電子技術基礎課程體系和教學內容的改革

蔡惟錚，歐陽舟，齊 明，于 泳

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

當前高校電子電氣信息類專業的“電子技術基礎”課程，由于總學時的減少和實踐性教學環節的加強，理論課大都限在60～80學時。如何在學時數減少的情況下，還能夠保持理論課程內容削減較少，教給學生較多的電子技術知識，只能通過課程體系、課程內容的改革以及教學方法的優化來解決。

我們認為:在維持“電子技術基礎”課程模擬和數字兩大體系的基礎上，對一些章節的內容進行改革和優化，以及對講解順序進行調整還是大有文章可做的。本文通過教育部高校電子電氣基礎課程教學指導分委員會推薦的教材:參考文獻[1]來論述電子技術基礎課程體系和內容改革的一些看法。

1 模擬電子技術部分的改革

1.1 采用計算法求解靜態工作點

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，削減了動態圖解分析(靜態工作點、直流負載線、交流負載線和動態范圍等內容)，重點講述計算法求解靜態工作點。

學生剛剛學習本課程時會遇到入門難的問題。我們以圖1所示的分壓偏置共射組態放大電路為例，運用戴維寧定理導出基極電流表達式:

這樣做雖然數學推導稍微麻煩一些，但其與電路課程相一致，卻有利于學生的入門。

圖1 共射組態基本放大電路

計算基極電流時，視式(1)中的UBEQ為常數可使分析簡化，帶來的誤差不大，這也是處理工程問題常用的方法;對于計算場效應管放大電路的靜態工作點可以通過轉移特性等方程求解。這樣對BJT和FET兩大類放大電路都可以通過計算法得到靜態工作點，簡化了這部分課程內容的分析。

式(1)分母中的(1+β)Re說明發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]。

計算放大電路的動態指標時，傳統的方法是畫出放大電路的微變等效電路求解。有了歸算的概念，可以根據基本放大電路圖直接寫出動態指標的表達式，這是一個提升，這也是歸算帶來的優點。圖1為無射極旁路電容的共射組態基本放大電路。其電壓增益表達式為

上式的分子是輸出電極對輸入電極間的電流放大系數乘以輸出電極對地的交流負載電阻;分母是基極電流流入輸入端看進去的歸算電阻值。熟練后可根據放大電路的電路圖直接寫出電壓增益表達式，對共射、共集和共基組態放大電路都適用。

1.2 將模擬乘法器提前移入

過去講運放是先將差分放大電路、級間耦合、互補輸出電路作為運放的內部單元電路講解，模擬乘法器在此并不講解[2]。實際上跨導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調節發射極電流ic3實現。顯然ic3是受uy控制的，于是輸出電壓uo受uxuy之積的控制。這樣在運放線性應用電路中就可以將乘法、除法和開方等電路與比例、積分等電路一并講解，使線性應用的內容更加豐富。把模擬乘法器提前到差分放大電路之后講解，有利于數據放大器、精密整流電路、阻抗變換電路、有效值電路和測溫等應用電路的介紹。

圖2 跨導型模擬乘法器原理圖

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

圖3 反相比例運算電路 圖4 除法運算電路

對于信號處理和變換中的有源濾波器、開關電容等就作為線性應用電路的實例講解。在運放品種的介紹中還提及了軌對軌運放，它的輸出幾乎具有正電源到負電源電壓的高動態范圍。

1.3 其他部分的改革

(1)簡化了晶體管內部載流子傳輸的分析，現在電子技術已經進入集成電路時代，在中小功率電子線路中已經很少見到單獨的晶體管了。本教材只講晶體管內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)簡化了中低頻小信號晶體管模型，僅給出了一個解決計算放大電路的思路;

(3)對于反饋的分析和判斷，將串聯反饋是輸入電壓與反饋電壓的相加減，進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電極(例如BJT的基極和發射極，運放的同相輸入端和反相輸入端)。對并聯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電極。

(4)在線性應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加以比較，突顯線性和非線性應用各自的特點。順便給出了高電平和低電平的概念，有利于此后開關穩壓電源的講授。

(5)在集成振蕩電路一章中還簡介了函數發生器和壓控振蕩器的基本概念，不至于使學生產生知識的盲點。

(6)將整流電路的內容適當分散，加強了集成穩壓電源的介紹。講完二極管，作為二極管的應用，介紹整流電路。對于線性三端集成穩壓電源，介紹了固定正電壓、負電壓輸出和可調正電壓、負電壓輸出產品中的小、中、大電流三種系列，以及對軍品、工業品和民品級系列都做了比較詳細的介紹。在指出線性集成穩壓電源效率較低的不足后，介紹了開關穩壓電源和PWM的工作原理。

2 數字電子技術部分的改革

2.1 用最小項貫穿大部分內容

數字電子技術部分的許多概念，如邏輯代數、卡諾圖、真值表、譯碼器、數據選擇器、計數器、存儲器、可編程邏輯器件及AD與DA轉換器等都與最小項有關。過去講最小項是孤立的，本教材把這些部分通過最小項貫穿起來，就起到了提綱挈領的作用，使相關部分的講解更加簡潔。

本教材削減了小規模集成電路的內容，以中、大規模集成電路為主。例如設計組合邏輯電路，任何一個組合邏輯電路都是由若干個最小項之和構成的，所以利用譯碼器提供的最小項mi，再增加一個門電路實現最小項的相加。這里譯碼器提供的是mi，邏輯門實現的是Σ，問題便迎刃而解。用最小項譯碼器實現全加器的例子如圖5所示。

