EDA技術(shù)在電工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

卜云

摘要：在電工技術(shù)教學(xué)中引入先進(jìn)的EDA技術(shù)是該課程教學(xué)改革的一個(gè)方向，它不僅能夠使學(xué)生直接接觸到先進(jìn)的技術(shù)，還能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)利用ADS軟件設(shè)計(jì)基本放大電路的例子，為學(xué)生展示電路設(shè)計(jì)的基本過程，以及如何利用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，使課堂教學(xué)脫離了純理論講解的方式，增加了教師與學(xué)生間的互動(dòng)。

關(guān)鍵詞：EDA；電工技術(shù)；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）09-0029-02

一、引言

電工技術(shù)是一門非電專業(yè)，例如機(jī)械類、汽車類等學(xué)科中某些專業(yè)的基礎(chǔ)或選修課程。但是，該門課程所包含的內(nèi)容較多，跨度較大。上冊(cè)主要有電路分析和電動(dòng)機(jī)的基本原理，還包括電力電子技術(shù)；下冊(cè)主要內(nèi)容為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。本課程開設(shè)的初衷是為這些非電專業(yè)的學(xué)生提供一個(gè)窗口，使其能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)電子技術(shù)的基本原理有一個(gè)整體的把握，以具備對(duì)其專業(yè)的相關(guān)電子設(shè)備有一定的了解能力。因此，這種非專業(yè)性課程的定位，加之課程內(nèi)容本身理論性較強(qiáng)，使學(xué)生不了解學(xué)習(xí)該課程的意義與實(shí)際的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，大多數(shù)以獲得學(xué)分為目的。但是，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子技術(shù)及其相關(guān)的學(xué)科，幾乎已經(jīng)對(duì)各門學(xué)科產(chǎn)生了極大的影響，最明顯的例子體現(xiàn)在現(xiàn)代汽車工業(yè)中。目前，汽車已經(jīng)不再單純是一個(gè)機(jī)械裝置，它是綜合了最新機(jī)械與電子技術(shù)發(fā)展水平的高科技產(chǎn)品。同時(shí)，隨著電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種各樣的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA：Electronics design automation）軟件，改變了以往全部需要手工工作來設(shè)計(jì)電路的局面。目前，幾乎所有的電子電路設(shè)計(jì)任務(wù)都是在EDA軟件的協(xié)助下完成的，而且，是否具備熟練的EDA軟件使用能力已經(jīng)成為大多數(shù)公司招聘員工的先決條件。因此，在電工技術(shù)課程中引入EDA技術(shù)[1-5]，不僅能夠?yàn)閷W(xué)生提供更為豐富的教學(xué)內(nèi)容，也是幫助學(xué)生更好就業(yè)的一個(gè)重要手段。

二、EDA技術(shù)在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用舉例

模擬電路通常是電工技術(shù)教學(xué)中的難點(diǎn)，一是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生難以理解；其次，學(xué)生不了解該部分內(nèi)容在實(shí)際工作中的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。為此，可以適當(dāng)將EDA技術(shù)穿插在這部分的教學(xué)中，從實(shí)際電路設(shè)計(jì)的過程中引出與課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容，以達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。以下用一個(gè)實(shí)際的例子來表明如何將EDA設(shè)計(jì)過程與電工課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。

例：使用ADS（Advanced design system）軟件實(shí)現(xiàn)共射極放大電路的靜態(tài)分析與直流偏置設(shè)計(jì)。

共射極基本放大電路是電工技術(shù)中模擬電路部分接觸的第一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，課程要求學(xué)生熟練使用計(jì)算法與圖解法來確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。學(xué)生對(duì)這一部分的掌握情況直接影響到其對(duì)后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的掌握，因此，本例從電路設(shè)計(jì)的實(shí)際過程出發(fā)，引出相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。

