直觀類比法在電子技術課程教學中的應用

丁宏 黎翠鳳 王洪剛

作者簡介：丁宏（1965.09），男，魯東大學信息與電氣工程學院教師（264001），工學博士，副教授，從事高低頻電子技術及信號處理方面的研究。

摘要：電子技術是工科電類專業(yè)多年來學生反映比較難學、教師覺得比較難教的一門課程。特別是一些需要較強的理論基礎和邏輯思維能力的問題的理解會存在一些困難。本文的幾位作者從事了多年本課程教學，經摸索總結，發(fā)現采用直觀理解、簡單類比的方式往往能使學生很快掌握、不易忘記。本文具體總結了晶體管電路分析時用到的交直流通路的類比畫法以及分立元件電路反饋的判別與集成運算放大器的簡單類比法，經過在教學過程中的檢驗及對學生學習效果的跟蹤，證明這些方法在教學大綱中規(guī)定的指標點及指標達成度等方面起到了較好的作用。

關鍵詞：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、場效應管）電路的工作原理是本課程的基礎，也可以很好地解釋常用的模擬集成電路的一些外部特點，如反相（同相）輸入端與輸出電壓反相（同相）等等，這些問題僅在集成運算放大電路的章節(jié)里是較難闡述得很清楚的。教學中，歷屆的學生也有很多在這些地方產生疑問，因此使學生對分立元件電路原理準確熟練掌握有助于學生對這門課程的總體把握。而在有限的學時下，采用直觀、易于理解的方式對分立元件的一些工作原理進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

對于如圖1所示的三極管共射極放大電路，對其進行靜態(tài)和動態(tài)分析時，通常需要畫出其直流通路和交流通路。

畫直流等效電路的原則是：

（1）電容斷開;

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

畫交流等效電路主要原則是：

（1）電容短路（電容值足夠大）;

（2）直流電源對地短路。

對于畫交流等效電路的原則（2），若干參考文獻[1][2][3]的解釋通常是因理想電壓源電壓無波動（即無交流量），而其內阻也很小，因此對交流信號來說相當于短路，如圖2（b）。這個論述和據此而畫出的交流通路當然是正確的，但一些學生卻難以理解：內阻很小為什么就把直流電源直接短掉了呢，或者說Vcc的符號怎么就可以消失了呢？做為初學者的學生，授課教師僅僅這樣解釋似乎還不能讓他們感到明了。

為此，課程組總結出了一個直觀、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得以通過回路，而本電路的所謂直流信號就只有直流電壓源Vcc。

既然交流通路是僅有交流信號得以通過回路，而本電路的所謂交流信號就只有輸入信號Vi。因此，可以利用學生已學的《電路分析》相關知識——疊加原理——進行類比。

疊加原理所描述的是：當兩個電壓信號（Vi1、Vi2）同時作用于電路的輸入端時，電路的輸出端所得到的信號是這兩個輸入信號分別作用的效果的疊加。而具體計算的時候則是分別進行計算，即假設只有Vi1起作用，此時Vi2=0，;如果是Vi2起作用，則Vi1=0。這個方法剛好應用于本問題上。

于是把本問題類比成是兩個信號（Vcc和Vi）同時作用于電路（圖1），由疊加原理，當只有Vcc作用于電路時，Vi=0，因電路中只有直流信號，所以電容相當于開路，于是得到圖2（a），即直流通路;當只有Vi作用于電路時，VCC=0，因電路中只有交流信號，所以電容（“足夠大”為前提）相當于短路，而既然Vcc=0，自然相當于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集成運算放大器來說要難一些，比如正（負）反饋、串（并）聯反饋、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，可以把一個三極管類比包裝成運算放大器，而通常此時三極管放大電路的集電極做為輸出端。

具體分析反饋時，可依據下面的方法：當基極作為輸入端、集電極做為輸出端時，與圖1的共射極放大電路相比擬。此時的基極可認為是反相輸入端，因為其與輸出端（集電極）的相位是相反的;而此時的發(fā)射極則可以認為是運放的另一個輸入端——同相輸入端，因為以發(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。于是一個三極管就被類比成了如圖3所示的一個運算放大器。其凈輸入電流是ib，凈輸入電壓是Vbe，有反饋到來，如果使ib或Vbe減小，這就是負反饋，反之就是正反饋。這樣再運用對集成運算放大器的判斷方式，很多問題迎刃而解。諸多分立元件反饋模式的判斷均可用此法。

四、結論

類比法直觀地應用在教學中的上述幾個環(huán)節(jié)后，學生在這些環(huán)節(jié)的問題理解和解決相關問題的能力等方面迅速得到了提高。作者將2015年以來的歷屆學生的期末考試成績做了統(tǒng)計調查，特別關注了這些試卷中與類比法相關的問題的得分率及教學大綱中的相關目標達成度。數據對比列在了表1中。

在表1的第一行中，K1代表三極管電路分析考核點，K2代表反饋分析考核點，分值則表示此題滿分分數;被統(tǒng)計的試卷來自通信工程及電子信息工程兩個專業(yè)的本科生。每個專業(yè)每屆2個班，每班37-41人。從2014年的秋季學期開始統(tǒng)計（我校每年的秋季學期開設模擬電子技術課程）。其中，2014-2015-1學期，課程組還沒有明確統(tǒng)一使用類比的授課方式。該方式從2015-2016-1學期開始使用。表中（不連續(xù)）統(tǒng)計了其后幾年的教學效果。從表中可以看出，從2016年開始至2020年，各項指標均明顯強于2015年（第一行數據）。同時，從講述相關部分內容時課堂互動的分析解題速度及互動效果也能看出學生掌握的更加堅實了。

參考文獻

1 康華光.電子技術基礎模擬部分（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基礎（第三版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014

3 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（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，劉潤生.電子線路基礎，北京：高等教育出版社，1997

6 傅豐林，模擬電子技術基礎.北京：人民郵電出版社，2008

作者單位 魯東大學