重视基础理论创新夯实教学改革基础

发言人 长沙大学 元增民2010 年 7 月 30日yzm@ccsu.cn

2010电子高等教育学术研讨会 ( 哈尔滨 )

教学改革的层次

① 教学方法改革最浅层次广泛重视的教学改革② 课程体系改革浅层次的教学改革③ 教材改革深层次的教学改革④ 基础理论创新最深层次易被忽视的教学改革

1.目前电子学基础理论的一些缺陷 1.1 小信号放大器概念晦涩 1.2 一些方法不当甚至明显错误 1.3 指标参数欠缺太多 ( 知识点太少 )

2. 基本共射放大器输出电压的生成过程3. 从理论上证明小信号放大器概念错误4. 这么多缺陷为什么能隐藏五十年之久5. 理论欠缺对电子工程技术和教材的影响6. 消极应对7. 积极对策8. 一本新体系《模拟电子技术》的特点

汇报提纲目前电子学基础理论缺陷、影响及对策

1.1 小信号放大器概念晦涩 小信号本来是针对 BJT 的非线性输入特性和基于一定误差限制而提出的一个概念，或者是基于限制 FET 跨导 gm 相对变化而提出的一个概念，但不幸被机械地推广到放大器，派生出所谓小信号放大器概念。 BJT 共射、共集、共基、 FET 共源、共漏、共栅等基本放大器都归类为小信号放大器范畴。小信号放大器典型定义是信号较小可认为管子工作在线性范围内的放大器 ( 甲类放大器 ) 。但至今没有明确信号指的是输入信号还是输出信号、信号究竟如何小。 目前关于小信号及小信号放大器概念的说法简直多得数不清。有人说小信号是 nV 数量级，有人说是 μV 数量级，还有人说是 mV

数量级。小信号放大器概念的影响非常大，但是此概念又十分晦涩，在人们思想中制造的混乱也最大。多少人一辈子也难说清究竟什么是小信号放大器。

1.目前电子学基础理论的一些缺陷

1.2 一些方法不当甚至明显错误 ( 两例 )

图 1 目前模电教材最常见的错误做法 图 2 正弦电流经 pn 结转化为圆顶尖底波电压

概念晦涩、方法不当的直接后果就是导致简单问题复杂化、复杂问题省略掉，以致模电教科书产生类似于语文教科书的谎言。

1) 正弦曲线经非线性转换后仍为正弦曲线i

beuo

ii

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t

t

io

uo

ber

bI

2) 基于晶体管输出特性曲线分析工作点及输出范围 ( 略 )

本图首先违背了小信号概念

1.3 指标参数分析计算欠缺太多 目前模拟电子技术教材一般都提到 BJT 基本放大器及FET 基本放大器应当具有①工作点②工作点稳定性③输入范围④输出范围 ( 最大不失真输出电压幅度 ) ⑤效率⑥元器件功耗及额定功率⑦输入电阻⑧输出电阻⑨放大倍数⑩频率特性十项技术性能指标参数。 但是经常讨论的仅有输入电阻、输出电阻、放大倍数、频率特性等四项。临界工作点没有找到，输入范围、输出范围、效率、元器件功耗等一直没有解决，而输入电阻、输出电阻、放大倍数、频率特性都与偏置量有关，缺乏临界工作点，实际又影响这四项指标参数计算数值的统一。总之，目前基本放大器十项指标参数不是根本没有解决，就是没有从数值计算上彻底解决。

bes

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2. 基本共射放大器工作时输出电压的生成过程

基本共射放大器信号传递过程：①信号源电动势 Ės 除以电阻→ İs ② →分流 İb ③放大 β →倍 İc ④经 R′L → 安伏变换 。其中② ,③, ④步没有非线性问题，关键的是第①步 Ės 到 İs 的转换。 因有线性内阻 rs 对晶体管非线性输入电阻 rbe 的抑制作用 ,即使信号幅度较大 , 也能保证正弦信号源电压大体上转换为正弦基极电流。

晶体管基极电流

图 3 交流等效电路图 2 基本共射放大电路

信号源电流

图 2 正弦电流经 pn 结转化为圆顶尖底波电压 图 5 正弦量与非正弦量在放大器中共存

事实说明：① 基本共射放大器的 BJT发射结电压是圆顶尖底波 , 对照图 2 与图 5 可以证实 , 基极电流确实 ( 基本 ) 是正弦波。② 放大器输出范围达到 3.8V ，与新理论计算 Uom=Ucc/(2+Rc/RL)=12V

/(2+1/1)=4V 基本吻合，并说明小信号放大器概念的确不符合事实。

在图 2 取 rs=10kΩ,Rc=RL=1kΩ进行放大实验，用示波器监视晶体管发射结电压和放大器输出电压，将放大器工作点调到临界位置，信号加大到输出刚刚没有失真，拍摄两个电压波形，见图 5。

分压偏置放大电路的信号源电流计算公式 直观表达出有负反馈时发射极反馈电阻 Re1与信号源内阻 rs共同抑

制 BJT输入电阻 rbe的非线性，说明负反馈可以减小非线性失真。

事实证明，小信号放大器是一个虚无缥缈的概念。很多人一方面将小信号放大器招牌举在手上，另一方面又将小信号放大器概念踩在脚下。不顾事实，认为晶体管发射结大幅度的电压和电流都是正弦波形，实际就是将小信号放大器概念踩在脚下。小信号等效电路英语是 small signal equivalent circuit，中文一般叫做微变等效电路，其实质就是交流等效电路。现在，越来越多的