在講解例子之前，需要給學(xué)生明確的是在實(shí)際的有源電路設(shè)計(jì)中，通常情況下，晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇與設(shè)計(jì)是第一步，也是至關(guān)重要的一步。實(shí)現(xiàn)不同功能的電路，可能在電路圖上區(qū)別不大，重要的是其靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇。例如，低噪聲功率放大器需要無失真地放大微弱信號(hào)，因此它的靜態(tài)工作點(diǎn)需要選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，而高功率放大電路為了盡可能提高輸出效率，通常靜態(tài)工作點(diǎn)選擇到靠近截止區(qū)，而混頻器、倍頻器等電路，主要為了使用其非線性性能，因此，它們的靜態(tài)工作點(diǎn)通常要靠近飽和區(qū)。其次，需要強(qiáng)調(diào)的是電路設(shè)計(jì)是電路分析的逆過程，遵循的步驟是根據(jù)輸入輸出關(guān)系，確定靜態(tài)工作點(diǎn)，再得到直流偏置電路，與課程中計(jì)算直流工作點(diǎn)的順序正好相反，但是，它們所反映出的基本原理都是相同的。

確定靜態(tài)工作點(diǎn)，就是根據(jù)電路所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定基極電流IBB和集電極電流IC，集射電壓UCE。因此，首先需要得到晶體管的輸入輸出曲線。在ADS中，輸入輸出關(guān)系是通過對(duì)晶體管做直流掃描得到的。實(shí)驗(yàn)步驟是先建立一個(gè)新的工程項(xiàng)目（Project）和一個(gè)新的設(shè)計(jì)（Design），然后選擇晶體管直流工作點(diǎn)掃描模板（ADS中常用的功能都做成了模板，可以直接調(diào)用），并在其提供的元器件庫中選擇合適的元件，加入到模板中，如圖1所示。

其次，需要設(shè)定晶體管的工作范圍，就是IBB和VCE的范圍，可以通過掃描參數(shù)設(shè)置得到，如圖2所示。本例中，IBB的掃描范圍是從20uA到100uA，掃描步長(zhǎng)為10uA。VCE的掃描范圍從0V到5V，掃描步長(zhǎng)為0.1V。當(dāng)掃描參數(shù)確定后，點(diǎn)擊仿真按鈕，就會(huì)產(chǎn)生圖3的輸入輸出曲線。

圖3所示的輸入輸出關(guān)系曲線與課本上的曲線幾乎是一致的，它表明在不同的基極電流IBB作用下，集電極電流IC與集射電壓VCE的關(guān)系。通過輸入輸出曲線，可以選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電路的功能。在本例中，為與教材保持一致，將靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，大致對(duì)應(yīng)于圖3中光標(biāo)m1的位置，軟件會(huì)自動(dòng)顯示出此處的參數(shù)，即IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，可以據(jù)此設(shè)計(jì)直流偏置電路。由于本例是設(shè)計(jì)共射極基本放大電路，因此需要計(jì)算基極和集電極電阻的大小。在ADS中，偏置電阻的大小可以自動(dòng)計(jì)算，但是需要手動(dòng)輸入相關(guān)的公式，如圖4所示：

根據(jù)圖4的計(jì)算公式，可以得到圖5的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看到，當(dāng)選擇Ibb=60uA時(shí)，對(duì)應(yīng)的基射電壓和基極電阻在一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)，因此只能選擇一個(gè)近似的值VBE=0.8V，Rb=60K。用同樣的方法，可以得到的集電極電阻Rc=340。當(dāng)所有的參數(shù)都計(jì)算得到后，需要對(duì)該電路進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。驗(yàn)證電路及其參數(shù)如圖6所示。

根據(jù)共射極放大電路的基本計(jì)算結(jié)果，可以設(shè)計(jì)出圖6所示電路。驗(yàn)證該電路的方法是對(duì)其做直流仿真，并將仿真計(jì)算的結(jié)果直接顯示在電路圖中對(duì)應(yīng)的元件和支路上。從圖中可以看出，基極的電位為809mV，電流為69.9uA，而集電極電位VCE=2.74V，Ic=6.64mA。對(duì)比前面得到的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)（IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA），可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在一個(gè)小的偏差，這是因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)中，無論是在靜態(tài)工作點(diǎn)還是元件參數(shù)的選擇上，都存在近似的過程，因此，任何電路的設(shè)計(jì)，都是一個(gè)近似的設(shè)計(jì)，由此得到的實(shí)際電路都需要經(jīng)過調(diào)試合格后才能夠?qū)嶋H使用。

