基于系统结构图的模拟电子技术课程教学探索

基金项目：吉林省高等教育教学改革研究课题“基于机器人系统的项目驱动教学在《自动控制原理》课程中的改革研究与实践”（吉教高〔2020〕17号）；吉林大学本科教学改革研究重点资助项目“‘模拟电子技术’与‘自动控制原理’课程关联融合与协同促进式教学模式研究”（2023XZD062）

第一作者简介：王庆凤（1978-），女，汉族，吉林长春人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为传感器智能化方法。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.028

摘  要：掌握知识是教学目标的核心要素，对基本元件和基本电路的深入探索是领悟模拟电子技术课程知识的关键。为此，该文提出以系统结构图为工具开展课程教学，首先分析教学内容与系统结构图的关联关系，然后通过两个知识点的分析过程，阐述系统结构图在课程教授中的具体应用，最后运用案例分析、仿真实践、翻转教学等教学方法，实现启发学生融会贯通、注重创新培养、强化学生自主探究的目标。

关键词：模拟电子技术；系统结构图；教学方法；教学设计；自动控制原理

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0116-04

Abstract： Mastering knowledge is the core element of teaching objectives， and in-depth exploration of basic components and circuits is the key for understanding the knowledge of Analog Electronic Technology. The teaching method based on system block diagram is proposed in this article. First， the correlation between teaching content and system structure diagrams is analyzed. Then， through the analysis of two knowledge topics， the specific application of system block diagrams in course teaching is explored. Finally， teaching techniques such as case analysis， deepening simulation practice， and integrating flipped teaching are used to achieve the goal of inspiring students to thorough understanding， emphasizing innovation cultivation， and strengthening independent exploration.

Keywords： Analog Electronic Technology; system block diagram; teaching method; teaching design; automatic control principle

集成电路作为信息技术产业的核心，是支撑国家经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业[1]。模拟电子技术是培养创新型人才、面向解决制约我国集成电路产业发展问题的重要基础课程。该课程是吉林大学电子科学与工程学院的大类学科基础必修课程，通过多年的建设[2-3]，被列入吉林省本科精品建设课程，每学年选课学生近600人。该课程以集成电路为主体，通过课程学习，学生将掌握主要半导体器件和各种基本电路的组成、工作原理、特性、基本分析方法及其应用。

学生普遍认为模拟电子技术比较难学，主要原因有[4-6]：①工程性强，该课程近乎是学生遇到的第一门关于工程性的课程，元件参数的分散性、常用近似化简、定性分析（可行性）和定量计算等问题使学生困惑；②难度大，比如深入到原子电子层的粒子变化、非线性元件的线性化、频率特性等增加了该课程内容的复杂程度；③内容量多，各功能电路设计目标不同又关联紧密，涉及电路分析基础、半导体物理、反馈控制原理、信号与系统等知识的运用。

面对以上难点，如何消除学生对该课程的畏惧心理，提高学习兴趣和学习效果成为一个亟待解决的问题。掌握知识是教学目标的核心要素，而对基本元件和基本电路的深入探索是领悟模拟电子技术课程知识的关键。本文基于作者多年同时教授模拟电子技术和自动控制原理两门课程的教学经验，提出在模拟电子技术课程教学中借助系统结构图作为分析工具，帮助教师更好地引导学生深入理解基本元件和基本电路的结构、原理和功能，理清知识点及模块之间的联系，从而增强学习的兴趣和信心，进一步掌握电路分析、应用与设计的方法。

一  教学设计

（一）  系统结构图及其组成

控制系统的结构图是一种利用数学图形描绘各元部件间信号传递关系的数学模型，其展示了系统中各变量之间的因果关联以及进行的运算，是控制理论中用于描述复杂系统的一种简便方法[7]。模拟电路系统也属于一类控制系统，因此在模拟电子技术能够采用结构图去描述电路结构、原理和功能，直观地反映整个模拟电路系统的原理结构，描述各元器件之间的内在联系，对电信号关系进行精确的定量描述。

系统结构图的组成包含四种基本单元[7]：信号线、引出点、比较点和方框，如图1所示。信号线为带有箭头的直线，箭头的方向代表信号的传输方向，在这条线旁标注信号的象函数；引出点是指信号被测量或引出的位置，源自同一位置的信号在数值上和性质上都相同；比较点是对两个或更多信号进行加减运算的标志；而方框则代表对信号进行运算或处理。系统结构图是系统原理图和数学方程的融合，它不仅增强了原理图的定量描述能力，同时也为数学方程的抽象运算提供了直观的展示。

（a）  信号线         （b）  引出点

（c）  比较点              （d）  方框

图1  结构图的基本组成单元

（二）  教学内容与结构图的关联

在大多模拟电子技术课程的教材中，没有提及过系统结构图的概念和组成，只在反馈放大电路和正弦波振荡电路这两个章节中给出过反馈放大电路的组成框图，其实质就是自动控制原理课程中的系统结构图。我们考虑借助课程间知识交叉融合去协同促进教学效果。

