基于問題導(dǎo)向的“三極管放大電路構(gòu)建”教學(xué)實(shí)踐*

毛 群

(阿壩師范學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，四川 自貢 623002)

0 引言

“模擬電子技術(shù)”是電類及相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程要求學(xué)生掌握半導(dǎo)體器件及其組成電路的分析和設(shè)計(jì)方法，會(huì)解決工程實(shí)際問題，但傳統(tǒng)教學(xué)很難讓學(xué)生真正達(dá)到上述目標(biāo)。究其原因，首先“模電”本身理論性強(qiáng)、概念抽象、工程實(shí)踐性強(qiáng)，加上又是學(xué)生首次系統(tǒng)地把電路的知識(shí)和工程實(shí)際相結(jié)合，二本院校學(xué)生普遍反映該課程學(xué)習(xí)難度大、課堂學(xué)習(xí)效率較低。再者，一般“模電”教材多重視對基本電路分析，而忽略對電路的設(shè)計(jì)或構(gòu)建過程，然而本質(zhì)上講，從分析電路的角度和設(shè)計(jì)構(gòu)建電路的角度學(xué)習(xí)模擬電路，對學(xué)生的要求和思維方式是不同的，學(xué)生對電路的理解深度也是不同的。晶體管放大電路便是“模電”課程開篇遇到的一個(gè)重難點(diǎn)，如果學(xué)生僅會(huì)利用一些既定步驟機(jī)械地去分析這個(gè)電路，沒有深度掌握電路的構(gòu)建過程，就會(huì)停留在知其然而不知其所以然的學(xué)習(xí)層面，電路稍加變化，學(xué)生不懂，用學(xué)生話說就是：“我上課聽懂了，但我不會(huì)做題，也不會(huì)做課程設(shè)計(jì)。”即根本達(dá)不到應(yīng)用和解決問題層面。

1 基于問題導(dǎo)向的放大電路構(gòu)建思路

1.1 問題導(dǎo)向引領(lǐng)教學(xué)過程

為達(dá)到學(xué)生主動(dòng)參與、深度學(xué)習(xí)目標(biāo)，教學(xué)過程中，第一，以“活躍互動(dòng)”而導(dǎo)課，三極管放大電路屬于分立元件組成電路的基礎(chǔ)，教學(xué)中要力戒“畏難”情緒，要戒枯燥無味。第二，以“問題/目標(biāo)”而啟思，通過設(shè)置問題思考進(jìn)行提問，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注相關(guān)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系及應(yīng)用，啟發(fā)學(xué)生沿著正確方向思考問題，實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)學(xué)生主體、師生良好互動(dòng)[1]。“三極管基本放大電路”的問題設(shè)置如表1所示。

表1 “三極管基本放大電路”的問題引導(dǎo)舉例

1.2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，教師引導(dǎo)，學(xué)生思考，共同探究

在創(chuàng)設(shè)問題情境基礎(chǔ)上，結(jié)合教室擴(kuò)音器等生活中常見放大器，教師引導(dǎo)學(xué)生思考，師生共同探究三極管基本放大電路構(gòu)建?；舅悸罚骸胺糯蟆笔瞧瘘c(diǎn)，“不失真放大”是前提，“功率放大”是特征，“能量轉(zhuǎn)換和控制”是本質(zhì)，“放大電路設(shè)計(jì)”是目標(biāo)。放大電路構(gòu)造依據(jù)幾個(gè)目標(biāo)實(shí)施，如表2所示。

表2 “三極管基本放大電路”的目標(biāo)引導(dǎo)

2 基于問題導(dǎo)向的放大電路構(gòu)建過程

緊扣基本概念，探討信號不失真條件下的“放大”，即功率放大，本質(zhì)是對能量的控制和轉(zhuǎn)換，因此，放大電路中必須有一個(gè)核心有源元件，能實(shí)現(xiàn)能量控制作用，如三極管，其功能用一個(gè)小信號的輸入，控制一個(gè)大信號的輸出，信號能量由直流電源提供;學(xué)生明白電路構(gòu)建必要組成:三極管和直流電源，同時(shí)理解電路兩個(gè)“源”：信號源和電源的作用及區(qū)別。關(guān)于電路具體連接，先討論電路輸入設(shè)計(jì)，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生回顧PN結(jié)知識(shí)，三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓一般為600 mV～800 mV(硅管)，而測試信號AC一般幾毫伏到幾十毫伏，學(xué)生易知圖1電路連接方式發(fā)射結(jié)自然不會(huì)導(dǎo)通，圖2連接雖能導(dǎo)通發(fā)射結(jié)，卻會(huì)因缺少保護(hù)電阻燒毀三極管。通過上述啟發(fā)，根據(jù)三極管輸入特性曲線，學(xué)生可改進(jìn)電路，構(gòu)造出圖3所示電路，在輸入端得到一個(gè)變化的基極電流馱載在直流之上，初步實(shí)現(xiàn)小信號輸入目標(biāo)。

接著構(gòu)造三極管輸出端，討論表1問題3可知，要在集電極輸出大電流，集電結(jié)需要反偏，應(yīng)在集電極加電源EC，如圖4所示。集電極電流即為基極電流的放大，但集電極電流的功率由電源EC提供，所謂基極電流控制集電極電流，實(shí)質(zhì)上是基極電流控制電源EC輸出多大集電極電流。理論上講，圖4中交流小信號AC的變化將引起基極電流變化，集電極電流跟隨基極電流變化。

