圖解法在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用

在模擬電路中，放大器的分析方法通常有三種，即估算法、圖解法和等效電路法。所謂估算法，就是應(yīng)用數(shù)學(xué)方程式通過近似計(jì)算來分析放大器性能的方法。等效電路法是指在小信號(hào)工作時(shí)，把非線性器件三極管等效成一個(gè)雙端口的線性電路，然后對(duì)放大器進(jìn)行分析計(jì)算。上述兩種方法都存在缺點(diǎn);一是算出來的靜態(tài)工作點(diǎn)是否切合實(shí)際，位置是否合適，輸出波形是否失真;二是輸出信號(hào)幅度是否達(dá)到最大。而圖解法是一種利用三極管的特性曲線，通過作圖的方法來分析放大器工作情況，這種方法簡潔明了、可以直觀地看到靜態(tài)工作點(diǎn)的位置，輸出波形是否失真等，同時(shí)可以把復(fù)雜抽象的理論、公式，通過合理的圖解加以形象化，借助于圖解法可以使教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和條理性得到進(jìn)一步體現(xiàn)，便于所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，因而圖解法在日常的分析放大器的教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。

模擬電路課程是電子、通信和計(jì)算機(jī)等電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是電類專業(yè)整個(gè)知識(shí)和能力體系的重要支柱之一，為學(xué)習(xí)高頻電路、電視機(jī)原理、單片機(jī)原理與應(yīng)用和電子課程設(shè)計(jì)等課程提供硬件基礎(chǔ)知識(shí)。模擬電路課程的知識(shí)體系有它自身的特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容存在基本概念抽象、知識(shí)點(diǎn)分散，既有半導(dǎo)體器件的特性介紹，又有由各個(gè)器件構(gòu)成的單元電路的組成特點(diǎn)及工作原理的闡述，特別是由半導(dǎo)體三極管構(gòu)成的各種低頻放大器分析，在這些知識(shí)內(nèi)容和方法的教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)往往采用單純的講解方法，讓學(xué)生記住一些定義、計(jì)算公式，結(jié)果學(xué)生知其然而不知其所以然，往往感覺模擬電路課程枯燥、乏味，太難學(xué)了，而在這些內(nèi)容的教學(xué)中采用圖解法可以使教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)和講解直觀、條理清晰，便于學(xué)生理解和掌握。

一、靜態(tài)工作點(diǎn)與波形失真關(guān)系的教學(xué)

靜態(tài)工作點(diǎn)Q選擇不當(dāng)，會(huì)使放大器工作時(shí)產(chǎn)生信號(hào)波形的失真，甚至使放大器無法正常工作，因而理解靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置與飽和失真和截止失真的波形特點(diǎn)，對(duì)于如何消除飽和失真和截止失真具有十分重要的意義。在課堂教學(xué)中如何幫助學(xué)生快速有效的理解和掌握靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置與飽和失真和截止失真的關(guān)系是模擬電路課堂教學(xué)中的一個(gè)重要問題，采用圖解法，利用三極管的輸出特性曲線，通過簡單的作圖，可以很好的解決這個(gè)問題，如圖1所示，由圖1可知，若Q點(diǎn)在交流負(fù)載線上的位置過高，近于QA處，在輸入信號(hào)的正半周可能進(jìn)入飽和區(qū)，造成輸出電壓波形負(fù)半周和輸出電流波形正半周被部分削除，產(chǎn)生“飽和失真”。反之，若靜態(tài)工作點(diǎn)在交流負(fù)載線上的位置過低，近于QB處，在輸入信號(hào)的負(fù)半周可能進(jìn)入截止區(qū)，造成輸出電壓波形正半周和輸出電流波形負(fù)半周被部分切掉，產(chǎn)生“截止失真”。由于它們都是三極管的工作狀態(tài)離開線性放大區(qū)進(jìn)入非線性的飽和區(qū)和截止區(qū)所造成的。因此叫非線性失真。由這個(gè)簡單的圖示可以形象地解釋靜態(tài)工作點(diǎn)的位置與飽和失真和截止失真的關(guān)系，從而知道，若產(chǎn)生了飽和失真，應(yīng)減小IBQ，增大基極偏置電阻Rb，使Q點(diǎn)下移至交流負(fù)載線的中心位置;反正若產(chǎn)生了截止失真，應(yīng)增大IBQ，減小基極偏置電阻Rb，使Q點(diǎn)上移至交流負(fù)載線的中心位置。

二、功率放大器中最大輸出功率計(jì)算的教學(xué)

功率放大器的主要任務(wù)是不失真地放大信號(hào)的功率，為了獲得足夠的輸出功率，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此功放管往往工作在接近極限運(yùn)用的狀態(tài)。學(xué)生在求最大輸出電壓和電流幅度，從而求出時(shí)最大不失真功率時(shí)，往往無從下手，如何總結(jié)和講解功率放大器中最大輸出功率的計(jì)算方法，并起到舉一反三的效果，這也是模擬電路教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。下面以乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器為例來說明圖解法在功率放大器最大輸出功率計(jì)算教學(xué)中的應(yīng)用。

如圖2所示，假設(shè)在輸入信號(hào)的整個(gè)正半周內(nèi)，V1管都導(dǎo)通(忽略功放管死區(qū)電壓的影響)，有集電極電流ic1流過負(fù)載，用圖解法可畫出集電極電壓和集電極電流的變化關(guān)系如圖3a所示。V2管的工作狀態(tài)和V1管相似，只是它在輸入信號(hào)的整個(gè)負(fù)半周內(nèi)導(dǎo)通，為了便于分析。將V2管的輸出特性曲線倒置地畫在V1管輸出特性曲線的右下方，并令兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q在Uce=UCC處重合，形成了V1管和V2管的合成特性曲線如圖3b所示。這時(shí)負(fù)載線是通過(UCC，0)點(diǎn)而斜率-的直線。從圖中可知，允許集電極電流ic的最大變化范圍是2Icm，允許集電極電壓的最大變化范圍是2Ucem=2(UCC-Uces)，若忽略功放管的飽和壓降Uces的影響，則Ucem=UCC-Uces≈UCC，電路允許的最大輸出功率Pom可用功放管的電壓變化和電流變化的有效值來表示，即Pom=。在圖3b中，AB和BQ線段分別表示的是Icm和Ucem，所以三角形ABQ的面積代表了工作在乙類放大狀態(tài)下互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的輸出功率。功放管的飽和壓降Uces越小，三角形ABQ的面積越大，輸出功率Po就越大。通過圖3b所示的圖解法可以比較簡明直觀的總結(jié)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器最大輸出功率計(jì)算的方法，并且對(duì)于單管功率放大器、推挽功率放大器最大輸出功率計(jì)算可以同樣推廣使用。

圖解法是一種直觀、簡潔的教學(xué)方法，以上所舉的例子只是筆者在20多年教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出的比較典型的圖解法教學(xué)案例，在模擬電路的教學(xué)改革實(shí)踐中，我充分體會(huì)到圖解法對(duì)于解決低頻放大器中的一些教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)是一種非常有效的方法，有助于幫助學(xué)生對(duì)相關(guān)問題物理意義的深入理解和掌握，大大提高了課堂教學(xué)的效果，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，圖解法更多的使用需要我們?cè)诮窈蟮慕虒W(xué)過程中不斷積累，我也將一如既往地致力于教學(xué)改革和探索，努力提高課堂教學(xué)的效率和效果。

(作者單位:江蘇省常州技師學(xué)院)