走在模拟电子技术教科书改革的前沿

何超

摘要：本文讨论了传统模拟电子技术教材的缺憾，总结了元增民教授的新体系特色《模拟电子技术》的诸多进展，并相信该书能对推动模拟电子技术教材的改革起到巨大的影响。

关键词：模拟电子技术；教学；教材；改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）15-0175-03

模拟电子技术是高等院校理工类专业重要的专业基础课程。模拟电子技术和数字电子技术的理论和技术已经广泛应用于各行各业，尤其对推动高科技的发展与应用起着巨大的影响。这方面，童诗白教授、康华光教授、孙肖子教授等诸位名家对我国的高等教育和中等技术教育中模拟电子技术的教学工作做出了不可磨灭的开创性的重大贡献。

一、传统模电教材的缺憾

无可否认，传统模电教材虽多，但缺乏大家普遍认可的。继童诗白教授、康华光教授的模电教科书之后，目前仅国内出版的模电教科书就已经达到上千种，真如战国时代。众多其他模拟电子技术教材的作者也为推动模拟电子技术和改进模拟电子技术课程的教学效果付出了辛劳，但总的处于一种无序竞争中，广大读者深受其害。模电理论课堂学生躺倒一大片、实验课堂屡屡拖堂的现象屡见不鲜。

高校师生普遍反映模拟电子技术难教难学。网上书评：模拟电路教材，清一色的一样的语调，一样的结构，一样的推导演算。往往看这本书搞不懂的问题，在其他书上也难觅答案。这样的现象很普遍，这样的呼声“一浪高过一浪”。

究其原因，传统模拟电子学的基本理论，尤其是半导体电子学的历史较短。20世纪60年代之前，大体以电子管为主；60年代初，又演变成以晶体管和集成电路为主。由于发展迅速，在理论与实践的方方面面，还存在着不少有待探讨和完善的地方。

大家普遍感觉到：半导体电子技术，涉及到物质微观结构的基本理论较多建立在经验方法和经验数据的基础上，其理论基础有待进一步夯实，有些问题的讨论中逻辑关系不甚明白，非线性问题转化为线性问题的界限和方法的讨论也欠明确。

典型的像硅材料的开路PN结内电场内建电势究竟多大的基础问题都还是悬案。还有，传统模电教科书认为正向导通的PN结还有残余内电场，但残余内电场究竟多宽，残余势垒究竟多大，一直也是一个迷。

硅二极管及三极管发射结正向压降名义值虽然是0.7V，但实际上用数字万用表测量一批不同型号的硅二极管，几乎同样的测量电流，它们的正向压降竟然分布在0.4V～0.8V超宽范围内，如2CZ11B正向压降为0.4V，与肖特基二极管很接近，还有的1N4148二极管正向压降高达0.8V。这些简单现象，用传统模电书的理论都解释不了。

传统模电教科书的缺陷除了自然因素，还有人为因素。往往写了的没用，有用的却不写。例如，BJT共基电流放大倍数α写了，但是至今没见谁用过。判断反馈深度需要反馈系数F，但鲜见F值计算。结果深度反馈的界定欠客观性，使学生如丈二和尚——摸不着头脑。

传统模电教科书基本共射放大器基极偏置电阻值及其能获得的输出范围如表1所示。可以看出，输出范围参差不齐，普遍没有达到理论应有的极限最大数值，说明传统模电教科书基极偏置电阻都是靠经验方法设置的。

有的模电教科书为了回避分立元件放大器的难度，刻意把OPA应用提前到篇首，却忘了OPA应用通篇都离不开反馈，结果顾此失彼。教师没讲反馈，就讲反馈应用，结果给学生“雪上加霜”，招致更大的麻烦，有老师说，这简直是把学生往糊涂里整。

这些事例说明，模电教科书改革只是修修补补的老路子，是越来越走不通了。

二、元增民模电教科书的特色

为了适应电子技术飞跃发展和新世纪高等教育培养高素质人才的需要，教育界强烈呼吁对模拟电子技术教学进行改革，强烈呼唤新的教材的出现。长沙大学元增民教授率先研究并于2009年8月在中国电力出版社出版了新体系特色《模拟电子技术》，并于2013年10月在清华大学出版社出版《模拟电子技术》修订版，2014年10月在清华大学出版社出版《模拟电子技术简明教程》（以下简称元书）。

