劉 丹

“模擬電路”是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程?！澳M電路”中的一些概念和理論知識(shí)，對(duì)于剛剛接觸電路的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，比較抽象，難以理解，而近年來(lái)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，大量EDA軟件的出現(xiàn)，使虛擬實(shí)驗(yàn)被大量引入到課堂教學(xué)中，從而為“模擬電路”的教學(xué)提供了一種新的方式。

虛擬實(shí)驗(yàn)借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，極大地提高了教學(xué)效果。[1]本文以“模擬電路”課程中“單管共射極放大電路的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)”為實(shí)例，簡(jiǎn)述模擬電路教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用問(wèn)題。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握單管共射級(jí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)Q的測(cè)量和調(diào)整方法，分析靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大電路性能的影響，掌握放大電路性能指標(biāo)Au，Ri，Ro的計(jì)算和測(cè)量方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理

圖1所示為電阻分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射級(jí)放大電路，其中，RB1=R2+RP。當(dāng)在放大電路輸入端加上輸入信號(hào)Ui后，在輸出端可以得到與Ui相位相反的，被放大的輸出信號(hào)Uo，從而實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)的放大。

靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置是為了給放大電路提供一個(gè)合適的直流工作環(huán)境，以保證輸出的信號(hào)不失真，使電路具有較高的電壓放大倍數(shù)。改變電路的參數(shù) VCC、RB、RC，引起靜態(tài)工作點(diǎn)的變化，在這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)上偏置電阻RP，得到一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。如圖1所示，RP將引起RC增大，也就是靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，這樣容易產(chǎn)生飽和失真；當(dāng)RP增加時(shí)，IC會(huì)減小，靜態(tài)工作點(diǎn)下移，接近截止區(qū)，容易產(chǎn)生截止失真?？梢?jiàn)，調(diào)節(jié)RP可以獲得一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

在放大電路工作時(shí)不出現(xiàn)輸出信號(hào)失真，靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)該盡可能選在交流負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)位置。

因此，在設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，先加大Ui,再調(diào)節(jié)RP。如果加大Ui時(shí)先出現(xiàn)飽和失真，說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置偏高，如圖2所示，將RP調(diào)大，使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。如果增大Ui時(shí)，先出現(xiàn)截止失真，如圖3所示，說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)偏低，可調(diào)小RP。當(dāng)Ui增大時(shí)，出現(xiàn)雙向失真，此時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)就在交流負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)附近，這時(shí)不用調(diào)節(jié)RP，慢慢調(diào)小Ui，當(dāng)輸出的電壓不出現(xiàn)失真時(shí)，即得到最大不失真輸出電壓。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

（一）靜態(tài)工作點(diǎn)及β的測(cè)試

圖1 電阻分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的共射級(jí)放大電路

圖3 飽和失真

如圖4所示，啟動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)RP使IC=1.5mA，這時(shí)可以測(cè)量出靜態(tài)工作點(diǎn)的各個(gè)直流分量，基極電壓UBEQ，基極電流IBQ,UCEQ,ICQ,β值根據(jù)測(cè)量的基極電流和集電極電流計(jì)算得出。將電路實(shí)際測(cè)得的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)記錄下來(lái)，與通過(guò)計(jì)設(shè)工作在放大區(qū)，如果按照此方法求出UCEQ太小，接近零或者負(fù)值時(shí)（有可能是RB或者RC太?。f(shuō)明集電結(jié)沒(méi)有正常的反向偏置，晶體管接近飽和區(qū)或者已經(jīng)位于飽和區(qū)內(nèi)，這時(shí)β將慢慢減小或者根本無(wú)法放大，iC=βiB公式不成立，測(cè)量的結(jié)果是:ICQ≈VCC/RC,UCEQ≈0。

（二）電壓放大倍數(shù)與輸入電阻的測(cè)定

如圖5所示，交流源電壓放大倍數(shù)的測(cè)量方法如下。

1.雙擊示波器圖標(biāo)，按下述進(jìn)行調(diào)整:X軸掃描均為 500μS/Div，A通道Y軸幅度均為10mV/Div，B通道選擇 AC模式，Y軸幅度為200mV/Div。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，可觀察輸入、輸出信號(hào)波形的對(duì)比。算獲得的理論值相比較，可以發(fā)現(xiàn)，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)基本一致。這種方法求靜態(tài)工作點(diǎn)是假

圖2 截止失真

圖4 靜態(tài)工作點(diǎn)及β值測(cè)量電路

2.關(guān)掉電源，拖動(dòng)示波器屏幕兩端的讀數(shù)標(biāo)尺分別放至兩曲線(xiàn)的波峰和波谷點(diǎn)，從屏幕下方的讀數(shù)窗口中分別讀出輸出、輸入信號(hào)電壓的峰峰值。計(jì)算它們的比值，即為交流電壓放大倍數(shù)。

