安娜 任宇飛 劉紹海

[摘 要]模擬電子技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)抽象、理論性強(qiáng)是授課時(shí)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而問(wèn)題引導(dǎo)式主線教學(xué)模式，以解決問(wèn)題為中心，引發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，以主線為依托，幫助學(xué)員理順?biāo)悸?，有條理地掌握分散的知識(shí)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)規(guī)律。文章以模擬電子技術(shù)課程中差分放大電路為例，闡述問(wèn)題引導(dǎo)式主線教學(xué)模式具體實(shí)施方法。實(shí)踐表明，采用問(wèn)題引導(dǎo)式主線教學(xué)模式，可以在有效的課上時(shí)間引發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，最大程度提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]差分放大電路;Re電阻;零點(diǎn)漂移

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）12-0114-03

模擬電子技術(shù)課程是電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的基礎(chǔ)課程[1]，是電氣、電子信息類等本科學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有自己的理論體系，也有很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性。模擬電子技術(shù)課程不僅要讓學(xué)員掌握必要的電子技術(shù)的基本知識(shí)，為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)，還要培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和動(dòng)手操作能力。鑒于它在工科教學(xué)中的重要地位，做好模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)工作是不言而喻的。但是該課程內(nèi)容多，而難度系數(shù)較大，學(xué)員普遍反映這門課程很難學(xué)。如何化解這些難題，在有效的課上時(shí)間引發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，最大程度的提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果呢？問(wèn)題引導(dǎo)式[2]主線教學(xué)模式，是以問(wèn)題為引導(dǎo)，以解決問(wèn)題為中心，以主線為依托，注重培養(yǎng)學(xué)員獨(dú)立思考的能力，在課堂教的教學(xué)中注重學(xué)為主體，教為指導(dǎo)，著眼于學(xué)生探究能力和思維能力的培養(yǎng)。

模擬電子技術(shù)主要介紹半導(dǎo)體器件的基本特性、基本單元電路及集成電路的基本理論及基本分析方法，同時(shí)介紹信號(hào)的放大、運(yùn)算、處理、轉(zhuǎn)換以及產(chǎn)生電路等。由于半導(dǎo)體器件的非線性特性以及有源元件受外界條件的影響，模擬電路的種類繁多、性能復(fù)雜，因此模電課程難度系數(shù)較大、知識(shí)點(diǎn)多是授課時(shí)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在授課過(guò)程中，采用問(wèn)題引導(dǎo)式[3]主線教學(xué)模式，通過(guò)提出問(wèn)題引發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，突出主線，幫助學(xué)員理順?biāo)悸?，有條理地掌握分散的知識(shí)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)規(guī)律。問(wèn)題引導(dǎo)式主線教學(xué)模式可充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)其獨(dú)立思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

模擬電子技術(shù)課程中，差分放大電路[4]這一節(jié)一直是教學(xué)的重點(diǎn)及難點(diǎn)內(nèi)容。差分放大電路利用電路結(jié)構(gòu)和元件的對(duì)稱性，有效的抑制零點(diǎn)漂移，更多的應(yīng)用于多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)，是集成運(yùn)算放大電路的重要組成部分。差分放大電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用，對(duì)差模信號(hào)有很強(qiáng)的放大能力，因此對(duì)共模信號(hào)和差模信號(hào)的分析方法不同，所采用的等效電路也不同，因而差分放大電路這一節(jié)的內(nèi)容一直是模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)的難點(diǎn)。下面以長(zhǎng)尾式差分放大電路為例 ，探討問(wèn)題引導(dǎo)式主線教學(xué)法如何在模擬電子技術(shù)課中應(yīng)用的。

一、教學(xué)設(shè)計(jì)

