器件性能挖掘下的模拟电路实验教学设计
摘要：实验课程是引导学生理论知识与实践接轨的重要课程，因此课程教学方法思路要引导学生设计电路结构，分析电路参数并优化电路，与实际电路的设计思路一致，而不是电路的简单验证。本文提出的实验教学思路是培养学生针对实验需求和现有的实验器件基础上进行电路设计和优化。摆脱教师给出完整实验电路，学生只是单纯验证实验结果的传统教学模式。本文结合具体实验教学案例，说明模拟电路实验教学设计思路。该方法在实际应用中可以有效引导学生对于模拟电路设计的思维模式，提高学生的实践动手能力和解决实际问题能力，同时激发学生兴趣。
关键词：实验课；模拟电路实验；教学改革；器件性能挖掘
1模拟电路实验教学现状及分析
模拟电路课是电子信息大类以及相关专业的非常重要的一门必修课，具有很强的理论性和重要性[1]。模拟电路实验课程是理论向工程实践过渡的重要实践类课程，目的是提高学生的动手能力，工程思维和工程实践能力，为学生参加学科竞赛以及具备工程实践的素养打下基础[2]。模拟电路实验课程要培养学生实践能力，和电路设计的工程思维模式和方法[3]。目前高校开设的模拟电路类的实验课程普遍还是以验证性为主，即学生按照给出的电路结构进行电路搭建，测试复现相应的实验现象和指标。验证性的实验仍然采用理论课的思路，这种模式与实际电路设计的工程实践应用脱节。工程实践中的电路设计方式是先提出应用需求，再根据需求设计电路结构和采用的器件以及参数，最终经过测试调试使得电路达到设计要求。验证性的实验课程学生只是照葫芦画瓢，主动性不强，动手能力以及分析解决问题的能力没有得到锻炼[4]，学生的思维方式没有摆脱理论课的固有模式，错误地认为实际的工程实践可以沿用理论课方式处理问题。对模拟电路实验课程的改革一直是高校基础课程建设的一项重点工作，从教学理念、教学方式、教学方法等多个方面进行了研究，目的都是提高学生的动手能力和分析问题能力，增加工程实践素养[5]。但是模拟电路不是命题作文，而是设计实现符合要求的电路，培养电路设计和问题分析能力。本文针对目前模拟电路实验教学中存在的问题进行分析，并提出教学改革思路结合实验教学案例来进一步阐释本文观点。
2以器件性能挖掘为导向的实验教学方法
本文从模拟电路实验课程教学经验和学生情况为出发点，提出了以器件性能挖掘为导向的模拟电路实验课程设计教学思路和方法，即设置合理的实验题目和实验电路性能指标要求，限定使用的关键元器件类型，具体实验电路结构由学生设计完成。其中性能指标相对与所使用的元器件来说，要求比较严格，这样就埋下很多问题点。需要学生在使用指定器件情况下，结合指标要求，通过电路结构以及参数的合理设计，避开问题点。并且重心在关键元器件性能的分析和了解的基础上，充分挖掘元器件的性能，使得整体电路性能指标达到要求。
3实验教学案例
下面以高精度电流检测电路为例，阐述以器件性能挖掘为导向的模拟电路实验教学方法。
3.1实验电路
制作一个电流检测器，其基本框架见图1。可调电压源产生电压V，其通过负载RL和采样电阻Rs的串联产生要检测的电流I1，采样电阻可以放在接地端构成低边电流采样，如图1中的（1）结构；也可以在电压源V端构成高边电流采样，如图中（2）结构。要求采样电阻值要小于负载电阻的1/10。采样电阻Rs高电位一端为VP，高电位一端为VN。电流检测电路一个典型的差分放大器构成，其中R2A=R2B，R3A=R3B，把VP和VN电压相减，得到与电流I1成比例的输出电压Vo，实现对电流I1的检测。
3.2器件性能挖掘导向
实验电路已经规定了基本框架，下一步要给出实验条件和目标，引导学生专注于对器件性能的挖掘。首先实验限定的条件为：运放的型号限定LM358，其供电电压5V单电源，可编程电压源输出V范围0~30V。实验目标为：检测电流I1的范围为最大值达到100mA。电流检测精度要保证小于±10mA的基础上继续提高电流检测精度并且扩展电流检测的范围。运放型号和具体实验条件的限定，不仅不会降低学生主观能动性，而且会引导学生思考问题的方向。这样的方式图1电流检测器电路与实际做工程问题的思路是一致的。实验课的内容相当于做一个工程产品，那么实验条件就是工程上的具体需求，做的电路不是要高性能的芯片，而是把芯片的性能发挥到自己的极致，达到成本与性能的最优，这才是工程设计的思路。要在限定条件下，尽量发挥出电路性能。不能让学生完全自主选择芯片来解决问题，这样会造成思维惰性，遇到问题首先想到的就是换用高性能的元器件的简单堆砌来提升电路性能，完全忽略电路结构和参数。一个好的电路是一个有机整体，每一部分都是相互配合。因此，限定关键元器件和实验条件，引导学生研究芯片的性能参数的前提下，进行电路结构和参数的优化，挖掘芯片性能是本文认为的正确的实验课程教学方法。对于本实验案例来说，引导学生根据以下几个问题的确定都需要相应的运放的性能作为依据，也就是要充分了解器件性能，挖掘器件性能。
