模擬電子技術(shù)課程中的工程近似分析方法*

2013-05-28 09:17吳國祥施敏

中國教育技術(shù)裝備 2013年30期

◆吳國祥施敏

1 引言

模擬電子技術(shù)（簡稱模電）課程內(nèi)容抽象，教師難教、學(xué)生難學(xué)，教師教得辛苦、學(xué)生學(xué)得痛苦。主要原因在于低年級工科學(xué)生習(xí)慣于線性思維和科學(xué)理論的精確計(jì)算，不太理解實(shí)際應(yīng)用的工程近似分析。因此，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維是模電課程學(xué)習(xí)入門的關(guān)鍵。

模電中的二極管、三極管都是非線性器件，其PN結(jié)的電壓、電流關(guān)系是指數(shù)方程[1-2]，相關(guān)電路需要用圖解法或迭代法求解，圖解法需要已知特性曲線，迭代法計(jì)算非常復(fù)雜，因此都不實(shí)用。在一定的條件下將非線性器件線性化，簡化模型、方便分析和計(jì)算，這就是工程近似分析方法[3-4]。非線性器件的工程近似分析方法幾乎貫穿了整個(gè)模電課程，正確地分析與處理非線性特性對模電課程的學(xué)習(xí)非常重要。二極管、三極管等電子器件不僅具有非線性特征，而且其參數(shù)還因工藝制造的原因產(chǎn)生分散性，實(shí)際特性曲線與手冊上的參考特性曲線之間存在差異[5]，在各種模擬電路的計(jì)算中，絕對精確是不可能的，也沒有多大的實(shí)際意義。在允許的誤差范圍內(nèi)，進(jìn)行定性分析、定量估算的工程近似方法，才是分析解決問題的核心和關(guān)鍵。

本文對二極管的工程近似模型、集成運(yùn)放的虛短和虛斷、深度負(fù)反饋條件下的近似計(jì)算等進(jìn)行了深入的分析，其本質(zhì)都是對非線性問題進(jìn)行線性化的近似處理。本文的研究表明，這種方法非常適合于模電課程中相關(guān)問題的分析與計(jì)算，對模電教學(xué)有很大的幫助。

2 二極管的工程近似模型

3 集成運(yùn)放的虛短和虛斷

集成運(yùn)放采用半導(dǎo)體工藝，將大量的三極管、電阻、電容等元件制作在同一塊芯片上，包括輸入級差分放大、中間級電壓放大和輸出級功率放大，其電路模型如圖2所示，P、N兩端分別為同相和反相輸入端。一般來說，輸入電阻ri≥106 Ω，輸出電阻ro≤100 Ω，開環(huán)增益為104—106，輸出電壓的范圍為U-＜uo＜U+，其傳輸特性如圖3所示，AB段幾乎是一條垂直直線，上下兩條水平線分別對應(yīng)于正、負(fù)飽和極限值U+、U-，為非線性區(qū)。若進(jìn)行近似處理，可得理想運(yùn)放的電路模型，如圖4所示。當(dāng)（up-uN）＞0時(shí)，uo將趨于正飽和極限電壓U+；當(dāng)（up-uN）＜0時(shí)，uo將趨于負(fù)飽和極限電壓U-；將集成運(yùn)放的性能參數(shù)理想化，特征表達(dá)為：ip→0，iN→0，ri→∞，ro→0，Au→∞。

圖2 集成運(yùn)放的電路模型

圖3 集成運(yùn)放的傳輸特性

圖4 理想運(yùn)放的電路模型

在實(shí)際的放大電路中，一般存在負(fù)反饋?zhàn)饔?，使uN自動跟蹤up，凈輸入uid=up-uN≈0，這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短；而輸入電阻很大，兩輸入端的電流ip=iN≈0，這種現(xiàn)象稱為虛假斷路，簡稱虛斷。虛短是本質(zhì)，虛斷是現(xiàn)象。這兩個(gè)概念對于分析線性電路具有非常重要的工程意義。

如圖5所示的T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路，利用虛短和虛斷的概念，很容易得到輸出電壓：

圖5 T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路

圖6 反饋放大電路框圖

圖7 差分放大電路

4 深度負(fù)反饋條件下的近似計(jì)算

在電子電路中，反饋是指將電路輸出量的一部分或全部通過反饋網(wǎng)絡(luò)，用一定的方式送回到輸入回路，以影響輸入量的過程，體現(xiàn)了輸出信號對輸入信號的反作用。

5 結(jié)束語

在各種模擬電路的計(jì)算中，精確是相對的，近似是絕對的，工程近似思維模式貫穿了整個(gè)模電課程。因此，在模電課程教學(xué)過程中，應(yīng)將工程理念融入教學(xué)和實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的理念，引導(dǎo)學(xué)生建立非線性工程思維模式。抓住主要矛盾，理解問題的本質(zhì)，培養(yǎng)近似計(jì)算的工程思維方法；忽略次要矛盾，將復(fù)雜的問題簡單化，尋找解決工程問題的有效途徑。

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分[M].5版.北京:高等教育出版社,2008.

[2]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

[3]王建平,馬衛(wèi)國.模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索術(shù)[J].中國教育技術(shù)裝備,2012(30):116-117.

[4]申杰奮.模擬電路理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與探索[J].中國電力教育,2012(6):80.