器件性能挖掘下的模擬電路實驗教學設計
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摘要：實驗課程是引導學生理論知識與實踐接軌的重要課程，因此課程教學方法思路要引導學生設計電路結構，分析電路參數并優(yōu)化電路，與實際電路的設計思路一致，而不是電路的簡單驗證。本文提出的實驗教學思路是培養(yǎng)學生針對實驗需求和現有的實驗器件基礎上進行電路設計和優(yōu)化。擺脫教師給出完整實驗電路，學生只是單純驗證實驗結果的傳統(tǒng)教學模式。本文結合具體實驗教學案例，說明模擬電路實驗教學設計思路。該方法在實際應用中可以有效引導學生對于模擬電路設計的思維模式，提高學生的實踐動手能力和解決實際問題能力，同時激發(fā)學生興趣。
模擬電路課是電子信息大類以及相關專業(yè)的非常重要的一門必修課，具有很強的理論性和重要性[1]。模擬電路實驗課程是理論向工程實踐過渡的重要實踐類課程，目的是提高學生的動手能力，工程思維和工程實踐能力，為學生參加學科競賽以及具備工程實踐的素養(yǎng)打下基礎[2]。模擬電路實驗課程要培養(yǎng)學生實踐能力，和電路設計的工程思維模式和方法[3]。目前高校開設的模擬電路類的實驗課程普遍還是以驗證性為主，即學生按照給出的電路結構進行電路搭建，測試復現相應的實驗現象和指標。驗證性的實驗仍然采用理論課的思路，這種模式與實際電路設計的工程實踐應用脫節(jié)。工程實踐中的電路設計方式是先提出應用需求，再根據需求設計電路結構和采用的器件以及參數，最終經過測試調試使得電路達到設計要求。驗證性的實驗課程學生只是照葫蘆畫瓢，主動性不強，動手能力以及分析解決問題的能力沒有得到鍛煉[4]，學生的思維方式沒有擺脫理論課的固有模式，錯誤地認為實際的工程實踐可以沿用理論課方式處理問題。對模擬電路實驗課程的改革一直是高?；A課程建設的一項重點工作，從教學理念、教學方式、教學方法等多個方面進行了研究，目的都是提高學生的動手能力和分析問題能力，增加工程實踐素養(yǎng)[5]。但是模擬電路不是命題作文，而是設計實現符合要求的電路，培養(yǎng)電路設計和問題分析能力。本文針對目前模擬電路實驗教學中存在的問題進行分析，并提出教學改革思路結合實驗教學案例來進一步闡釋本文觀點。
2以器件性能挖掘為導向的實驗教學方法
本文從模擬電路實驗課程教學經驗和學生情況為出發(fā)點，提出了以器件性能挖掘為導向的模擬電路實驗課程設計教學思路和方法，即設置合理的實驗題目和實驗電路性能指標要求，限定使用的關鍵元器件類型，具體實驗電路結構由學生設計完成。其中性能指標相對與所使用的元器件來說，要求比較嚴格，這樣就埋下很多問題點。需要學生在使用指定器件情況下，結合指標要求，通過電路結構以及參數的合理設計，避開問題點。并且重心在關鍵元器件性能的分析和了解的基礎上，充分挖掘元器件的性能，使得整體電路性能指標達到要求。
3實驗教學案例
下面以高精度電流檢測電路為例，闡述以器件性能挖掘為導向的模擬電路實驗教學方法。
3.1實驗電路
制作一個電流檢測器，其基本框架見圖1?？烧{電壓源產生電壓V，其通過負載RL和采樣電阻Rs的串聯產生要檢測的電流I1，采樣電阻可以放在接地端構成低邊電流采樣，如圖1中的（1）結構；也可以在電壓源V端構成高邊電流采樣，如圖中（2）結構。要求采樣電阻值要小于負載電阻的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，實現對電流I1的檢測。
3.2器件性能挖掘導向
