器件性能挖掘下的模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

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摘要：實(shí)驗(yàn)課程是引導(dǎo)學(xué)生理論知識與實(shí)踐接軌的重要課程，因此課程教學(xué)方法思路要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，分析電路參數(shù)并優(yōu)化電路，與實(shí)際電路的設(shè)計(jì)思路一致，而不是電路的簡單驗(yàn)證。本文提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路是培養(yǎng)學(xué)生針對實(shí)驗(yàn)需求和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器件基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化。擺脫教師給出完整實(shí)驗(yàn)電路，學(xué)生只是單純驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的傳統(tǒng)教學(xué)模式。本文結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，說明模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思路。該方法在實(shí)際應(yīng)用中可以有效引導(dǎo)學(xué)生對于模擬電路設(shè)計(jì)的思維模式，提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力和解決實(shí)際問題能力，同時激發(fā)學(xué)生興趣。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)課；模擬電路實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；器件性能挖掘

1模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及分析

模擬電路課是電子信息大類以及相關(guān)專業(yè)的非常重要的一門必修課，具有很強(qiáng)的理論性和重要性[1]。模擬電路實(shí)驗(yàn)課程是理論向工程實(shí)踐過渡的重要實(shí)踐類課程，目的是提高學(xué)生的動手能力，工程思維和工程實(shí)踐能力，為學(xué)生參加學(xué)科競賽以及具備工程實(shí)踐的素養(yǎng)打下基礎(chǔ)[2]。模擬電路實(shí)驗(yàn)課程要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，和電路設(shè)計(jì)的工程思維模式和方法[3]。目前高校開設(shè)的模擬電路類的實(shí)驗(yàn)課程普遍還是以驗(yàn)證性為主，即學(xué)生按照給出的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路搭建，測試復(fù)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和指標(biāo)。驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)仍然采用理論課的思路，這種模式與實(shí)際電路設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)。工程實(shí)踐中的電路設(shè)計(jì)方式是先提出應(yīng)用需求，再根據(jù)需求設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和采用的器件以及參數(shù)，最終經(jīng)過測試調(diào)試使得電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)生只是照葫蘆畫瓢，主動性不強(qiáng)，動手能力以及分析解決問題的能力沒有得到鍛煉[4]，學(xué)生的思維方式?jīng)]有擺脫理論課的固有模式，錯誤地認(rèn)為實(shí)際的工程實(shí)踐可以沿用理論課方式處理問題。對模擬電路實(shí)驗(yàn)課程的改革一直是高校基礎(chǔ)課程建設(shè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，從教學(xué)理念、教學(xué)方式、教學(xué)方法等多個方面進(jìn)行了研究，目的都是提高學(xué)生的動手能力和分析問題能力，增加工程實(shí)踐素養(yǎng)[5]。但是模擬電路不是命題作文，而是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)符合要求的電路，培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)和問題分析能力。本文針對目前模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行分析，并提出教學(xué)改革思路結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例來進(jìn)一步闡釋本文觀點(diǎn)。

2以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

本文從模擬電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生情況為出發(fā)點(diǎn)，提出了以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的模擬電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)教學(xué)思路和方法，即設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)題目和實(shí)驗(yàn)電路性能指標(biāo)要求，限定使用的關(guān)鍵元器件類型，具體實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)由學(xué)生設(shè)計(jì)完成。其中性能指標(biāo)相對與所使用的元器件來說，要求比較嚴(yán)格，這樣就埋下很多問題點(diǎn)。需要學(xué)生在使用指定器件情況下，結(jié)合指標(biāo)要求，通過電路結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，避開問題點(diǎn)。并且重心在關(guān)鍵元器件性能的分析和了解的基礎(chǔ)上，充分挖掘元器件的性能，使得整體電路性能指標(biāo)達(dá)到要求。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

下面以高精度電流檢測電路為例，闡述以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

3.1實(shí)驗(yàn)電路

制作一個電流檢測器，其基本框架見圖1?？烧{(diào)電壓源產(chǎn)生電壓V，其通過負(fù)載RL和采樣電阻Rs的串聯(lián)產(chǎn)生要檢測的電流I1，采樣電阻可以放在接地端構(gòu)成低邊電流采樣，如圖1中的（1）結(jié)構(gòu)；也可以在電壓源V端構(gòu)成高邊電流采樣，如圖中（2）結(jié)構(gòu)。要求采樣電阻值要小于負(fù)載電阻的1/10。采樣電阻Rs高電位一端為VP，高電位一端為VN。電流檢測電路一個典型的差分放大器構(gòu)成，其中R2A=R2B，R3A=R3B，把VP和VN電壓相減，得到與電流I1成比例的輸出電壓Vo，實(shí)現(xiàn)對電流I1的檢測。

