模拟电子技术项目主导、模块分解的教学方法研究

【摘要】文章以功率放大器、保护电路、供电为主线。采用“项目主导、模块分解、以面盖点、以点辐面”的教学模式，将模拟电子技术中的知识点贯穿其中。体现了教师对该门课程的整体把控能力，使学生学习目的明确，知识理解全面、透彻。

【关键词】项目主导；模块分解；静噪与保护。

一、引言

模拟电子技术是理工科学生必修的一门专业基础课。教学中常常由于概念过多，使学生对所学知识点没有一个整体概念，难以形成系统的知识体系。初学者往往对其繁杂的知识点理解不深不透，如果教学不得法，更会使学生产生众多知识不知用在何处，导致对该课程望而却步。本文针对模拟电子技术教学中存在的问题，采用一个项目、多模块分解的教学形式，旨在一个项目整体概念的引导下，模块分解模拟电子技术课程的各个知识点，使学生在先有目标，再寻路经的学习方法下，变被动学习为主动求知，充分调动学生的探索与发现精神，学好模拟电子技术这门课。学生在掌握了一定的知识点后可以触类旁通，在实际工作中解决更多的问题。

二、教学项目的设计原则

教学项目的设计应当遵守以下原则：

1.项目设计的内容要尽量覆盖模拟电子技术的各个知识点，通过整体与个体的相互联系贯穿各学习内容。

2.项目设计的内容要符合学生的认知水平。初学模拟电子技术的学生往往认识不到该门课程对今后专业课学习的重要性，特别是对老师讲授的知识点，不知道其内在联系，不知道如何记忆，甚至把该课程当成像数学一样只是背公式，学会计算，得出数字就认为学会该课程了。

3.项目设计的选题要通俗易懂，要有充分的可实践性。由于学生刚接触此门课程，如果选题太深、太偏，则学生不易灵活掌握其学习方法和要领。

4.项目设计的内容不宜过多过繁，过多的项目内容可能造成学生，学无主次，记忆模糊、混乱。

5.项目设计的内容要力求实践引领理论教学，这样才符合人类学习的认知规律，学生才能够容易接受。

6.项目设计的内容要容易仿真演示，通过仿真波形、电压、电流数值来认识各组成部分的相互联系，熟练掌握各种典型电路。

7.项目设计内容所组成的电路，要力求选用通用元器件，市场上容易买到，容易装配成功。设计电路时还要留有一定的余量，避免由于外部环境如温度升高，光照度不同等因素损坏元器件。

三、项目设计主线

功率放大器广为人知，比较贴近学生，容易引起学生的学习兴趣，从而激发强烈的求知欲，因此选择功率放大器作为教学项目的研究对象。功率放大器项目模块分解与各知识点联系如表1。

本功率放大器设计组成包括三大部分，按各电路功能分为：

1.功率放大器部分

输入级：主要完成与信号源的电压匹配，对于电压型信号源，一般要求输入级（第一级）输入阻抗大些好，这样第一级可以得到更接近信号源的电压幅度。对于电流型信号源，一般要求输入阻抗低些好，这样可以得到更接近电流源的电流强度。本电路采用电压型信号源，所以第一级选用射极输出器放大形式。

覆盖知识点：①信号源的匹配。②对输入阻抗的理解。③射极输出器电路的理解。

中间级：输入级和中间级一般又称为前置级。其主要任务是完成电压放大，以提供给激励级合适的电压信号幅度。中间级的放大倍数视信号电压幅度和总输出功率决定的电压幅度决定。一般激励级要求有5-10的电压放大倍数。则前置级放大倍数，其中VCC为电源电压，UCES为三极管饱和压降，硅管约为0.3V，α为功放系数，视功放类型决定，OTL时α为0.5，OCL时α为1。

覆盖知识点：①电压放大器的类型。②输入电阻、输出电阻对前后级放大器的影响。③电压放大倍数的理解。④单级放大器和多级放大器的电路分析。

激励级：激励级的作用是给功放提供一个合适的电压幅度，由于功放输出一般都采用甲乙类推挽方式，实际为射极输出器，放大倍数约为1，所以激励级输出的电压幅度应等于功放输出的电压幅度。同时要求有一定的电流放大，供功放输出的电流放大。如前述一般激励级要求有5-10的电压放大倍数。