“ ” “ ”学者已经不用 微变等效电路 ，而是使用 交流等效电路 。总之，小信号放大器概念没有反映客观实际，因此已经遭到越来越多的学者自觉的或者不自觉的抵制。如果能从理论上证明小信号放大器概念不符合事实，就必然有利于更多地消除其错误影响。

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RIRU

由此得到放大器输出电压幅度 Uom 与发射结电压幅度 Ubem 的关系

3. 从理论上证明小信号放大器概念错误 在特性曲线一个点或一个微段上晶体管输入电阻可以表达为

其中 Ubem 是发射结交流信号电压幅度， Ibm 是基极交流信号电流幅度。已知 Ubem ，可求 Ibm

以 β=100 ， rbe=2kΩ ， RL=Rc=1kΩ ， R′L=RL//Rc=0.5kΩ和小信号幅度条件 Ubem=10mV推算输出范围

mV250mV102

5.0100U

r

RU bem

be

Lom

结果不符合事实，说明小信号放大器概念理论上不成立。

4. 这么多缺陷为什么能隐藏五十年之久1) 非线性与线性的关系没有处理好典型错误是将晶体管非线性混淆为放大器非线性，由小信号概念

机械地派生出小信号放大器概念。2) 若干缺陷互相掩盖小信号放大器概念能够长期存在，实际与输入范围、输出范围分

析计算没有解决有关。输入范围、输出范围分析计算没有解决，就不知道放大器究竟能接受多大的输入信号，能输出多大的负载电压，客观上为小信号概念的生存提供了土壤。反过来，小信号放大器概念又无形中阻止人们去探求输入范围、输出范围的分析计算。

3) 谎言的欺骗作用人们都知道小学语文教材中有谎话，其实传统电子学著作与模拟

电子技术教材中也有谎言。很多问题没有解决但又不把实情和盘托出，而是刻意对读者隐瞒，不是谎言又是什么呢？

5. 理论欠缺对电子工程技术和教材的影响

目前电子工程中很多问题都是靠经验数据或经验方法解决的。用经验电流比或电阻比进行工作点稳定性设计就是一个典型。依靠经验方法和经验数据，问题虽然初步解决了，但是设备的经济性和可靠性就可能比较差。缺乏元器件额定功率理论设计方法，更是直接影响设备工作可靠性和设备安全性。

由于缺乏理论设计方法，目前模拟电子技术教材盛行定性分析、经验设计、工程估算等口号和观点。特别是目前电子学著作中缺乏工作点设计。所给出的工作点例题及习题仅仅是演练偏置电流电压与偏置电阻之间的关系，属于电路分析，而不是设计。传统《模拟电子技术》教科书实际退化为《电子电路分析》教科书。

6. 消极应对1) 淡化理论的错误观点2) 强化定性分析的错误观点缺乏定量分析时可以暂时使用定性分析，但是无论何时何地都不宜强化定性分析。

3) 将经验设计等同于工程性的错误观点4) 用计算机仿真替代基础理论的幻想5) 回避问题的临时对策

7. 积极对策 很多学者针对目前电子学存在的缺陷展开研究。例如，源电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数已经出现在越来越多的文献中。 FET 输出特性曲线中的放大区与饱和区分区颠倒的错误已经在吴运昌《模拟电子线路基础》、元增民《模拟电子技术》等文献纠正。已经有铃木雅臣《晶体管电路设计》、元增民《模拟电子技术》等文献甩开了基于晶体管输出特性曲线族的图解法。

20 30 40

mA/ib

50

200

V/uce

2

4

6

8

饱和区mA/ic

截止区

0

放大区

10

100

300

0

cercesatU

020 30 40

V/u gs

50

20

V/u ds

0

5.0

1

饱和区mA/id

夹断区

0

放大区

10

10

30

5.0

2

dsr

dssatU

（错标为放大区）

（错标为饱和区）

电子学基础理论的问题是多方面的、系统性的。零散的研究很难从根本上解决问题。要从根本上解决问题，必须用长时间花大力气探索电子学基础理论及模拟电子技术教科书的创新问题。发言人进行电子学基础理论研究已经有二十年。其初步成果已经汇总在《模拟电子技术》教科书中。本书上架半年多即在卓越、互动等网上书店同类教材销量排进前十，说明其解放教师和学生的宗旨确实符合社会发展的要求。

8. 本书主要特点1) 内容符合教育部课程大纲要求2) 方法上创新根据放大器中各处都有大幅度正弦波电压电流的事实，动态与静态分析结合 ,将三角函数引到放大器分析计算中 , 结合晶体管截止条件和饱和条件 , 解决了临界工作点 , 输出范围 , 输入范围等的分析计算 .

3) 性能指标介绍全面既有输入电阻、输出电阻、放大倍数、频率特性等阐述，也有工

作点、工作点稳定性、输出范围、输入范围、效率、元器件功率消耗及额定功率计算等阐述。

4) 从定性分析、经验定夺向定量计算发展输出范围计算达到 5% 的精度，工作点稳定性实现定量设计。旧理论体系编写的模电教科书严重束缚了教师和学生的思维。将

教师和学生从低效的烦躁的思维过程中解放出来，追求事半功倍，是本书的宗旨。该宗旨能否实现，还需要社会各界的大力支持。

由于本人水平有限，发言内容多有不当之处，欢迎各位提出宝贵意见！

谢谢大家！