走在模擬電子技術教科書改革的前沿

何超

摘要：本文討論了傳統(tǒng)模擬電子技術教材的缺憾，總結了元增民教授的新體系特色《模擬電子技術》的諸多進展，并相信該書能對推動模擬電子技術教材的改革起到巨大的影響。

關鍵詞：模擬電子技術；教學；教材；改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0175-03

模擬電子技術是高等院校理工類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程。模擬電子技術和數(shù)字電子技術的理論和技術已經(jīng)廣泛應用于各行各業(yè)，尤其對推動高科技的發(fā)展與應用起著巨大的影響。這方面，童詩白教授、康華光教授、孫肖子教授等諸位名家對我國的高等教育和中等技術教育中模擬電子技術的教學工作做出了不可磨滅的開創(chuàng)性的重大貢獻。

一、傳統(tǒng)模電教材的缺憾

無可否認，傳統(tǒng)模電教材雖多，但缺乏大家普遍認可的。繼童詩白教授、康華光教授的模電教科書之后，目前僅國內(nèi)出版的模電教科書就已經(jīng)達到上千種，真如戰(zhàn)國時代。眾多其他模擬電子技術教材的作者也為推動模擬電子技術和改進模擬電子技術課程的教學效果付出了辛勞，但總的處于一種無序競爭中，廣大讀者深受其害。模電理論課堂學生躺倒一大片、實驗課堂屢屢拖堂的現(xiàn)象屢見不鮮。

高校師生普遍反映模擬電子技術難教難學。網(wǎng)上書評：模擬電路教材，清一色的一樣的語調(diào)，一樣的結構，一樣的推導演算。往往看這本書搞不懂的問題，在其他書上也難覓答案。這樣的現(xiàn)象很普遍，這樣的呼聲“一浪高過一浪”。

究其原因，傳統(tǒng)模擬電子學的基本理論，尤其是半導體電子學的歷史較短。20世紀60年代之前，大體以電子管為主；60年代初，又演變成以晶體管和集成電路為主。由于發(fā)展迅速，在理論與實踐的方方面面，還存在著不少有待探討和完善的地方。

大家普遍感覺到：半導體電子技術，涉及到物質(zhì)微觀結構的基本理論較多建立在經(jīng)驗方法和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎上，其理論基礎有待進一步夯實，有些問題的討論中邏輯關系不甚明白，非線性問題轉化為線性問題的界限和方法的討論也欠明確。

典型的像硅材料的開路PN結內(nèi)電場內(nèi)建電勢究竟多大的基礎問題都還是懸案。還有，傳統(tǒng)模電教科書認為正向導通的PN結還有殘余內(nèi)電場，但殘余內(nèi)電場究竟多寬，殘余勢壘究竟多大，一直也是一個迷。

硅二極管及三極管發(fā)射結正向壓降名義值雖然是0.7V，但實際上用數(shù)字萬用表測量一批不同型號的硅二極管，幾乎同樣的測量電流，它們的正向壓降竟然分布在0.4V～0.8V超寬范圍內(nèi)，如2CZ11B正向壓降為0.4V，與肖特基二極管很接近，還有的1N4148二極管正向壓降高達0.8V。這些簡單現(xiàn)象，用傳統(tǒng)模電書的理論都解釋不了。

傳統(tǒng)模電教科書的缺陷除了自然因素，還有人為因素。往往寫了的沒用，有用的卻不寫。例如，BJT共基電流放大倍數(shù)α寫了，但是至今沒見誰用過。判斷反饋深度需要反饋系數(shù)F，但鮮見F值計算。結果深度反饋的界定欠客觀性，使學生如丈二和尚——摸不著頭腦。

傳統(tǒng)模電教科書基本共射放大器基極偏置電阻值及其能獲得的輸出范圍如表1所示?？梢钥闯?，輸出范圍參差不齊，普遍沒有達到理論應有的極限最大數(shù)值，說明傳統(tǒng)模電教科書基極偏置電阻都是靠經(jīng)驗方法設置的。

有的模電教科書為了回避分立元件放大器的難度，刻意把OPA應用提前到篇首，卻忘了OPA應用通篇都離不開反饋，結果顧此失彼。教師沒講反饋，就講反饋應用，結果給學生“雪上加霜”，招致更大的麻煩，有老師說，這簡直是把學生往糊涂里整。

這些事例說明，模電教科書改革只是修修補補的老路子，是越來越走不通了。

二、元增民模電教科書的特色

為了適應電子技術飛躍發(fā)展和新世紀高等教育培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需要，教育界強烈呼吁對模擬電子技術教學進行改革，強烈呼喚新的教材的出現(xiàn)。長沙大學元增民教授率先研究并于2009年8月在中國電力出版社出版了新體系特色《模擬電子技術》，并于2013年10月在清華大學出版社出版《模擬電子技術》修訂版，2014年10月在清華大學出版社出版《模擬電子技術簡明教程》（以下簡稱元書）。