以上的例子為學(xué)生展示了一個(gè)電路設(shè)計(jì)的基本過程以及設(shè)計(jì)方法。當(dāng)課程進(jìn)一步深入后，可以對(duì)本例進(jìn)行擴(kuò)展，例如在分析放大電路動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以加入不同幅度的輸入信號(hào)，觀察在不同靜態(tài)工作點(diǎn)，放大電路的輸入輸出波形和非線性失真，有助于學(xué)生理解設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)的意義。

三、結(jié)語

通過在電工技術(shù)課堂上增加EDA設(shè)計(jì)的過程，可以使課程從純理論教學(xué)轉(zhuǎn)向理論與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠培養(yǎng)他們的實(shí)際動(dòng)手能力，并極大增加了教師和學(xué)生間的互動(dòng)。同時(shí)，課本上的理論與公式不再需要死記硬背，它們已經(jīng)融合到設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生通過一兩個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就可以熟練掌握，使學(xué)生能夠輕松完成課程的學(xué)習(xí)和考試。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉廷文，唐慶玉.EDA課程設(shè)計(jì)——研究型教學(xué)的重要環(huán)節(jié)[J].試驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（10）：112-116.

[2]劉廷文，唐慶玉，段玉生.EDA技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電工學(xué)研究型教學(xué)的良好手段[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（8）：65-68.

[3]高金定，鄔書躍，孫彥彬，等.EDA技術(shù)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐[J].試驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（2）：158-160.

[4]田建艷，夏路易.EDA支持下的電子技術(shù)教學(xué)實(shí)踐[J].教育理論與實(shí)踐，2005，25（6）：54-55.

[5]徐彥凱，雙凱，姜珊.EDA課程設(shè)計(jì)課題的開發(fā)與體會(huì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（2）：114-116.

摘要：在電工技術(shù)教學(xué)中引入先進(jìn)的EDA技術(shù)是該課程教學(xué)改革的一個(gè)方向，它不僅能夠使學(xué)生直接接觸到先進(jìn)的技術(shù)，還能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)利用ADS軟件設(shè)計(jì)基本放大電路的例子，為學(xué)生展示電路設(shè)計(jì)的基本過程，以及如何利用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，使課堂教學(xué)脫離了純理論講解的方式，增加了教師與學(xué)生間的互動(dòng)。

關(guān)鍵詞：EDA；電工技術(shù)；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）09-0029-02

一、引言

電工技術(shù)是一門非電專業(yè)，例如機(jī)械類、汽車類等學(xué)科中某些專業(yè)的基礎(chǔ)或選修課程。但是，該門課程所包含的內(nèi)容較多，跨度較大。上冊(cè)主要有電路分析和電動(dòng)機(jī)的基本原理，還包括電力電子技術(shù)；下冊(cè)主要內(nèi)容為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。本課程開設(shè)的初衷是為這些非電專業(yè)的學(xué)生提供一個(gè)窗口，使其能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)電子技術(shù)的基本原理有一個(gè)整體的把握，以具備對(duì)其專業(yè)的相關(guān)電子設(shè)備有一定的了解能力。因此，這種非專業(yè)性課程的定位，加之課程內(nèi)容本身理論性較強(qiáng)，使學(xué)生不了解學(xué)習(xí)該課程的意義與實(shí)際的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，大多數(shù)以獲得學(xué)分為目的。但是，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子技術(shù)及其相關(guān)的學(xué)科，幾乎已經(jīng)對(duì)各門學(xué)科產(chǎn)生了極大的影響，最明顯的例子體現(xiàn)在現(xiàn)代汽車工業(yè)中。目前，汽車已經(jīng)不再單純是一個(gè)機(jī)械裝置，它是綜合了最新機(jī)械與電子技術(shù)發(fā)展水平的高科技產(chǎn)品。同時(shí)，隨著電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種各樣的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA：Electronics design automation）軟件，改變了以往全部需要手工工作來設(shè)計(jì)電路的局面。目前，幾乎所有的電子電路設(shè)計(jì)任務(wù)都是在EDA軟件的協(xié)助下完成的，而且，是否具備熟練的EDA軟件使用能力已經(jīng)成為大多數(shù)公司招聘員工的先決條件。因此，在電工技術(shù)課程中引入EDA技術(shù)[1-5]，不僅能夠?yàn)閷W(xué)生提供更為豐富的教學(xué)內(nèi)容，也是幫助學(xué)生更好就業(yè)的一個(gè)重要手段。