3.2.1确定负载电阻和采样电阻取值，提高电流采样精度的参数优化电源V的最高电压为30V，可以确定负载电阻RL与采样电阻RS串联总阻值要小于300欧姆才能保证电流能够达到100mA。其次确定负载电阻和采样电阻的比例。采样电阻的阻值增大可以提高采样电路输入电压，也能够提高采样精度，但是要考虑采样电阻功耗和负载电阻比例，采样电阻值要尽可能的小，其最小值依据LM358运放的失调电压和最小的采样电流确定。LM358失调电压不超过4mV。采样电流的最小值为10mA，那么电路要能正常工作，采样电阻两端的电压差Vi至少需要大于两倍的运放失调电压，取为10mV，才能够对差分信号正常放大。因此采样电阻值最小值可以取为1欧姆，那么负载电阻RL取值要小于49欧姆。同时，提高电流采样精度只可以通过增大采样电阻Rs阻值实现，同时也会相应的扩展电流检测的下限。把采样电阻Rs阻值提高到10欧姆，那么根据LM358失调电压计算，检测电流最小值可以达到1mA，同时提高了电流采样精度为正负1mA。
3.2.2根据运放输入共模范围确定采用的电流检测电路结构采用高边电流检测低边电流检测结构，取决于使用运放的共模输入范围指标，高边电流检测，共模电压V乘以共模抑制比后叠加到全差分电路输出端，影响整体电路精度。LM358共模输入范围最高为正电源减去2V，对于5V单电源供电来说，其共模输入电压范围是0-3V。因此只能选用低边电流检测结构。并且高边电流采样，运放有限的共模抑制比会在输出引入偏差。低边电流采样是最合适的选择。
3.3电路制作过程中的性能挖掘
采样电阻RS通路上的电流会在导线上引起电压差，因此电流检测的两个输入端必须接到采样电阻两端而不能包含负载通路上的导线，否则会引入采样误差。运放电源的去耦电容对于改善运放电源抑制比，降低噪声都有比较重要的作用。去耦电容应该距离运放尽可能近，保证去耦电容正负极到运放芯片电源引脚和地引脚的走线寄生阻抗尽可能短。采样电路运放正负端在实际电路中由于导线引起的寄生电容会影响电路稳定性。所以一方面制作的电路元件尽可能合理布局，减短导线路径降低导线寄生电容。另一方面，在R2A、R2B、R3A、R3B电阻预留与之并联的电容，以便调试合理的电容值抵消寄生电容效应。本文实验案例是通过指定电路类型和限定关键器件运算放大器的型号，引导学生分析关键元器件的与电路相关的特性参数，结合实验要求设计电路结构和参数，设计使电路整体性能达到最优。使学生学会电路设计是一个整体，具有木桶效应，要通过关键元器件性能为中心来优化电路参数和结构，补齐短板，实现整体电路性能。而不是注重用高性能元器件而忽略电路的优化。
4结束语
本文从模拟电路实验课程教学经验和学生情况为出发点，提出了以器件性能挖掘为导向的模拟电路实验课程设计教学思路和方法，并通过具体实验案例来阐述本文提出的教学方法。引导学生工程思维方式，分析关键元器件参数，关键元器件为中心优化电路结构和参数，使整体电路达到实验要求。使学生的实践能力和思维方式更贴近工程应用实际，达到实验课教学目的。
参考文献：
[1]王玉菡，曾自强，陈鸿雁，等.浅谈“模拟电子技术”课堂教学方法[J].电气电子教学学报，2019，41（3）：80-83
[2]刘大勇，姚丹，郑传涛.基于LabVIEW的抽象化模拟电路实验教学系统[J].吉林大学学报（信息科学版），2019，37（5）：539-544.
[3]李春阳，郑艺，付铁，等.基于学科竞赛的实践教学模式研究与实践[J].实验技术与管理，2019，36（10）：208-210.
[4]王志秀.课题研究教学法在模拟电子技术课程中的应用[J].实验技术与管理，2010，27（11）：268-270.
[5]杨飞，王一群，周素华.问题启发式电路原理实验课程的设计与实践[J].实验技术与管理，2019，36（9）：158-160，197.
作者：刘雨鑫 曾丽娜 张云燕 包涛 单位：西北工业大学
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