逆向命題在“模擬電子技術(shù)”課程教學中的應用

摘要：提出在“模擬電子技術(shù)”課程教學中開展逆向考核方法，首先由教師給出答案或?qū)嶒灲Y(jié)果，然后由學生設(shè)計具有正確功能的模擬電路。結(jié)合一個逆向命題案例，將“先答案，重設(shè)計”的思想融入到課程教學與考核中，在鞏固理論知識的基礎(chǔ)上拓展了學生的實踐工程素質(zhì)，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了考題的鑒別能力，在“模擬電子技術(shù)”課程教學中取得了較好的研究成果。

關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù)；逆向命題；教學改革

作者簡介：黃亮（1978-），男，山東臨沂人，北京交通大學電子信息工程學院，講師；侯建軍（1957-），男，天津人，北京交通大學電子信息工程學院，教授。（北京 100044）

基金項目：本文系中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（項目編號：2013JBM016）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0116-02

“模擬電子技術(shù)”[1，2]課程是電氣、電子等信息類專業(yè)的必修主干專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授半導體器件的基礎(chǔ)理論以及模擬電路的設(shè)計與分析方法。由于“模擬電子技術(shù)”課程涉及的知識點較多，還要學習很多抽象的器件和電路等效模型，很多學生在學習過程中感覺非常吃力。這就要求教師和學生在“模擬電子技術(shù)”課程的教學和學習過程中注重理論與實踐相結(jié)合、線性與非線性相結(jié)合、宏觀與微觀相結(jié)合，為后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)。

為了提高“模擬電子技術(shù)”課程的教學質(zhì)量，提高學生的工程實踐能力，北京交通大學國家電工電子教學示范中心[3]展開了逆向[4]考核研究性教學方法改革，[5，6]結(jié)合課程的基礎(chǔ)知識與重點內(nèi)容，將逆向思維融入到“模擬電子技術(shù)”課程的教學與考核過程中，取得了較好的研究成果。

逆向命題是“先給答案，重在設(shè)計”的一種教學與考核方法。開展逆向考核的前提是教師已經(jīng)將所需知識點對學生進行了透徹的正向講解，鼓勵學生進行自主性研究。首先由老師給出系統(tǒng)的性能指標，然后由學生運用已經(jīng)掌握的理論知識進行方案設(shè)計。如果學生沒有真正理解所學知識，就無法完成逆向命題的設(shè)計要求，這樣既可以督促學生努力學習，又可以真正考查教學效果和學習效果。下面給出一個“模擬電子技術(shù)”逆向命題例子。

一、逆向思維題目

由雙極型三極管和單極型場效應晶體管構(gòu)成的混合多級放大電路，[7，8]由于其優(yōu)良的放大能力和輸入輸出特性，是一種常見的模擬電路。對多級放大電路進行的靜態(tài)分析和動態(tài)分析是“模擬電子技術(shù)”課程的核心內(nèi)容之一，是學生必須掌握的知識點。以往的多級放大器考核題目是這樣的：以分析題的形式給出電路圖，讓學生進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，學生只要能夠?qū)懗龉交蛴嬎汶娐穮?shù)就認為學生掌握了這部分知識。常規(guī)命題方法導致學生不能真正掌握晶體管的使用方法與放大電路的設(shè)計方法，真正進行工程設(shè)計時，不知道怎么搭建電路結(jié)構(gòu)和選擇元器件型號。

采用逆向思維對晶體管多級放大電路進行教學和考核的例題如下：設(shè)計一個低頻小信號兩級放大電路，要求由一個增強型N溝道MOS管（gm=1mS，Uth，on=2V）和一個NPN型硅三極管（β=100，rbb’=300Ω）構(gòu)成；晶體管工作在共源或共射組態(tài)；級間采用電容耦合；ri’≈1MΩ，ro’≈1kΩ，Au≈40dB。要求學生設(shè)計電路圖，給出在電路圖中所有電阻的電阻值，并畫出設(shè)計電路的微變等效電路。

二、系統(tǒng)設(shè)計

題目要求分別使用MOS管和三極管兩種晶體管，但是題目中并沒有說明將哪種晶體管作為第一級，哪種晶體管作為第二級，這就要求學生綜合學過的知識進行深入思考，然后進行系統(tǒng)框架設(shè)計，再進行具體的電路設(shè)計，最后計算設(shè)計電路的性能參數(shù)，從而實現(xiàn)題目中關(guān)于輸入電阻、輸出電阻和電壓增益的要求。

題目要求輸入電阻為1MΩ，輸出電阻為1kΩ。放大電路的輸入電阻大、輸出電阻小在實際工程中有很多好處。輸入電阻大可以減小放大電路由前級電路或信號源索取的電流，對提高電路的放大能力、降低功耗都有好處。輸出電阻小可以提高放大電路的帶負載能力，提高了放大電路的輸出功率和效率；輸出電阻小同時能夠加速對后級容性負載的充放電速度，有利于提高放大電路的工作速率。