二、EDA技術(shù)在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用舉例

模擬電路通常是電工技術(shù)教學(xué)中的難點(diǎn)，一是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生難以理解；其次，學(xué)生不了解該部分內(nèi)容在實(shí)際工作中的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。為此，可以適當(dāng)將EDA技術(shù)穿插在這部分的教學(xué)中，從實(shí)際電路設(shè)計(jì)的過程中引出與課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容，以達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。以下用一個(gè)實(shí)際的例子來表明如何將EDA設(shè)計(jì)過程與電工課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。

例：使用ADS（Advanced design system）軟件實(shí)現(xiàn)共射極放大電路的靜態(tài)分析與直流偏置設(shè)計(jì)。

共射極基本放大電路是電工技術(shù)中模擬電路部分接觸的第一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，課程要求學(xué)生熟練使用計(jì)算法與圖解法來確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。學(xué)生對(duì)這一部分的掌握情況直接影響到其對(duì)后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的掌握，因此，本例從電路設(shè)計(jì)的實(shí)際過程出發(fā)，引出相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。

在講解例子之前，需要給學(xué)生明確的是在實(shí)際的有源電路設(shè)計(jì)中，通常情況下，晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇與設(shè)計(jì)是第一步，也是至關(guān)重要的一步。實(shí)現(xiàn)不同功能的電路，可能在電路圖上區(qū)別不大，重要的是其靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇。例如，低噪聲功率放大器需要無失真地放大微弱信號(hào)，因此它的靜態(tài)工作點(diǎn)需要選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，而高功率放大電路為了盡可能提高輸出效率，通常靜態(tài)工作點(diǎn)選擇到靠近截止區(qū)，而混頻器、倍頻器等電路，主要為了使用其非線性性能，因此，它們的靜態(tài)工作點(diǎn)通常要靠近飽和區(qū)。其次，需要強(qiáng)調(diào)的是電路設(shè)計(jì)是電路分析的逆過程，遵循的步驟是根據(jù)輸入輸出關(guān)系，確定靜態(tài)工作點(diǎn)，再得到直流偏置電路，與課程中計(jì)算直流工作點(diǎn)的順序正好相反，但是，它們所反映出的基本原理都是相同的。

確定靜態(tài)工作點(diǎn)，就是根據(jù)電路所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定基極電流IBB和集電極電流IC，集射電壓UCE。因此，首先需要得到晶體管的輸入輸出曲線。在ADS中，輸入輸出關(guān)系是通過對(duì)晶體管做直流掃描得到的。實(shí)驗(yàn)步驟是先建立一個(gè)新的工程項(xiàng)目（Project）和一個(gè)新的設(shè)計(jì)（Design），然后選擇晶體管直流工作點(diǎn)掃描模板（ADS中常用的功能都做成了模板，可以直接調(diào)用），并在其提供的元器件庫中選擇合適的元件，加入到模板中，如圖1所示。

其次，需要設(shè)定晶體管的工作范圍，就是IBB和VCE的范圍，可以通過掃描參數(shù)設(shè)置得到，如圖2所示。本例中，IBB的掃描范圍是從20uA到100uA，掃描步長(zhǎng)為10uA。VCE的掃描范圍從0V到5V，掃描步長(zhǎng)為0.1V。當(dāng)掃描參數(shù)確定后，點(diǎn)擊仿真按鈕，就會(huì)產(chǎn)生圖3的輸入輸出曲線。

圖3所示的輸入輸出關(guān)系曲線與課本上的曲線幾乎是一致的，它表明在不同的基極電流IBB作用下，集電極電流IC與集射電壓VCE的關(guān)系。通過輸入輸出曲線，可以選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電路的功能。在本例中，為與教材保持一致，將靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，大致對(duì)應(yīng)于圖3中光標(biāo)m1的位置，軟件會(huì)自動(dòng)顯示出此處的參數(shù)，即IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，可以據(jù)此設(shè)計(jì)直流偏置電路。由于本例是設(shè)計(jì)共射極基本放大電路，因此需要計(jì)算基極和集電極電阻的大小。在ADS中，偏置電阻的大小可以自動(dòng)計(jì)算，但是需要手動(dòng)輸入相關(guān)的公式，如圖4所示：