覆盖知识点：①激励级的作用。②对激励级的设计要求。③反馈概念的引入。④什么是饱和失真、截至失真。

功放级：功放级主要是在一定的电压幅度下，尽量放大电流，以产生需要的功率放大。输出功率视不同的放大形式有所不同。OTL放大形式，而OCL放大形式。

覆盖知识点：①各种功率放大器的分类。②输出功率与电源功率及效率。③什么是交越失真，如何解决。④复合管概念。

2.保护电路部分

开机静噪电路：消除开机对整机元器件的冲击造成的影响，采用充电延迟电路避免冲击电流的产生。

过流保护电路：采用桥式取样采集功放输出电流和中点电压，一旦电流超出最大电流或中点直流电压偏离。则立即切断与扬声器回路保护喇叭不被强电流烧毁。

3.双电源稳压电路

根据本电路要求设计了双电源，已提供足够的功率。

四、电路原理分析

图1为分立元件单电源OTL功率放大器，波形图为激励级A路和功放级B路输出。

1.功率放大器设计

输入信号：10毫伏峰值，1KHz频率。输出要求带8欧/2W扬声器。

（1）输入级

要求有较高的输入电阻，如图一，三级管Q1组成的射极输出器形式。工作原理是：10mV/1KHz信号经内阻R3，耦合电容C1加到Q1，从发射极输出。

知识点：

a.输入电阻：放大器输入电阻一般体现在第一级电压放大器和级间放大器，影响有所不同。第一级放大器要求输入应尽可能大的取得信号源电压幅度，所以要求第一级放大器输入电阻要高。图中采用设计射级跟随器增大输入电阻，，图中。观察：改变信号源内阻R3从（1Ω-1K）变化，观察信号源和Q1发射极波形。结论：由于采用射极输出器形式，使得第一极输出幅度变化不明显。基本等于信号源电压幅度。

b.电压放大倍数：Q1是射极跟随器，其电压放大倍数约等于一，即，虽然没有电压放大倍数，但由于输入电阻高，可最大化的取用信号源的电压，同时减小放大器对信号源的影响。

（2）中间级

要求尽可能大的电压放大倍数。如图Q2组成的分压式负反馈放大电路。射极输出器输出的信号实际为第二级输入信号，输出从集电极、R5、C6耦合到下一级激励级，然后从Q3集电极输出，通过C4、C9耦合到功放级。

知识点：

a.分压式负反馈放大器的静态工作点的计算（公式从略）。

b.级间放大器的输入电阻实际为前一级的输出负载，根据放大器放大原理：

（发射极不含交流反馈电阻），，所以RL的取值直接影响放大器的放大倍数。如第二级放大器（Q2）的输入电阻，第三极放大器（Q3）的输入电阻。另外选择不合适将产生截止失真现象。如图2。这是由于RL减小使得交流负载线变陡，上半波变化范围减小，而出现截止失真。

c.输出电阻：放大器输出电阻实际为放大器的内阻。如果把放大器本身看成是一个受控的电流源，那么输出电阻就相当于是这个电流源的内阻。原则上来讲输出电阻越大输出电压越大。但输出电阻太大将产生饱和失真，如图3。

d.电压放大倍数：功率放大器中的前置级一般主要任务是不失真的电压放大。如图中的Q1、Q2组成的放大器。单级电压放大倍数按照放大方式来分有共发射极放大组态、共集电极放大组态和共基极放大组态。共基极放大组态一般用于高频放大电路当中，在此不予讨论。共发射极放大组态的电压放大倍数，主要是看发射极有没有交流反馈电阻，如图中的R19、R10，R7、R11由于旁边有旁路电容，对交流相当于短路，所以R7、R11在理想情况下对放大倍数无影响，可不予考虑。此时的放大倍数就是，Re对Q2放大器来讲就是R19，对Q3来讲就是R10。有Re的放大器放大倍数Au下降，但可以增大输入电阻，减小非线性失真，展宽频带。

（3）功放级

要求有足够的功率放大。激励级输出的电压信号通过C4、C9加到功放级，为了对复合管进行分析，功放级采用复合推挽放大的形式。分别由NPN管Q4、Q6和PNP管Q5、Q7组成放大电路。

