从工程意识培养谈《模拟电子技术》的教学改革*

彭佳卉，郭彩萍

(太原工业学院电子工程系，山西 太原 030008)

《模拟电子技术》(简称《模电》)是电子信息、通信工程、自动化等相关专业的一门专业基础课程，是本科培养方案中的重要环节之一。该课程具有较强的工程性、实践性等特点，因此，在构建学生电子技术基础理论、基本技能和设计创新能力方面起着非常重要的作用。但以往的教学多以教师灌输为主，学生普遍学习主动性不足，这也使得他们对课程知识的理解仅局限于分散的知识点层面，不仅缺乏对其整体性、系统性的认知和理解，更加缺少对电子技术应用层面问题的考虑[1]。于是，如何培养和增强学生电子技术的理论和应用技能，使他们成为既能综合应用现代科学技术理论，又具备现代工程意识的技术人才，成为了高等院校特别是高等工科院校急需研究解决的问题。

1 工程意识培养的目的及意义

从工程上看，模电课程主要分析电子系统中的模拟电路部分。实际的工程电子系统往往是较为复杂的，因此，为了从理论上更快、更好地了解实际电子系统的性能，就需要加强学生“工程意识”的培养。“工程意识”能够指导学生从工程角度分析问题，即采用模块等效的分析方法，先对一些实际的电子元器件及线路进行模型化处理，并根据系统的工作状态和特征用线性方法略去次要成分，简化电路模型，再利用基本的定理、定律和网络分析方法进行分析[2]。虽然模型等效的分析方法会带来一定的误差，但大多数电子元器件参数具有离散性，一味追求分析精度自然失去了实际意义。

综上所述，“工程意识”的培养对学生学好《模电》课程具有重要意义[3]。

2 模电中工程意识培养的方法

2.1 工程意识启蒙

学生工程意识的培养应该贯穿模电课程教学的整个过程。在绪论教学中引入学生熟悉的扩音机系统作为工程案例，能激发学生的学习兴趣使工程意识觉醒。

扩音机是生活中一种常见的电子系统，从电路角度来看，它实质上是一个音频功率放大器。图1是电子分频扩音机的电路方框图，整个系统包括麦克风放大器、电子三分频器、功率放大和保护、电源电路等部分。

图1 电子分频扩音机电路方框图

下文将主要从电子分频器电路中的基础模块入手，以二极管及集成运放元件为例来具体阐述如何应用工程分析方法，培养工程意识。

2.2 引入案例培养工程分析方法

2.2.1 二极管的工程分析

二极管是《模拟电子技术》中的基础器件之一，在整流、检波、限幅等电路中应用非常广泛，也是电源电路的重要组成部分。其伏安特性曲线描述的是二极管两端的电压uD与通过二极管的电流iD之间的关系，如图2所示，其正向特性为指数曲线，反向特性为横轴的平行线。具体表达式为：iD=IS(eud/UT-1)，式中IS为二极管的反向饱和电流，UT为温度电压当量，在T=300 K时，UT=26 mV[4]。

图2 二极管的伏安特性曲线

由图2可以看出，二极管是一个非线性元件，直接分析计算比较复杂，因此为了简化分析，可用线性元件组成的电路来模拟二极管，使线性电路的电压、电流关系与二极管外特性近似一致，从而构成二极管的简化电路模型，如图3所示。

图3 二极管简化模型

1) 理想模型

二极管正向导通时，其正向压降为零；反向截止时，认为反向电阻为无穷大，反向电流为零。此时二极管等效于理想开关。

若电路元件允许忽略导通压降、导通电阻及反向漏电流，或电源电压远远大于二极管的正向压降时，可采用此模型。

2) 恒压源模型

二极管的正向压降为常数、反向电阻为无穷大、反向电流为0。此时二极管可以用一个理想二极管串联一个恒压源UON表示。

若电路元件允许忽略导通电阻及反向漏电流，或二极管的电流大于1 mA时，二极管的压降近似恒定为0.7 V，即可采用此模型。

3) 折线模型

二极管的折线模型即管压降与通过二极管的电流呈线性关系，反向电阻无穷大、反向电流为0。折线模型是修正后的恒压源模型[5]。

2.2.2 二极管模型的工程应用

在电路分析时，一般需根据实际要求，选择合适的工程简化模型。模电教学中可以基于下述电路案例，灵活应用简化模型，完成二极管电路的工程分析，从而进一步说明工程意识在电路分析的过程中具有重要指导意义。