元書思路新穎，別開生面，語言生動流暢，深入淺出，而且理論創(chuàng)新點及方法很多。該書主要具有以下特色：

1.既有分析又有設計。既有對現(xiàn)成放大電路的分析計算，還有合理與否的結論，又有基于輸出范圍最大、工作點穩(wěn)定性、共模抑制比最大等要求的設計過程及要求。

2.歸納整理了模擬電子技術涉及到的諸多參數(shù)和指標。以往的模擬電子技術教材，涉及到的諸多參數(shù)和指標，數(shù)量不一，各教材名稱又不盡一致，比較混亂。元書第一次歸納整理為“一參數(shù)九指標”。對模擬電子技術的技術指標和參數(shù)的分析計算全面系統(tǒng)，放大器的電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)、功率放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、頻率特性、最大不失真輸入電壓幅度、最大不失真輸出電壓幅度（輸出范圍）、臨界工作點、工作點溫度系數(shù)、效率、負載最大功率等十項技術參數(shù)和指標，差分放大器共模抑制比等主參數(shù)，分析得都比較透徹，使讀者能對放大器有一個全面認識。

尤其是本書首次全面介紹了磁耦合放大器（即變壓器磁耦合放大器）電壓放大倍數(shù)等十項技術指標與參數(shù)的分析計算。

3.以器件和電路的主參數(shù)入手，注意相關內(nèi)容的有機聯(lián)系。元書介紹BJT時強調(diào)主參數(shù)電流放大倍數(shù)β，介紹FET時強調(diào)主參數(shù)跨導gm，介紹功率放大電路時強調(diào)主參數(shù)功率放大倍數(shù)，介紹差分放大電路時強調(diào)主參數(shù)共模抑制比CMRR。注意相關內(nèi)容的有機聯(lián)系，將放大倍數(shù)與頻率特性分析統(tǒng)一進行。

靜態(tài)設計為動態(tài)設計服務，動態(tài)分析與靜態(tài)分析有機結合，以動態(tài)指標為要求進行靜態(tài)設計。來龍去脈清晰邏輯關系明了。

基于放大器效率和負載最大功率要求、根據(jù)負載電阻RL確定安伏變換器Rc，根據(jù)晶體管β值、安伏變換器Rc和負載電阻RL確定基極臨界偏置電阻Rbcr，……，一系列設計計算過程的來龍去脈清晰、邏輯關系明了，極富可讀性。

4.明確工作點內(nèi)涵與外延及溫度系數(shù)，首次實現(xiàn)了工作點的從定性討論、經(jīng)驗判定向定量分析和計算的過渡。該書走出傳統(tǒng)模擬電子技術教科書中的經(jīng)驗方法和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的舊框框，進行嚴謹?shù)睦碚撏茖Ш驼f明，從定性討論、經(jīng)驗判定向定量分析和計算過渡。如結合晶體管截止條件與飽和條件，解決三極管放大電路中臨界工作點、輸出范圍和信號輸入范圍等問題，首次實現(xiàn)了從定性討論、經(jīng)驗判定向定量分析和計算的過渡。這些重要問題在過往教材中一直沒有能夠很好解決。目前放大電路的偏置設計是低效的經(jīng)驗定奪，受設計者個人經(jīng)驗影響較大，實質(zhì)是根據(jù)經(jīng)驗湊數(shù)字，見表1。這一點給缺乏實際經(jīng)驗的學生帶來最多最大的疑問，成為困擾模擬電子技術教與學的絆腳石。

該書提出并明確工作點內(nèi)涵與外延，提出工作點溫度系數(shù)概念，將放大器工作點穩(wěn)定性設計由定性過渡到定量。

5.循序漸進從簡到繁步步深入。從半導體器件到放大電路，從分立元件到集成電路，從有形電阻構成的安伏變換器到無形電阻構成的安伏變換器，從普通放大電路到有源負載放大電路，從普通放大電路到差分放大電路，一步步地將讀者引到集成放大電路和集成振蕩電路的大門，引進現(xiàn)代電子世界，引導得非常自然。

6.注意編進實用新穎內(nèi)容。作者獨具匠心，不僅在基本共射放大電路、分壓偏置共射放大電路及基本共基放大電路的分析計算中將圖解法發(fā)揮得淋漓盡致，而且編進目前流行的運放鎖零電路等新穎內(nèi)容，并且全面闡述了實用價值較大的雙T網(wǎng)絡集成振蕩電路。

7.語言生動文字流暢。提出常開型場效管、常閉型場效管、安伏變換器、電流接力棒等既名副其實又生動有趣的說法。還有“電流的天性使它喜歡入'地'。虛地好似一個'陷阱'。它先以地電位把電流引來，但又不讓電流真正入地，結果逼得電流遠走他方形成反饋”等生動形象化的語言把虛地概念及反饋原理描繪得活靈活現(xiàn)。

