蔡惟錚，歐陽(yáng)舟，齊 明，于 泳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.高等教育出版社，北京100029)

當(dāng)前高校電子電氣信息類專業(yè)的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程，由于總學(xué)時(shí)的減少和實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的加強(qiáng)，理論課大都限在60～80學(xué)時(shí)。如何在學(xué)時(shí)數(shù)減少的情況下，還能夠保持理論課程內(nèi)容削減較少，教給學(xué)生較多的電子技術(shù)知識(shí)，只能通過(guò)課程體系、課程內(nèi)容的改革以及教學(xué)方法的優(yōu)化來(lái)解決。

我們認(rèn)為:在維持“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程模擬和數(shù)字兩大體系的基礎(chǔ)上，對(duì)一些章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行改革和優(yōu)化，以及對(duì)講解順序進(jìn)行調(diào)整還是大有文章可做的。本文通過(guò)教育部高校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)推薦的教材:參考文獻(xiàn)[1]來(lái)論述電子技術(shù)基礎(chǔ)課程體系和內(nèi)容改革的一些看法。

1 模擬電子技術(shù)部分的改革

1.1 采用計(jì)算法求解靜態(tài)工作點(diǎn)

該教材的基本放大電路部分主要講放大電路的組成和工作原理，削減了動(dòng)態(tài)圖解分析(靜態(tài)工作點(diǎn)、直流負(fù)載線、交流負(fù)載線和動(dòng)態(tài)范圍等內(nèi)容)，重點(diǎn)講述計(jì)算法求解靜態(tài)工作點(diǎn)。

學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)本課程時(shí)會(huì)遇到入門(mén)難的問(wèn)題。我們以圖1所示的分壓偏置共射組態(tài)放大電路為例，運(yùn)用戴維寧定理導(dǎo)出基極電流表達(dá)式:

這樣做雖然數(shù)學(xué)推導(dǎo)稍微麻煩一些，但其與電路課程相一致，卻有利于學(xué)生的入門(mén)。

圖1 共射組態(tài)基本放大電路

計(jì)算基極電流時(shí)，視式(1)中的UBEQ為常數(shù)可使分析簡(jiǎn)化，帶來(lái)的誤差不大，這也是處理工程問(wèn)題常用的方法;對(duì)于計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)可以通過(guò)轉(zhuǎn)移特性等方程求解。這樣對(duì)BJT和FET兩大類放大電路都可以通過(guò)計(jì)算法得到靜態(tài)工作點(diǎn)，簡(jiǎn)化了這部分課程內(nèi)容的分析。

式(1)分母中的(1+β)Re說(shuō)明發(fā)射極回路的電阻歸算到基極回路要增加(1+β)倍，反之要減小(1+ β)倍[1，2]。

計(jì)算放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)時(shí)，傳統(tǒng)的方法是畫(huà)出放大電路的微變等效電路求解。有了歸算的概念，可以根據(jù)基本放大電路圖直接寫(xiě)出動(dòng)態(tài)指標(biāo)的表達(dá)式，這是一個(gè)提升，這也是歸算帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。圖1為無(wú)射極旁路電容的共射組態(tài)基本放大電路。其電壓增益表達(dá)式為

上式的分子是輸出電極對(duì)輸入電極間的電流放大系數(shù)乘以輸出電極對(duì)地的交流負(fù)載電阻;分母是基極電流流入輸入端看進(jìn)去的歸算電阻值。熟練后可根據(jù)放大電路的電路圖直接寫(xiě)出電壓增益表達(dá)式，對(duì)共射、共集和共基組態(tài)放大電路都適用。

1.2 將模擬乘法器提前移入

過(guò)去講運(yùn)放是先將差分放大電路、級(jí)間耦合、互補(bǔ)輸出電路作為運(yùn)放的內(nèi)部單元電路講解，模擬乘法器在此并不講解[2]。實(shí)際上跨導(dǎo)型模擬乘法器的基本電路和差分放大電路差不多，工作原理也不復(fù)雜，在講完差分放大電路后順理成章就可以提前講授模擬乘法器。

圖2是跨導(dǎo)型模擬乘法器的原理圖，ux和uy是乘法器的輸入。差分放大電路的增益可通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射極電流ic3實(shí)現(xiàn)。顯然ic3是受uy控制的，于是輸出電壓uo受uxuy之積的控制。這樣在運(yùn)放線性應(yīng)用電路中就可以將乘法、除法和開(kāi)方等電路與比例、積分等電路一并講解，使線性應(yīng)用的內(nèi)容更加豐富。把模擬乘法器提前到差分放大電路之后講解，有利于數(shù)據(jù)放大器、精密整流電路、阻抗變換電路、有效值電路和測(cè)溫等應(yīng)用電路的介紹。

