“模拟电子技术基础”入门教学方法探讨

摘要:“模拟电子技术基础”是电类专业的一门重要的专业基础课,其理论性和实践性都很强,很多学生感到入门很难,教师也抱怨该课程难讲。本文通过分析“模拟电子技术基础”课程特点,结合多年教学经验及学生的思维特点,提出在“模拟电子技术基础”教学中,重视入门教学是讲好该课程的关键,并就入门重要知识点的教学方法给出建议。

关键词:模拟电子技术基础;入门;教学方法

作者简介:张杰(1977-),女,辽宁阜新人,重庆理工大学电子信息与自动化学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:电子技术;张兢(1965-),女,重庆人,重庆理工大学电子信息与自动化学院,教授,工学硕士,主要研究方向:电子技术。(重庆 400054)

“模拟电子技术”是重庆理工大学电子信息与自动化学院开设的一门面向全院四个电子类专业的基础平台课程,每年约380多名学生必修该课程。主要教学内容包括二极管及其基本电路、三极管及其放大电路基础、运算放大器、场效应管放大电路、模拟集成电路、反馈放大电路、功率放大电路、信号处理与信号产生电路和直流稳压电源共九个部分,该门课程中有大量的电类方面基本理论、基本概念和基本分析方法,对后续课程的学习有重要的作用,是学好后续各专业课的前提和基础。但由于该课程与其他学科的联系相对较少,加之该课程涉及面广,概念多,理论性强,涉及很多微观方面的知识,因此学起来感到抽象,不易掌握。在该课程的教学过程中我们发现,大部分学生感到入门很难,学习积极性不高,考试通过率偏低。作为一名专业课教师,面对抽象乏味的课程,必须考虑“如何讲”的问题。自己要明白,如果讲不明白,效果不会好。

“模拟电子技术基础”课前后知识衔接紧密, 如果基础打不好, 即使学完这门课也还是个门外汉。打好基础就要先入门,解决这个问题的关键是要找好知识点,针对知识点, 下大气力, 采取各种有效手段, 直到学生弄明白为止。千万不能在此吝惜时间。学生只要入了门, 后面会一通百通。入门阶段要解决的问题包括:(1)半导体的相关物理知识;(2)PN结的形成与特性;(3)半导体二极管特性与应用;(4)三极管的电流放大作用及输入输出特性曲线;(5)基本共射放大电路分析。而真正的难点集中在(4)和(5)两处知识点。下面重点阐述这两个难点的教学策略。

一、三极管的电流放大作用及输入输出特性曲线

1.三极管的电流放大作用

这部分教学内容是整个“模拟电子技术基础”的入门基础,涉及到微观粒子的运动,学生感觉很抽象,难以理解,而这部分内容对于学生很好地理解三极管的外部特性至关重要,讲解时要注意:(1)尽量避免一次罗列太多的概念,以免让学生望而生畏, 挫伤学习积极性;(2)用打比喻的方法使抽象变得具体, 如三极管内载流子的运动可用水流等进行模拟;(3)给出明晰的流程图,以便在学生头脑里建立一个主流的概念,即发射区发射—基区复合与传输—集电区收集。这样化繁为简,清晰明了,学生就不会感到太难了。

为了讲解三极管的电流放大作用,首先要研究三极管处在放大区域应该在外部加上什么样的条件,还要讲加上这样的条件原因是什么,同时要结合三极管的内部特点来讲解。为了说明三极管工作在放大区域的放大作用,需要讲解它的内部载流子的运动,这部分内容要抓住内部载流子主流方面的运动,即围绕发射区发射大量自由电子这个主流来讲。内部载流子的运动分析完以后,马上由内部运动转到外部电路的表现,即三个极的电流关系:IE=IB+IC,从内部看也就是发射区发射电子的数目等于所复合掉的数目和漂移的数目之和。从分析中我们也可以体会到因为发射了大量的电子,复合掉的是极少数电子,即IB是个很小的电流,而看到的IC,就应该是一个很大的电流。这样,可以看到一个现象:从三极管的基极注入一个小电流,就可以在它的集电极获得一个大电流,我们就把这样一种作用叫做三极管的电流放大作用,用电流放大系数来描述这种放大关系,从而引出IB与IC的关系:IC=βIB。

2.三极管的输入输出特性曲线

以基本共射放大电路讲三极管的输入输出特性曲线,可以先画出曲线的测试电路,以增加学生的感性认识,并加以讲解。输入特性曲线描述的是基极电流IB与发射结电压UBE之间的函数关系,讲解起来比较简单,这里不再赘述。输出特性曲线描述的是集电极电流IC与管压降UCE之间的函数关系,曲线较为复杂,学生不易接受。