元书思路新颖，别开生面，语言生动流畅，深入浅出，而且理论创新点及方法很多。该书主要具有以下特色：

1.既有分析又有设计。既有对现成放大电路的分析计算，还有合理与否的结论，又有基于输出范围最大、工作点稳定性、共模抑制比最大等要求的设计过程及要求。

2.归纳整理了模拟电子技术涉及到的诸多参数和指标。以往的模拟电子技术教材，涉及到的诸多参数和指标，数量不一，各教材名称又不尽一致，比较混乱。元书第一次归纳整理为“一参数九指标”。对模拟电子技术的技术指标和参数的分析计算全面系统，放大器的电压放大倍数、电流放大倍数、功率放大倍数、输入电阻、输出电阻、频率特性、最大不失真输入电压幅度、最大不失真输出电压幅度（输出范围）、临界工作点、工作点温度系数、效率、负载最大功率等十项技术参数和指标，差分放大器共模抑制比等主参数，分析得都比较透彻，使读者能对放大器有一个全面认识。

尤其是本书首次全面介绍了磁耦合放大器（即变压器磁耦合放大器）电压放大倍数等十项技术指标与参数的分析计算。

3.以器件和电路的主参数入手，注意相关内容的有机联系。元书介绍BJT时强调主参数电流放大倍数β，介绍FET时强调主参数跨导gm，介绍功率放大电路时强调主参数功率放大倍数，介绍差分放大电路时强调主参数共模抑制比CMRR。注意相关内容的有机联系，将放大倍数与频率特性分析统一进行。

静态设计为动态设计服务，动态分析与静态分析有机结合，以动态指标为要求进行静态设计。来龙去脉清晰逻辑关系明了。

基于放大器效率和负载最大功率要求、根据负载电阻RL确定安伏变换器Rc，根据晶体管β值、安伏变换器Rc和负载电阻RL确定基极临界偏置电阻Rbcr，……，一系列设计计算过程的来龙去脉清晰、逻辑关系明了，极富可读性。

4.明确工作点内涵与外延及温度系数，首次实现了工作点的从定性讨论、经验判定向定量分析和计算的过渡。该书走出传统模拟电子技术教科书中的经验方法和经验数据的旧框框，进行严谨的理论推导和说明，从定性讨论、经验判定向定量分析和计算过渡。如结合晶体管截止条件与饱和条件，解决三极管放大电路中临界工作点、输出范围和信号输入范围等问题，首次实现了从定性讨论、经验判定向定量分析和计算的过渡。这些重要问题在过往教材中一直没有能够很好解决。目前放大电路的偏置设计是低效的经验定夺，受设计者个人经验影响较大，实质是根据经验凑数字，见表1。这一点给缺乏实际经验的学生带来最多最大的疑问，成为困扰模拟电子技术教与学的绊脚石。

该书提出并明确工作点内涵与外延，提出工作点温度系数概念，将放大器工作点稳定性设计由定性过渡到定量。

5.循序渐进从简到繁步步深入。从半导体器件到放大电路，从分立元件到集成电路，从有形电阻构成的安伏变换器到无形电阻构成的安伏变换器，从普通放大电路到有源负载放大电路，从普通放大电路到差分放大电路，一步步地将读者引到集成放大电路和集成振荡电路的大门，引进现代电子世界，引导得非常自然。

6.注意编进实用新颖内容。作者独具匠心，不仅在基本共射放大电路、分压偏置共射放大电路及基本共基放大电路的分析计算中将图解法发挥得淋漓尽致，而且编进目前流行的运放锁零电路等新颖内容，并且全面阐述了实用价值较大的双T网络集成振荡电路。

7.语言生动文字流畅。提出常开型场效管、常闭型场效管、安伏变换器、电流接力棒等既名副其实又生动有趣的说法。还有“电流的天性使它喜欢入'地'。虚地好似一个'陷阱'。它先以地电位把电流引来，但又不让电流真正入地，结果逼得电流远走他方形成反馈”等生动形象化的语言把虚地概念及反馈原理描绘得活灵活现。