根據(jù)圖4的計(jì)算公式，可以得到圖5的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看到，當(dāng)選擇Ibb=60uA時(shí)，對(duì)應(yīng)的基射電壓和基極電阻在一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)，因此只能選擇一個(gè)近似的值VBE=0.8V，Rb=60K。用同樣的方法，可以得到的集電極電阻Rc=340。當(dāng)所有的參數(shù)都計(jì)算得到后，需要對(duì)該電路進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。驗(yàn)證電路及其參數(shù)如圖6所示。

根據(jù)共射極放大電路的基本計(jì)算結(jié)果，可以設(shè)計(jì)出圖6所示電路。驗(yàn)證該電路的方法是對(duì)其做直流仿真，并將仿真計(jì)算的結(jié)果直接顯示在電路圖中對(duì)應(yīng)的元件和支路上。從圖中可以看出，基極的電位為809mV，電流為69.9uA，而集電極電位VCE=2.74V，Ic=6.64mA。對(duì)比前面得到的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)（IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA），可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在一個(gè)小的偏差，這是因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)中，無論是在靜態(tài)工作點(diǎn)還是元件參數(shù)的選擇上，都存在近似的過程，因此，任何電路的設(shè)計(jì)，都是一個(gè)近似的設(shè)計(jì)，由此得到的實(shí)際電路都需要經(jīng)過調(diào)試合格后才能夠?qū)嶋H使用。

以上的例子為學(xué)生展示了一個(gè)電路設(shè)計(jì)的基本過程以及設(shè)計(jì)方法。當(dāng)課程進(jìn)一步深入后，可以對(duì)本例進(jìn)行擴(kuò)展，例如在分析放大電路動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以加入不同幅度的輸入信號(hào)，觀察在不同靜態(tài)工作點(diǎn)，放大電路的輸入輸出波形和非線性失真，有助于學(xué)生理解設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)的意義。

三、結(jié)語

通過在電工技術(shù)課堂上增加EDA設(shè)計(jì)的過程，可以使課程從純理論教學(xué)轉(zhuǎn)向理論與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠培養(yǎng)他們的實(shí)際動(dòng)手能力，并極大增加了教師和學(xué)生間的互動(dòng)。同時(shí)，課本上的理論與公式不再需要死記硬背，它們已經(jīng)融合到設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生通過一兩個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就可以熟練掌握，使學(xué)生能夠輕松完成課程的學(xué)習(xí)和考試。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉廷文，唐慶玉.EDA課程設(shè)計(jì)——研究型教學(xué)的重要環(huán)節(jié)[J].試驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（10）：112-116.

[2]劉廷文，唐慶玉，段玉生.EDA技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電工學(xué)研究型教學(xué)的良好手段[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（8）：65-68.

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摘要：在電工技術(shù)教學(xué)中引入先進(jìn)的EDA技術(shù)是該課程教學(xué)改革的一個(gè)方向，它不僅能夠使學(xué)生直接接觸到先進(jìn)的技術(shù)，還能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)利用ADS軟件設(shè)計(jì)基本放大電路的例子，為學(xué)生展示電路設(shè)計(jì)的基本過程，以及如何利用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，使課堂教學(xué)脫離了純理論講解的方式，增加了教師與學(xué)生間的互動(dòng)。

關(guān)鍵詞：EDA；電工技術(shù)；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）09-0029-02

