從工程意識培養(yǎng)談《模擬電子技術(shù)》的教學(xué)改革*

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)》(簡稱《模電》)是電子信息、通信工程、自動化等相關(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。該課程具有較強的工程性、實踐性等特點，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)主動性不足，這也使得他們對課程知識的理解僅局限于分散的知識點層面，不僅缺乏對其整體性、系統(tǒng)性的認知和理解，更加缺少對電子技術(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、更好地了解實際電子系統(tǒng)的性能，就需要加強學(xué)生“工程意識”的培養(yǎng)?！肮こ桃庾R”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，先對一些實際的電子元器件及線路進行模型化處理，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)分析方法進行分析[2]。雖然模型等效的分析方法會帶來一定的誤差，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際意義。

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

2 模電中工程意識培養(yǎng)的方法

2.1 工程意識啟蒙

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

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

圖1 電子分頻擴音機電路方框圖

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。

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為溫度電壓當量，在T=300 K時，UT=26 mV[4]。

圖2 二極管的伏安特性曲線

由圖2可以看出，二極管是一個非線性元件，直接分析計算比較復(fù)雜，因此為了簡化分析，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)成二極管的簡化電路模型，如圖3所示。

圖3 二極管簡化模型

1) 理想模型

二極管正向?qū)〞r，其正向壓降為零；反向截止時，認為反向電阻為無窮大，反向電流為零。此時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，或電源電壓遠遠大于二極管的正向壓降時，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。此時二極管可以用一個理想二極管串聯(lián)一個恒壓源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，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，一般需根據(jù)實際要求，選擇合適的工程簡化模型。模電教學(xué)中可以基于下述電路案例，靈活應(yīng)用簡化模型，完成二極管電路的工程分析，從而進一步說明工程意識在電路分析的過程中具有重要指導(dǎo)意義。

案例：在電子分頻擴音機電路系統(tǒng)中，若要對采集到信號的幅值進行處理，則需將信號送入限幅電路，利用二極管的作用來防止信號電壓超過限定值，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uI為正弦信號，當uI反向輸入時，二極管處于截止狀態(tài)，此時輸出電壓uO隨uI的變化而變化。反之，uI正向輸入時，其電壓值是時間的函數(shù)，當uI值小于二極管的導(dǎo)通電壓時，二極管處于截止狀態(tài)，uO變化與反向輸入時相同，而當uI值大于二極管的導(dǎo)通電壓后，二極管即進入導(dǎo)通狀態(tài)，此時輸出電壓uO的值由E決定。對該電路分別用二極管的理想模型及恒壓源模型進行等效，可以對比得到uO的不同結(jié)果，如圖5所示。

圖5 兩種模型結(jié)果對比圖

綜上所述，在模電教學(xué)電路的設(shè)計過程中，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，將問題簡化。

2.2.3 集成運放的工程分析

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

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

理想運放具有以下特點：運放開環(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。由于運放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般為十幾伏，因此，運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]。當然這一現(xiàn)象并不是真正的短路，而是虛假短路，簡稱“虛短”。同時，由于實際運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1 MΩ以上，遠大于信號源內(nèi)阻，所以流入運放輸入端的電流往往很小，幾乎為零。故在對運放進行分析計算時，通?？珊雎缘暨@個很小的輸入電流，把運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，簡稱“虛斷”。一般地，市場上正規(guī)的運放成品在工程計算上，都把它視作理想運放，因此“虛短”和“虛斷”的合理利用，可以大大簡化集成運放電路的分析。下文將以電壓跟隨器電路為例進行說明。

2.2.4 集成運放的工程應(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

對該電路輸入10組不同的輸入信號測量輸出信號并記錄分析，實驗結(jié)果表明，集成運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，能夠大大實現(xiàn)計算的簡化。

3 結(jié)語

工程意識的培養(yǎng)貫穿了整個《模擬電子技術(shù)》課程的教學(xué)過程，針對具體要求，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)雜問題簡單化，從而達到高效解決工程問題的目的，同時提高模擬電子技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。