圖2 跨導(dǎo)型模擬乘法器原理圖

值得指出的是反相比例運(yùn)算電路與模擬乘法器應(yīng)用電路的分析十分相似。圖3所示的反相比例運(yùn)算電路和圖4的除法運(yùn)算電路，二者均應(yīng)保證負(fù)反饋閉環(huán)成立。這樣就很容易地解決了模擬乘法器應(yīng)用電路的分析，既保證了課程內(nèi)容不至于大幅減少，又有利于課程內(nèi)容的共性分析和提升。

圖3 反相比例運(yùn)算電路 圖4 除法運(yùn)算電路

對(duì)于信號(hào)處理和變換中的有源濾波器、開(kāi)關(guān)電容等就作為線性應(yīng)用電路的實(shí)例講解。在運(yùn)放品種的介紹中還提及了軌對(duì)軌運(yùn)放，它的輸出幾乎具有正電源到負(fù)電源電壓的高動(dòng)態(tài)范圍。

1.3 其他部分的改革

(1)簡(jiǎn)化了晶體管內(nèi)部載流子傳輸?shù)姆治?，現(xiàn)在電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入集成電路時(shí)代，在中小功率電子線路中已經(jīng)很少見(jiàn)到單獨(dú)的晶體管了。本教材只講晶體管內(nèi)部主要載流子的傳輸，只講β，不講解α，β清楚了，α自然就理解了;

(2)簡(jiǎn)化了中低頻小信號(hào)晶體管模型，僅給出了一個(gè)解決計(jì)算放大電路的思路;

(3)對(duì)于反饋的分析和判斷，將串聯(lián)反饋是輸入電壓與反饋電壓的相加減，進(jìn)一步歸納為輸入電壓和反饋電壓分別加到放大電路輸入端的兩個(gè)電極(例如BJT的基極和發(fā)射極，運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端)。對(duì)并聯(lián)反饋是輸入電流與反饋電流的相加減，歸納為輸入電流和反饋電流加于放大電路輸入端的同一個(gè)電極。

(4)在線性應(yīng)用電路的最后部分介紹了比較器，主要目的是與線性工作狀態(tài)加以比較，突顯線性和非線性應(yīng)用各自的特點(diǎn)。順便給出了高電平和低電平的概念，有利于此后開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的講授。

(5)在集成振蕩電路一章中還簡(jiǎn)介了函數(shù)發(fā)生器和壓控振蕩器的基本概念，不至于使學(xué)生產(chǎn)生知識(shí)的盲點(diǎn)。

(6)將整流電路的內(nèi)容適當(dāng)分散，加強(qiáng)了集成穩(wěn)壓電源的介紹。講完二極管，作為二極管的應(yīng)用，介紹整流電路。對(duì)于線性三端集成穩(wěn)壓電源，介紹了固定正電壓、負(fù)電壓輸出和可調(diào)正電壓、負(fù)電壓輸出產(chǎn)品中的小、中、大電流三種系列，以及對(duì)軍品、工業(yè)品和民品級(jí)系列都做了比較詳細(xì)的介紹。在指出線性集成穩(wěn)壓電源效率較低的不足后，介紹了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和PWM的工作原理。

2 數(shù)字電子技術(shù)部分的改革

2.1 用最小項(xiàng)貫穿大部分內(nèi)容

數(shù)字電子技術(shù)部分的許多概念，如邏輯代數(shù)、卡諾圖、真值表、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件及AD與DA轉(zhuǎn)換器等都與最小項(xiàng)有關(guān)。過(guò)去講最小項(xiàng)是孤立的，本教材把這些部分通過(guò)最小項(xiàng)貫穿起來(lái)，就起到了提綱挈領(lǐng)的作用，使相關(guān)部分的講解更加簡(jiǎn)潔。

本教材削減了小規(guī)模集成電路的內(nèi)容，以中、大規(guī)模集成電路為主。例如設(shè)計(jì)組合邏輯電路，任何一個(gè)組合邏輯電路都是由若干個(gè)最小項(xiàng)之和構(gòu)成的，所以利用譯碼器提供的最小項(xiàng)mi，再增加一個(gè)門(mén)電路實(shí)現(xiàn)最小項(xiàng)的相加。這里譯碼器提供的是mi，邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)的是Σ，問(wèn)題便迎刃而解。用最小項(xiàng)譯碼器實(shí)現(xiàn)全加器的例子如圖5所示。