知识点：

a.乙类和甲乙类放大。去掉R14、R17即为乙类放大。在此状态下可以观察交越失真情况。

b.交越失真及排出方法。恢复R14、R17，并调整R21可观察交越失真的变化情况。

c.输出波形测量。

d.中点电压测量。

（4）负反馈的电路

R19、R10为本级负反馈，可通过调整阻值观察负反馈对信号放大的影响。C8、R15为环间负反馈。可以断开负反馈观察放大失真情况。

（5）OCL功率放大器

除了由三极管分立元件组成的功率放大器外，为了讲解集成运放的工作原理，电路采用集成运放和场效应管组合的放大形式。目的是掌握集成运放和场效应管的工作原理。

从图5中可以估算闭环电压放大倍数：

知识点：

a.同相放大器：为了提高输入电阻第一级采用运算放大器的同相放大形式：

b.反相放大器：第二极采用反相放大形式：

c.总电压放大倍数：总电压开环放大倍数：

d.闭环放大倍数：采用测量法计算闭环放大倍数，从图中可以估算闭环电压放大倍数：

e.负反馈对放大器的影响：图中如果把交流负反馈环路断开，上述开环放大倍数将产生失真。如断开C6或R16反馈环，则输出波形如图6。

f.中点电压概念：测量场效应管源极电压，静态时，OCL（双电源）推挽方式其中点电压为零。

可见放大倍数太大将引起上下波切削失真。

2.开机静噪电路和功率放大器输出级短路保护电路原理

为了将比较放大器内容与功率放大器有机的结合，特设计了一个开机静噪电路和功率放大器输出级短路保护电路。工作原理如下：

（1）开机静噪电路设计

图4中开机静噪电路由TL082（U2A）担任，图中3脚外接RC充电电路，充电时间由C2、R12决定。改变这两个元件的值可以改变开机延时时间。2脚外接分压电阻R10、R11，2脚电位V。改变其比值也可以改变延迟时间。静噪控制原理是：当刚开机时，图4中+12V电压通过R12向C2充电，C2上电压由小到大，，其中，3脚电位U3由高到低，U3与U2电位进行比较，开始时，U2A的1脚输出为高电平，通过R25、D4加到Q2基级使Q2导通，发光指示灯亮，继电器K2吸合常闭触点断开，使得开机时功放输出级和喇叭断电，避免开机时吓人的“嘭”声。当电容充电电压上升到时U2A的1脚输出为低电平，Q2截止，发光指示灯灭，继电器断电常闭触点接通喇叭，处于正常播放状态。*可通过J1演示充电演示过程。

知识点：

a.比较器原理。

b.充放电延迟电路。

c.发光二极管的使用。

d.继电器的使用。

（2）保护电路

因为功率放大器采用OCL式输出，喇叭直接和输出端相接，所以当场效应管Q4、Q1发生短路性故障时，高电压、大电流很容易烧毁喇叭，而喇叭的价格又相对较高，所以应当加以保护。保护工作原理是场效应管Q4发射极和Q1发射极相连输出接到K2继电器的长闭触脚一端，另一端接喇叭，R20接到输出，进行探测取样加到图4的C3电容两端。当正常工作时由于C3容量较大对交流相当于短路，所以C3两端无电压；而静态正常工作时OCL中点输出为零，所以由D1（1B4B42）组成的桥式整流电路无电压输出，此电压加到TL082（U2B）的5脚，7脚输出为零电平，Q2都截止，继电器无动作（常闭触点接通），电路正常工作。当场效应管Q4、Q1有一个发生故障时都将在C3两端产生压降使D1组成的整流桥导通，TL082（U2B）的5脚和6脚组成的分压电阻电压进行比较，U2B7脚输出高电平，通过R23、D5使Q2导通，继电器吸合触点断开切断喇叭供电回路，从而保护了喇叭。调整R19可以改变保护灵敏度，防止误动作。*仿真时可在场效应管的D、S两端并联一个1-20欧的电阻，观察保护动作。

知识点：

a.监测电路原理。

b.保护电路原理。

c.稳压管作用。

3.电源电路

为了讲清整流、滤波、稳压等概念特设计了双电源形式的电源电路。以满足电路仿真和授课内容的需要。

图7是双电源稳压电路，桥式整流输出通过C9、C10滤波，分别输出正负两组电压（中点接地），每路电压符合U1=1.2U2，U1是整流滤波输出平均电压，U2是双输出变压器的一路次级交流有效电压，一般要高于稳压输出电压的1.5～2倍。U1通过三端稳压器LM7812（LM7912）输出稳压后电压12V（-12V）。供各级电路使用。

知识点：

a.整流：可断开滤波电容观察波形及电压（UO=0.9U2）。

b.滤波：连上滤波电容观产波形及电压（UO=1.2U2）。

c.稳压：观产三端稳压器输出电压和波形。

五、结论

本项目分为三个大模块，每个大模块又分为几个小模块，每个模块贯穿至少一个知识点。通过上述电路的分析、设计及演示，可以覆盖模拟电子电路95%以上的知识点，在实际教学中发挥了积极的示范作用。

参考文献

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作者简介：娄丽萍，天津大学通信与信息系统专业工学硕士，高级讲师，现供职于洛阳铁路信息工程学校，从教二十年，主要从事电工、电子课程的教学工作。