开环系统、闭环系统、开环控制和闭环控制是自动控制原理中最基本、最重要的概念，而模拟电子技术中，模拟集成电路、单门限电压比较器、功率放大电路和滤波器可被认为是开环系统（可能存在局部负反馈），运算放大电路、单管放大电路、负反馈放大电路、正弦波振荡电路和双门限电压比较器等为闭环（正反馈/负反馈）系统。两门课程的内容具有较强的关联性和互补性。

在控制理论中，系统结构图能够描述各类系统的结构和变量关系，无论是线性系统还是非线性系统都适用，其贯穿了自动控制原理课程的全过程。因此，模拟电子技术中大部分的知识点也可以借助这种有效的图形化工具展开深入分析，以明晰电路中元件、器件或电路模块间的电流、电压之间的关系，输入、输出与中间变量（其他电流、电压）之间的关系，便于分析反馈放大电路，利于运算电路的增益求解，弄清楚信号的传递关系，电信号的变换关系等，易于分析定量的关系。无论从原理上还是定量计算上都更加明确和清晰。图2给出了课程中可以应用系统结构图的各个知识模块。

二  知识点案例分析

在“运算放大电路”和“双极结型三极管及其放大电路”两章中各选出一个知识点进行案例分析。

（一）  差分放大电路

一种差分放大电路如图3所示，其功能是计算两个电压信号vi1和vi2之间的电压差值。

图3  求差电路

可以直接利用负反馈放大电路的虚短、虚断的概念，结合电路定律得到

但该电路内部原理学生并不清晰，考虑到其中的虚短、虚断、负反馈组态和深度负反馈等知识点的融会贯通，首先直观地运用叠加原理可将图3中电路分解成图4所示的两个电路的叠加。

可见，求差电路实际上是反相位和同相比例运算电路的叠加，负反馈放大电路的分析不容易掌握，能准确分析清楚各电信号及电信号间关系的学生并不多。对于输入端反馈组态的判别，根据反馈信号与输入信号是否作用在运放的同一输入端，可以判断图4（a）为串联反馈，反馈信号为？淄n，图4（b）为并联反馈，反馈信号为if，这样就分析出结构图的比较点信号的减法关系是？淄p-？淄n 和ii-if。对于输出端反馈组态的判别，采用输出短路法，即？淄o1=0和？淄o2=0时，图4（a）中由于虚断可得？淄n=0，且？淄n=？淄o·Ｒ1/（Ｒ1＋Ｒ２）；图4（b）中由于虚短可得if＝０，且if＝（０－？淄o）/Ｒ4，因此都为电压反馈。这样就分析出结构图中反馈通道的输入信号都为输出电压，同时也分析出反馈通道输出信号与输入信号间的比值关系。

（a）  串联反馈           （b）  并联反馈

图4  图3电路中两个输入分别单独作用时的等效电路

通常，针对负反馈电路的要求是能够分析出反馈组态和在深度反馈时计算出反馈部分的增益就可以了，然而缺乏从电路整体输入到输出之间关系的完整描述，反馈部分的输入信号并不是求差电路的实际输入，通过结构图，可以把整个电路关系描述清楚。根据上述分析，可以绘制出图5中虚线方框内的结构图，反馈环路以外的部分，从系统ii1转换到vp、从vi2转换到ii也要考虑进去，如图5所示。

图5  求差电路系统结构图

通过绘制结构图，各电信号之间的传递和定量作用关系就非常清晰。进一步，当|A|→∞时，可以利用结构图的等效变换得到上文中公式的结果；利用结构图中的负反馈原理，解释虚短和虚断成立的原因。

（二）  射极偏置电路稳定静态工作点的原理

图6是基极分压式射极偏置电路的直流通路，其静态工作点能够稳定的原理是当温度变化时，利用集电极电流 ICQ的变化，通过发射极电阻Re取样反过来控制VBEQ，从而使电流IEQ、ICQ基本保持不变的负反馈作用[8]。这样解释比较简洁，道理上讲得通，但答疑时经常有学生仍然追问其中的原理，说明仅仅这样讲授是不够的，同时运用绘制系统结构图进行分析，学生表示非常清晰。

射极偏置电路稳定静态工作点原理的结构图如图7所示，其电信号的顺向作用和反向联系一目了然，可以容易地分析出，当输出信号受到扰动（如温度升高）以后，信号变化的过程如下

从而实现了基于偏差自动地修正输出信号使其保持不变。

同时，易于明白固定基极直流电位和加入发射极电阻Re对于稳定静态工作点的重要性，解释了教材中三个单管共射极放大电路之间的递进关系，增加电阻Re能够把输出信号的变化检测出来并反馈到输入端，从而产生一个相应的输入作用去减小或消除偏差；而电阻R2的作用是使VBEQ基本不受温度影响而保持不变。

图6  射极偏置电路的直流通路

三  教学方法

在系统结构图的教学中，根据学生的实际情况和具体的知识点设计教学方法，包括案例分析、翻转课堂和仿真实践等。

（一）  运用案例分析，启发融会贯通