前言
前言
传统教学中“电路分析”和“模拟电路基础”为两门独立的课程,“电路分析”课程为64学时,在大学一年级的第二学期开设,“模拟电路基础”课程为64学时,在大学二年级的第一学期开设,即“电路分析”为“模拟电路基础”的先修课程。两门课程分属于不同的学期开设,使得教学过程中衔接紧密的理论分析+仿真设计+实验验证的电子电路分析与设计方法无法连贯,理论与实际常常脱节。比如传统“电路分析”课程,理论教学只从电路模型(图形化的数学模型)入手进行讲授,基本不考虑实际问题(如电阻的种类、功率和容差等),一旦实验中出现与理论分析不完全吻合的情况,学生很难理解,两门课程独立讲授不利于对原本一脉相承的知识体系进行融会贯通。为了深化高校工程教育改革,电子科技大学启动了重点教改专项——电子电路课程的贯通教学,将“模拟电路基础”和“电路分析”整合成一门课程——“电子电路基础”(80学时,5学分),在大学一年级的第二学期开设,将“电路分析”的关键知识点合理穿插到“模拟电路基础”中,改革后的“电子电路基础”课程从元器件的抽象,到电路模型的分析,再到电子电路的分析与设计,有机融合教学内容,包括从无源器件到有源器件、从线性到非线性、从实际电路到电路模型、从单元电路到功能电路、从电路分析到电路设计,节节深入、步步提高,消除了电路分析与模拟电路相关知识的隔膜,有利于知识的融会贯通,2021年,整合后的课程入选四川省一流本科课程。
“电路分析”和“模拟电路基础”两门课程合并之后,“电路分析”的内容删减约一半,这是因为随着电子电路技术日新月异的发展,电路的计算机辅助分析已经成为普遍采用的科学研究方法。电子设计自动化以及各种电路仿真软件的飞速发展大大简化了过去繁杂的电路分析和计算,因此,应该强化“电路计算机辅助分析”,使学生初步掌握大规模电路计算机辅助分析的方法和过程,建立“科学计算”概念,不宜过细地分析模块的内部原理以及进行繁杂的电路计算; 但经典的电路分析理论知识以及向“模拟电路基础”过渡的必备知识必须精讲,及时准确地进行归纳总结。
“电路分析”课程应该定位在为“模拟电路基础”作铺垫,“电路与电路模型”以及“电路分析方法”两章的学习使得学生能掌握电子线路的基础知识,对电路的复杂工程问题进行抽象和表达,并对所建立的模型完成准确的推导、计算。学习了“电路分析”中的“电路模型”和“电路分析方法”两章后就可以开始学习“模拟电路基础”中的“半导体器件”和“单管放大电路”两章,因为学生一旦建立起电路模型的基本概念并掌握了叠加定理、戴维南定理以及诺顿定理,就可以运用这些定理灵活分析三极管和场效应管双口网络交流小信号等效放大电路。例如,单独对放大器进行交流分析时,可以将放大器视为无源双口网络,而考虑信号源之后,放大器作为信号源的负载,应该将放大器和负载合并视为无源单口网络,无源单口网络等效为电阻Ri,即放大器的输入电阻Ri是信号源的负载电阻,而从负载端分析,信号源与放大电路等效为含源单口网络,对于含源单口电路的分析采用戴维南定理或者诺顿定理画出等效电路,将其等效为开路电压源Uoc与输出电阻Ro的串联或者短路电流源Isc与输出电阻Ro的并联。
在“模拟电路基础”中讲到场效应管的分析时要用到叠加定理,需要特意强调,只有把晶体管用交流小信号模型做线性化的处理之后才能用叠加定理; 否则,对非线性的电路不能用叠加定理进行求解。含有受控电源的戴维南定理、诺顿定理的计算,学生不知道如何将电路划分成单口网络,讲述例题时应该有多种思路和划分方法,让学生灵活掌握单口的概念,无论对电路怎么划分都能得出正确答案,使学生掌握不同方法的优点和局限性,有效解决电子系统实现过程中的复杂工程问题。另外,对于含有受控电源的节点分析法,让学生尽量抓住控制量和受控量,主要看受控电源关联几个节点,对于关联一个节点和关联两个节点的方法,上课时都给出实例,并增加课堂练习。
“正弦稳态电路”的学习将为“放大电路的频率特性”作铺垫,这是由于分析放大电路的频率特性(也称频率响应)时,通常对放大电路输入正弦量,研究放大电路的幅频特性和相频特性,而正弦信号是时变信号,其幅度和相位随着时间的改变而改变。对于时变信号的研究,通常采用相量法,相量是电子工程学中用以表示正弦量大小和相位的矢量,当频率一定时,相量唯一地表征了正弦量。放大电路频率特性本质是正弦稳态电路的相量分析,因此,在学习“放大电路的频率特性”之前,需要先讲述正弦稳态电路,使得学生能灵活运用相量法分析放大电路的频率特性,深刻理解放大倍数是信号频率的函数,随着输入信号频率低到或高到一定程度,放大倍数都会下降,并产生相移。
总之,此教学改革立足于打破原有的分段式教学模式,实现课程知识体系内在的贯通和平滑过渡,推进课程内容有机融合,培养学生的创新思维与工程实践能力、解决复杂问题的决策力以及自主学习和终身学习的能力。
感谢清华大学出版社的编校人员,没有他们的辛勤工作,教材的出版工作难以顺利完成。
由于编者水平有限,书中难免存在不足之处,恳请广大读者批评指正。
编者
2023年6月