对静态工作点稳定电路教学设计的研究和改进
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摘 要 静态工作点电路是“模拟电子技术”课程的重点和难点。传统的教法中注重理论分析和推导过程，但电路中信号的变化是一抽象过程，在初学时学生理解困难，讲授难度大。本文针对传统教学中存在的问题，将仿真软件Multisim应用到教学过程中，将抽象难于理解的内容，通过仿真图形化展示，同时合理设置教学过程环节，有助于培养学生发现和解决问题能力。
关键词 静态工作点 教学方法 Multisim仿真 模拟电子技术
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.12.057
Research and Improvement of Static Operating
Point Stabilizing Circuit Teaching Design
WANG Junqiang[1]， WU Jing[2]
（[1] School of Physics and Electronic Information， Luoyang Normal University， Luoyang， He"nan 471022；
[2] Information Engineering College of He"nan University of Science and Technology， Luoyang， He"nan 471000）
Abstract Quiescent operation point is important and difficult "Analog Electronic Technology" Course. The traditional emphasis on teaching the theoretical analysis and derivation， but the change in the signal circuit is a process of abstraction， in the beginner students to understand the difficulties， teaching difficult. In this paper， the traditional teaching of the problems， the simulation software Multisim applied to the teaching process， difficult to understand the contents of the abstract， the simulation graphical display， while setting a reasonable part of the teaching process， to help students discover and problem-solving skills.
Key words Static Operating Point； teaching methods； Multisim simulation； Analog Electronic Technology
0 引言
“模拟电子技术”是一门理论性和实践性都很强的课程，也是电子信息类专业一+门重要的专业基础课。该课程特点为非线性、复杂性、工程实用性，因此在对电路进行分析计算时，要从实际出发，抓住主要矛盾，用工程的观点进行估算，弄清楚电路的实质，这需要根据该课程特点，不断采用新的教学方法，将计算机仿真技术应用在课程教学过程中。①本文将根据该模拟电子技术课程中放大电路静态工作点稳定一节教学内容中采用的教学方法进行讨论。
1 存在的问题
本节内容的难点是理解什么是静态工作点？静态工作点对放大电路会产生什么样的影响？如何合理地设置静态工作点？但放大电路中的静态工作点是一个抽象的概念，不易理解。传统的教学思路如下：首先分析电路图，接下来对该电路模型进行定量的分析计算；最后进行验证性实验。按此做法理论教学与实验教学相分离，教学效果较差，学生学习的积极性不高，整个教学过程中学生只是被动接受，很难调动学习兴趣。
学生在学习该章节过程中，存在一些预期的学习困难，其一、放大电路受温度影响三极管参数的变化，温度对双极型三极管参数的变化是一个极其微观的过程，其特性参数需要通过专业设备进行测量，在教学过程中不可能采用此种方法，并且学生在初级学习阶段，不理解其特性参数变化的意义，也不关注元器件参数的选取及变化。其二、放大电路静态工作点不便于观察，理解抽象。静态工作点是一个抽象的概念，并且现实生活中可以观察到的一个点，因此学生在学习的过程中往往不理解，太抽象，观察不到具体的静态工作点，因此也很难理解静态工作点对放大电路的作用，在合理设置静态工作点时显得更加无从下手。②
2 仿真技术在教学中应用
为了更好地分析问题，通常会借助于计算机进行仿真，模拟各种情况，进而对问题对比分析找出原因。在本节内容的教学过程中，将理论分析和Multisim电路仿真相结合，可增强学习兴趣，从而让学生快速掌握教学内容，提高课堂效率。在本节授课过程中，通过采用图示法、逻辑分析法和对比分析等多种方法，并通过Multisim仿真分析，能够准确观测电路中信号的变化，从而达到快速理解并掌握课程内容中的重难点知识。③将Multisim电路仿真软件应用于本节内容的教学过程中，可以改善教学方法，提高教学效率，达到良好的教学效果。④
