逆向命題在“模擬電子技術”課程教學中的應用

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

關鍵詞：模擬電子技術；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?；究蒲袠I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”[1，2]課程是電氣、電子等信息類專業的必修主干專業基礎課，主要講授半導體器件的基礎理論以及模擬電路的設計與分析方法。由于“模擬電子技術”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”課程的教學和學習過程中注重理論與實踐相結合、線性與非線性相結合、宏觀與微觀相結合，為后續課程打下堅實的基礎。

為了提高“模擬電子技術”課程的教學質量，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]結合課程的基礎知識與重點內容，將逆向思維融入到“模擬電子技術”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的性能指標，然后由學生運用已經掌握的理論知識進行方案設計。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”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成的混合多級放大電路，[7，8]由于其優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分析和動態分析是“模擬電子技術”課程的核心內容之一，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，讓學生進行靜態分析和動態分析，學生只要能夠寫出公式或計算電路參數就認為學生掌握了這部分知識。常規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計方法，真正進行工程設計時，不知道怎么搭建電路結構和選擇元器件型號。

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）構成；晶體管工作在共源或共射組態；級間采用電容耦合；ri’≈1MΩ，ro’≈1kΩ，Au≈40dB。要求學生設計電路圖，給出在電路圖中所有電阻的電阻值，并畫出設計電路的微變等效電路。

二、系統設計

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，然后進行系統框架設計，再進行具體的電路設計，最后計算設計電路的性能參數，從而實現題目中關于輸入電阻、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。通過設計合適的外接偏置電阻，可以實現的題目中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?？紤]外接偏置電阻，可以實現題目中ro’≈1kΩ的要求。

三、單級放大電路的設計

1.第一級放大電路的設計

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放大電路結構如圖1所示。

圖1的MOSFET晶體管工作在共源組態，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計

在設計第二級放大電路的外接偏置電路時，需要滿足三極管發射結正偏、集電結反偏的基本放大條件，這就需要學生仔細設計電阻的阻值，選取合適的靜態工作點。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，防止過早出現截止失真或飽和失真。三極管放大電路設計如圖2所示。

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

由以上計算可知，靜態工作點滿足三極管的基本放大條件。因為集電極靜態電壓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、總體電路的設計與分析

為了防止兩級放大電路之間靜態工作點相互影響，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。學生設計的兩級放大電路總體電路如圖3所示。對應的h參數微變等效簡化模型如圖4所示。

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

將電壓放大倍數換算為分貝，即：。

經過計算，所設計的兩級放大電路的電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻參數完全滿足題目要求。

五、結束語

在“模擬電子技術”的教學與考核過程中，分析電路和設計電路對學生能力的要求是完全不同的?！爸胤治?，輕設計”的傳統教學與命題模式導致學生在進行電路系統的設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”課程的教學質量，提高學生的工程素質，本文結合一個逆向命題實例，將逆向思維融入到課程基礎知識與重點內容的教學與考核中。學生只有具備了扎實的理論基礎和工程經驗，才能設計出高性能的實用電路，實現教師的逆向命題要求。通過開展逆向命題教學方法，激發了學生的學習興趣，提高了考題的甄別能力，在鞏固已經掌握的理論知識的基礎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”課程教學效果的實踐[J].中國電力教育，2012，（11）：38-39，43.

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

[3]劉穎，侯建軍，黃亮.“電子技術課程設計”精品課程建設與改革實踐[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”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.“模擬電子技術基礎”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[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[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

（責任編輯：王意琴）