使用晶體管設(shè)計放大電路時，如果采用場效應晶體管共源放大電路作為輸入級，可以最大程度地提高輸入電阻。例如采用MOSFET晶體管的柵極作為輸入端時，理論上絕緣柵的輸入電阻為無窮大，實際柵極輸入電阻也可達到1012Ω以上。通過設(shè)計合適的外接偏置電阻，可以實現(xiàn)的題目中ri’≈1MΩ的要求。

第二級采用三極管共射放大電路，具有較高的電壓增益和電流增益。考慮外接偏置電阻，可以實現(xiàn)題目中ro’≈1kΩ的要求。

三、單級放大電路的設(shè)計

1.第一級放大電路的設(shè)計

因為增強型N溝道MOSFET晶體管不存在原始導電溝道，柵源電壓UGS需要高于閾值電壓Uth，on才能導通，所以第一級放大電路需要連接正確的外加偏置電路。選取的MOS放大電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1的MOSFET晶體管工作在共源組態(tài)，柵源電壓為：

柵源電壓滿足增強型N溝道MOSFET晶體管的導通條件，保證了第一級放大電路能夠正常工作。

2.第二級放大電路的設(shè)計

在設(shè)計第二級放大電路的外接偏置電路時，需要滿足三極管發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的基本放大條件，這就需要學生仔細設(shè)計電阻的阻值，選取合適的靜態(tài)工作點。為了使輸出電壓具有最大不失真幅度，應該使集電極電壓處于電源電壓和地電位的中間值，防止過早出現(xiàn)截止失真或飽和失真。三極管放大電路設(shè)計如圖2所示。

基極電阻和集電極電阻的阻值對靜態(tài)工作點的影響很大。根據(jù)圖2所示電阻值，計算三極管的靜態(tài)基極電流、集電極電流和集電極電壓：

由以上計算可知，靜態(tài)工作點滿足三極管的基本放大條件。因為集電極靜態(tài)電壓UCQ=6.35V，電源電壓UCC=12V，保證了足夠的最大不失真輸出電壓幅度。

四、總體電路的設(shè)計與分析

為了防止兩級放大電路之間靜態(tài)工作點相互影響，級間耦合采用電容耦合。因為兩級放大電路工作在低頻小信號環(huán)境，所以對耦合電容的選取要求不高，本題選取0.1μF電解電容。學生設(shè)計的兩級放大電路總體電路如圖3所示。對應的h參數(shù)微變等效簡化模型如圖4所示。

根據(jù)圖4微變等效電路，計算兩級放大電路動態(tài)分析的三個重要參數(shù)輸入電阻ri’、輸出電阻ro和兩級電壓放大倍數(shù)Au：

將電壓放大倍數(shù)換算為分貝，即：。

經(jīng)過計算，所設(shè)計的兩級放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻參數(shù)完全滿足題目要求。

五、結(jié)束語

在“模擬電子技術(shù)”的教學與考核過程中，分析電路和設(shè)計電路對學生能力的要求是完全不同的。“重分析，輕設(shè)計”的傳統(tǒng)教學與命題模式導致學生在進行電路系統(tǒng)的設(shè)計與制作時缺乏解決實際問題的能力。為了提高“模擬電子技術(shù)”課程的教學質(zhì)量，提高學生的工程素質(zhì)，本文結(jié)合一個逆向命題實例，將逆向思維融入到課程基礎(chǔ)知識與重點內(nèi)容的教學與考核中。學生只有具備了扎實的理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗，才能設(shè)計出高性能的實用電路，實現(xiàn)教師的逆向命題要求。通過開展逆向命題教學方法，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了考題的甄別能力，在鞏固已經(jīng)掌握的理論知識的基礎(chǔ)上拓展了學生的實踐能力，取得了較好的研究成果。

參考文獻：

[1]王魯楊，王禾興.提高“模擬電子技術(shù)”課程教學效果的實踐[J].中國電力教育，2012，（11）：38-39，43.

[2]李戰(zhàn)勝.“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學質(zhì)量的探索[J].中國電力教育，2012，（13）：43，57-58.

[3]劉穎，侯建軍，黃亮.“電子技術(shù)課程設(shè)計”精品課程建設(shè)與改革實踐[J].電氣電子教學學報，2008，30（2）：3-4，7.

[4]徐春梅，李莉，沈洪斌，等.逆向思維教學法在“應用光學”課程教學中的應用[J].中國電力教育，2009，（13）：64-65.

[5]曾靜，曹順.“模擬電子技術(shù)”課程教學改革探索[J].中國電力教育，2012，（27）：77-78.

[6]劉浩，任立紅，唐莉萍.“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的研究型教學改革[J].中國電力教育，2012，（35）：52-53.

[7]劉穎，任希，曾濤.模擬電子技術(shù)[M].北京：清華大學出版社、北京交通大學出版社，2008.

[8]路勇，劉穎.模擬集成電路基礎(chǔ)[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

（責任編輯：王意琴）