模拟电子小信号放大器实验板的设计与制作

王光旭，张欣

（1.成都航空职业技术学院，四川成都，610100；2.四川省高等学校校企联合“航空电子技术”应用技术创新基地，四川成都，610100）

0 引言

《模拟电子技术》属于理论与工程实践一体化合的电子应用专业核心基础课程。通过本课程的学习使学生在模拟电子电路的设计、调试等方面得到系统的培养和训练。模拟电子课程学习难度较大，高职院校的学生普遍存在计算分析能力弱，逻辑思维推导能力欠缺，造成学生学习兴趣不高。当前模电实验的教学方式主要有两种：一是理论课和实验课分开，各自构建自己的教学体系；一种是理论和实验合在一起，在理论课讲解相应知识点之后再开展实验验证[1-2]。

目前模电教学主要存在的问题有：在理论课教学往往只强调理论体系、公示计算，缺乏工程应用设计；而实验课主要强调操作技能、指标测量，学生一般直接复制教师的演示操作过程；实验内容相对简单，主要以验证性内容主，综合性、设计性的实验几乎没有，电路设计的综合能力培养不足[3-4]。

项目式教学是近年倡导的一种新型教学方法，也是电子技术基础课程的主要教学改革方向。它是师生通过共同实施一个完整的项目而进行的教学活动。教师给出设计项目，分解任务，学生实施任务，通过任务驱动来完成学习目标。教师引导学生进行项目指标分解、学生进行项目制作、最后一起完成任务，归纳总结中学习知识，培养学生自主学习与分析问题、解决问题的能力[5-6]。模拟电子技术是一门工程性极强的课程，课程以二极管、三极管为核心元器件，学生各种常见的基本电路的分析与调试。在模拟电子技术课程教学中引入项目式教学方法，对推动模电教学改革具有重要意义。

1 实验设计总体思路

模拟电子技术项目式实验教学以培养学生的自主学习、提高创新能力为目标，完善模电实验教学内容，开展创新型实验项目教学。项目和案例的设计是教学改革的关键问题，在设计项目的时候，要考虑到是否包涵了课程的重点知识点，还要考虑到各个知识点的衔接性和学生的接受能力[7-8]。

小信号放大电路的教学成功与否，直接影响到模拟电子技术这门课程的教学效果。小信号放大电路的分析方法与原理是整个课程教学的最难点。“基本放大电路”的核心地位阐述用图 1所示方框图说明。

图1 基本放大电路核心作用

在图1中,描绘了小信号放大电路和其它各章节内容的联系,即由“基本放大电路”联系起来的各部分内容和由基本放大电路扩展、引伸、应用而得到各部分电路之间的联系。把核心内容掌握透彻,学生对其它内容的理解就相对顺利。

教学具体实施过程主要分以下步骤进行：项目引入，任务分配，电路仿真与设计，制作与测试，考核与总结等节点实施，如图2所示。

图2 教学实施过程图

2 教学实施过程

以设计实验中的单管小信号放大电路的设计为例来说明我们实验项目制作与教学的过程。

2.1 项目引入

现场应用环境中的信号经传感器转换后一般比较小，必须经过放大器电路放大后才能正常工作。现设计一个能够稳定静态工作点的单级阻容耦合晶体管放大电路[9-10]。满足以下条件：

（1）电压放大倍数：Au≥100。

（2）工作频率范围：fs≥1kHz。

（3）电源电源：VCC=12V

（4）负载电阻：RL=2.4kΩ

（5）输入信号：ui=20mVpp

2.2 任务分配

学生两人一组，完成下面的工作：

（1）根据设计任务和已知条件，确定电路方案，计算并选取电路各元件参数。

（2）完成静态工作点的计算，保证Q点设置合理。

（3）电压增益Au大于或等于主要性能指标满足设计要求。

（4）电路稳定输出，无故障。

三极管小信号放大电路的主要设计步骤：

（1）选择电路形式

小信号放大电路有三种可能的解法：共射、共基、共集，其中以共射极放大电路应用最广。综合考虑电路的指标，以及稳定静态工作点的要求，选定分压式Q点稳定共射极电路[11]，如图3所示。

图3 分压式共射极放大电路

（2）选择静态工作点

晶体管正常工作状态的确定，应综合以下因素加以考虑：晶体管工作在放大区；为节省电源好点，Q点应选在小电流、低电压处；Ic和UCE不宜太小，以免失真。各级静态工作点一般选择在下列范围：IC=1～3mA，UCE=2～5V。

（3）元件参数的选择

一般工程设计时，硅管取I1=（5～10）IB，UB=3～5V；锗管取I1=（10～20）IB，UB=1～3V；IC=1～3mA。

电阻Re可以选取为：

电阻Rb1、Rb2可由下面关系式得到

选择集电极电阻Rc应考虑两方面的问题，一般要满足Au的要求，即：

2N3904晶体管基本参数如表1所示。

表1 2N3904参数表

结合公式（1）～（3），可以估算电路元器件基本参数如下：

Rb1=50kΩ，Rb2=20kΩ，Rc=2.4kΩ，RE=1kΩ。

2.3 Pspice仿真

Pspice是目前电子设计中使用广泛的一款仿真软件，并且该软件包含全球知名的半导体厂家生产晶体管的spice仿真模型。利用Orcad_Pspice16.3软件对小信号放大电路进行建模仿真研究，仿真验证方案电路与结果如图4所示[12]。

图4 仿真模型与结果

由图3仿真结果可以看出，Au约为100倍，基本满足题目设计指标需求。波形存在一定的上下不对称，主要是由于三极管BE之间的非线性引起的，在实际应用可以接受。

2.4 制作与测试

实验教师采购相关元器件，指标学生焊接电路板并完成测试工作。由于学生前期基础性实验中已经掌握了测量仪器的使用，学生可以自主搭建测试平台完成电路测试工作。学生利用覆铜板自己制作腐蚀PCB搭建的电路与测试波形如图5所示。

从图5（b）可以看出在输入信号频率为1kHz，峰峰值20mVpp的情况下，输出峰峰值Vpp为2.72V，满足项目指标，顺利完成设计与测试任务。

图5 电路与测试波形

2.5 学生考评与总结

实验教学的考核，要求实验前有“预习”，实验后有“总结”，期末有“考核”。考核内容包括实验理论、实验技能和基本实践知识等方面，以口试、笔试和实际操作相结合的方式在项目制作中进行考核，加强考核的过程性。

3 结语

本文以小信号放大器的制作为例，论述了实施以项目驱动为模式的模拟电子实验教学改革的方法与步骤，通过对实验教学内容、授课方式、考核方法等环节进行改革，培养学生“爱实验、敢实验、会实验”，成为理论与实践应用相结合的高技能人才。