基于問題導向的“三極管放大電路構建”教學實踐*

毛 群

(阿壩師范學院電子信息與自動化學院，四川 自貢 623002)

0 引言

“模擬電子技術”是電類及相關專業重要的專業基礎課。課程要求學生掌握半導體器件及其組成電路的分析和設計方法，會解決工程實際問題，但傳統教學很難讓學生真正達到上述目標。究其原因，首先“模電”本身理論性強、概念抽象、工程實踐性強，加上又是學生首次系統地把電路的知識和工程實際相結合，二本院校學生普遍反映該課程學習難度大、課堂學習效率較低。再者，一般“模電”教材多重視對基本電路分析，而忽略對電路的設計或構建過程，然而本質上講，從分析電路的角度和設計構建電路的角度學習模擬電路，對學生的要求和思維方式是不同的，學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重難點，如果學生僅會利用一些既定步驟機械地去分析這個電路，沒有深度掌握電路的構建過程，就會停留在知其然而不知其所以然的學習層面，電路稍加變化，學生不懂，用學生話說就是：“我上課聽懂了，但我不會做題，也不會做課程設計。”即根本達不到應用和解決問題層面。

1 基于問題導向的放大電路構建思路

1.1 問題導向引領教學過程

為達到學生主動參與、深度學習目標，教學過程中，第一，以“活躍互動”而導課，三極管放大電路屬于分立元件組成電路的基礎，教學中要力戒“畏難”情緒，要戒枯燥無味。第二，以“問題/目標”而啟思，通過設置問題思考進行提問，引導學生關注相關知識點聯系及應用，啟發學生沿著正確方向思考問題，實現課堂內學生主體、師生良好互動[1]。“三極管基本放大電路”的問題設置如表1所示。

表1 “三極管基本放大電路”的問題引導舉例

1.2 目標驅動，教師引導，學生思考，共同探究

在創設問題情境基礎上，結合教室擴音器等生活中常見放大器，教師引導學生思考，師生共同探究三極管基本放大電路構建。基本思路：“放大”是起點，“不失真放大”是前提，“功率放大”是特征，“能量轉換和控制”是本質，“放大電路設計”是目標。放大電路構造依據幾個目標實施，如表2所示。

表2 “三極管基本放大電路”的目標引導

2 基于問題導向的放大電路構建過程

緊扣基本概念，探討信號不失真條件下的“放大”，即功率放大，本質是對能量的控制和轉換，因此，放大電路中必須有一個核心有源元件，能實現能量控制作用，如三極管，其功能用一個小信號的輸入，控制一個大信號的輸出，信號能量由直流電源提供;學生明白電路構建必要組成:三極管和直流電源，同時理解電路兩個“源”：信號源和電源的作用及區別。關于電路具體連接，先討論電路輸入設計，繼續引導學生回顧PN結知識，三極管發射結導通電壓一般為600 mV～800 mV(硅管)，而測試信號AC一般幾毫伏到幾十毫伏，學生易知圖1電路連接方式發射結自然不會導通，圖2連接雖能導通發射結，卻會因缺少保護電阻燒毀三極管。通過上述啟發，根據三極管輸入特性曲線，學生可改進電路，構造出圖3所示電路，在輸入端得到一個變化的基極電流馱載在直流之上，初步實現小信號輸入目標。

接著構造三極管輸出端，討論表1問題3可知，要在集電極輸出大電流，集電結需要反偏，應在集電極加電源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，實質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載？分析圖5與圖6，易得：圖5中負載RL兩端電壓即電源EC，圖6中集電極電流iC經過RC，RC上壓降與集電極電流iC成線性關系，從RC兩端把電壓取出，這個電壓即交流小信號AC的放大，圖6實現了將集電極電流變成電壓信號輸出。

進一步探究電路的合理性，電路構造到圖6形式容易發現，兩套電源在一個簡單電路中實不可取，調整基極電阻RB和集電極電阻RC，保證發射結正偏，集電結反偏，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電路不會正常工作，B點電位僅為小信號提供，三極管發射結不會正偏，若將信號源AC和B點電位分開，由疊加定理，在信號源和B點間加一電阻，B點電位即為直流電源EC和交流小信號AC共同作用的疊加，電路正確，構建了直接耦合放大電路如圖9所示。

在表2的目標引導下，師生繼續探究圖9電路，信號源AC真正進入放大器的信號是經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造，過程中學生對電路每個元件所起作用必定會有深刻的認識。電路的設計要落地，在此基礎之上，結合工程實際，對圖10所示基本放大電路繼續探究，可發現這類電路有一個嚴重缺點：半導體三極管是一個溫度敏感元件，當溫度變化時，將使集電極電流IC發生變化，影響靜態工作點穩定性。為穩定靜態工作點，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，因此不能穩定靜態工作點，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，具體體現在IC變大時，發射極電流IE變大，若在發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相對穩定，所以當IC變大時，使得UBE減小，IB減小，IC減小，進而抑制IC增大，穩定靜態工作點，這就是如圖11所示分壓式偏置放大電路。如果進一步探討該電路的動態性能，將發現RE電阻是一把“雙刃劍”，理論分析及實驗均證明其將影響電路增益，通過問題導向，利用電容“隔直通交”特性，在交流通路中將RE短路，獲得實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、知識內化

基于問題導向的三極管放大電路構建總結：1)目標：小功率信號(已有)轉變為大功率信號；2)條件：現有條件是有(有源)元件和能量(電源)，其他器件根據需要選用；3)技術路線：要構建一個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，若三極管工作在放大狀態下，則IB可以控制IC，第二：小信號控制三極管UBE，UBE變化會引起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：結合工程實踐，改進優化電路。并回頭分析電路性能。

4 總結

教育心理學者布魯納認為:“認知是一個過程，而不是一個結果。”因此，教學生學習，不是教他把結果記下來，而是要教他知識建立的過程。“授人以魚，不如授人以漁”。大學教育帶給學生的不應該只是課堂上學到的知識，更多是一種思維方法。在思維過程中可以使學生鍛煉如何準確地觀察問題、高效地分析問題和科學地解決問題[3]。實際教學中發現，一些電路教師認為很簡單，但對初學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，經常讓初學者感到困惑，采用問題導向、基于構造電路的探究式教學方法，教學效果遠遠好于直接搬出電路、告訴學生各元器件作用。引導學生參與獲取知識的思維過程，能夠使學生在學習和掌握一定的電子技術基礎知識的同時，提升其用工程的思維分析問題、解決問題的能力[3]。