3.雙擊電壓表圖標(biāo)，在打開(kāi)的對(duì)話(huà)框中選擇Mode為AC，再按確定按鈕。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，讀出輸出、輸入電壓，計(jì)算出交流電壓放大倍數(shù)。將示波器A通道輸入端改接在R6、C1之間（節(jié)點(diǎn)11），重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，所得電壓比值即為交流電壓放大倍數(shù)。

輸入電阻為放大電路的重要參數(shù)，在該電路中，從節(jié)點(diǎn)11向電路內(nèi)部看進(jìn)去的總等效電阻即為其輸入電阻。其測(cè)量方法是:在輸入端接一已知阻值的電阻R6（等效為電源內(nèi)阻RS），交流電壓表接在節(jié)點(diǎn)11與地之間，接通電源開(kāi)關(guān)后，讀取電壓表的測(cè)試數(shù)據(jù)，則根據(jù)公式Ri=（Ω）即可求出輸入電阻。需加以注意的是，這是虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，與電路分析方法是有區(qū)別的。[2]

（三）輸出電阻的測(cè)量

輸出電阻也是放大電路的重要參數(shù)，其虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法是:在輸出端接交流數(shù)字電壓表或示波器，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，測(cè)量輸出電壓VO；斷開(kāi)電源，斷開(kāi)輸出負(fù)載RL，再打開(kāi)電源，測(cè)量空載輸出電壓 VO’；然后，根據(jù)公式 RO=()×RL(Ω)，求出輸出電阻，如圖6所示。

圖5 電壓放大倍數(shù)與輸入電阻的測(cè)定

根據(jù)表1分別計(jì)算和記錄靜態(tài)工作點(diǎn)及β值的實(shí)測(cè)值與理論值，分析理論值與實(shí)測(cè)值的差別，二者結(jié)果應(yīng)該基本相符。結(jié)論:影響靜態(tài)工作

（四）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析

圖6 輸出電阻的測(cè)定

點(diǎn)位置的主要因素有VCC、RC和RB。在這三個(gè)因素中，一般Vcc確定后不會(huì)變化；RC對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響相對(duì)要小一些，RB是這三個(gè)因素中最主要的影響因素，一般可以認(rèn)為IBQ與RB成反比。飽和失真時(shí)，應(yīng)該增大RB,使IBQ減小，將靜態(tài)工作點(diǎn)降低；截止失真時(shí)，應(yīng)該減小RB，使IBQ增大，提高靜態(tài)工作點(diǎn)。調(diào)節(jié)RB就可以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)Q，使它位于放大區(qū)負(fù)載線(xiàn)的中間。

表1 靜態(tài)工作點(diǎn)及β實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)照

電壓放大倍數(shù)AU可以采用兩種方法測(cè)量:電壓表測(cè)量和示波器測(cè)量。分別測(cè)量有載時(shí)（RL=2KΩ，有載）電壓放大倍數(shù)AU和空載時(shí)（RL=∞，空載）電壓放大倍數(shù)AU’。同時(shí)，根據(jù)理論公式計(jì)算出AU和AU’，二者進(jìn)行比較，結(jié)果應(yīng)該基本相符，如表2所示。

在“模擬電路”課堂教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生從原來(lái)的線(xiàn)性電路移植到非線(xiàn)性電路需要一個(gè)理解的過(guò)程，非線(xiàn)性電路的定性分析、定量計(jì)算是教學(xué)中的難點(diǎn)，絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為非線(xiàn)性電路很抽象，很難深刻理解電路原理和實(shí)際功能。[3]采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用到電路的分析中，教師在講解電路原理的同時(shí)，使用仿真軟件模擬電路的運(yùn)行過(guò)程和輸出曲線(xiàn)，通過(guò)實(shí)時(shí)改變電路元件的參數(shù)輸出，同步得出仿真曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)比，可以使學(xué)生更直觀地了解電路中各元件的作用，以及由于電路參數(shù)值的調(diào)整，各元件對(duì)電路性能參數(shù)的影響，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)電路原理的認(rèn)識(shí)，幫助他們進(jìn)一步掌握了元器件在電路中的作用功能，從而提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

表2 電壓放大倍數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)照

[1]馬良花，劉曉亮.模擬電子電路課程教學(xué)方法芻議[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(1):45-47.

[2]唐民麗，吳恒玉.Multisim2001在模擬電子技術(shù)多媒體課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2006（4）:158-159.

[3]李朝海，吳援明.“模擬電路”教學(xué)效果的調(diào)查分析及其對(duì)策研究[J].理工高教研究，2009(1):126-128.