直观类比法在电子技术课程教学中的应用

丁宏 黎翠凤 王洪刚

作者简介：丁宏（1965.09），男，鲁东大学信息与电气工程学院教师（264001），工学博士，副教授，从事高低频电子技术及信号处理方面的研究。

摘要：电子技术是工科电类专业多年来学生反映比较难学、教师觉得比较难教的一门课程。特别是一些需要较强的理论基础和逻辑思维能力的问题的理解会存在一些困难。本文的几位作者从事了多年本课程教学，经摸索总结，发现采用直观理解、简单类比的方式往往能使学生很快掌握、不易忘记。本文具体总结了晶体管电路分析时用到的交直流通路的类比画法以及分立元件电路反馈的判别与集成运算放大器的简单类比法，经过在教学过程中的检验及对学生学习效果的跟踪，证明这些方法在教学大纲中规定的指标点及指标达成度等方面起到了较好的作用。

关键词：类比法;直流通路;交流通路;反馈模式

一、引言

分立元件（三极管、场效应管）电路的工作原理是本课程的基础，也可以很好地解释常用的模拟集成电路的一些外部特点，如反相（同相）输入端与输出电压反相（同相）等等，这些问题仅在集成运算放大电路的章节里是较难阐述得很清楚的。教学中，历届的学生也有很多在这些地方产生疑问，因此使学生对分立元件电路原理准确熟练掌握有助于学生对这门课程的总体把握。而在有限的学时下，采用直观、易于理解的方式对分立元件的一些工作原理进行剖析和阐述就显得事半功倍了。

二、三极管交直流通路的获得

对于如图1所示的三极管共射极放大电路，对其进行静态和动态分析时，通常需要画出其直流通路和交流通路。

画直流等效电路的原则是：

（1）电容断开;

（2）去掉因电容断开而不构成回路的元件。于是得到如图2（a）所示的直流通路。

画交流等效电路主要原则是：

（1）电容短路（电容值足够大）;

（2）直流电源对地短路。

对于画交流等效电路的原则（2），若干参考文献[1][2][3]的解释通常是因理想电压源电压无波动（即无交流量），而其内阻也很小，因此对交流信号来说相当于短路，如图2（b）。这个论述和据此而画出的交流通路当然是正确的，但一些学生却难以理解：内阻很小为什么就把直流电源直接短掉了呢，或者说Vcc的符号怎么就可以消失了呢？做为初学者的学生，授课教师仅仅这样解释似乎还不能让他们感到明了。

为此，课程组总结出了一个直观、易于理解的方法。首先，从概念出发：既然直流通路是仅有直流信号得以通过回路，而本电路的所谓直流信号就只有直流电压源Vcc。

既然交流通路是仅有交流信号得以通过回路，而本电路的所谓交流信号就只有输入信号Vi。因此，可以利用学生已学的《电路分析》相关知识——叠加原理——进行类比。

叠加原理所描述的是：当两个电压信号（Vi1、Vi2）同时作用于电路的输入端时，电路的输出端所得到的信号是这两个输入信号分别作用的效果的叠加。而具体计算的时候则是分别进行计算，即假设只有Vi1起作用，此时Vi2=0，;如果是Vi2起作用，则Vi1=0。这个方法刚好应用于本问题上。

于是把本问题类比成是两个信号（Vcc和Vi）同时作用于电路（图1），由叠加原理，当只有Vcc作用于电路时，Vi=0，因电路中只有直流信号，所以电容相当于开路，于是得到图2（a），即直流通路;当只有Vi作用于电路时，VCC=0，因电路中只有交流信号，所以电容（“足够大”为前提）相当于短路，而既然Vcc=0，自然相当于Vcc短路。便得到了如图2（b），即交流通路。這样由叠加原理的类比就可以很直观且比较容易理解地得到交流通路了。

三、反馈电路中分立元件反馈类型的直观理解

分立元件的反馈类型判断相对集成运算放大器来说要难一些，比如正（负）反馈、串（并）联反馈、电流（电压）反馈的判别。课程组这样解决：如图3，分析反馈效果时，可以把一个三极管类比包装成运算放大器，而通常此时三极管放大电路的集电极做为输出端。

具体分析反馈时，可依据下面的方法：当基极作为输入端、集电极做为输出端时，与图1的共射极放大电路相比拟。此时的基极可认为是反相输入端，因为其与输出端（集电极）的相位是相反的;而此时的发射极则可以认为是运放的另一个输入端——同相输入端，因为以发射极为输入、集电极为输出的三极管放大电路是共基极组态的放大电路，这种组态发射极与集电极的相位是相同的。于是一个三极管就被类比成了如图3所示的一个运算放大器。其净输入电流是ib，净输入电压是Vbe，有反馈到来，如果使ib或Vbe减小，这就是负反馈，反之就是正反馈。这样再运用对集成运算放大器的判断方式，很多问题迎刃而解。诸多分立元件反馈模式的判断均可用此法。

四、结论

类比法直观地应用在教学中的上述几个环节后，学生在这些环节的问题理解和解决相关问题的能力等方面迅速得到了提高。作者将2015年以来的历届学生的期末考试成绩做了统计调查，特别关注了这些试卷中与类比法相关的问题的得分率及教学大纲中的相关目标达成度。数据对比列在了表1中。

在表1的第一行中，K1代表三极管电路分析考核点，K2代表反馈分析考核点，分值则表示此题满分分数;被统计的试卷来自通信工程及电子信息工程两个专业的本科生。每个专业每届2个班，每班37-41人。从2014年的秋季学期开始统计（我校每年的秋季学期开设模拟电子技术课程）。其中，2014-2015-1学期，课程组还没有明确统一使用类比的授课方式。该方式从2015-2016-1学期开始使用。表中（不连续）统计了其后几年的教学效果。从表中可以看出，从2016年开始至2020年，各项指标均明显强于2015年（第一行数据）。同时，从讲述相关部分内容时课堂互动的分析解题速度及互动效果也能看出学生掌握的更加坚实了。

参考文献

1 康华光.电子技术基础模拟部分（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2013

2 孙肖子，模拟电子电路及技术基础（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014

3 童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006

4 谢嘉奎.电子线路（线性部分）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999

5 高文焕，刘润生.电子线路基础，北京：高等教育出版社，1997

6 傅丰林，模拟电子技术基础.北京：人民邮电出版社，2008

作者单位 鲁东大学