“模拟电子技术”课程中若干关键问题的探讨

2014-08-23史雪飞

电气电子教学学报 2014年1期

陈静，史雪飞

(北京科技大学自动化学院，北京 100083)

本文针对学生对“模拟电子技术”课程入门难的问题，探讨如何从几个关键问题入手，包括由线性器件到非线性器件的转变、合理近似在该课程中的应用和该课程的实践性(即理想与实际的区别)等。我们通过对这几个问题的解析，让学生更容易把握该课程入门的思路并加深对课程内容的理解。

1 线性器件到非线性器件转变

二极管和晶体三极管是“模拟电子技术”中两个基本的器件，一部分学生在学习二极管和三极管时就开始发怵，主要原因是对模拟电路的器件特性理解不够。所以我们在引入这两个器件的特性之前，先让学生回忆“电路”课程中学过的线性电阻元件的特性曲线，并将电阻、二极管及晶体三极管的特性曲线仿真一并显示出来(如图1所示)。然后让学生自行对比这三种元器件的特性曲线。最后总结出“模拟电子技术”课程中接触到的器件具有非线性的特性。这一过程说明，分析思路和方法要由原来的线性思维向非线性思维转换，分析和计算的电路也要由线性电路向非线性电路过渡。相比线性电路的分析，非线性电路的分析更复杂。

我们该如何分析这类非线性电路呢?如果能在一定条件下将特性曲线线性化，即用分段直线段代替曲线建立线性模型，就可应用线性电路的分析方法来分析二极管或晶体管电路了。但要注意线性化的成立条件，即由此产生的误差要在实际问题允许的范围之内，这也就是我们要阐述的内容。

图1 电阻、二极管及晶体管特性曲线

2 合理近似在课程中的应用

在“模拟电子技术”课程中，学生需学会从工程的角度思考和处理问题，即实际工程在满足基本性能指标的前提下是容许存在一定的误差范围的，在电子电路的定量分析中也容许存在一定的误差，因而称这种计算为估算［1］。

由于二极管和晶体管的特性曲线都具有非线性的特点，如果精确地描述它们的特性，问题会变得非常复杂。如果我们在误差允许的范围之内对器件的数学模型和工作条件进行合理近似，从而用简便的方法获得具有实际意义的结果，这是十分可取的。

通常，在求解模拟电子电路时需将其转换成用线性元件组成的电路，即将电路中的半导体器件用其等效模型(或称等效电路)取代。不同的条件和解决不同的问题，应构造不同的等效模型。

这里可以用“电路”课程中如图2所示的线圈为例，在不同工作条件以及对模型精确度的不同要求的情况下，用不同的电路模型进行模拟。

图2 线圈的几种电路模型

图2(a)是环形电感实物图，图2(b)是理想情况下该线圈的电路模型，图2(c)是线圈低频交流的模型，图2(d)是线圈高频交流的模型。

我们还可以采用图3所示的二极管或晶体三极管的不同等效模型。图3(a)为理想开关模型，图3(b)为恒压源模型，图3(c)为折线近似模型。三种等效模型的精确度和复杂度是对应图2(a)-(c)递增的。

图3 二极管的几种电路模型

我们强调在用这样的思路解决问题的过程中，近似分析一定要合理，近似后得到的结果要在允许的误差范围内，即一定要注意所选用等效模型的成立条件，只有实际问题符合该等效模型的条件，才能使用该等效模型来分析和解决问题。

此外，由于“电路”课程和“模拟电子技术”课程也是有联系的。所以在教学过程中，教师要注意引导学生将两门课程有机结合起来，在旧知识的基础上学习新知识，如运用电路分析中的基本定理、模型和分析方法等来分析和设计各种模拟电路［2］。

3 课程的实践性

在实际设计模拟电子电路时，由于半导体器件参数的分散性、电源波动、环境影响和元器件参数误差等原因会与理论计算结果有偏差，往往难于达到预期的效果。所以实用的模拟电子电路几乎都要通过调试才能达到预期的指标。因此，要把理论教学和实践融为一体，注重学生素质和能力的培养，适当增加一些介绍实际应用的内容。

例如，以“集成运算放大器综合设计应用——三角波电路”课程设计为例，学生通过该环节可以对电子电路设计的一般方法步骤以及“模拟电子技术”课程的实践性有更深刻理解［3，4］。模拟电子电路的设计一般经过明确系统的设计要求、方案论证与总体设计和单元电路的设计之后，可以得到如图4所示的理论设计电路。图4(a)为设计电路图，图4(b)为仿真演示。

图4 设计三角波发生器电路

此后，还有一个重要步骤就是进入安装调试阶段。对电路进行的测试和调整包括调节电位器，但应保证调节过程中波形不出现失真;若输出的三角波不能满足设计要求，则要调整设计元件参数。总之，模拟电子电路的安装调试在电子工程技术中占有很重要的地位，它是把理论付诸于实践的过程，也是对理论设计做出检验修改，使之更加完善。