“得失观”在模拟电子技术知识点教学中的启迪

摘要：“得失”思想隐含在许多模拟电子技术的知识点中，教学中教师要结合《模拟电子技术》的课程特点，不断挖掘这些知识点所蕴含的此类思想。模拟电子技术知识内容的教与学隐含了得失道理，这样，把得失理念贯穿在教学中，就可以把一个个抽象的知识点现实化、通俗化、直观化。围绕模拟电子技术教学内容，按照得与失的观念，对杂质半导体、PN结、放大电路、差分电路、带宽增益积、反馈电路、桥式整流电路等知识点展开了得与失的分析。在这种一得一失的分析中，通俗了知识内容的理解，强化了知识内容的掌握，教学中可以起到画龙点睛、事半功倍的教学效果。

关键词：得失观;模拟电子技术;课程教研

中图分类号：G642.4     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2014）42-0189-03

得与失，得多少失几何，得失之间产生一种现象、状态、结果，不断融入在人们现实生活的思考与权衡中，是人们潜在的本能行为。模拟电子技术知识内容的教与学隐含了得失道理，这样，把得失理念贯穿在教学中，就可以把一个个抽象的知识点现实化、通俗化、直观化。

模拟电子技术知识点的细、繁、杂、广，以及教学课时的吃紧，带来了对这门课程学习的很大难度。如何在有限的时间里理解并掌握模拟电子技术课程的基本内容，是每一个致力于电子应用技术人员以及任课教师试图回答的命题。在模拟电子技术课程教学中，把模拟电子技术许多知识点的理解映射到现实生活中的得失观，有助于知识的理解、消化与掌握。

一、杂质半导体的得与失

本征半导体掺杂后就是杂质半导体，非四价原子与四价原子在形成共价键中，得到电子成为负离子，失去电子成为正离子。N型半导体就是本征半导体掺入施主杂质所形成的，一个施主杂质原子在形成一个自由电子过程中变成了一个固定而不能移动的正离子，电子则为多数载流子，而本征激发产生的空穴只是少数载流子。相反，P型半导体则是本征半导体掺入受主杂质形成的，一个受主杂质原子在形成一个空穴过程中变成了一个固定而不能移动的负离子，空穴则为多数载流子，而本征激发产生的电子只是少数载流子。

正是本征半导体掺杂后的得与失，使得杂质半导体的载流子数量有了量以及性质的改变，相对本征半导体的导电能力有了一定的提高，但并没有带来质的改变，所以，一般不会作为普通导体应用。

二、PN结的失与得

PN结就是得与失的产物。P型半导体与N型半导体的交界面因多子极型以及浓度差别，形成多子扩散运动，N区的电子扩散到P区，P区的空穴扩散到N区，在交界区域原有的电中性被破坏，P区失去空穴留下了不能移动的杂质负离子，N区失去电子留下不能移动的杂质正离子。这些不能移动的带电粒子集中在P区与N区交界面附近，形成空间电荷区。空间电荷区的逐步建立削弱了多子的扩散，而增强了少子的漂移。当多子扩散运动与少子漂移运动保持一种动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结。

两种不同极型的杂质半导体在交界面失去多子的过程，得到了一种导电性能独特于杂质半导体导电能力的介质，带来了半导体导电能力质的突变，这就是PN结的单向导电性，即正向偏置导通，反向偏置截止。

复合的PN结，在制作工艺上的差别，分别有双极型晶体管与单极型晶体管。晶体管在合理偏置下导电性能表现了特有的控制性能，即电流控制型的双极型晶体管和电压控制型的单极型晶体管。

三、放大电路的得与失

晶体管器件在“合理偏置以及顺畅的交流通道”原则下就可以构建一个放大电路，一个微弱的输入信号从输入端引入，在输出端得到一个幅值足够的输出信号，表现了小幅度的模拟量通过放大电路后得到了大幅值的模拟量，淋漓尽致地表现出信号幅值放大的概念。殊不知，这种放大电路的“放大”理解是表面的，是片面的，只看到“得”的现象，而没看到“失”的本质。

在放大电路中，工作电源不仅仅只是提供合理的偏置，更主要担负着能源作用。放大电路仅仅只是一个信号幅值变换的平台，微弱的输入信号能源通过晶体管的控制作用改变着工作电源在输出负载上的能量消耗。最常见的一个事例就是人们日常使用的收音机，收音机就是一个典型的放大电路。手持式收音机没有电池，不可能发声，装上电池后就可以接收电台信号，伴随听的时间与音量的大小，电池的消耗程度或使用时间就会不同。没有收音机，人们不可能感受到空中的电磁波能量，有了收音机而没有电源也听不到悦耳的音乐，电池能耗使用殆尽了也享受不了。所以，严格意义上的放大电路是一个能源控制电路，放大电路的本质是弱小能量对大能量的控制。

放大电路表面上得到了信号的幅值增大，实质上消耗了电源电能。

四、差分电路的失与得

单级放大电路的放大能力是有限的，总期望多级放大。多级放大电路是由若干级单级放大电路所组成，这样单级放大电路之间就存在耦合关系，直接耦合是多级放大电路的典型结构形式，直接耦合的多级放大电路最突出的弊端就是零点漂移，零点漂移最核心的表现形式就是温漂，解决零点漂移最有效的手段就是差分电路。

差分电路由两个特性完全一致的单级放大电路复合而成，表现在晶体管的特性一致，晶体管偏置电路器件参数一致。差分电路从理论到实用经历了三个演变，即基本式差分电路、长尾式差分电路、带恒流源的差分电路，这三个演变唯一不变的就是基本结构不变。通过电路分析不难得出结论，差分放大电路的差模增益与单级放大电路的增益是一样的，然而，差分电路的共模增益接近零，有较大的共模抑制比，可以很好地抑制温漂，而单级放大电路就无法解决温漂问题。第一级放大电路温漂决定了多级放大电路的温漂，所以，集成运放的第一级总是差分输入级。