首先通過(guò)解決零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的問(wèn)題引出差分放大電路，探究電路產(chǎn)生的背景以及電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)思過(guò)程，力圖使學(xué)員不但“知其然”還“知其所以然”;依據(jù)一條主線Re電阻對(duì)其進(jìn)行分析包括靜態(tài)工作點(diǎn)的分析、共模信號(hào)的分析、差模信號(hào)的分析，針對(duì)Re電阻對(duì)共模信號(hào)和差模信號(hào)所起的作用不同，在共模信號(hào)中Re電阻相當(dāng)于2倍Re電阻起作用，但差模信號(hào)作用時(shí)，Re電阻相當(dāng)于短路，因此針對(duì)不同的信號(hào)，其微變等效電路也不同;最后針對(duì)Re電阻的特殊性，引導(dǎo)學(xué)員思考如何改進(jìn)行差分放大電路，得出具有恒流源的差分放大電路。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

分析問(wèn)題并解決問(wèn)題 ：采用啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)員思考零點(diǎn)漂移現(xiàn)象產(chǎn)生的原因;并試圖和學(xué)員共同探究解決零點(diǎn)漂移的辦法，引出長(zhǎng)尾式差分放大電路。

在分析長(zhǎng)尾式差分放大電路過(guò)程中，Re電阻貫穿始終，在靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析（差模信號(hào)和共模信號(hào)作用時(shí)）與學(xué)員共同探討Re電阻起了什么樣的作用？為了更好地抑制共模信號(hào)放大差模信號(hào)，與學(xué)員共同探討要用什么樣的電路來(lái)取代Re電阻，讓學(xué)員總結(jié)規(guī)律，最后得出用電流源電路取代Re電阻。

二、長(zhǎng)尾式差分放大電路的分析

（一）問(wèn)題的提出——零點(diǎn)漂移現(xiàn)象

直接耦合放大電路的輸入端短路，用靈敏的毫伏級(jí)直流表接輸出端，指針會(huì)無(wú)規(guī)律變化，也就是輸入沒(méi)有變化時(shí)，輸出產(chǎn)生了變化，這種現(xiàn)象叫零點(diǎn)漂移。從而引出問(wèn)題：為什么會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移呢？如何解決呢？

教員進(jìn)行引導(dǎo)性分析，半導(dǎo)體器件是溫度敏感性很強(qiáng)的器件，溫度變化會(huì)使得晶體管各方面的性能發(fā)生變化，這是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的主要原因，故零點(diǎn)漂移也稱為溫飄;另外，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、器件的老化等也是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的原因，但這兩種原因可以通過(guò)一些人為的操作避免，比如采用精密的直流電源使輸出電壓不隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)，同時(shí)器件通過(guò)老化測(cè)試可延緩器件的老化壽命。差分放大電路能較好地解決以上問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行分析，讓學(xué)員理解差分放大電路是如何抑制零點(diǎn)漂移的。

（二）差分放大電路的結(jié)構(gòu)分析

對(duì)單管放大電路輸出端加可變電源V，就可以做到零輸入零輸出，但這種可調(diào)電源很難做，鑒于此，再加入一個(gè)完全對(duì)稱的電源，如圖1（a）所示。無(wú)論從結(jié)構(gòu)還是器件參數(shù)上看都是一樣的，兩個(gè)電路是一種鏡像的關(guān)系。在這種情況下，兩邊集電極變化相同，于是它的輸入為零，它的輸出就是零，圖1（a）就是差分放大電路的雛形;為了使電路更好地抑制差模信號(hào)放大共模信號(hào)將兩端集電極電阻Re合二為一構(gòu)成了長(zhǎng)尾式差分放大電路，如圖1（b）所示。實(shí)際上差分放大電路中依然存在零點(diǎn)漂移，但它是通過(guò)電路結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)的對(duì)稱性使得輸出端沒(méi)有漂移的產(chǎn)生，達(dá)到抑制零點(diǎn)漂移的目的。

（三）長(zhǎng)尾式差分放大電路分析[1][5]——以Re電阻為主線

本文主要以Re電阻為主線分析長(zhǎng)尾式差分放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)及動(dòng)態(tài)參數(shù)，包括對(duì)差模信號(hào)及共模信號(hào)的分析，對(duì)其他公式推導(dǎo)不做過(guò)多介紹。