像修訂版及簡明教程形容BJT工作原理的順口溜：

“艾碧順著發(fā)射結，攜來電子多如云；小小艾碧大艾西，艾西順著艾碧循。

艾西電壓落電阻，剩余才給集射極；集射壓降太少了，管子飽和限艾西?！?/p>

這則順口溜不僅說理透徹，而且讀起來朗朗上口。

8.淺入深出，復雜問題簡單化。用淺顯易懂的語言入手，闡述復雜的問題，導出看似深奧的理論。如用電子擴散形成電場，電場對電子擴散是阻力，電場越大阻力越大，電子擴散到一定程度時即達到平衡、形成PN結內(nèi)電場的思路來描述PN結內(nèi)電場的形成。經(jīng)過嚴格的理論推算后指出，正向導通PN結沒有內(nèi)電場。

9.辯證對待、靈活應用線性與非線性解決實際問題。眾所周知，模擬電子技術有很多非線性問題線性化處理的問題，二者的界限和處理方法是較難把握的。元書辯證對待、靈活應用線性與非線性問題，如非線性對于放大有害，但對于乘法器、混頻等反而有利。晶體管非線性模型還有利于建立參數(shù)之間的關系。

10.在保證高計算精度條件下把很多復雜計算進行近似簡化。例如，第一版和修訂版解決了輸入輸出不等時間常數(shù)條件下BJT放大器下限頻率的計算問題，不過所介紹公式很復雜，令人望而生畏。在簡明教程中，復雜公式已經(jīng)被一種高精近似公式所替代。新公式不僅簡明扼要方便好用，而且精度高，計算誤差控制在2%以內(nèi)。

11.關于反饋極性及起振判斷。傳統(tǒng)反饋理論最難理解最難用，根源是串并聯(lián)反饋沒有反映現(xiàn)實。元書用加反饋與減反饋概念來客觀描述反饋信號與輸入信號的邏輯關系，定義直截了當，清晰如水，使反饋模式及極性判別變得容易進行。反饋極性及起振的相位條件傳統(tǒng)上一直用φa+φf=2nπ，就是2φ法。2φ法實際上丟掉了比較環(huán)節(jié)的相移。元書簡明教程建立比較環(huán)節(jié)的相移概念，并用φc表示，加反饋比較環(huán)節(jié)相移φc=0，減反饋比較環(huán)節(jié)相移φc=π，由此將反饋極性及振蕩判斷的相位條件修正為∑φ=φa+φf+φc=2nπ或（2n+1）π，將2φ法完善為3φ法。

3φ法的優(yōu)點是，不僅用起來特順溜，而且正負反饋通吃。因此已經(jīng)受到很多學員的認可。以前反饋分析及設計題人見人愁，如今在3φ法面前，已經(jīng)是人見人愛。

12.理論聯(lián)系實際附有實驗指導書。該書特點是理論結合實際。作者本著對社會、對讀者高度負責的指導思想，所有新提出的計算公式都經(jīng)過實驗驗證。該書第一版、修訂版所穿插的實驗有幾十個，書后還附有實驗指導書，從分立元件放大器到集成電路放大器安排了16項饒有趣味和實用價值的實驗。

元書還有許多特點，在此難得一一盡述?？傊?，元書無疑是一本模擬電子技術課程的創(chuàng)新教材，吹響了模擬電子技術教材改革的號角。是值得大家學習和仿效的。當然，模擬電子技術教材的改革起步維艱，任何一本教材難免存在這樣那樣的問題。只要大家齊心協(xié)力，優(yōu)勢互補，模擬電子技術教材建設肯定越來越紅火。

元增民教授的這些研究進展，已經(jīng)寫在很多論文中，元書參考文獻就列出了作者自己的很多研究論文。元書已經(jīng)成功地用在全國各地很多院校的教學過程中。2009年以來他所講授的模電教學，已經(jīng)獲得很好的效果，實驗課不再拖堂，課程考試及格率穩(wěn)步在90%以上。他輔導的學生考研，很多模數(shù)電獲得了90分以上的好成績。他輔導的銀孚注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試中的模數(shù)電考試，及格線55%，很多學員獲得70～80%以上的好成績，變模數(shù)電拉低總分為抬高總分。為此元增民教授還被評為銀孚注冊電氣工程師學院教學名師。

http：//www.3vsheji.com/a/xr/xtgs/2014/0422/70151.html.

限于本人水平，以上文字和觀點難免掛一漏萬，錯訛之處，也在所難免。歡迎各位有識之士批評指正。

參考文獻：

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]康華光.電子技術基礎（模擬部分）[M].第六版.北京：高等教育出版社，2014.

[3]元增民.模擬電子技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]元增民.模擬電子技術（修訂版）[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5]元增民.模擬電子技術簡明教程[M].北京：清華大學出版社，2014.