“模拟电子技术”课程教学内容改革探讨

张 林，邓天平

(华中科技大学电子与信息工程系，湖北武汉430074)

“模拟电子技术”课程是电气、电子信息类和部分非电类专业本科生在电子技术方面入门性质的专业基础课，具有自身的体系和很强的实践性[1]。其实践性的重要表现之一是课程内容与实际应用紧密相关，对学生实践能力培养有重要的影响。目前课程教学内容比较注重知识体系的完整性，而实际应用方面的内容相对偏弱，导致课程教学与实际应用脱节，严重影响课程教学质量。本文从该课程教学内容改革入手，探讨提高其教学质量的方法。

1 教学内容改革的必要性

目前“模拟电子技术”课程教学中至少存在以下两个与教学内容相关的问题。

(1)教学内容与实际应用脱节

电子技术发展至今，集成电路早已在各行业普遍应用。就我校而言，开设“模拟电子技术”课程的有电信系、自动化学院等八个主要院系，除了与集成电路设计制造有关的部分专业对三极管电路要求较高外，目前模拟电子技术在这些院系的大多数专业的应用基本上是集成模拟器件的应用，其中最基本的是集成运算放大器的应用，但实际运放(非理想运放)应用的相关内容(将其作为一个实际器件应用)在本课程中安排偏少，而且这些专业后续课程中也少有如何用好集成运放的相关问题介绍，导致教学内容与实际应用严重脱节，对学生工程实践能力培养造成负面影响。

(2)有限的学时限制了教学内容的持续扩充

尽管模拟电子技术的发展远不如数字电子技术那样快，但是从来没有停止过，其重要表现就是集成电路的发展。实际上在“模拟电子技术”课程教学中很早就提出了以集成电路为主干的思路，但由于教学学时的限制和普遍追求课程知识体系的完整性，使得当前实际教学情况距离这一目标仍有较大差距。体现知识体系完整性的一个重要方面是学生需要学习集成运算放大器内部所有的三极管电路，为此花费了很多时间。

就目前情况而言，最佳的方案是学完了集成运算放大器内部所有三极管电路后，再加强实际运放(非理想运放)的应用知识，从而即保持了知识的完整性，又密切了与实际应用的联系，这样做意味着课程需要增加学时。实际上国外经典教材[2]的前言中就建议，教材内容分两学期学习，每学期需40-50学时。可见国外高校学习这门课程内容的学时数并不比我们少，是比较合理的。但是增加学时对我们来说显然是行不通的，因此要解决与实际应用脱节问题就需要对教学内容进行改革。

2 教学内容改革思路与方法

2.1 缩减分立元件电路内容

“模拟电子技术”课程的核心内容是放大电路，目前课程中有关放大电路的内容包括分立元件构成的放大电路(如单管放大电路、多级放大电路、差分式放大电路)、集成运算放大器构成的各种放大电路和由三极管和集成运放构成的功率放大电路、反馈放大电路等。缩减这部分内容是一件非常困难的事情。但是，目前模拟电子技术在各行业的应用绝大多数是集成电路的应用，因此课程内容压缩的重点应放在三极管电路方面。课程内容至今仍包含较多分立元件电路的主要原因是，它们是构成集成电路的基础，只有掌握了这些知识，才能更好的理解和应用集成电路。当然这种观点不无道理，但是为了解脱当前课程教学困境，在有限学时情况下，缩减分立元件的相关内容，是权衡利弊后做出的一种更好的选择。

我们认为，学习三极管电路至少有三方面的需求:①学习有关放大电路的基本概念、基本原理、基本分析和设计方法，以及基本电路;②在工程实际中直接应用，包括开关状态下的应用，通常这种应用并非是复杂的多级放大电路;③为学习集成电路内部电路和设计集成电路打下良好基础。因此，为了既保证课程的基础性(基本概念、基本原理、基本方法和基本电路)，又适应当前实际应用情况，缩减服务于集成电路的分立元件内容(包括复杂的多级放大电路)是我们遵循的原则。

依据该原则，可以压缩和删减差分式放大电路、电流源电路以及复杂的多级放大电路，缩减反馈放大电路中分立元件相关电路。在教材处理上可将有些内容移至相关章节之后作为附录。当然，这样做可能会影响一些重要基本概念的学习，如差模信号、共模信号、差模增益、共模增益、共模抑制比和零点漂移等。实际上也可以尝试依托集成运算放大器外特性来介绍这些概念。这种改变适合绝大部分专业学生的培养目标要求，而对于与集成电路设计制造有关的部分专业，也准备了必要的入门知识。

2.2 加强实际集成运算放大器应用知识

模拟电子技术发展至今，大部分专业都应该将集成运算放大器当作一个基本器件来应用。目前课程教学内容中，关于集成运算放大器的应用主要是将其作为理想运放的应用，实际上这距运放的实际应用仍有较大差距。

