单位文秘网 2022-02-26 08:15:28 点击: 次
摘要:提出在“模拟电子技术”课程教学中开展逆向考核方法,首先由教师给出答案或实验结果,然后由学生设计具有正确功能的模拟电路。结合一个逆向命题案例,将“先答案,重设计”的思想融入到课程教学与考核中,在巩固理论知识的基础上拓展了学生的实践工程素质,激发了学生的学习兴趣,提高了考题的鉴别能力,在“模拟电子技术”课程教学中取得了较好的研究成果。
关键词:模拟电子技术;逆向命题;教学改革
作者简介:黄亮(1978-),男,山东临沂人,北京交通大学电子信息工程学院,讲师;侯建军(1957-),男,天津人,北京交通大学电子信息工程学院,教授。(北京 100044)
基金项目:本文系中央高校基本科研业务费专项资金(项目编号:2013JBM016)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)34-0116-02
“模拟电子技术”[1,2]课程是电气、电子等信息类专业的必修主干专业基础课,主要讲授半导体器件的基础理论以及模拟电路的设计与分析方法。由于“模拟电子技术”课程涉及的知识点较多,还要学习很多抽象的器件和电路等效模型,很多学生在学习过程中感觉非常吃力。这就要求教师和学生在“模拟电子技术”课程的教学和学习过程中注重理论与实践相结合、线性与非线性相结合、宏观与微观相结合,为后续课程打下坚实的基础。
为了提高“模拟电子技术”课程的教学质量,提高学生的工程实践能力,北京交通大学国家电工电子教学示范中心[3]展开了逆向[4]考核研究性教学方法改革,[5,6]结合课程的基础知识与重点内容,将逆向思维融入到“模拟电子技术”课程的教学与考核过程中,取得了较好的研究成果。
逆向命题是“先给答案,重在设计”的一种教学与考核方法。开展逆向考核的前提是教师已经将所需知识点对学生进行了透彻的正向讲解,鼓励学生进行自主性研究。首先由老师给出系统的性能指标,然后由学生运用已经掌握的理论知识进行方案设计。如果学生没有真正理解所学知识,就无法完成逆向命题的设计要求,这样既可以督促学生努力学习,又可以真正考查教学效果和学习效果。下面给出一个“模拟电子技术”逆向命题例子。
一、逆向思维题目
由双极型三极管和单极型场效应晶体管构成的混合多级放大电路,[7,8]由于其优良的放大能力和输入输出特性,是一种常见的模拟电路。对多级放大电路进行的静态分析和动态分析是“模拟电子技术”课程的核心内容之一,是学生必须掌握的知识点。以往的多级放大器考核题目是这样的:以分析题的形式给出电路图,让学生进行静态分析和动态分析,学生只要能够写出公式或计算电路参数就认为学生掌握了这部分知识。常规命题方法导致学生不能真正掌握晶体管的使用方法与放大电路的设计方法,真正进行工程设计时,不知道怎么搭建电路结构和选择元器件型号。
采用逆向思维对晶体管多级放大电路进行教学和考核的例题如下:设计一个低频小信号两级放大电路,要求由一个增强型N沟道MOS管(gm=1mS,Uth,on=2V)和一个NPN型硅三极管(β=100,rbb’=300Ω)构成;晶体管工作在共源或共射组态;级间采用电容耦合;ri’≈1MΩ,ro’≈1kΩ,Au≈40dB。要求学生设计电路图,给出在电路图中所有电阻的电阻值,并画出设计电路的微变等效电路。
二、系统设计
题目要求分别使用MOS管和三极管两种晶体管,但是题目中并没有说明将哪种晶体管作为第一级,哪种晶体管作为第二级,这就要求学生综合学过的知识进行深入思考,然后进行系统框架设计,再进行具体的电路设计,最后计算设计电路的性能参数,从而实现题目中关于输入电阻、输出电阻和电压增益的要求。
题目要求输入电阻为1MΩ,输出电阻为1kΩ。放大电路的输入电阻大、输出电阻小在实际工程中有很多好处。输入电阻大可以减小放大电路由前级电路或信号源索取的电流,对提高电路的放大能力、降低功耗都有好处。输出电阻小可以提高放大电路的带负载能力,提高了放大电路的输出功率和效率;输出电阻小同时能够加速对后级容性负载的充放电速度,有利于提高放大电路的工作速率。