實驗電路已經規(guī)定了基本框架，下一步要給出實驗條件和目標，引導學生專注于對器件性能的挖掘。首先實驗限定的條件為：運放的型號限定LM358，其供電電壓5V單電源，可編程電壓源輸出V范圍0~30V。實驗目標為：檢測電流I1的范圍為最大值達到100mA。電流檢測精度要保證小于±10mA的基礎上繼續(xù)提高電流檢測精度并且擴展電流檢測的范圍。運放型號和具體實驗條件的限定，不僅不會降低學生主觀能動性，而且會引導學生思考問題的方向。這樣的方式圖1電流檢測器電路與實際做工程問題的思路是一致的。實驗課的內容相當于做一個工程產品，那么實驗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，達到成本與性能的最優(yōu)，這才是工程設計的思路。要在限定條件下，盡量發(fā)揮出電路性能。不能讓學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，完全忽略電路結構和參數。一個好的電路是一個有機整體，每一部分都是相互配合。因此，限定關鍵元器件和實驗條件，引導學生研究芯片的性能參數的前提下，進行電路結構和參數的優(yōu)化，挖掘芯片性能是本文認為的正確的實驗課程教學方法。對于本實驗案例來說，引導學生根據以下幾個問題的確定都需要相應的運放的性能作為依據，也就是要充分了解器件性能，挖掘器件性能。
3.2.1確定負載電阻和采樣電阻取值，提高電流采樣精度的參數優(yōu)化電源V的最高電壓為30V，可以確定負載電阻RL與采樣電阻RS串聯總阻值要小于300歐姆才能保證電流能夠達到100mA。其次確定負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載電阻比例，采樣電阻值要盡可能的小，其最小值依據LM358運放的失調電壓和最小的采樣電流確定。LM358失調電壓不超過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放失調電壓，取為10mV，才能夠對差分信號正常放大。因此采樣電阻值最小值可以取為1歐姆，那么負載電阻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阻值實現，同時也會相應的擴展電流檢測的下限。把采樣電阻Rs阻值提高到10歐姆，那么根據LM358失調電壓計算，檢測電流最小值可以達到1mA，同時提高了電流采樣精度為正負1mA。
3.2.2根據運放輸入共模范圍確定采用的電流檢測電路結構采用高邊電流檢測低邊電流檢測結構，取決于使用運放的共模輸入范圍指標，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構。并且高邊電流采樣，運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載通路上的導線，否則會引入采樣誤差。運放電源的去耦電容對于改善運放電源抑制比，降低噪聲都有比較重要的作用。去耦電容應該距離運放盡可能近，保證去耦電容正負極到運放芯片電源引腳和地引腳的走線寄生阻抗盡可能短。采樣電路運放正負端在實際電路中由于導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，減短導線路徑降低導線寄生電容。另一方面，在R2A、R2B、R3A、R3B電阻預留與之并聯的電容，以便調試合理的電容值抵消寄生電容效應。本文實驗案例是通過指定電路類型和限定關鍵器件運算放大器的型號，引導學生分析關鍵元器件的與電路相關的特性參數，結合實驗要求設計電路結構和參數，設計使電路整體性能達到最優(yōu)。使學生學會電路設計是一個整體，具有木桶效應，要通過關鍵元器件性能為中心來優(yōu)化電路參數和結構，補齊短板，實現整體電路性能。而不是注重用高性能元器件而忽略電路的優(yōu)化。
4結束語
本文從模擬電路實驗課程教學經驗和學生情況為出發(fā)點，提出了以器件性能挖掘為導向的模擬電路實驗課程設計教學思路和方法，并通過具體實驗案例來闡述本文提出的教學方法。引導學生工程思維方式，分析關鍵元器件參數，關鍵元器件為中心優(yōu)化電路結構和參數，使整體電路達到實驗要求。使學生的實踐能力和思維方式更貼近工程應用實際，達到實驗課教學目的。
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作者：劉雨鑫 曾麗娜 張云燕 包濤 單位：西北工業(yè)大學