1.? Q點(diǎn)分析

長(zhǎng)尾式差分電路靜態(tài)工作點(diǎn)分析如圖2所示。首先進(jìn)行定性分析各極電流和集電極電壓的改變，由于差分放大電路兩端理想對(duì)稱，使得兩邊電路各極電流和集電極電位相等，最終輸出為零。

通過(guò)公式（1）（2）（3）定量求解靜態(tài)工作點(diǎn)。

通過(guò)公式（1）確定一個(gè)合適的靜態(tài)基極工作電流IEQ，式中電阻Re是以兩倍阻值出現(xiàn)的，這是因?yàn)镽e電阻流過(guò)的電流IE1+IE2，因此電阻Re可當(dāng)作2倍Re來(lái)看，再通過(guò)式（2）（3）分別求解IBQ、UCEQ。

電阻Re的作用：通過(guò)式（1）可以看出負(fù)電源和Re電阻共同確定了靜態(tài)工作點(diǎn)IEQ，這樣會(huì)使得設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的時(shí)候，簡(jiǎn)單明了，選取參數(shù)本身很少;電阻Re是靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電阻，它是以2倍阻值出現(xiàn)的，這樣會(huì)使得工作點(diǎn)更加穩(wěn)定。

2.抑制共模信號(hào)

將差分放大電路兩個(gè)輸入端接在一起，加信號(hào)UIC，兩邊電路產(chǎn)生了同樣大小的變化量，這個(gè)信號(hào)就是大小相等方向相同的共模信號(hào)，差分放大電路輸入共模信號(hào)電路如圖3（a）所示。由于管子的理想對(duì)稱性，溫度變化時(shí)管子的電流變化完全相同，因此可以將溫度漂移等效成共模信號(hào)。

通過(guò)分析Re的負(fù)反饋?zhàn)饔?，就可了解兩邊是如何變化的，溫度升高，兩邊管子的Ic就會(huì)增大，此時(shí)Ie就增大， Re電阻上的電壓就會(huì)增大，使得發(fā)射極上的電位升高，Ue就會(huì)升高，由于輸入信號(hào)不變，使得UBE減小，從而使得Ib1、Ib2減小，那么集電極電流就減小了，可見(jiàn)，雖然是用對(duì)稱性抑制共模信號(hào)使得輸出為零，但是對(duì)于每一邊來(lái)講，它也利用到Re電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔脕?lái)使得每一邊的漂移減小， R電阻被稱作共模信號(hào)起負(fù)反饋電阻。從前面的分析得知，Re電阻上流的電流是兩只管子發(fā)射集電阻里流的電流的總和，那么對(duì)一邊管子來(lái)講就相當(dāng)于2倍 Re電阻起了負(fù)反饋的作用，畫交流通路時(shí)，單管射極電阻應(yīng)為2倍Re，如圖3（b）所示，這樣就會(huì)使每一邊的共模負(fù)反饋更強(qiáng)一些，當(dāng)溫度變化時(shí)，集電極電位的變化更小。

可見(jiàn)，差分放大電路抑制共模信號(hào)不但利用電路參數(shù)的理想對(duì)稱性，而且還利用了發(fā)射極電阻Re對(duì)共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔谩?/p>

3.放大差模信號(hào)

差模信號(hào)是數(shù)值相等方向相反的信號(hào)，對(duì)于差分放大電路加差模信號(hào)時(shí)，可以如圖4（a）接法相當(dāng)于每邊都加了1/2的UId， UI1是正的1/2的UId，UI2這邊是負(fù)1/2的UId，這時(shí)兩端加入大小相等方向相反的信號(hào)，這種信號(hào)就是差模信號(hào)。通過(guò)分析可得[ΔIE1=-ΔIE2]，電阻Re中的電流是不變的，發(fā)射極的電位E對(duì)于差模信號(hào)是沒(méi)有變化的，因此在畫交流通路時(shí)電阻Re相當(dāng)于短路，長(zhǎng)尾式差分放大電路在輸入差模信號(hào)時(shí)的交流通路如圖4（b）所示.從而得出輸出電壓如式（4）和輸入電壓如式（5）的表達(dá)式，再通過(guò)受控關(guān)系得出放大倍數(shù)的表達(dá)式如式（6）。