一、引言

電工技術(shù)是一門非電專業(yè)，例如機(jī)械類、汽車類等學(xué)科中某些專業(yè)的基礎(chǔ)或選修課程。但是，該門課程所包含的內(nèi)容較多，跨度較大。上冊(cè)主要有電路分析和電動(dòng)機(jī)的基本原理，還包括電力電子技術(shù)；下冊(cè)主要內(nèi)容為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。本課程開設(shè)的初衷是為這些非電專業(yè)的學(xué)生提供一個(gè)窗口，使其能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)電子技術(shù)的基本原理有一個(gè)整體的把握，以具備對(duì)其專業(yè)的相關(guān)電子設(shè)備有一定的了解能力。因此，這種非專業(yè)性課程的定位，加之課程內(nèi)容本身理論性較強(qiáng)，使學(xué)生不了解學(xué)習(xí)該課程的意義與實(shí)際的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，大多數(shù)以獲得學(xué)分為目的。但是，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子技術(shù)及其相關(guān)的學(xué)科，幾乎已經(jīng)對(duì)各門學(xué)科產(chǎn)生了極大的影響，最明顯的例子體現(xiàn)在現(xiàn)代汽車工業(yè)中。目前，汽車已經(jīng)不再單純是一個(gè)機(jī)械裝置，它是綜合了最新機(jī)械與電子技術(shù)發(fā)展水平的高科技產(chǎn)品。同時(shí)，隨著電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種各樣的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA：Electronics design automation）軟件，改變了以往全部需要手工工作來設(shè)計(jì)電路的局面。目前，幾乎所有的電子電路設(shè)計(jì)任務(wù)都是在EDA軟件的協(xié)助下完成的，而且，是否具備熟練的EDA軟件使用能力已經(jīng)成為大多數(shù)公司招聘員工的先決條件。因此，在電工技術(shù)課程中引入EDA技術(shù)[1-5]，不僅能夠?yàn)閷W(xué)生提供更為豐富的教學(xué)內(nèi)容，也是幫助學(xué)生更好就業(yè)的一個(gè)重要手段。

二、EDA技術(shù)在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用舉例

模擬電路通常是電工技術(shù)教學(xué)中的難點(diǎn)，一是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生難以理解；其次，學(xué)生不了解該部分內(nèi)容在實(shí)際工作中的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。為此，可以適當(dāng)將EDA技術(shù)穿插在這部分的教學(xué)中，從實(shí)際電路設(shè)計(jì)的過程中引出與課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容，以達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。以下用一個(gè)實(shí)際的例子來表明如何將EDA設(shè)計(jì)過程與電工課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。

例：使用ADS（Advanced design system）軟件實(shí)現(xiàn)共射極放大電路的靜態(tài)分析與直流偏置設(shè)計(jì)。

共射極基本放大電路是電工技術(shù)中模擬電路部分接觸的第一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，課程要求學(xué)生熟練使用計(jì)算法與圖解法來確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。學(xué)生對(duì)這一部分的掌握情況直接影響到其對(duì)后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的掌握，因此，本例從電路設(shè)計(jì)的實(shí)際過程出發(fā)，引出相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。

在講解例子之前，需要給學(xué)生明確的是在實(shí)際的有源電路設(shè)計(jì)中，通常情況下，晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇與設(shè)計(jì)是第一步，也是至關(guān)重要的一步。實(shí)現(xiàn)不同功能的電路，可能在電路圖上區(qū)別不大，重要的是其靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇。例如，低噪聲功率放大器需要無失真地放大微弱信號(hào)，因此它的靜態(tài)工作點(diǎn)需要選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，而高功率放大電路為了盡可能提高輸出效率，通常靜態(tài)工作點(diǎn)選擇到靠近截止區(qū)，而混頻器、倍頻器等電路，主要為了使用其非線性性能，因此，它們的靜態(tài)工作點(diǎn)通常要靠近飽和區(qū)。其次，需要強(qiáng)調(diào)的是電路設(shè)計(jì)是電路分析的逆過程，遵循的步驟是根據(jù)輸入輸出關(guān)系，確定靜態(tài)工作點(diǎn)，再得到直流偏置電路，與課程中計(jì)算直流工作點(diǎn)的順序正好相反，但是，它們所反映出的基本原理都是相同的。

確定靜態(tài)工作點(diǎn)，就是根據(jù)電路所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定基極電流IBB和集電極電流IC，集射電壓UCE。因此，首先需要得到晶體管的輸入輸出曲線。在ADS中，輸入輸出關(guān)系是通過對(duì)晶體管做直流掃描得到的。實(shí)驗(yàn)步驟是先建立一個(gè)新的工程項(xiàng)目（Project）和一個(gè)新的設(shè)計(jì)（Design），然后選擇晶體管直流工作點(diǎn)掃描模板（ADS中常用的功能都做成了模板，可以直接調(diào)用），并在其提供的元器件庫中選擇合適的元件，加入到模板中，如圖1所示。

