圖解法在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用

在模擬電路中，放大器的分析方法通常有三種，即估算法、圖解法和等效電路法。所謂估算法，就是應(yīng)用數(shù)學(xué)方程式通過近似計算來分析放大器性能的方法。等效電路法是指在小信號工作時，把非線性器件三極管等效成一個雙端口的線性電路，然后對放大器進(jìn)行分析計算。上述兩種方法都存在缺點;一是算出來的靜態(tài)工作點是否切合實際，位置是否合適，輸出波形是否失真;二是輸出信號幅度是否達(dá)到最大。而圖解法是一種利用三極管的特性曲線，通過作圖的方法來分析放大器工作情況，這種方法簡潔明了、可以直觀地看到靜態(tài)工作點的位置，輸出波形是否失真等，同時可以把復(fù)雜抽象的理論、公式，通過合理的圖解加以形象化，借助于圖解法可以使教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和條理性得到進(jìn)一步體現(xiàn)，便于所學(xué)知識的融會貫通，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，因而圖解法在日常的分析放大器的教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。

模擬電路課程是電子、通信和計算機等電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是電類專業(yè)整個知識和能力體系的重要支柱之一，為學(xué)習(xí)高頻電路、電視機原理、單片機原理與應(yīng)用和電子課程設(shè)計等課程提供硬件基礎(chǔ)知識。模擬電路課程的知識體系有它自身的特點，教學(xué)內(nèi)容存在基本概念抽象、知識點分散，既有半導(dǎo)體器件的特性介紹，又有由各個器件構(gòu)成的單元電路的組成特點及工作原理的闡述，特別是由半導(dǎo)體三極管構(gòu)成的各種低頻放大器分析，在這些知識內(nèi)容和方法的教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)往往采用單純的講解方法，讓學(xué)生記住一些定義、計算公式，結(jié)果學(xué)生知其然而不知其所以然，往往感覺模擬電路課程枯燥、乏味，太難學(xué)了，而在這些內(nèi)容的教學(xué)中采用圖解法可以使教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)和講解直觀、條理清晰，便于學(xué)生理解和掌握。

一、靜態(tài)工作點與波形失真關(guān)系的教學(xué)

靜態(tài)工作點Q選擇不當(dāng)，會使放大器工作時產(chǎn)生信號波形的失真，甚至使放大器無法正常工作，因而理解靜態(tài)工作點Q的位置與飽和失真和截止失真的波形特點，對于如何消除飽和失真和截止失真具有十分重要的意義。在課堂教學(xué)中如何幫助學(xué)生快速有效的理解和掌握靜態(tài)工作點Q的位置與飽和失真和截止失真的關(guān)系是模擬電路課堂教學(xué)中的一個重要問題，采用圖解法，利用三極管的輸出特性曲線，通過簡單的作圖，可以很好的解決這個問題，如圖1所示，由圖1可知，若Q點在交流負(fù)載線上的位置過高，近于QA處，在輸入信號的正半周可能進(jìn)入飽和區(qū)，造成輸出電壓波形負(fù)半周和輸出電流波形正半周被部分削除，產(chǎn)生“飽和失真”。反之，若靜態(tài)工作點在交流負(fù)載線上的位置過低，近于QB處，在輸入信號的負(fù)半周可能進(jìn)入截止區(qū)，造成輸出電壓波形正半周和輸出電流波形負(fù)半周被部分切掉，產(chǎn)生“截止失真”。由于它們都是三極管的工作狀態(tài)離開線性放大區(qū)進(jìn)入非線性的飽和區(qū)和截止區(qū)所造成的。因此叫非線性失真。由這個簡單的圖示可以形象地解釋靜態(tài)工作點的位置與飽和失真和截止失真的關(guān)系，從而知道，若產(chǎn)生了飽和失真，應(yīng)減小IBQ，增大基極偏置電阻Rb，使Q點下移至交流負(fù)載線的中心位置;反正若產(chǎn)生了截止失真，應(yīng)增大IBQ，減小基極偏置電阻Rb，使Q點上移至交流負(fù)載線的中心位置。

二、功率放大器中最大輸出功率計算的教學(xué)

功率放大器的主要任務(wù)是不失真地放大信號的功率，為了獲得足夠的輸出功率，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此功放管往往工作在接近極限運用的狀態(tài)。學(xué)生在求最大輸出電壓和電流幅度，從而求出時最大不失真功率時，往往無從下手，如何總結(jié)和講解功率放大器中最大輸出功率的計算方法，并起到舉一反三的效果，這也是模擬電路教學(xué)的一個難點。下面以乙類互補對稱功率放大器為例來說明圖解法在功率放大器最大輸出功率計算教學(xué)中的應(yīng)用。

如圖2所示，假設(shè)在輸入信號的整個正半周內(nèi)，V1管都導(dǎo)通(忽略功放管死區(qū)電壓的影響)，有集電極電流ic1流過負(fù)載，用圖解法可畫出集電極電壓和集電極電流的變化關(guān)系如圖3a所示。V2管的工作狀態(tài)和V1管相似，只是它在輸入信號的整個負(fù)半周內(nèi)導(dǎo)通，為了便于分析。將V2管的輸出特性曲線倒置地畫在V1管輸出特性曲線的右下方，并令兩管的靜態(tài)工作點Q在Uce=UCC處重合，形成了V1管和V2管的合成特性曲線如圖3b所示。這時負(fù)載線是通過(UCC，0)點而斜率-的直線。從圖中可知，允許集電極電流ic的最大變化范圍是2Icm，允許集電極電壓的最大變化范圍是2Ucem=2(UCC-Uces)，若忽略功放管的飽和壓降Uces的影響，則Ucem=UCC-Uces≈UCC，電路允許的最大輸出功率Pom可用功放管的電壓變化和電流變化的有效值來表示，即Pom=。在圖3b中，AB和BQ線段分別表示的是Icm和Ucem，所以三角形ABQ的面積代表了工作在乙類放大狀態(tài)下互補對稱功率放大器的輸出功率。功放管的飽和壓降Uces越小，三角形ABQ的面積越大，輸出功率Po就越大。通過圖3b所示的圖解法可以比較簡明直觀的總結(jié)互補對稱功率放大器最大輸出功率計算的方法，并且對于單管功率放大器、推挽功率放大器最大輸出功率計算可以同樣推廣使用。

圖解法是一種直觀、簡潔的教學(xué)方法，以上所舉的例子只是筆者在20多年教學(xué)實踐中總結(jié)出的比較典型的圖解法教學(xué)案例，在模擬電路的教學(xué)改革實踐中，我充分體會到圖解法對于解決低頻放大器中的一些教學(xué)難點、重點是一種非常有效的方法，有助于幫助學(xué)生對相關(guān)問題物理意義的深入理解和掌握，大大提高了課堂教學(xué)的效果，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，圖解法更多的使用需要我們在今后的教學(xué)過程中不斷積累，我也將一如既往地致力于教學(xué)改革和探索，努力提高課堂教學(xué)的效率和效果。

(作者單位:江蘇省常州技師學(xué)院)