电子技术课程教学中的若干问题探讨

丁宏 叶永利 董玉仅刘学锋

摘 要：模拟电子技术是工科专业特别是电类专业的一门主要专业基础课，也是多年来一致反映学生比较难学、教师比较难教的一门课程。本文总结了一线教师多年实际教学中所遇到的一些实际问题以及课程组的全体教师在讲解、诠释这些问题时的一些经验，特别是对分立元件的工作原理等在课程中占有比较重要地位也比较难以把握的一些问题，如三极管的交流通路的取得、分立元件的反馈模式判别等给出了一些直观的理解和详细的剖析，这些方法在实际教学中均收到了较好的效果。

关键词：三极管放大电路直流通路；三极管放大电路交流通路；电流源；负反馈

1 概述

尽管模拟集成电路的使用越来越广泛，而且模拟集成电路的作用也远远比分立元件（三极管、场效应管）重要，但分立元件的工作原理往往可以很好地解释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）、电压跟随器的具体形式、三极管与场效应管作为输入级对模拟集成电路输入电阻的影响等，这些问题仅在集成运算放大電路的章节里是较难阐述得很清楚的。在教学过程中，历届的学生也在这些地方产生了很多疑问，因此对分立元件这方面工作原理进行详细讲解，一方面有助于学生对集成电路特点的深入了解，同时也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。

2 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等效电路（直流通路）和交流等效电路（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所示的直流通路。

画交流等效电路的原则是：（1）电容短路（电容值足够大）；（2）直流电源对地短路。

对于上述原则（2），参考文献［13］的解释通常是因理想电压源的电压值无波动（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。这个论述和据此而画出的交流通路当然是正确的，如图3。但一些学生却难以理解这样的画法：内阻很小，为什么直流电源直接短路了呢？或者说VCC的符号怎么就可以消失了呢？作为初学者的学生，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的回路，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的回路，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》相关知识为基础，即利用叠加原理。叠加原理所描述的是：当两个电压信号（vi1、vi2）同时作用于一个电路的输入端时，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vi2=0。这个方法刚好应用于本问题上。可以把本问题看成是两个信号同时作用于电路（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，因此也称为直流通路；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，便得到了如图3，因此也称为交流通路。这样由叠加原理而得到结果就比较直观和容易理解了。

3 微电流源中几个三极管工作状态的说明

如图4，T1工作在放大区［45］，这是分析电流源最关键的所在。之前所讲的三极管的放大条件是：发射结正偏、集电结反偏，而此处的T1集电结却是零偏。那么这个三极管是否处在放大状态下呢？诸多教材限于篇幅对此均没有详细讨论，有的参考文献说是相当于一个二极管使用，这都难以使学生理解其原理。课程组采用这样的方法使学生直观理解这个问题：集电结（也是个PN结）尽管没有反偏，但其仍然具有吸引电子的能力。如图5，是PN结的原理图。

处在自然状态下的PN结，已形成了内电场（方向如图5中箭头所示），这个电场阻止多子的扩散，却对进入PN结内的少子的漂移运动起推动作用，在无外界（电场）力的情况下，仅有少数因热运动而进入耗尽区的电子形成漂移电流（微安级），而在如图4所示的电流源电路中，穿过发射结的电子是具有一定速度（能量）的，而基区通常又做得很薄，因此多数电子在初速度的作用下可以进入集电结，并在内电场的作用下到达集电区，形成集电极电流，因此这个时候是存在集电极电流的，基极电流与集电极电流也服从IC=βIB的关系。只是此时的静态工作点很接近饱和区，如果是交流信号流过，则必然很容易使三极管进入饱和区而产生波形失真，但此电路是作为恒流源使用的，电路中只有直流电流及电压，所以直流电流流过不会出现失真问题，而如前所述，由于T1工作点的位置非常接近饱和区，所以称其工作状态为近饱和区导通。其位置基本如图6（a）中左上方的Q′点。

而同样对于图4所示的微电流源，T2的工作状态的理解：如图，T1肯定是导通的，假定此种三极管的死区电压为0.5伏，正常导通压降为0.7伏，如图6（b）。那么T2是否导通呢？采用“假设断开”的方法，即假设T2的基极和发射极断开，观察断点处的电压值，基极是0.7伏，发射极则是0伏，因此发射结肯定是导通的。但导通后因为Re2上必有压降，因此，实际上发射结的压降就不到0.7伏，而是介于0.5和0.7伏之间，如图6（b）中的Q″点，在图6（a）中也对应的是右下方的Q″点，这是一种近截至区的导通。这种方式同上，也不适用于交流信号的放大（会进入截至区而导致失真），但对于直流信号来说是可以的。由于T2工作点的位置非常接近截至区，所以称其工作状态为近截至区导通。