为了将教学内容与实际应用紧密结合，我们认为需要加强以下几方面内容:①实际运放参数带来的影响，这些参数包括输入直流偏置和失调、有限增益、有限共模抑制比、有限带宽、转换速率、轨到轨输入/输出、噪声等;②运放使用中输入端的直流通路问题;③运放在单电源下工作问题;④其他类型的运算放大器，如互导型(电流输出型)、互阻型(电流反馈型)和全差分型等。这些内容都是放大器应用的基本知识，但在目前课程教学内容中却明显缺失，而在各专业后续课程中也没有专门的讨论。

2.3 互换BJT和MOSFET角色

在当今教学内容中是否需要将MOSFET置于比BJT更优先的位置?这一问题已困扰很久，为此我们调研了业界发展情况和国外相关教材情况。

(1)业界发展情况

由于集成运算放大器是模拟电子技术中最具代表性的器件，所以我们重点调研了全球业界最具代表性的三大模拟IC厂商——德州仪器(TI)、意法半导体(ST)和亚德诺(ADI)--现有的运算放大器制造工艺情况，查阅了它们网站上公布在产的近2000款集成运算放大器，对2000年以后上市的运算放大器的不同新品占比发展趋势进行了统计，其结果如图1 所示[3～5]。

由图上看出无论哪家厂商，从2005年左右开始，新上市的BJT运放占比开始下降，而CMOS运放的新品占比开始上升，而且到目前为止，CMOS新品占比均已超过BJT 2倍以上，成为绝对的主流工艺。这意味着CMOS工艺不仅在数字IC中全面取代了BJT工艺，在模拟IC中也已占据了统治地位。

图1 三大模拟IC厂商运算放大器不同工艺新品占比趋势

(2)国外相关教材情况

就MOSFET和BJT之地位问题，我们也试图从国外相关教材中获得启发，为此我们查阅了表1所示的9本国外教材。这些教材大都是国际知名学者的优秀经典之作，且为国外高校广泛采用。

这9本教材关于MOSFET与BJT先后次序情况见表1最后一列。从中看出:①有3本最初版本是BJT先于MOSFET，后来修订版改为MOSFET在前，且最后出版年份都在2004年以后;②有3本开始就是MOSFET在前;③只有3本是BJT先于MOSFET，但这3本书的最后出版年份都早于2003年。可见在教材中将MOSFET置于BJT之前已是一种趋势，显示了MOSFET的重要地位，这也意味着教学内容的变化趋势。

通过上述的比较与分析，可以看出，MOSFET的地位变得越来越重要，并逐渐取代了原来BJT的位置，成为模拟电子技术中主要的内容(至少不弱于BJT)。因此我们的教学内容也应该做出相应的调整互换BJT和MOSFET角色，顺应这一趋势。这样做还有一个好处是更加有利于数字电子技术课程的教学。

表1 9本国外教材中关于MOSFET与BJT先后次序情况

2.4 教学内容改革方案

为便于比较，首先列出当前主要教学内容:①绪论;②运算放大器及其基本运算电路;③半导体二极管及其基本电路;④BJT及其放大电路;⑤FET及其放大电路;⑥模拟集成电路(电流源、差分式放大电路、集成运算放大器及主要参数和对应用电路的影响);⑦反馈放大电路;⑧功率放大电路;⑨信号处理与信号产生电路;⑩直流稳压电源。

下面是改革后主要教学内容。

(1)基本不变的内容:①绪论;②运算放大器及其基本运算电路;③半导体二极管及其基本电路;⑧功率放大电路;⑨信号处理与信号产生电路;⑩直流稳压电源。

(2)MOSFET与BJT内容地位互换:④BJT及其放大器(简略);⑤FET及其放大电路(以MOSFET为主，缩减服务于集成运放内部电路的内容)。

(3)加强集成运放实际应用内容:⑥集成运算放大器(缩减电流源和差分式放大电路内容，补充加强非理想参数带来的影响，如失调电压、失调电流、偏置电流、共模抑制比、转换速率、轨到轨输入/输出、噪声，以及输入端直流通路、运放在单电源下工作等问题);⑦反馈放大电路(缩减分立元件相关内容，补充环路增益带来的误差及对带宽的影响，其他类型的运算放大器等)。

3 结语

本文针对目前“模拟电子技术”课程教学中存在的问题，分析了与教学内容相关、影响教学质量的因素，提出了在当前学时数限制下，调整课程教学内容的思路与方法，为摆脱“模拟电子技术”课程教学困境寻找一条可行的途径。尽管这一改革方案会部分影响知识体系完整性，但可以较好地解决课程内容与实际应用脱节的问题，这也是在当下课程教学改革中更好的选择。

[1]教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会.电子电气基础课程教学基本要求[M].北京:高等教育出版社，2011

[2]Adel S.Sedra and Keneth C.Smith.Microelectronic Circuits 6th ed[M].New York;Oxford Univesity Press，2009

[3]TI运算放大器:http://www.ti.com.cn/tihome/cn/docs/homepage.tsp

[4]ST 运算放大器:http://www.stmicroelectronics.com.cn/web/cn/catalog/sense_power/FM123/SC61