模擬電子技術課程中的工程近似分析方法*

◆吳國祥 施敏

1 引言

模擬電子技術（簡稱模電）課程內容抽象，教師難教、學生難學，教師教得辛苦、學生學得痛苦。主要原因在于低年級工科學生習慣于線性思維和科學理論的精確計算，不太理解實際應用的工程近似分析。因此，培養學生的工程思維是模電課程學習入門的關鍵。

模電中的二極管、三極管都是非線性器件，其PN結的電壓、電流關系是指數方程[1-2]，相關電路需要用圖解法或迭代法求解，圖解法需要已知特性曲線，迭代法計算非常復雜，因此都不實用。在一定的條件下將非線性器件線性化，簡化模型、方便分析和計算，這就是工程近似分析方法[3-4]。非線性器件的工程近似分析方法幾乎貫穿了整個模電課程，正確地分析與處理非線性特性對模電課程的學習非常重要。二極管、三極管等電子器件不僅具有非線性特征，而且其參數還因工藝制造的原因產生分散性，實際特性曲線與手冊上的參考特性曲線之間存在差異[5]，在各種模擬電路的計算中，絕對精確是不可能的，也沒有多大的實際意義。在允許的誤差范圍內，進行定性分析、定量估算的工程近似方法，才是分析解決問題的核心和關鍵。

本文對二極管的工程近似模型、集成運放的虛短和虛斷、深度負反饋條件下的近似計算等進行了深入的分析，其本質都是對非線性問題進行線性化的近似處理。本文的研究表明，這種方法非常適合于模電課程中相關問題的分析與計算，對模電教學有很大的幫助。

2 二極管的工程近似模型

3 集成運放的虛短和虛斷

集成運放采用半導體工藝，將大量的三極管、電阻、電容等元件制作在同一塊芯片上，包括輸入級差分放大、中間級電壓放大和輸出級功率放大，其電路模型如圖2所示，P、N兩端分別為同相和反相輸入端。一般來說，輸入電阻ri≥106 Ω，輸出電阻ro≤100 Ω，開環增益為104—106，輸出電壓的范圍為U-＜uo＜U+，其傳輸特性如圖3所示，AB段幾乎是一條垂直直線，上下兩條水平線分別對應于正、負飽和極限值U+、U-，為非線性區。若進行近似處理，可得理想運放的電路模型，如圖4所示。當（up-uN）＞0時，uo將趨于正飽和極限電壓U+；當（up-uN）＜0時，uo將趨于負飽和極限電壓U-；將集成運放的性能參數理想化，特征表達為：ip→0，iN→0，ri→∞，ro→0，Au→∞。

圖2 集成運放的電路模型

圖3 集成運放的傳輸特性

圖4 理想運放的電路模型

在實際的放大電路中，一般存在負反饋作用，使uN自動跟蹤up，凈輸入uid=up-uN≈0，這種現象稱為虛假短路，簡稱虛短；而輸入電阻很大，兩輸入端的電流ip=iN≈0，這種現象稱為虛假斷路，簡稱虛斷。虛短是本質，虛斷是現象。這兩個概念對于分析線性電路具有非常重要的工程意義。

如圖5所示的T型網絡反相比例運算電路，利用虛短和虛斷的概念，很容易得到輸出電壓：

圖5 T型網絡反相比例運算電路

圖6 反饋放大電路框圖

圖7 差分放大電路

4 深度負反饋條件下的近似計算

在電子電路中，反饋是指將電路輸出量的一部分或全部通過反饋網絡，用一定的方式送回到輸入回路，以影響輸入量的過程，體現了輸出信號對輸入信號的反作用。

5 結束語

在各種模擬電路的計算中，精確是相對的，近似是絕對的，工程近似思維模式貫穿了整個模電課程。因此，在模電課程教學過程中，應將工程理念融入教學和實踐中，培養學生學以致用的理念，引導學生建立非線性工程思維模式。抓住主要矛盾，理解問題的本質，培養近似計算的工程思維方法；忽略次要矛盾，將復雜的問題簡單化，尋找解決工程問題的有效途徑。

[1]康華光.電子技術基礎:模擬部分[M].5版.北京:高等教育出版社,2008.

[2]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

[3]王建平,馬衛國.模擬電子技術實驗教學改革與探索術[J].中國教育技術裝備,2012(30):116-117.

[4]申杰奮.模擬電路理論與實驗教學模式的改革與探索[J].中國電力教育,2012(6):80.

[5]閆慧蘭,雷飛,徐萍萍.“模擬電子技術”多元化教學的探索[J].電氣電子教學學報,2010(5):86-87.