可见，差分电路通过“失去”硬件（增加结构等价的电路，增大电路成本），得到了对共模信号的抑制能力，而并不改变对差模信号的放大能力。

五、带宽增益积的得与失

考核放大电路的性能表现在增益、峰峰值、输入电阻、输出电阻、带宽、失真度、输出功率与效率等参数中，它们取决于放大电路组态、晶体管特性、电源以及应用的方式。在放大电路的时域分析过程中，总是期望放大电路的放大倍数越大越好，一级放大能力不够就采取多级放大，以提高放大增益;在放大电路的频域分析过程中，总是期望放大电路有很小的下限频率和很大的上限频率，频率响应范围越宽越好，即带宽值越大越好。带宽是上限频率与下限频率的差值，提高带宽的有限手段就是尽可能提高放大电路的上限频率值。通过电路的频域分析可以发现，提高上限频率与提高放大电路的增益是矛盾的，一旦当放大电路的晶体管选定之后，带宽与增益之积是一个常数，放大电路的放大倍数增大几倍，相应地该电路的带宽就会减小几倍，实际中，既要提高放大电路的增益又要扩展放大电路的带宽，总是选取基区体电阻小、发射结与集电结电容效应小的高频放大管。

可见，放大电路带宽增益积概念表现了得与失的理念，欲想得到较大的增益，必然失去频率响应的范围。

六、反馈放大电路的得与失

反馈是自动控制的一个重要概念，反馈放大电路是提高放大电路放大性能的重要手段，在电子技术应用中运用极为普遍。

负反馈放大电路中，输出信号部分或全部反送到输入端削弱输入信号，使得闭环增益相对开环增益减小了反馈深度倍，表面上损失了放大电路的增益，然而，对放大电路的其他性能技术指标得到了极大的改善，表现在增益的稳定性得到了提高;环内的噪声干扰抑制能力以及非线性失真得到了改善;电路的带宽得到了扩展;输入电阻与输出电阻得到了相应的改善。如电压串联负反馈放大电路，增大了输入电阻，有助于电压输入信号的放大;减少了输出电阻，有利于输出电压的稳定性。

正反馈放大电路中，输出信号部分或全部反送到输入端增强输入信号，闭环增益相对开环增益进一步增大，这是信号发生电路扰动起振的必然要求。信号发生器不会有输入信号或者说就是一个零输入电路，电路接通电源瞬间形成电路换路情形，通过正反馈选频网络（RC或LC选频网络）把输出端的信号有频率选择性地反送到输入端不断放大，这种无止境的放大也必然带来输出信号的非线性失真，所以在电路中为了防止输出信号的非线性失真，总是需要设置输出稳幅网络。可见，信号发生电路由放大电路、正反馈选频网络、稳幅网络三部分组成。稳幅的有效措施就是负反馈，所以，信号发生电路必须维持正反馈特性与负反馈特性的动态平衡。

负反馈放大电路失去了增益，得到了电路性能技术指标的改善;正反馈放大电路得到了增益的“膨胀”，失去了输出信号的线性度，实际中为了挽回这种“失”，再次引入负反馈特性。

七、桥式整流的得与失

小功率直流稳压电源中整流的任务就是把交流电转换成直流电，衡量整流电路性能的主要参数表现在两个方面：（1）表征整流电路质量的参数，有输出电压和脉动系数;（2）表征整流电路对整流元件要求的参数，有正向工作电流和反向峰值耐压。半波整流输出电压低，脉动系数大;全波整流输出电压高，脉动系数小。然而，全波整流不仅需要降压变压器的副边引出中间抽头，更主要对整流元件的反向耐压提出了苛刻的要求，它是半波整流对整流元件反向耐压值要求的两倍。实际中，既要提高整流输出电压并减少纹波系数，又要对整流元件反向耐压的要求不苛刻，有效的技术手段就是桥式整流，桥式整流相比全波整流，在电路结构上只是增加了两个整流元件，但输出效果等同于全波整流电路的整流;桥式整流电路对整流元件的要求等同于半波整流电路对整流元件的要求，把半波整流与全波整流各自的优势整合在一个应用电路中。

可见，桥式整流电路通过“失去”硬件（增加电路成本），得到了优于半波与全波整流电路的整流性能。

在模拟电子技术知识内容中还有许多知识点都隐含着“得失”思想，可以不断挖掘，本文仅仅想达到抛砖引玉的目的。《模拟电子技术》课程教学，内容抽象、枯燥，不仅理论性较强，而且实践性更强;不仅专业名词概念繁多，而且各专业术语之间的联系性很紧密，环环相扣;不仅局限于教本的学习，而且要有更多应用电子线路的捕猎。所以，无论是应付考试学习，还是立志电子技术应用技能的提高，重在课程知识点的理解，变抽象为具体，化枯燥为趣味，变被动为主动。人们自身的得失观是潜在而主动的，模拟电子技术知识点的理解隐含或潜在着得失理念，二者有机结合，在模拟电子技术课程教学中就可以起到画龙点睛、事半功倍的成效。

参考文献：

[1]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2007.

作者简介：王文虎（1964-），男，湖南慈利人，高级工程师，副教授，从事电子技术教学以及智能检测技术及其自动化系统的应用研究;杨峰（1983-），男，湖南常德，硕士，助教，从事电路理论、电子技术教学以及智能检测技术及其自动化系统的应用研究;李建奇（1980-），男，湖南桃源，博士，教授，从事计算机测量与控制、机器视觉测量等领域的相关科学研究与教学工作。