工程中，放大后信號被使用才有意義，圖4電路集電極電流信號如何輸出到負(fù)載？分析圖5與圖6，易得：圖5中負(fù)載RL兩端電壓即電源EC，圖6中集電極電流iC經(jīng)過RC，RC上壓降與集電極電流iC成線性關(guān)系，從RC兩端把電壓取出，這個(gè)電壓即交流小信號AC的放大，圖6實(shí)現(xiàn)了將集電極電流變成電壓信號輸出。

進(jìn)一步探究電路的合理性，電路構(gòu)造到圖6形式容易發(fā)現(xiàn)，兩套電源在一個(gè)簡單電路中實(shí)不可取，調(diào)整基極電阻RB和集電極電阻RC，保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，可將電源合二為一，電路如圖7所示。圖6信號源AC浮地，抗干擾差，改進(jìn)電路，如圖8所示將信號源一端接地，然而如同圖1，圖8電路不會(huì)正常工作，B點(diǎn)電位僅為小信號提供，三極管發(fā)射結(jié)不會(huì)正偏，若將信號源AC和B點(diǎn)電位分開，由疊加定理，在信號源和B點(diǎn)間加一電阻，B點(diǎn)電位即為直流電源EC和交流小信號AC共同作用的疊加，電路正確，構(gòu)建了直接耦合放大電路如圖9所示。

在表2的目標(biāo)引導(dǎo)下，師生繼續(xù)探究圖9電路，信號源AC真正進(jìn)入放大器的信號是經(jīng)RB1和RB2分壓后的部分信號，效率低，輸出電壓帶有直流成分。利用電容“隔直通交”特性，用電容取代RB1電阻，輸出端通過電容輸出，構(gòu)造出圖10所示阻容耦合放大電路。至此，通過師生探究，完成三極管放大電路構(gòu)造，過程中學(xué)生對電路每個(gè)元件所起作用必定會(huì)有深刻的認(rèn)識(shí)。電路的設(shè)計(jì)要落地，在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合工程實(shí)際，對圖10所示基本放大電路繼續(xù)探究，可發(fā)現(xiàn)這類電路有一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)：半導(dǎo)體三極管是一個(gè)溫度敏感元件，當(dāng)溫度變化時(shí)，將使集電極電流IC發(fā)生變化，影響靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性。為穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，考慮用基極電流IB抑制IC變化。圖10電路中基極電阻RB選定，IB將固定不變，因此不能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，如果將三極管集電極輸出電流變化回饋到放大電路輸入端，可使IB減小，IC減小，具體體現(xiàn)在IC變大時(shí)，發(fā)射極電流IE變大，若在發(fā)射極加電阻便可抬高射級電位UE，而基極電位UB由電阻對Vcc分壓，UB相對穩(wěn)定，所以當(dāng)IC變大時(shí)，使得UBE減小，IB減小，IC減小，進(jìn)而抑制IC增大，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，這就是如圖11所示分壓式偏置放大電路。如果進(jìn)一步探討該電路的動(dòng)態(tài)性能，將發(fā)現(xiàn)RE電阻是一把“雙刃劍”，理論分析及實(shí)驗(yàn)均證明其將影響電路增益，通過問題導(dǎo)向，利用電容“隔直通交”特性，在交流通路中將RE短路，獲得實(shí)用三極管放大電路如圖12所示[2]。

圖10 阻容耦合放大電路 圖11 分壓偏置式放大電路

圖12 分壓偏置式放大電路

3 歸納總結(jié)、知識(shí)內(nèi)化

基于問題導(dǎo)向的三極管放大電路構(gòu)建總結(jié)：1)目標(biāo)：小功率信號(已有)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β市盘枺?)條件：現(xiàn)有條件是有(有源)元件和能量(電源)，其他器件根據(jù)需要選用；3)技術(shù)路線：要構(gòu)建一個(gè)能放大小信號的放大電路，第一：三極管必須工作在放大狀態(tài)，若三極管工作在放大狀態(tài)下，則IB可以控制IC，第二：小信號控制三極管UBE，UBE變化會(huì)引起IB變化，則小信號控制IB變化，第三：將放大的IC合理輸出，第四：結(jié)合工程實(shí)踐，改進(jìn)優(yōu)化電路。并回頭分析電路性能。

4 總結(jié)

教育心理學(xué)者布魯納認(rèn)為:“認(rèn)知是一個(gè)過程，而不是一個(gè)結(jié)果?！币虼?，教學(xué)生學(xué)習(xí)，不是教他把結(jié)果記下來，而是要教他知識(shí)建立的過程?！笆谌艘贼~，不如授人以漁”。大學(xué)教育帶給學(xué)生的不應(yīng)該只是課堂上學(xué)到的知識(shí)，更多是一種思維方法。在思維過程中可以使學(xué)生鍛煉如何準(zhǔn)確地觀察問題、高效地分析問題和科學(xué)地解決問題[3]。實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，一些電路教師認(rèn)為很簡單，但對初學(xué)者來說也是不易理解、不好掌握的，比如晶體管放大電路中的耦合電容、旁路電容、交、直流電阻等最基本的電路概念，經(jīng)常讓初學(xué)者感到困惑，采用問題導(dǎo)向、基于構(gòu)造電路的探究式教學(xué)方法，教學(xué)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于直接搬出電路、告訴學(xué)生各元器件作用。引導(dǎo)學(xué)生參與獲取知識(shí)的思維過程，能夠使學(xué)生在學(xué)習(xí)和掌握一定的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，提升其用工程的思維分析問題、解決問題的能力[3]。