基于思維導(dǎo)圖的三極管教學(xué)方法探索

張凡 王能慶 胡中秋

關(guān)鍵詞 思維導(dǎo)圖 MOSFET BJT 三極管

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.09.072

Keywords mind mapping; MOSFET; BJT; transistor

0 引言

MOSFET和BJT三極管是“模擬電子技術(shù)”、“模擬與數(shù)字電子技術(shù)”、“電子技術(shù)基礎(chǔ)”等課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容、也是學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。理解不同類型的MOSFET和BJT三極管的結(jié)構(gòu)符號(hào)、工作原理和特性，學(xué)會(huì)分析和設(shè)計(jì)由MOSFET或BJT三極管為核心器件構(gòu)成的放大電路，要求學(xué)生熟練掌握三極管的輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線、電路方程和小信號(hào)模型，并要求學(xué)生能夠熟練畫出給定電路的直流通路和交流通路，同時(shí)能熟練使用圖解法或小信號(hào)模型法對(duì)電路進(jìn)行定性和定量分析。面對(duì)基礎(chǔ)各異的學(xué)生，如何幫助學(xué)生查漏補(bǔ)缺時(shí)，讓學(xué)生通過(guò)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)，掌握三極管放大電路的分析方法、設(shè)計(jì)方法，是教師在教學(xué)實(shí)踐中面臨的永恒挑戰(zhàn)。

思維導(dǎo)圖[1]是運(yùn)用文本框、箭頭等圖文，將各種零散卻又相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)以一種邏輯關(guān)系連接在一張圖上，使人一目了然，是一種幫助學(xué)生思考的輔助性圖形化工具。英國(guó)頭腦基金會(huì)總裁，世界著名教育學(xué)家托尼.博贊（Tony Buzan）發(fā)明了“思維導(dǎo)圖（Mind Mapping）”，并將它推廣到了全世界。同樣的內(nèi)容，因?yàn)槊總€(gè)人的思維方式各異，所以每個(gè)人繪制出的思維導(dǎo)圖也會(huì)有差異。簡(jiǎn)單的思維導(dǎo)圖可以直接在紙上手繪而成，復(fù)雜的思維導(dǎo)圖可以借助思維導(dǎo)圖軟件繪制。常見(jiàn)的思維導(dǎo)圖軟件有MindMaster，[2]億圖圖示，[3]Mindmanager，[4]Xmind，[5]iMindMap，[6]FreeMind，[7]MindMapper，[8]NovaMind，[9]百度腦圖。[10]這些軟件各有特色，一些軟件主要用在商業(yè)界，為收費(fèi)軟件，功能強(qiáng)大;一些軟件為開(kāi)源軟件，綠色輕巧，使用方便;還有一些軟件可在線編輯，供多人共享使用。學(xué)生可安裝對(duì)電腦配置要求不高的免費(fèi)版的開(kāi)源軟件，也可以直接使用在線共享軟件，或者直接在紙上手繪自己的思維導(dǎo)圖。

本文介紹了運(yùn)用思維導(dǎo)圖總結(jié)MOSFET和BJT三極管重難點(diǎn)內(nèi)容的方法，探討了如何通過(guò)思維導(dǎo)圖發(fā)掘MOSFET和BJT三極管的異同點(diǎn)?？紤]到學(xué)生的實(shí)際情況，課程選用了不依賴硬件平臺(tái)的在線共享思維導(dǎo)圖繪制軟件——百度腦圖，作為教授學(xué)生運(yùn)用思維導(dǎo)圖的工具。

1 基于思維導(dǎo)圖的MOS三極管教學(xué)法

利用思維導(dǎo)圖法，可以將場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容總結(jié)為如圖1所示，主要分為以下兩部分內(nèi)容：

（1）器件：場(chǎng)效應(yīng)管（FET）主要分為MOSFET和JFET兩類。根據(jù)導(dǎo)電溝道的形成機(jī)制不同，MOSFET又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，分別具有不同極性的開(kāi)啟電壓或夾斷電壓。根據(jù)襯底采用的半導(dǎo)體材料的不同，MOSFET和JFET分別可再細(xì)分為增強(qiáng)型N溝道MOSFET、增強(qiáng)型P溝道MOSFET、耗盡型N溝道MOSFET、耗盡型P溝道MOSFET、N溝道JFET、P溝道JFET。它們的結(jié)構(gòu)符號(hào)和特性曲線非常相似，互為映射或翻轉(zhuǎn)關(guān)系。例如，增強(qiáng)型P溝道MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線在第一象限、增強(qiáng)型N溝道MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線在第三象限，它們互為映射關(guān)系，將P溝道的曲線相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)翻轉(zhuǎn)后即可得到N溝道的曲線。同理，耗盡型N溝道MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線（第一、四象限），相對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)翻轉(zhuǎn)后就是耗盡型P溝道MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線（第二、三象限）。因此，在FET器件的教學(xué)中，首先幫助學(xué)生理解一種FET的工作原理和特性。然后，再利用不同形式的思維導(dǎo)圖，向?qū)W生闡明不同F(xiàn)ET之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，可通過(guò)多種練習(xí)，幫助學(xué)生綜合理解多種FET的各種特性之間的異同點(diǎn)和關(guān)聯(lián)，理清思路、避免混淆、熟練掌握。

