EDA技术在电工技术中的作用

模拟电路通常是电工技术教学中的难点，一是电路结构复杂，学生难以理解；其次，学生不了解该部分内容在实际工作中的应用，导致学习兴趣不高。为此，可以适当将EDA技术穿插在这部分的教学中，从实际电路设计的过程中引出与课程关键知识点相关的内容，以达到提高学生学习兴趣的目的。以下用一个实际的例子来表明如何将EDA设计过程与电工课程中相关知识点进行结合。例：使用ADS（Advanceddesignsystem）软件实现共射极放大电路的静态分析与直流偏置设计。共射极基本放大电路是电工技术中模拟电路部分接触的第一个重要的知识点，课程要求学生熟练使用计算法与图解法来确定放大电路的静态工作点。学生对这一部分的掌握情况直接影响到其对后续知识点的掌握，因此，本例从电路设计的实际过程出发，引出相应的知识点。在讲解例子之前，需要给学生明确的是在实际的有源电路设计中，通常情况下，晶体管静态工作点的选择与设计是第一步，也是至关重要的一步。实现不同功能的电路，可能在电路图上区别不大，重要的是其静态工作点的选择。例如，低噪声功率放大器需要无失真地放大微弱信号，因此它的静态工作点需要选择在输出曲线的中点，而高功率放大电路为了尽可能提高输出效率，通常静态工作点选择到靠近截止区，而混频器、倍频器等电路，主要为了使用其非线性性能，因此，它们的静态工作点通常要靠近饱和区。其次，需要强调的是电路设计是电路分析的逆过程，遵循的步骤是根据输入输出关系，确定静态工作点，再得到直流偏置电路，与课程中计算直流工作点的顺序正好相反，但是，它们所反映出的基本原理都是相同的。确定静态工作点，就是根据电路所要实现的功能，确定基极电流IBB和集电极电流IC，集射电压UCE。

因此，首先需要得到晶体管的输入输出曲线。在ADS中，输入输出关系是通过对晶体管做直流扫描得到的。实验步骤是先建立一个新的工程项目（Project）和一个新的设计（Design），然后选择晶体管直流工作点扫描模板（ADS中常用的功能都做成了模板，可以直接调用），并在其提供的元器件库中选择合适的元件，加入到模板中，如图1所示。其次，需要设定晶体管的工作范围，就是IBB和VCE的范围，可以通过扫描参数设置得到，如图2所示。

本例中，IBB的扫描范围是从20uA到100uA，扫描步长为10uA。VCE的扫描范围从0V到5V，扫描步长为0.1V。当扫描参数确定后，点击仿真按钮，就会产生图3的输入输出曲线。图3所示的输入输出关系曲线与课本上的曲线几乎是一致的，它表明在不同的基极电流IBB作用下，集电极电流IC与集射电压VCE的关系。通过输入输出曲线，可以选择合适的静态工作点，以实现电路的功能。在本例中，为与教材保持一致，将静态工作点选择在输出曲线的中点，大致对应于图3中光标m1的位置，软件会自动显示出此处的参数，即IBB=60uA，VCE＝3V，IC=6mA。当静态工作点确定后，可以据此设计直流偏置电路。由于本例是设计共射极基本放大电路，因此需要计算基极和集电极电阻的大小。根据共射极放大电路的基本计算结果，可以设计出图6所示电路。验证该电路的方法是对其做直流仿真，并将仿真计算的结果直接显示在电路图中对应的元件和支路上。

从图中可以看出，基极的电位为809mV，电流为69.9uA，而集电极电位VCE=2.74V，Ic=6.64mA。对比前面得到的静态工作点参数（IBB=60uA，VCE＝3V，IC=6mA），可以发现它们之间存在一个小的偏差，这是因为在电路设计中，无论是在静态工作点还是元件参数的选择上，都存在近似的过程，因此，任何电路的设计，都是一个近似的设计，由此得到的实际电路都需要经过调试合格后才能够实际使用。以上的例子为学生展示了一个电路设计的基本过程以及设计方法。当课程进一步深入后，可以对本例进行扩展，例如在分析放大电路动态特性时，可以加入不同幅度的输入信号，观察在不同静态工作点，放大电路的输入输出波形和非线性失真，有助于学生理解设计静态工作点的意义。

通过在电工技术课堂上增加EDA设计的过程，可以使课程从纯理论教学转向理论与实际设计相结合的教学方式，不仅能够提高学生的学习兴趣，还能够培养他们的实际动手能力，并极大增加了教师和学生间的互动。同时，课本上的理论与公式不再需要死记硬背，它们已经融合到设计过程中，学生通过一两个简单的设计就可以熟练掌握，使学生能够轻松完成课程的学习和考试。