使用晶体管设计放大电路时,如果采用场效应晶体管共源放大电路作为输入级,可以最大程度地提高输入电阻。例如采用MOSFET晶体管的栅极作为输入端时,理论上绝缘栅的输入电阻为无穷大,实际栅极输入电阻也可达到1012Ω以上。通过设计合适的外接偏置电阻,可以实现的题目中ri’≈1MΩ的要求。
第二级采用三极管共射放大电路,具有较高的电压增益和电流增益。考虑外接偏置电阻,可以实现题目中ro’≈1kΩ的要求。
三、单级放大电路的设计
1.第一级放大电路的设计
因为增强型N沟道MOSFET晶体管不存在原始导电沟道,栅源电压UGS需要高于阈值电压Uth,on才能导通,所以第一级放大电路需要连接正确的外加偏置电路。选取的MOS放大电路结构如图1所示。
图1的MOSFET晶体管工作在共源组态,栅源电压为:
栅源电压满足增强型N沟道MOSFET晶体管的导通条件,保证了第一级放大电路能够正常工作。
2.第二级放大电路的设计
在设计第二级放大电路的外接偏置电路时,需要满足三极管发射结正偏、集电结反偏的基本放大条件,这就需要学生仔细设计电阻的阻值,选取合适的静态工作点。为了使输出电压具有最大不失真幅度,应该使集电极电压处于电源电压和地电位的中间值,防止过早出现截止失真或饱和失真。三极管放大电路设计如图2所示。
基极电阻和集电极电阻的阻值对静态工作点的影响很大。根据图2所示电阻值,计算三极管的静态基极电流、集电极电流和集电极电压:
由以上计算可知,静态工作点满足三极管的基本放大条件。因为集电极静态电压UCQ=6.35V,电源电压UCC=12V,保证了足够的最大不失真输出电压幅度。
四、总体电路的设计与分析
为了防止两级放大电路之间静态工作点相互影响,级间耦合采用电容耦合。因为两级放大电路工作在低频小信号环境,所以对耦合电容的选取要求不高,本题选取0.1μF电解电容。学生设计的两级放大电路总体电路如图3所示。对应的h参数微变等效简化模型如图4所示。
根据图4微变等效电路,计算两级放大电路动态分析的三个重要参数输入电阻ri’、输出电阻ro和两级电压放大倍数Au:
将电压放大倍数换算为分贝,即:。
经过计算,所设计的两级放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻参数完全满足题目要求。
五、结束语
在“模拟电子技术”的教学与考核过程中,分析电路和设计电路对学生能力的要求是完全不同的。“重分析,轻设计”的传统教学与命题模式导致学生在进行电路系统的设计与制作时缺乏解决实际问题的能力。为了提高“模拟电子技术”课程的教学质量,提高学生的工程素质,本文结合一个逆向命题实例,将逆向思维融入到课程基础知识与重点内容的教学与考核中。学生只有具备了扎实的理论基础和工程经验,才能设计出高性能的实用电路,实现教师的逆向命题要求。通过开展逆向命题教学方法,激发了学生的学习兴趣,提高了考题的甄别能力,在巩固已经掌握的理论知识的基础上拓展了学生的实践能力,取得了较好的研究成果。
参考文献:
[1]王鲁杨,王禾兴.提高“模拟电子技术”课程教学效果的实践[J].中国电力教育,2012,(11):38-39,43.
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[3]刘颖,侯建军,黄亮.“电子技术课程设计”精品课程建设与改革实践[J].电气电子教学学报,2008,30(2):3-4,7.
[4]徐春梅,李莉,沈洪斌,等.逆向思维教学法在“应用光学”课程教学中的应用[J].中国电力教育,2009,(13):64-65.
[5]曾静,曹顺.“模拟电子技术”课程教学改革探索[J].中国电力教育,2012,(27):77-78.
[6]刘浩,任立红,唐莉萍.“模拟电子技术基础”课程的研究型教学改革[J].中国电力教育,2012,(35):52-53.
[7]刘颖,任希,曾涛.模拟电子技术[M].北京:清华大学出版社、北京交通大学出版社,2008.
[8]路勇,刘颖.模拟集成电路基础[M].北京:中国铁道出版社,2010.
(责任编辑:王意琴)
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