这就是图4所示的微电流源电路中两个三极管的状态的特殊性。

4 反馈对输出电阻影响的精确计算

电压电流负反馈均能影响输出电阻，一般教科书中都是简单分析［1，6］，而且一般会加上“假设反馈网络的分压（或分流）可以忽略不计”这样的简化分析条件，但实际上是会有分压分流存在的。因此为了给部分比较较真的学生以准确的解答，课程组特作如下分析计算：

图7是电压负反馈输出电阻测试示意图，图8是电流负反馈输出电阻测试示意图。简化分析时，认为图7中反馈网络的输入电阻（R′i）为开路（实际上这个值确实比较大，但并不是SymboleB@

），而图8中反馈网络的输入电阻（R′i）为短路（实际上这个值确实比较小，但也并不是0）。于是具体分析如下：

需要注意的是，在求解电路的输出电阻时，应首先将负载电路开路（即RL=SymboleB@

），还应令输入信号为0，即XS=Xi=0。如图7、图8所示。

对于图7，从输出端看，iT=iO+iif（1）

上式表示测试电流iT由两部分组成，即基本放大电路的输出电流iO和反馈支路的输入电流iif。而这两个电流可以表示成下式：iO=vT－AOXidRO和iif=vTRi′（2）

由于此时，Xid=Xi－Xf=0－FvT=－FvT（3）

所以，iO=vT+AOFvTRO=1+AOFROvT（4）

也就是，iT=1+AOFROvT+vTRi′（5）

因此，ROf=vTiT=RO1+AOF//Ri′（6）

教科书中的简化结果为：ROf≈RO1+AOF（7）

比较式（6）和式（7），显然式（7）是在式（6）的基础上认为R′i=SymboleB@

近似得来的结果，而有了式（1）到式（6）的推导过程，式（7）的结果也就比较容易理解了。

同样，对于图8，从输出端看，VT=（iT－ASXid）RO+iTRi′（8）

由于此时Xid=Xi－Xf=0－FiT=－FiT（9）

将式（9）代入式（8）得到：vT=（iT+ASFiT）RO+iTRi′（10）

即：vT=iT［（1+ASF）RO+Ri′］（11）

于是可以得到：ROf=vTiT=（1+ASF）RO+Ri′（12）

教科书中的简化结果为：ROf≈（1+ASF）RO（13）

比较式（12）和式（13），显然式（13）是在式（12）的基础上认为Ri′≈0近似得来的结果，而有了式（8）到式（12）的推导过程，式（13）的结果也就比较容易理解了。

5 结论

经过在實践教学中对上述几个环节的反复体会，这种对细节不轻易放过、对学生可能产生疑问及模糊认识的知识点的详细剖析和推演，在实际教学中获得了很好的效果。多数学生反映对这些问题的理解透彻了，对教科书中无法以过多篇幅加以详述的而又不是很容易理解的环节也完全明了和容易接受了。并且，这样刨根问底式的详细分析也使学生在本门课程的学习中养成了良好的注意细节的习惯，从而带动了整个课程的学习，提升了整体的学习效果。据课程组的统计，从2010年以来，陆续采用了上述方法后，学生对这些问题的理解程度从考核成绩上看，总体教学目标达成度分别平均提高了10个百分点和8个百分点，相关部分的考题成绩则平均提升了45%，是一个十分令人振奋的数据。课程组成员也从中得到了激励，并在教学活动中不断探讨各种可以解决学生容易“跑偏”或产生困惑的环节的有效方法，并在教学中不断实践，形成了一个良性的闭环系统。在这个闭环里，课程组的教学水平和教学经验以及学生对课程的深入理解程度都得到了不断的提高。

参考文献：

［1］康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］孙肖子.模拟电子电路及技术基础（第二版）［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

［3］童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［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［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［6］傅丰林.模拟电子技术基础［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

作者简介：丁宏（1965— ），男，汉族，吉林长春人，博士，副教授，鲁东大学通信与测控技术研究所主任，从事电子技术、高频电路、信号处理等方面的研究；叶永利（1980— ），男，汉族，山东烟台人，硕士，烟台市市场监管局高级工程师，从事电子技术、信号化等方面的研究；董玉仅（1981— ），男，汉族，山东烟台人，专科，烟台金昱智能化工程有限公司技术主管，从事电子技术、信号处理等方面的研究；刘学锋（1981— ），男，汉族，山东泰安人，博士，副教授，鲁东大学通信工程系主任，从事通信电子电路、信号处理等方面的研究。