（2）應(yīng)用：場(chǎng)效應(yīng)管FET、尤其MOSFET，因?yàn)樗哂畜w積小、耗電小、噪聲低、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中應(yīng)用最為廣泛的器件單元。根據(jù)MOSFET的輸出特性，它可工作在截至區(qū)、可變電阻區(qū)和飽和區(qū)。因此，MOSFET的應(yīng)用主要有三種，可做出超大阻值的可變電阻，或是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路，或是應(yīng)用到放大電路?；贛OSFET的放大電路是本課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。MOSFET的放大電路從電路結(jié)構(gòu)上可分為直接耦合放大電路和阻容耦合放大電路。根據(jù)MOSFET柵極、源極和漏極的連接方式，MOSFET放大電路又可分為共源極放大電路、共柵極放大電路、共漏極放大電路和多級(jí)放大電路。放大電路的分析采用交直分開(kāi)分析的方法，利用電路的直流通路計(jì)算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，利用電路的交流通路計(jì)算放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)。靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)均可使用圖解法估算，前提是電路的輸出特性曲線簇需已知。靜態(tài)工作點(diǎn)也可以通過(guò)MOSFET的特性方程和電路的電路方程計(jì)算獲得，精確量化的動(dòng)態(tài)參數(shù)可利用MOSFET的小信號(hào)等效模型計(jì)算獲得。

2 基于思維導(dǎo)圖的BJT三極管教學(xué)法

BJT三極管的教學(xué)與場(chǎng)效應(yīng)三極管的教學(xué)非常相似。圖2是以BJT放大電路為中心學(xué)習(xí)內(nèi)容構(gòu)建的思維導(dǎo)圖。對(duì)比圖1和圖2可發(fā)現(xiàn)，類似的內(nèi)容，偏重點(diǎn)不同，構(gòu)建出來(lái)的思維導(dǎo)圖不盡相同。另外，由于每個(gè)人的思維方式并不完全相同，即使是同樣的教學(xué)內(nèi)容，指定同樣的重難點(diǎn)，不同的人構(gòu)建的思維導(dǎo)圖也是不同的。在利用思維導(dǎo)圖的教學(xué)中，要經(jīng)常向?qū)W生說(shuō)明個(gè)體思維的差異性，幫助學(xué)生理解自身的思維特點(diǎn)、思維習(xí)慣，理解自己的思維與教師的思維方式的差異性，接納自己思維的獨(dú)特性，提示自信，培養(yǎng)學(xué)生利用思維導(dǎo)圖深入理解三極管相關(guān)知識(shí)的能力。

與FET三極管類似，根據(jù)基極半導(dǎo)體材料的不同，BJT三極管可分為NPN型BJT三極管和PNP型BJT三極管。NPN型BJT三極管和PNP型BJT三極管的結(jié)構(gòu)符號(hào)和特性曲線也具有對(duì)稱或翻轉(zhuǎn)的關(guān)系。在教學(xué)中，我們往往以NPN型BJT三極管為例，向?qū)W生深入講解BJT三極管的工作原理和特性。利用特性曲線和特性方程，幫助學(xué)生理解截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)的區(qū)分條件，理解并不是在任何條件下三極管都可以實(shí)現(xiàn)線性放大，為學(xué)生后續(xù)理解信號(hào)產(chǎn)生飽和失真和截止失真做好鋪墊工作。學(xué)習(xí)BJT三級(jí)管的放大電路，要求學(xué)生深入理解并熟練掌握BJT三極管保持在放大區(qū)工作的必要條件。

根據(jù)思維導(dǎo)圖2可以看出，BJT三極管放大電路的分析分為靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩大方面。設(shè)置合適的靜態(tài)偏置，可以保證BJT三極管在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持在放大區(qū)。靜態(tài)偏置的分析和設(shè)計(jì)要求學(xué)生必須熟練掌握直流通路的畫法。如果學(xué)生可以正確畫出電路的直流通路，利用圖解法（大信號(hào)）或特性方程（小信號(hào)）和電路方程，可方便地獲得基極直流電流、集電極直流電流和集電極直流電壓這三個(gè)關(guān)鍵的靜態(tài)參數(shù)，同時(shí)可判斷在已知輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的情況下，電路是否會(huì)發(fā)生截至失真或飽和失真。