（1）动态观测和图形化显示。首先搭建自给偏压式共射极放大电路电路模型，然后借助于Multisim仿真软件进行电路仿真，观测电路中电压、电流参数的变化情况，并且通过软件中示波器窗口功能显示电路中信号波形的变化，让学生进一步加深理解静态工作点在放大电路中的重要作用。
（2）通过对比分析，快速查找原因。在进行放大电路分析时，一般不易发现具体存在的问题，本节内容将自给偏压式共射极放大电路、分压式静态工作点稳定电路两个放大电路放在一起进行对比分析，并通过Multisim仿真软件中模拟双极型三极管在受到外界温度变化时放大倍数的改变，进而观测放大倍数受温度变化的情况下电路中信号的波形变化，电路仿真结果表明，分压式静态工作点稳定电路实现了静态工作点的稳定，而自给偏压共射极放大电路却出现波形失真，从而说明静态工作点的对放大电路的作用。
3 教学过程设计
首先整体了解课程内容和知识结构，然后将各知识点有机地联系起来，从而有效地组织教学过程。本文中静态工作点稳定电路教学过程如图1所示，从提出问题入手导入课程，然后分析其原因，继而寻找解决方法，最后对方法进行仿真验证。
3.1 创设情境，提出问题
为了更加形象准确地说明静态工作点的对放大电路的重要性，在课程开始前准备一个的基本放大电路板，并且该放大电路的静态工作点可调。操作步骤分以下几步：首先给放大电路板通过直流稳压电源提供5V直流电，然后在调整设置信号源输出一恒定频率的正弦信号，将该恒定频率的正弦信号接入基本放大电路板的信号输入端，然后通过示波器的两个通道分别观察输入和输出信号的波形。为了提高课堂教学效率，在电路设置时提前调整放大电路中的电位器将放大电路调设成底部失真的形态，基于此种现像，提出问题：放大电路出现底部失真原因是什么？
3.2 分析问题，查找原因
为了查找出现该失真的原因，首先分析放大电路的组成，根据电路结构并从内因和外因两个方面进行。静态工作点不稳定的外因主要是由于放大电路所处环境温度的变化，导致放大器件的放大倍数发生变化；静态工作点不稳定的内因主要以下两个因素：（1）BJT三极管是一种热敏性器件，温度变化对其性能有一定的影响；（2）BJT三极管具有非线性的特性。
在放大电路工作过程中，外界温度变化时，静态工作点随之发生移动：当温度升高时Q点动态上移，当Q点上移超出线性放大区时放大电路就会出现饱和失真，温度降低时Q点动态下移；当Q点下移超出线性放大区时会出现截止失真。
3.3 提出解决方法
根据放大电路出现失真的情况和原因，从以下方面进行改进和解决：外因方面，如保持放大电路的工作环境温度恒定不变，但该项措施在现实中基本不会采用；内因方面：（1）选择具有良好温度系数的放大器件，如场效应MOS管，该措施可行，但成本会比传统的晶体管稍高一点；（2）合理设计改进放大电路结构，实现放大电路静态工作点的自动调整。通过分析，本节内容重点从从放大电路结构进行改进，实现放大电路静态工作点的稳定。
3.4 搭建模型，仿真验证
从理论分析角度，得知分压式的静态工作点稳定电路是可以有效地实现静态工作点的稳定，为了更好了解稳定效果，接下来通过计算机软件进行仿真测试。
鉴于此，在课程教学过程中，引入计算机仿真软件multisim对电路进行仿真验证，观察信号的波形变化情况，首先搭建单管共射极放大电路和分压式静态工作点稳定电路模型，⑤图2所示为单管共射极放大电路模型；然后模拟由于外部环境温度发生变化，三极管的参数随之变化，设定三极管放大倍数 值为相应的数值；运行仿真软件，通过虚拟示波器观察波形变化情况，同时测量晶体三极管基极、集电极和发射极电压情况。
仿真测试结果数据表明，温度变化时，分压式静态工作点稳定电路中 △UBEQ、△UCEQ远小于单管共射极放大电路，底部和顶部失真现象消除，放大电路的静态工作点稳定。
在此教学环节，教师应及时讲解，适时归纳，引导学生完成教学目标。
4 总结
静态工作点电路是模拟电子技术课程中较抽象、难易理解的一节重要内容，传统的理论教学的过程中枯燥，很难激发学生学习兴趣。将计算机仿真技术应用到教学过程中，首先可通过仿真分析使电路中信号波形的形象展示出来，并结合理论进行讲授可达到良好的教学效果；其次通过计算机仿真让学生感受实际的问题，从教学中培养解决问题的方法和能力，理论与和实践结合，对培养学生工作和学习的方法中具有重要意义。
资助项目：河南省教育厅科学技术项目（14A510012）
注释
① 秦新燕，王晓明.Multisim在模拟电子技术教学中的应用[J].湖北第二师范学院学报，2010（2）：100-102.
② 王峰.模拟电子技术教学的几点思考[J].计算机教学与信息化，2010（9）：2191-2193.
③ 夏陆，张晓梅，赵琳.仿真实验在模拟电子技术教学中的应用[J].中国教育技术装备，2010（6）：89-90.
④ 王树斌，吴新华.计算机仿真软件在模拟电子技术教学中的应用[J].软件导刊，2008（4）：132-133.
⑤ 杨素行.模拟电子技术基础简明教程（3版）[M].北京：高等教育出版社，2006.