圖5 用最小項譯碼器實現全加器

數據選擇器本身就是一個Σmi的電路結構，所以通過數據選擇器可實現組合邏輯電路。將待實現的組合邏輯表達式寫成與或標準型的形式，例如

確定式中ABC為選擇變量，并用相應的最小項代替，將上式寫成最小項和第四個邏輯變量D的與或表達式的形式

變換后得到

根據上式，用8選1數據選擇器實現的組合邏輯電路如圖6所示。

圖6 用數據選擇器實現組合邏輯電路

2.2 可編程邏輯器件

可編程邏輯器件發展很快，本教材總結了實現可編程的三種基本方法:①由ROM發展而來的與或矩陣可實現邏輯功能的編程;②可編程開關矩陣可對連線方式編程;③數據選擇器和異或門可實現數據傳輸方向、同相傳輸和反相傳輸的編程。

本教材以可編程計數器為例介紹與或矩陣的可編程原理，通過異或門設置一個符合函數，當計數器按傳統的由卡諾圖設計的時序計數到輸入地址碼規定的狀態時，產生符合，使觸發器返回初態。在此提出了可編程的共性問題，簡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。對于具體的可編程邏輯器件或可舉一例，在相關的實驗中去進一步學習和實踐。

可編程邏輯器件的基礎是ROM存儲器，ROM可實現組合邏輯電路，加上觸發器也可以實現時序邏輯電路。ROM的存儲內容，可以通過寫入軟件在所謂的熔絲圖上根據陣列圖確定存儲單元，不需要進行化簡，可方便地構成多種邏輯電路。在這里最小項的概念運用較多，設計方法與小規模電路有很大不同。

對與可編程邏輯器件關系密切的VHDL語言，本教材采取直接拿來使用的方法，但加上必要的注釋。我們不對VHDL的語句和規則進行介紹，也不設附錄，可在相關課程和實驗中學習，以減少本書的篇幅和區分不同課程之間的分工。

2.3 其他部分的改革

(1)重點介紹數字信號的基本概念，指出高低電平屬于雙值邏輯系統。所謂數字信號就是符合雙值邏輯系統對邏輯電平規定的矩形脈沖。

(2)數字電路的數學工具是邏輯代數，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系。這些關系在一些書中往往稱為互補律、對合律和包含律等等[3，4]，其含義在字面上理解起來比較模糊。通過介紹邏輯代數的代入規則、對偶規則和反演規則給學生進行邏輯運算打下比較深厚的基礎。對偶關系在正、負邏輯、觸發器等內容中普遍存在。

(3)邏輯門以TTL和CMOS為代表，本教材同時對六種數字集成電路國標系列做了簡要介紹。對邏輯門內部電路只是簡單講授，重點介紹特性曲線和參數。本教材說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門電平和關門電平，以及它們與噪聲容限之間的關系。對CMOS門電路和特有的CMOS傳輸門也給予了較多的關注。

(4)本教材介紹門電路構成的石英晶體多諧振蕩器時，指出邏輯門的過渡區也有放大作用，只需要一個電阻將邏輯門的工作點偏置在過渡區即可。邏輯門也在中、大規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序邏輯電路涉及分析、設計、中規模通用集成電路的原理及其應用等四個問題。

關于分析，重點關注組合邏輯電路和時序邏輯電路的共性問題。例如譯碼器、編碼器、代碼轉換譯碼器的分析設計實際上是一樣的，這就是它們的共性。但這些電路也有各自的特點，因與顯示器件連接而產生顯示譯碼器，考慮到減小鍵盤輸入的差錯，而有優先編碼器等[2]。

(6)本教材中組合邏輯電路和時序邏輯電路的設計，基本上都是采用中規模集成電路實現。一般中規模集成電路為了增強其適用性，可以擴容和變通使用。例如計數器產品一般只有2-16進制和2-10進制編碼兩大類，但通過變通基本上可以實現其他各種編碼的計數器。利用4位全加器可以實現多種編碼之間的轉換，利用最小項譯碼器和數據選擇器可以實現其他組合邏輯電路等。

(7)在一些書中對移位寄存器的右移和左移定義會有相反的說法。本教材根據原電子工業部集成電路編輯委員會出版的有關手冊，規范了寄存器向高位移為右移，向低位移為左移。簡要介紹邏輯電路對輸入信號的動態響應，即所謂競爭冒險問題。

(8)將觸發器和555定時器合在一章講授，不再單獨講解用門電路構成的波形發生電路。觸發器部分介紹基本RS觸發器、5種邏輯功能的時鐘觸發器;通過555定時器介紹單穩態觸發器、多諧振蕩器、施密特觸發器等內容。對于555定時器的功能表歸納成4條:①有兩個閾值;②輸出端和放電端的狀態一致;③具有滯回現象;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定時器組成的電路。

(9)模數與數模轉換器一章主要介紹了AD轉換的概念、基本參數、電阻解碼網絡、倒T形解碼網絡、并行AD轉換器、逐次比較AD轉換器和雙積分AD轉換器等。對近來發展起來的Δ－Σ型AD轉換器和流水線型AD轉換器也做了簡單介紹。

3 結語

教材的編寫是一個復雜細致的過程，本教材的一些觀點和具體的改革內容經過教學實踐，證明是可行的。但由于改動比較大，難免有不足之處。筆者希望通過與廣大教師關系密切的本學報，真誠祈盼借助此文達到拋磚引玉之目的。

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

[2]康華光主編.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2006

[3]沈嗣昌主編.數字設計引論[M].北京:高等教育出版社，2000

[4]李晶皎，李景宏，曹陽編著.邏輯與數字系統設計[M].北京:清華大學出版社，2010