BJT三極管放大電路的動(dòng)態(tài)分析方法主要根據(jù)電路，畫出交流通路。對(duì)于大信號(hào)，利用圖解法可估算出電路的放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)。對(duì)于小信號(hào)，利用三極管的小信號(hào)等效模型，可將電路的交流通路轉(zhuǎn)換成交流等效電路。然后，利用電路方程，可求解出電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

設(shè)計(jì)BJT三極管放大電路是指已知電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)，要求設(shè)計(jì)出滿足參數(shù)指標(biāo)的放大電路。根據(jù)典型電路的結(jié)構(gòu)特征，BJT放大電路可分為基本組態(tài)放大電路、多級(jí)放大電路、直接耦合放大電路和阻容耦合放大電路?；窘M態(tài)放大電路是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，根據(jù)三端連接方式的不同，分為共射極放大電路、共基極放大電路和共集電極放大電路。設(shè)計(jì)BJT放大電路的前提是學(xué)生必須熟練掌握三種基本組態(tài)放大電路的異同點(diǎn)。然后，根據(jù)所要求設(shè)計(jì)的電路對(duì)放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻的要求，選擇合適的組態(tài)，再根據(jù)電路方程，計(jì)算相應(yīng)元件的參數(shù)。

3 利用思維導(dǎo)圖發(fā)掘MOS與BJT三極管的異同點(diǎn)

MOSFET和BJT是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種三極管器件。MOSFET和BJT在工作原理上的差異導(dǎo)致了它們構(gòu)成放大電路上的差異，放大電路的差異導(dǎo)致了它們的電路性能和特點(diǎn)上的差異。MOSFET和BJT三極管都可以通過(guò)兩個(gè)輸入電極（MOSFET： G和S電極;BJT： B和E電極）之間的電壓，控制流過(guò)第三個(gè)電極（MOSFET： D極;BJT： C極）的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓控制電流源。但是，因?yàn)镸OSFET管的柵極電流為0，因而獲得輸入電阻為無(wú)窮大的放大電路。所以，當(dāng)所設(shè)計(jì)電路要求輸入電阻非常大時(shí)，一般選用MOSFET。

MOSFET和BJT制造工藝的差異導(dǎo)致了它們電路性能上的差異。MOSFET為電壓控制器件，BJT為電流控制器件。但是，它們所構(gòu)成的放大電路的基本組態(tài)以及相應(yīng)的應(yīng)用非常相似。例如，如圖3所示，BJT共射極放大電路與MOSFET共源級(jí)放大電路的主要應(yīng)用均為反相電壓放大器。BJT共集電極放大電路與MOSFET共漏極放大電路均適合做電壓跟隨器。BJT共基極放大電路和MOSFET共柵極放大電路均可設(shè)計(jì)成電流跟隨器。

MOSFET和BJT三極管是學(xué)生學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的重難點(diǎn)。作為三端器件，它與學(xué)生之前學(xué)習(xí)的二端器件分析方法和分析思路上有較大不同，要求學(xué)生能夠轉(zhuǎn)換思路，通過(guò)分別分析直流通路和交流通路，利用圖解法和小信號(hào)模型分別從輸入端和輸出端分解電路，計(jì)算電路的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。從器件的學(xué)習(xí)，到特性方程和特性曲線理解，再到圖解法和信號(hào)模型方法的理解和運(yùn)用，要求學(xué)生綜合運(yùn)用固體物理、電路方程、坐標(biāo)映射和電路轉(zhuǎn)換等多種知識(shí)，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感到非常吃力。本文嘗試使用思維導(dǎo)圖法，通過(guò)幫助學(xué)生建立自己的思維導(dǎo)圖，從各個(gè)不同方面學(xué)習(xí)MOSFET和BJT三極管的器件分類、工作原理、應(yīng)用電路的分析和設(shè)計(jì)，理解它們?cè)诟鱾€(gè)方面的異同點(diǎn)，從而熟練掌握MOSFET和BJT三極管常用的放大電路。

參考文獻(xiàn)

[1] Mind Mapping官方網(wǎng)站：https：//www.mindmapping.com/

[2] MindMaster官方網(wǎng)站：http：//www.mindmasters.org/

[3] 億圖圖示官方網(wǎng)站：https：//www.edrawsoft.cn/

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[6] iMindMap官方網(wǎng)站：https：//imindmap.com/

[7] FreeMind官方網(wǎng)站：https：//freemind.en.softonic.com

[8] MindMapper官方網(wǎng)站：http：//www.mindmapper.cc/

[9] NovaMind 官方網(wǎng)站：http：//www.novamind.com

[10] 百度腦圖官方網(wǎng)站：http：//naotu.baidu.com/