Re電阻雖然對(duì)共模信號(hào)起負(fù)反饋?zhàn)饔茫诓钅Ｐ盘?hào)作用時(shí)由于其上電流沒(méi)有變化，微變等效電路中相當(dāng)于適中，對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有反饋?zhàn)饔?，通過(guò)公式（6）可以看出，與靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路相比，分母少了[（1+β）Re]，使得差模信號(hào)作用時(shí)，放大倍數(shù)更大。

4.改進(jìn)差分放大電路

從前面分析得知Re電阻是具有共模負(fù)反饋?zhàn)饔茫种屏嗣恳贿叺臏仄?，且電阻越大，?duì)每一邊的溫漂抑制力就越大，因此Re在動(dòng)態(tài)時(shí)越大越好;但是Re和VEE共同確定了靜態(tài)工作點(diǎn)IEQ，若保證IEQ不變，當(dāng)Re電阻增大10倍時(shí)，電源也增大接近10倍，可以想象，若Re取100KΩ時(shí)，就需要-100V的電源，這樣的選取對(duì)一個(gè)電路的設(shè)計(jì)是非常不合理的。因此，這是一個(gè)矛盾，希望Re電阻在動(dòng)態(tài)時(shí)越大越好，在靜態(tài)時(shí)是有限值，這時(shí)教員引導(dǎo)學(xué)員考慮用學(xué)過(guò)的電路是否可以取代Re電阻來(lái)滿足上述條件，答案是用恒流源電路取代Re電阻的位置，這就是改進(jìn)型的差分放大電路，恒流源式差分放大電路如圖5所示。

5.小結(jié)

課程教學(xué)過(guò)程中，首先通過(guò)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象探究如何消除零漂，從而引出差分放大電路;在對(duì)差分放大電路進(jìn)行分析時(shí)以Re電阻為主線，在靜態(tài)分析時(shí)，Re電阻與負(fù)電源VEE共同確定靜態(tài)工作點(diǎn);在動(dòng)態(tài)分析時(shí)，針對(duì)共模信號(hào)，Re電阻的共模負(fù)反饋?zhàn)饔门c電路的理想對(duì)稱性共同抑制共模信號(hào);針對(duì)差模信號(hào)，Re電阻相當(dāng)于短路，大大提高了放大差模信號(hào)的能力，差分放大電路抑制共模信號(hào)放大差模信號(hào)與Re電阻的作用密不可分;最后根據(jù)Re的特殊位置，為滿足在動(dòng)態(tài)時(shí)越大越好，在靜態(tài)時(shí)是有限值，用電流源電路取代Re電阻，得出改進(jìn)型差分放大電路-具有恒流源的差分放大電路。

三、結(jié)束語(yǔ)

在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中，采用問(wèn)題引導(dǎo)式主線教學(xué)模式，以問(wèn)題解決為中心，以主線教學(xué)為依托，幫助學(xué)員理清思路，在教學(xué)中以教為輔助，學(xué)為主導(dǎo)，發(fā)揮教員的主體指導(dǎo)作和學(xué)生的主體參與地位，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力及自主學(xué)習(xí)能力，如何將常規(guī)的教學(xué)手段的優(yōu)點(diǎn)與現(xiàn)代教育技術(shù)理論有機(jī)結(jié)合起來(lái)，有待于不斷地研究與探索。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2015：134-144.

[2] 胡小勇，袁振國(guó).當(dāng)代教育學(xué)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2010：156-188.

[3] 賈元華，鄒乃威.問(wèn)題式教學(xué)方法的課堂教學(xué)模式研究與探討[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010（26）：43.

[4] 劉寶玲.電子電路基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2013：87-102.

[5] 張劍平主編.模擬電子技術(shù)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：91-118.

[責(zé)任編輯：張 雷]