像修订版及简明教程形容BJT工作原理的顺口溜：

“艾碧顺着发射结，携来电子多如云；小小艾碧大艾西，艾西顺着艾碧循。

艾西电压落电阻，剩余才给集射极；集射压降太少了，管子饱和限艾西。”

这则顺口溜不仅说理透彻，而且读起来朗朗上口。

8.浅入深出，复杂问题简单化。用浅显易懂的语言入手，阐述复杂的问题，导出看似深奥的理论。如用电子扩散形成电场，电场对电子扩散是阻力，电场越大阻力越大，电子扩散到一定程度时即达到平衡、形成PN结内电场的思路来描述PN结内电场的形成。经过严格的理论推算后指出，正向导通PN结没有内电场。

9.辩证对待、灵活应用线性与非线性解决实际问题。众所周知，模拟电子技术有很多非线性问题线性化处理的问题，二者的界限和处理方法是较难把握的。元书辩证对待、灵活应用线性与非线性问题，如非线性对于放大有害，但对于乘法器、混频等反而有利。晶体管非线性模型还有利于建立参数之间的关系。

10.在保证高计算精度条件下把很多复杂计算进行近似简化。例如，第一版和修订版解决了输入输出不等时间常数条件下BJT放大器下限频率的计算问题，不过所介绍公式很复杂，令人望而生畏。在简明教程中，复杂公式已经被一种高精近似公式所替代。新公式不仅简明扼要方便好用，而且精度高，计算误差控制在2%以内。

11.关于反馈极性及起振判断。传统反馈理论最难理解最难用，根源是串并联反馈没有反映现实。元书用加反馈与减反馈概念来客观描述反馈信号与输入信号的逻辑关系，定义直截了当，清晰如水，使反馈模式及极性判别变得容易进行。反馈极性及起振的相位条件传统上一直用φa+φf=2nπ，就是2φ法。2φ法实际上丢掉了比较环节的相移。元书简明教程建立比较环节的相移概念，并用φc表示，加反馈比较环节相移φc=0，减反馈比较环节相移φc=π，由此将反馈极性及振荡判断的相位条件修正为∑φ=φa+φf+φc=2nπ或（2n+1）π，将2φ法完善为3φ法。

3φ法的优点是，不仅用起来特顺溜，而且正负反馈通吃。因此已经受到很多学员的认可。以前反馈分析及设计题人见人愁，如今在3φ法面前，已经是人见人爱。

12.理论联系实际附有实验指导书。该书特点是理论结合实际。作者本着对社会、对读者高度负责的指导思想，所有新提出的计算公式都经过实验验证。该书第一版、修订版所穿插的实验有几十个，书后还附有实验指导书，从分立元件放大器到集成电路放大器安排了16项饶有趣味和实用价值的实验。

元书还有许多特点，在此难得一一尽述。总之，元书无疑是一本模拟电子技术课程的创新教材，吹响了模拟电子技术教材改革的号角。是值得大家学习和仿效的。当然，模拟电子技术教材的改革起步维艰，任何一本教材难免存在这样那样的问题。只要大家齐心协力，优势互补，模拟电子技术教材建设肯定越来越红火。

元增民教授的这些研究进展，已经写在很多论文中，元书参考文献就列出了作者自己的很多研究论文。元书已经成功地用在全国各地很多院校的教学过程中。2009年以来他所讲授的模电教学，已经获得很好的效果，实验课不再拖堂，课程考试及格率稳步在90%以上。他辅导的学生考研，很多模数电获得了90分以上的好成绩。他辅导的银孚注册电气工程师执业资格考试中的模数电考试，及格线55%，很多学员获得70～80%以上的好成绩，变模数电拉低总分为抬高总分。为此元增民教授还被评为银孚注册电气工程师学院教学名师。

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

限于本人水平，以上文字和观点难免挂一漏万，错讹之处，也在所难免。欢迎各位有识之士批评指正。

参考文献：

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].第六版.北京：高等教育出版社，2014.

[3]元增民.模拟电子技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4]元增民.模拟电子技术（修订版）[M].北京：清华大学出版社，2013.

[5]元增民.模拟电子技术简明教程[M].北京：清华大学出版社，2014.