圖5 用最小項(xiàng)譯碼器實(shí)現(xiàn)全加器

數(shù)據(jù)選擇器本身就是一個(gè)Σmi的電路結(jié)構(gòu)，所以通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器可實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路。將待實(shí)現(xiàn)的組合邏輯表達(dá)式寫(xiě)成與或標(biāo)準(zhǔn)型的形式，例如

確定式中ABC為選擇變量，并用相應(yīng)的最小項(xiàng)代替，將上式寫(xiě)成最小項(xiàng)和第四個(gè)邏輯變量D的與或表達(dá)式的形式

變換后得到

根據(jù)上式，用8選1數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)的組合邏輯電路如圖6所示。

圖6 用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路

2.2 可編程邏輯器件

可編程邏輯器件發(fā)展很快，本教材總結(jié)了實(shí)現(xiàn)可編程的三種基本方法:①由ROM發(fā)展而來(lái)的與或矩陣可實(shí)現(xiàn)邏輯功能的編程;②可編程開(kāi)關(guān)矩陣可對(duì)連線方式編程;③數(shù)據(jù)選擇器和異或門(mén)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方向、同相傳輸和反相傳輸?shù)木幊獭?/p>

本教材以可編程計(jì)數(shù)器為例介紹與或矩陣的可編程原理，通過(guò)異或門(mén)設(shè)置一個(gè)符合函數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器按傳統(tǒng)的由卡諾圖設(shè)計(jì)的時(shí)序計(jì)數(shù)到輸入地址碼規(guī)定的狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生符合，使觸發(fā)器返回初態(tài)。在此提出了可編程的共性問(wèn)題，簡(jiǎn)化了可編程邏輯器件的講授，避免了諸多廠家各種可編程邏輯器件的介紹。對(duì)于具體的可編程邏輯器件或可舉一例，在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中去進(jìn)一步學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

可編程邏輯器件的基礎(chǔ)是ROM存儲(chǔ)器，ROM可實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路，加上觸發(fā)器也可以實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路。ROM的存儲(chǔ)內(nèi)容，可以通過(guò)寫(xiě)入軟件在所謂的熔絲圖上根據(jù)陣列圖確定存儲(chǔ)單元，不需要進(jìn)行化簡(jiǎn)，可方便地構(gòu)成多種邏輯電路。在這里最小項(xiàng)的概念運(yùn)用較多，設(shè)計(jì)方法與小規(guī)模電路有很大不同。

對(duì)與可編程邏輯器件關(guān)系密切的VHDL語(yǔ)言，本教材采取直接拿來(lái)使用的方法，但加上必要的注釋。我們不對(duì)VHDL的語(yǔ)句和規(guī)則進(jìn)行介紹，也不設(shè)附錄，可在相關(guān)課程和實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，以減少本書(shū)的篇幅和區(qū)分不同課程之間的分工。

2.3 其他部分的改革

(1)重點(diǎn)介紹數(shù)字信號(hào)的基本概念，指出高低電平屬于雙值邏輯系統(tǒng)。所謂數(shù)字信號(hào)就是符合雙值邏輯系統(tǒng)對(duì)邏輯電平規(guī)定的矩形脈沖。

(2)數(shù)字電路的數(shù)學(xué)工具是邏輯代數(shù)，將其中的形式定理分成了五類，即變量和常量、變量自身、與或型、或與型和求反的邏輯關(guān)系。這些關(guān)系在一些書(shū)中往往稱為互補(bǔ)律、對(duì)合律和包含律等等[3，4]，其含義在字面上理解起來(lái)比較模糊。通過(guò)介紹邏輯代數(shù)的代入規(guī)則、對(duì)偶規(guī)則和反演規(guī)則給學(xué)生進(jìn)行邏輯運(yùn)算打下比較深厚的基礎(chǔ)。對(duì)偶關(guān)系在正、負(fù)邏輯、觸發(fā)器等內(nèi)容中普遍存在。

(3)邏輯門(mén)以TTL和CMOS為代表，本教材同時(shí)對(duì)六種數(shù)字集成電路國(guó)標(biāo)系列做了簡(jiǎn)要介紹。對(duì)邏輯門(mén)內(nèi)部電路只是簡(jiǎn)單講授，重點(diǎn)介紹特性曲線和參數(shù)。本教材說(shuō)明了為什么用輸入低電平的最大值和輸入高電平的最小值分別去替代開(kāi)門(mén)電平和關(guān)門(mén)電平，以及它們與噪聲容限之間的關(guān)系。對(duì)CMOS門(mén)電路和特有的CMOS傳輸門(mén)也給予了較多的關(guān)注。