案例：在电子分频扩音机电路系统中，若要对采集到信号的幅值进行处理，则需将信号送入限幅电路，利用二极管的作用来防止信号电压超过限定值，电路图如图4所示。

图4 二极管限幅电路

在图4电路中，假设输入信号uI为正弦信号，当uI反向输入时，二极管处于截止状态，此时输出电压uO随uI的变化而变化。反之，uI正向输入时，其电压值是时间的函数，当uI值小于二极管的导通电压时，二极管处于截止状态，uO变化与反向输入时相同，而当uI值大于二极管的导通电压后，二极管即进入导通状态，此时输出电压uO的值由E决定。对该电路分别用二极管的理想模型及恒压源模型进行等效，可以对比得到uO的不同结果，如图5所示。

图5 两种模型结果对比图

综上所述，在模电教学电路的设计过程中，可以根据要求，构建不同工程模型，通过合理的工程近似，将问题简化。

2.2.3 集成运放的工程分析

集成运放是集成运算放大电路的简称，它具有高电压放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，是《模电》课程的核心内容。集成运放电路的工程应用、工程设计研究等有助于培养学生的工程分析意识[6]。

集成运放有线性和非线性两种工作方式，实际应用中，当集成运放电路外接深度电压负反馈后，即可以理想工作在线性范围内，此时集成运放可作为理想运放分析，其输出电压与输入电压的运算关系呈线性变化且仅取决于外接负反馈网络与输入端阻抗的连接方式，与运放本身无关[7]。

理想运放具有以下特点：运放开环电压放大倍数A→∞，共模抑制比CMRR→∞，输入阻抗Ri→∞，输出阻抗Ro→0。由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般为十几伏，因此，运放的差模输入电压不足1 mV，可视为两输入端电位近似相等，相当于“短路”，即u+=u-=0，且开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近[8]。当然这一现象并不是真正的短路，而是虚假短路，简称“虚短”。同时，由于实际运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1 MΩ以上，远大于信号源内阻，所以流入运放输入端的电流往往很小，几乎为零。故在对运放进行分析计算时，通常可忽略掉这个很小的输入电流，把运放的两输入端视为断路，即i+=i-=0，且输入电阻越大，两输入端越接近断路[9]。同样的，这一现象也不是真正的断路，而是虚假断路，简称“虚断”。一般地，市场上正规的运放成品在工程计算上，都把它视作理想运放，因此“虚短”和“虚断”的合理利用，可以大大简化集成运放电路的分析。下文将以电压跟随器电路为例进行说明。

2.2.4 集成运放的工程应用

图6所示为电压跟随器电路，其中(a)图为实际电路图，(b)图为考虑虚短虚断后的等效电路图，根据等效电路，很容易得：u0=u-=u+=ui。

图6 电压跟随器电路

对该电路输入10组不同的输入信号测量输出信号并记录分析，实验结果表明，集成运放的工程模型和分析方法方便有效，工程误差在允许的范围之内。

由上例可见，从工程的角度，合理利用“虚短”和“虚断”，忽略次要问题，能够大大实现计算的简化。

3 结语

工程意识的培养贯穿了整个《模拟电子技术》课程的教学过程，针对具体要求，培养学生在分析中能够抓住主要矛盾，灵活采用假设、近似等处理手段，合理构建理想模型，将复杂问题简单化，从而达到高效解决工程问题的目的，同时提高模拟电子技术的教学质量。