQ，但推算過程繁瑣，而近似方法既簡便快捷又基本上不影響結(jié)果的正確性。

教學(xué)中教師可通過具體的數(shù)學(xué)解析計算和近似分析方法的復(fù)雜度對比來說明放大電路中估算的重要性。例如:圖1(b)電路的參數(shù)如下，Rb1=2.5kΩ，Rb2=7.5kΩ，RC=2kΩ，Re=1kΩ，VCC=12V，β =30，根據(jù)直流通路可以列出下面的方程組:

代入?yún)?shù)后進行求解，求出IBQ=72.16μA，UBQ=2.86V。

如果將Rb1和Rb2看作近似串聯(lián)關(guān)系，直接按照分壓公式依次求解出

對比兩種方法求解出的基極電流只相差不到2μA，基極到地電位只相差0.14V;很顯然后者的近似估算方法既簡便快捷，誤差又在允許的范圍之內(nèi)，這就是工程化估算的重要性。對比兩種方法的復(fù)雜度之后，教師要適時對估算的條件和原則加以介紹。例如:強調(diào)圖1(b)中分壓電阻Rb1的取值(與Rb2數(shù)量級的匹配關(guān)系)決定了IBQ是否可以忽略。因此在授課過程中，教師不僅需要引入估算的方法，而且還要強調(diào)估算的條件和原則。

2.3 電路中的工程思維

射極分壓式偏置電路正是應(yīng)用了工程中常見的以變化應(yīng)變化的補償思路來解決Q點穩(wěn)定的問題:即溫度引起Q點的變化，電路采用直流負(fù)反饋把這種變化返回影響輸入電壓，從而使得Q點朝著相反方向變化，保證了Q點的基本不變。同樣也是在這種工程思維的指引下，還可以通過其他的途徑實現(xiàn)補償?shù)哪康?，例?利用熱敏電阻和二極管的正向特性以及熱敏電阻和二極管的反向特性分別可以實現(xiàn)用溫度補償穩(wěn)定Q點的方法，如圖2所示，這也是一種以變化應(yīng)變化的思路，只是具體實現(xiàn)方法不同[2]。教學(xué)過程中如果能夠提煉出以變化應(yīng)變化的普適工程思維方式，將有利于學(xué)生更好地理解電路背后蘊含的思想和方法。

圖2 利用二極管特性穩(wěn)定Q點進行溫度補償

2.4 電路中隱含的認(rèn)知規(guī)律

從射極分壓式偏置電路穩(wěn)定Q點的教學(xué)實踐中，我們可以從下面的認(rèn)知分析規(guī)律挖掘出科學(xué)技術(shù)螺旋式發(fā)展的過程:客觀上的Q點不穩(wěn)定帶來什么樣的后果(看到現(xiàn)象)?是什么樣的原因使它不穩(wěn)定的(分析問題)?怎么穩(wěn)定它(解決問題)?在穩(wěn)定的過程中會不會遇到新的問題呢?這個電路的分析中隱性地存在著一個科學(xué)技術(shù)的普遍規(guī)律:發(fā)現(xiàn)問題—分析—解決—產(chǎn)生新問題—再分析—再解決。就Q點穩(wěn)定電路而言，具體的認(rèn)知規(guī)律示于表1，它能幫助學(xué)生理清電路不斷改進的過程，有助于他們將新的電路納入自身已有知識結(jié)構(gòu)體系[3]。

3 結(jié)語

本文以Q點穩(wěn)定——射極分壓式偏置電路為例，進行了深層次、多方位的挖掘，提煉出:①“電路結(jié)構(gòu)決定其性能”的原則;②估算的有效性和必要性;③以變化應(yīng)變化的普適工程思維;④揭示科學(xué)技術(shù)螺旋式發(fā)展過程。

表1 Q點穩(wěn)定電路隱含的認(rèn)知規(guī)律

本文還指出，在教學(xué)實踐中，我們可以依靠課程的一個知識點，做到與思維方式、方法論、普適規(guī)律以及應(yīng)用的多方位輻射和銜接。

[1]何敏，劉榮等.模電教學(xué)中工程觀念的培養(yǎng)[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，Vol.30.No.4，2008年8月

[2]李月喬.一種學(xué)習(xí)放大電路和反饋基本原理的新方法[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，Vol.33.No.6，2011年12月

[3]李楠，孔軍輝.思維導(dǎo)圖在“模擬電子技術(shù)”中的應(yīng)用[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，Vol.35.No.6，2013年12月