其次，需要設(shè)定晶體管的工作范圍，就是IBB和VCE的范圍，可以通過掃描參數(shù)設(shè)置得到，如圖2所示。本例中，IBB的掃描范圍是從20uA到100uA，掃描步長(zhǎng)為10uA。VCE的掃描范圍從0V到5V，掃描步長(zhǎng)為0.1V。當(dāng)掃描參數(shù)確定后，點(diǎn)擊仿真按鈕，就會(huì)產(chǎn)生圖3的輸入輸出曲線。

圖3所示的輸入輸出關(guān)系曲線與課本上的曲線幾乎是一致的，它表明在不同的基極電流IBB作用下，集電極電流IC與集射電壓VCE的關(guān)系。通過輸入輸出曲線，可以選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電路的功能。在本例中，為與教材保持一致，將靜態(tài)工作點(diǎn)選擇在輸出曲線的中點(diǎn)，大致對(duì)應(yīng)于圖3中光標(biāo)m1的位置，軟件會(huì)自動(dòng)顯示出此處的參數(shù)，即IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，可以據(jù)此設(shè)計(jì)直流偏置電路。由于本例是設(shè)計(jì)共射極基本放大電路，因此需要計(jì)算基極和集電極電阻的大小。在ADS中，偏置電阻的大小可以自動(dòng)計(jì)算，但是需要手動(dòng)輸入相關(guān)的公式，如圖4所示：

根據(jù)圖4的計(jì)算公式，可以得到圖5的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看到，當(dāng)選擇Ibb=60uA時(shí)，對(duì)應(yīng)的基射電壓和基極電阻在一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)，因此只能選擇一個(gè)近似的值VBE=0.8V，Rb=60K。用同樣的方法，可以得到的集電極電阻Rc=340。當(dāng)所有的參數(shù)都計(jì)算得到后，需要對(duì)該電路進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。驗(yàn)證電路及其參數(shù)如圖6所示。

根據(jù)共射極放大電路的基本計(jì)算結(jié)果，可以設(shè)計(jì)出圖6所示電路。驗(yàn)證該電路的方法是對(duì)其做直流仿真，并將仿真計(jì)算的結(jié)果直接顯示在電路圖中對(duì)應(yīng)的元件和支路上。從圖中可以看出，基極的電位為809mV，電流為69.9uA，而集電極電位VCE=2.74V，Ic=6.64mA。對(duì)比前面得到的靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)（IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA），可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在一個(gè)小的偏差，這是因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)中，無論是在靜態(tài)工作點(diǎn)還是元件參數(shù)的選擇上，都存在近似的過程，因此，任何電路的設(shè)計(jì)，都是一個(gè)近似的設(shè)計(jì)，由此得到的實(shí)際電路都需要經(jīng)過調(diào)試合格后才能夠?qū)嶋H使用。

以上的例子為學(xué)生展示了一個(gè)電路設(shè)計(jì)的基本過程以及設(shè)計(jì)方法。當(dāng)課程進(jìn)一步深入后，可以對(duì)本例進(jìn)行擴(kuò)展，例如在分析放大電路動(dòng)態(tài)特性時(shí)，可以加入不同幅度的輸入信號(hào)，觀察在不同靜態(tài)工作點(diǎn)，放大電路的輸入輸出波形和非線性失真，有助于學(xué)生理解設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)的意義。

三、結(jié)語

通過在電工技術(shù)課堂上增加EDA設(shè)計(jì)的過程，可以使課程從純理論教學(xué)轉(zhuǎn)向理論與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠培養(yǎng)他們的實(shí)際動(dòng)手能力，并極大增加了教師和學(xué)生間的互動(dòng)。同時(shí)，課本上的理論與公式不再需要死記硬背，它們已經(jīng)融合到設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生通過一兩個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就可以熟練掌握，使學(xué)生能夠輕松完成課程的學(xué)習(xí)和考試。

參考文獻(xiàn)：

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