输出特性曲线是一族曲线,通过选取不同的IB,我们可以得到很多条输出特性曲线,为讨论方便可以选择一条曲线,如取其中IB=C(不太小)的一条曲线,如图1所示,并把它分成四个部分:原点O,曲线OA,A点,曲线AB分别进行讨论。再引出完整的输出特性曲线。如图2 所示。

二、基本共射放大电路分析

三极管的放大原理是“拟电子技术基础”课的一根主线,后续内容围绕此展开,对于这部分内容,有人曾这样描述:如果把学习“模拟电子电路”比作走一段路,那么分析三级管的放大原理便是这段路上的一块沼泽地,一不小心,便会陷进去,从而对学习“模拟电子电路”失去信心,但只要走出这块沼泽地,前面便是一片平坦大道。由此可见其难度和重要性。

讲这部分内容,关键是要讲清两个问题:一是“放大电路中、交直流并存”。交流指什么?为什么还有直流?两者并存是怎么一回事?这一连串的问题务必要给学生讲得明明白白,决不能似是而非。笔者是这样讲的:交流是三极管要放大的信号,如声音信号。然而这个交流信号不能直接进入三极管进行放大,因为三极管有三种工作状态:截止、放大和饱和状态。只有当三极管处于放大状态时才能进行信号放大,而要保证其处于放大状态,必须首先在外部给它加上大小合适的直流电源,使其发射结正偏,集电结反偏,即处于放大状态。同时该直流电源又是三极管放大交流信号的能量来源。因此,三极管放大信号时,电路中是交直流并存——直流是开路先锋,是驮载交流信号的基石,而交流才是三极管要放大的对象。通过这样言简意赅、形象通俗的描述,学生很容易接受。

二是设置静态工作点的必要性。什么是静态工作点?为什么要设置静态工作点?一定要把这些问题讲清楚。对于放大电路来讲,基本的要求,一个是不失真,第二个是要放大。只有在不失真的情况下,放大才是有意义的。或者可以这么说,如果放大电路已经产生失真了,那么就谈不上放大了。通过对放大电路的分析,我们可以看到,即使输入的电压等于0的时候,三极管还有电流存在,而这个电流是由于直流电源Vcc的作用产生的,这样一些直流信号,就叫做这个放大电路有一个静态工作点。即指当输入信号等于0的时候,三极管的基极电流IB,集电极电流Ic,发射极电压UBE,管压降UCE。这四个物理量在我们初学的时候,为了区别动态的信号,引起了这些物理量的变化,常常要把这个IB写成IBQ,Ic写成ICQ,UBE写成UBEQ,UCE写成UCEQ。这个Q就是静态工作点。

为什么要设置静态工作点呢?为了说明这样一个问题,我们不妨给学生举一个反例来说明,假如电路中没有设置静态工作点将会发生什么现象?如图3所示。

把图3和基本共射放大电路相比较,它没有从Vcc到基极B的一个通路,因此,当Ui等于0的时候,这支管子的IB就是0,那么必然的它的Ic也是0,CE之间的电压就是Vcc,我们可以得到结论:它的IBQ=0,ICQ=0,UCEQ=Vcc。如果这时给它一个正弦信号Ui,而且C1取得足够大,即C1上没有交流压降,那么这时BE之间的电压就是所加的这个正弦电压。显然,当Ui正半周时,管子的发射结加的是一个正向电压,但是并不意味着它一定导通,只有当正半周的信号已经大于发射结死区电压的时候,才有可能有IB产生;而当该信号的负半周发射结所承受的电压是反向电压时,三极管处在截止状态。通过分析,不难得出这样一个结论:三极管的IB电流肯定不是正弦波,因而它的Ic电流也肯定不是正弦波,它的输出电压就更不可能是正弦波了,所以Uo肯定会产生失真。假如一个电路肯定产生失真,那么它就谈不上是放大了。由此我们就可以知道,只有在输入电压的整个周期内,三极管都工作在放大状态,输出电压才不会产生失真。而在图3电路中,不失真是不可能的,从而得出必须给放大电路设置合适的静态工作点。

三、结论

在“模拟电子技术基础”教学中,重视入门教学是讲好该课程的关键,只有把前面重要知识点讲懂讲透,让学生快速入门,后面的课程才能顺利进行。另外,教学活动中教与学是相互依存的互动关系,如何调动学生的学习积极性、自觉性和主动性,也是教学效果好坏的一个关键问题,在强调这门课重要性的同时需要采取各种教学手段,比如课堂提问、习题讲解、选取部分内容进行课堂讨论等等,以提高学生学习的主动性,激发学生的学习热情。

参考文献:

[1]康华光,陈大钦,张林.电子技术基础(模拟部分)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]孙肖子,张企民.模拟电子技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[4]王远,张玉平.模拟电子技术基础[M].北京:机械工业出版社,2008.

(责任编辑:刘辉)

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