3.2器件性能挖掘?qū)?/p>

實(shí)驗(yàn)電路已經(jīng)規(guī)定了基本框架，下一步要給出實(shí)驗(yàn)條件和目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生專注于對器件性能的挖掘。首先實(shí)驗(yàn)限定的條件為：運(yùn)放的型號限定LM358，其供電電壓5V單電源，可編程電壓源輸出V范圍0~30V。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為：檢測電流I1的范圍為最大值達(dá)到100mA。電流檢測精度要保證小于±10mA的基礎(chǔ)上繼續(xù)提高電流檢測精度并且擴(kuò)展電流檢測的范圍。運(yùn)放型號和具體實(shí)驗(yàn)條件的限定，不僅不會降低學(xué)生主觀能動性，而且會引導(dǎo)學(xué)生思考問題的方向。這樣的方式圖1電流檢測器電路與實(shí)際做工程問題的思路是一致的。實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容相當(dāng)于做一個工程產(chǎn)品，那么實(shí)驗(yàn)條件就是工程上的具體需求，做的電路不是要高性能的芯片，而是把芯片的性能發(fā)揮到自己的極致，達(dá)到成本與性能的最優(yōu)，這才是工程設(shè)計(jì)的思路。要在限定條件下，盡量發(fā)揮出電路性能。不能讓學(xué)生完全自主選擇芯片來解決問題，這樣會造成思維惰性，遇到問題首先想到的就是換用高性能的元器件的簡單堆砌來提升電路性能，完全忽略電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)。一個好的電路是一個有機(jī)整體，每一部分都是相互配合。因此，限定關(guān)鍵元器件和實(shí)驗(yàn)條件，引導(dǎo)學(xué)生研究芯片的性能參數(shù)的前提下，進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化，挖掘芯片性能是本文認(rèn)為的正確的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法。對于本實(shí)驗(yàn)案例來說，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)以下幾個問題的確定都需要相應(yīng)的運(yùn)放的性能作為依據(jù)，也就是要充分了解器件性能，挖掘器件性能。

3.2.1確定負(fù)載電阻和采樣電阻取值，提高電流采樣精度的參數(shù)優(yōu)化電源V的最高電壓為30V，可以確定負(fù)載電阻RL與采樣電阻RS串聯(lián)總阻值要小于300歐姆才能保證電流能夠達(dá)到100mA。其次確定負(fù)載電阻和采樣電阻的比例。采樣電阻的阻值增大可以提高采樣電路輸入電壓，也能夠提高采樣精度，但是要考慮采樣電阻功耗和負(fù)載電阻比例，采樣電阻值要盡可能的小，其最小值依據(jù)LM358運(yùn)放的失調(diào)電壓和最小的采樣電流確定。LM358失調(diào)電壓不超過4mV。采樣電流的最小值為10mA，那么電路要能正常工作，采樣電阻兩端的電壓差Vi至少需要大于兩倍的運(yùn)放失調(diào)電壓，取為10mV，才能夠?qū)Σ罘中盘栒７糯?。因此采樣電阻值最小值可以取?歐姆，那么負(fù)載電阻RL取值要小于49歐姆。同時，提高電流采樣精度只可以通過增大采樣電阻Rs阻值實(shí)現(xiàn)，同時也會相應(yīng)的擴(kuò)展電流檢測的下限。把采樣電阻Rs阻值提高到10歐姆，那么根據(jù)LM358失調(diào)電壓計(jì)算，檢測電流最小值可以達(dá)到1mA，同時提高了電流采樣精度為正負(fù)1mA。

3.2.2根據(jù)運(yùn)放輸入共模范圍確定采用的電流檢測電路結(jié)構(gòu)采用高邊電流檢測低邊電流檢測結(jié)構(gòu)，取決于使用運(yùn)放的共模輸入范圍指標(biāo)，高邊電流檢測，共模電壓V乘以共模抑制比后疊加到全差分電路輸出端，影響整體電路精度。LM358共模輸入范圍最高為正電源減去2V，對于5V單電源供電來說，其共模輸入電壓范圍是0-3V。因此只能選用低邊電流檢測結(jié)構(gòu)。并且高邊電流采樣，運(yùn)放有限的共模抑制比會在輸出引入偏差。低邊電流采樣是最合適的選擇。

3.3電路制作過程中的性能挖掘

采樣電阻RS通路上的電流會在導(dǎo)線上引起電壓差，因此電流檢測的兩個輸入端必須接到采樣電阻兩端而不能包含負(fù)載通路上的導(dǎo)線，否則會引入采樣誤差。運(yùn)放電源的去耦電容對于改善運(yùn)放電源抑制比，降低噪聲都有比較重要的作用。去耦電容應(yīng)該距離運(yùn)放盡可能近，保證去耦電容正負(fù)極到運(yùn)放芯片電源引腳和地引腳的走線寄生阻抗盡可能短。采樣電路運(yùn)放正負(fù)端在實(shí)際電路中由于導(dǎo)線引起的寄生電容會影響電路穩(wěn)定性。所以一方面制作的電路元件盡可能合理布局，減短導(dǎo)線路徑降低導(dǎo)線寄生電容。另一方面，在R2A、R2B、R3A、R3B電阻預(yù)留與之并聯(lián)的電容，以便調(diào)試合理的電容值抵消寄生電容效應(yīng)。本文實(shí)驗(yàn)案例是通過指定電路類型和限定關(guān)鍵器件運(yùn)算放大器的型號，引導(dǎo)學(xué)生分析關(guān)鍵元器件的與電路相關(guān)的特性參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)使電路整體性能達(dá)到最優(yōu)。使學(xué)生學(xué)會電路設(shè)計(jì)是一個整體，具有木桶效應(yīng)，要通過關(guān)鍵元器件性能為中心來優(yōu)化電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)，補(bǔ)齊短板，實(shí)現(xiàn)整體電路性能。而不是注重用高性能元器件而忽略電路的優(yōu)化。

4結(jié)束語

本文從模擬電路實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生情況為出發(fā)點(diǎn)，提出了以器件性能挖掘?yàn)閷?dǎo)向的模擬電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)教學(xué)思路和方法，并通過具體實(shí)驗(yàn)案例來闡述本文提出的教學(xué)方法。引導(dǎo)學(xué)生工程思維方式，分析關(guān)鍵元器件參數(shù)，關(guān)鍵元器件為中心優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使整體電路達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。使學(xué)生的實(shí)踐能力和思維方式更貼近工程應(yīng)用實(shí)際，達(dá)到實(shí)驗(yàn)課教學(xué)目的。

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作者：劉雨鑫 曾麗娜 張?jiān)蒲?包濤 單位：西北工業(yè)大學(xué)