基本放大器的复合教学法设计

邓 于

(重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160)

电子技术课程是有关电子类专业的学科基础性课程，其主要目的是使学生掌握电子技术有关的基本原理、基本概念和基本分析方法，树立电子电路最基本的分析、计算和设计的理念．在课程的理论教学中，不能单调采用理论推导的方法讲授，但理论推导又不可避免;而在课程的实验教学中，由于受实验条件的限制，大多数实验参数的调节范围也是受限的，对于观察实验故障的演示与模拟也不充分，因此，采用软件仿真技术就显得尤其重要．

在多年的电子技术课程教学的实际中，我们总结出采用参数计算、软件仿真和程序分析相结合的复合教学方式，使在教学中不失严密性的同时，增强教学的直观性与趣味性以便于学生学习与掌握，加深对重要知识点的理解．本文以如图1所示的分压偏置式基本放大器为例［1］，来阐述复合式教学设计在电子技术课程教学中的应用．

图1 分压偏置式基本放大器电路图

1 电路参数的计算与分析

利用计算的方法分析放大电路主要包含电路的静态分析和动态分析，可以在分别画出电路的直流通路图和交流通路图的情况下完成．放大电路的静态分析主要计算电路的静态工作点，包含VBEQ、IBQ、ICQ和VCEQ4个参数;而放大电路的动态分析主要计算电路的电压放大倍数AV、输入电阻ri和输出电阻ro等参数，必要时需要对电路的动态范围和失真情况进行讨论．

对于如图1所示的电路，其静态工作点所包含的4个参数由以下的计算公式确定［2］：

在给定电路参数的情况下，分压偏置式基本放大电路的静态工作点可以由(1)～(4)式计算确定．电路的主要动态参数由以下公式确定：

式中R'L=RL∥RC为放大器集电极有效负载电阻，rbe为晶体管基极—发射极之间的等效小信号交流电阻，其值为

忽略晶体管基区等效电阻rbb'的影响、满足RB≫rbe的条件下，动态参数的计算可简化为

在实际电路的分析中，若给定电路元件参数，就可以计算出电路的静态与动态参数．以图1的电路为例，若取β=100、VCC=12 V、Rb1=7．5 kΩ 、Rb2=7．5 kΩ 、RC=2 kΩ 、Re=1 kΩ，求该电路的静态工作点为VBEQ=0．7 V、IBQ=0．022 7 mA 、ICQ=2．27 mA 、VCEQ=5．1 V．若取RL=2 kΩ，则电路的动态参数为AV≈-88 、ri≈ rbe=1．44 kΩ 、ro≈ RC=2 kΩ ．

2 Multisim软件仿真分析

在电子技术的教学中，EDA仿真得到了越来越广泛的应用，而可以用于电子技术仿真的软件很多，各有其特点与优点［3］．由美国 NI公司(美国国家仪器公司)开发的Multisim软件就是一款专门用于电子电路的仿真与设计的工具软件，它可以在Windows下运行，是一个完整的集成化设计环境，其具有丰富的元器件库和虚拟仪器仪表库，能提供电路详细的各种分析功能，并还能开设试验环境无法进行的观测开路、短路、漏电等非常态现象的仿真［4］．

图2 线性放大状态下的输入/输出波形

以图1所示的电路为例，在Multisim的运行环境下设计完成电路以后，可以进行电路的各种参数分析、故障模拟等．图2为放大器在线性放大状态下的输入与输出波形对比，而图3为电路在输入信号过大时所引起的失真情况下的输入与输出波形对比，从对比波形中可以得出电路的许多性能．更多的对比分析可以通过修改电路中元件的参数、设置电路故障、更换虚拟仪器等实现．

图3 失真情况下的输入/输出波形

3 Matlab软件程序分析

利用Matlab软件强大的程序设计功能，可以利用程序设计来分析电路，特别是在讨论电路元件参数的变化对电路的状态和参数的变化过程的分析上，其优点特别突出［5-6］．

针对如图1所示的电路，仍然取β=100、VCC=12 V 、Rb1=7．5 kΩ 、Rb2=7．5 kΩ 、RC=2 kΩ、Re=1 kΩ．从基础知识可知，电路元件的参数变化都会引起电路静态参数和动态参数的变化．在Multisim软件的仿真分析中，可以通过改变元件参数来观察电路状态的变化，但这种变化的观察比较孤立，不利于对比．而采用Matlab软件程序分析，可以清楚地观察到元件参数的变化对电路状态影响的变化过程［7］．

图4为偏置电阻Rb1变化时对静态工作点IB、IC和VCE三个参数的影响变化曲线．从图线可以看出，在Rb1＞40．3 kΩ时，三极管处于截止状态，此时的静态参数IB=0 mA、IC=0 mA、VCE=12 V．当Rb1＜3．8 kΩ时，三极管处于饱和状态，此时的静态参数IB较大、IC=ICmax=4 mA、VCE=VCEs≈0．3 V ．而当3．8 kΩ ＜ Rb1＜ 40．3 kΩ时，电路处于线性放大状态，此时静态参数的数值可以由公式计算，静态工作点IB、IC和VCE的数值都随Rb1的改变而变化．

图4 偏置电阻变化对静态工作点的影响

同样，如图5所示为负载电阻RL变化时对放大器的电压放大倍数AV的影响变化曲线．曲线较为完备地表征出放大电路的电压放大倍数AV随负载电阻RL变化规律．从曲线的变化规律可以看出，放大器的放大倍数AV的大小随着负载电阻RL的增加而增大，当负载电阻RL的数值大于20 kΩ以上时，放大器的放大倍数AV接近空载时的放大倍数-138倍，并随着负载电阻RL数值的增加缓慢变化．

图5 放大器的放大倍数随负载电阻的变化曲线

4 结语

针对同样的知识点，采用公式计算方法来分析电路逻辑严密，特别对电路元件参数固定的电路状态计算尤其方便．但在对电路的故障模拟、参数变化对电路状态的影响分析时，公式计算方法并没有优点，而采用软件仿真方法就可以克服公式计算方法所存在的缺点．随着软件仿真技术的提高，电路的软件仿真在电子技术课程的教学中得到了越来越广泛的应用，可选择与利用的软件也越来越多．但在对比电路元件参数变化对电路的静态与动态参数的影响时，利用程序设计来观察元件参数变化对电路参数的影响过程却更为直观．在教学活动中，采用多种方式结合的复合教学设计更能被学生接受，在电子技术课程的重要知识点，采用复合教学方式可以增强学生对重要知识的理解与掌握．

［1］童诗白，华成英．模拟电子技术基础(第4版)［M］．北京：高等教育出版社，2007．

［2］康华光．电子技术基础：模拟部分(第5版)［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［3］于京生，陈永志，康元元．Multisim仿真软件在模拟电子技术实验教学中的应用［J］．石家庄学院学报，2011，13(6)：46-50．

［4］陈晓维，赵建林．Multisim仿真软件在电子技术课程设计中的应用［J］．电子技术，2010(12)：67-68．

［5］郑雪钦．基于Matlab电力电子技术应用的实现［J］．现代电子技术，2006(19)：151-153．

［6］刘桂英，粟时平．电力电子技术的Matlab/Simulink教学仿真实践［J］．电气电子教学学报，2011，33(1)：87-90．

［7］李彦，卢虎．基于MATLAB的GUI技术在电子教学中的应用［J］．电气电子教学学报，2000，22(3)：77-79．

［8］张艳艳，袁嫒，夏咏梅．Multsim软件在《电子技术》课程中的应用［J］．重庆文理学院学报：自然科学版，2011，30(4)：91-94．