(4)本教材介紹門(mén)電路構(gòu)成的石英晶體多諧振蕩器時(shí)，指出邏輯門(mén)的過(guò)渡區(qū)也有放大作用，只需要一個(gè)電阻將邏輯門(mén)的工作點(diǎn)偏置在過(guò)渡區(qū)即可。邏輯門(mén)也在中、大規(guī)模集成電路的輸入和輸出端使用，起緩沖隔離作用，以滿足扇出的需要。

(5)本教材中的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路涉及分析、設(shè)計(jì)、中規(guī)模通用集成電路的原理及其應(yīng)用等四個(gè)問(wèn)題。

關(guān)于分析，重點(diǎn)關(guān)注組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的共性問(wèn)題。例如譯碼器、編碼器、代碼轉(zhuǎn)換譯碼器的分析設(shè)計(jì)實(shí)際上是一樣的，這就是它們的共性。但這些電路也有各自的特點(diǎn)，因與顯示器件連接而產(chǎn)生顯示譯碼器，考慮到減小鍵盤(pán)輸入的差錯(cuò)，而有優(yōu)先編碼器等[2]。

(6)本教材中組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)，基本上都是采用中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)。一般中規(guī)模集成電路為了增強(qiáng)其適用性，可以擴(kuò)容和變通使用。例如計(jì)數(shù)器產(chǎn)品一般只有2-16進(jìn)制和2-10進(jìn)制編碼兩大類，但通過(guò)變通基本上可以實(shí)現(xiàn)其他各種編碼的計(jì)數(shù)器。利用4位全加器可以實(shí)現(xiàn)多種編碼之間的轉(zhuǎn)換，利用最小項(xiàng)譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器可以實(shí)現(xiàn)其他組合邏輯電路等。

(7)在一些書(shū)中對(duì)移位寄存器的右移和左移定義會(huì)有相反的說(shuō)法。本教材根據(jù)原電子工業(yè)部集成電路編輯委員會(huì)出版的有關(guān)手冊(cè)，規(guī)范了寄存器向高位移為右移，向低位移為左移。簡(jiǎn)要介紹邏輯電路對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即所謂競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)問(wèn)題。

(8)將觸發(fā)器和555定時(shí)器合在一章講授，不再單獨(dú)講解用門(mén)電路構(gòu)成的波形發(fā)生電路。觸發(fā)器部分介紹基本RS觸發(fā)器、5種邏輯功能的時(shí)鐘觸發(fā)器;通過(guò)555定時(shí)器介紹單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等內(nèi)容。對(duì)于555定時(shí)器的功能表歸納成4條:①有兩個(gè)閾值;②輸出端和放電端的狀態(tài)一致;③具有滯回現(xiàn)象;④輸入和輸出反相。這樣就可以脫離功能表去分析大部分555定時(shí)器組成的電路。

(9)模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器一章主要介紹了AD轉(zhuǎn)換的概念、基本參數(shù)、電阻解碼網(wǎng)絡(luò)、倒T形解碼網(wǎng)絡(luò)、并行AD轉(zhuǎn)換器、逐次比較AD轉(zhuǎn)換器和雙積分AD轉(zhuǎn)換器等。對(duì)近來(lái)發(fā)展起來(lái)的Δ－Σ型AD轉(zhuǎn)換器和流水線型AD轉(zhuǎn)換器也做了簡(jiǎn)單介紹。

3 結(jié)語(yǔ)

教材的編寫(xiě)是一個(gè)復(fù)雜細(xì)致的過(guò)程，本教材的一些觀點(diǎn)和具體的改革內(nèi)容經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，證明是可行的。但由于改動(dòng)比較大，難免有不足之處。筆者希望通過(guò)與廣大教師關(guān)系密切的本學(xué)報(bào)，真誠(chéng)祈盼借助此文達(dá)到拋磚引玉之目的。

[1]蔡惟錚主編，齊明，于泳副主編.模擬與數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2014

[2]康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2006

[3]沈嗣昌主編.數(shù)字設(shè)計(jì)引論[M].北京:高等教育出版社，2000

[4]李晶皎，李景宏，曹陽(yáng)編著.邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2010