趙冬梅, 郭 姣, 宋 陽

(海軍大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部, 遼寧 大連 116018)

任務(wù)驅(qū)動法在功率放大電路教學(xué)中的實踐

趙冬梅, 郭 姣, 宋 陽

(海軍大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部, 遼寧 大連 116018)

功率放大電路是“模擬電子技術(shù)”課程的重要內(nèi)容。本文提出以任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法為主，以類比教學(xué)法、實驗仿真等為輔的教學(xué)策略，教學(xué)過程包括明確目標(biāo)，提出任務(wù)；發(fā)現(xiàn)問題，逐步解決；仿真驗證，完成任務(wù)等環(huán)節(jié)。教學(xué)實踐證明將任務(wù)驅(qū)動法引入課堂教學(xué)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析、解決問題的能力。

任務(wù)驅(qū)動；功率放大電路；教學(xué)方法

0 引言

“模擬電子技術(shù)”是一門工程性、實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要包含電子器件、基本單元電路和功能電路三大模塊，該課程涉及的器件種類多、電路花樣多、概念方法多，對于軍校學(xué)員這個特殊的學(xué)生群體，體能訓(xùn)練多，政治任務(wù)多，值勤站崗多，課下自主學(xué)習(xí)時間少，傳統(tǒng)的“教師課上講授、學(xué)生課下消化”教學(xué)模式已經(jīng)滿足不了實際的教學(xué)要求，為了達到更好的教學(xué)效果，必須改進教學(xué)方法，切實提高課堂授課質(zhì)量。

“功率放大電路”是該課程第三大模塊——功能電路中的重要內(nèi)容，處于知識體系中較高的層次。傳統(tǒng)的授課方式是給出甲類、乙類、甲乙類功率放大器的基本概念和電路圖，依次介紹它們的工作原理、性能指標(biāo)等，屬于電路分析的范疇[1]。這種教學(xué)方法使學(xué)員被動地接受教學(xué)內(nèi)容，不易激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。而采用任務(wù)驅(qū)動法，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中掌握了學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高了發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，同時解決問題、完成任務(wù)的成就感也容易激發(fā)其學(xué)習(xí)的積極性。

從教學(xué)內(nèi)容看，“功率放大電路”是對前面所學(xué)電子器件和單元電路的綜合應(yīng)用，此時學(xué)生已經(jīng)掌握了電子技術(shù)的基本理論，具備了分析基本放大電路的能力，這就為任務(wù)的完成提供了知識保證；從教學(xué)準(zhǔn)備看，小班授課也為任務(wù)驅(qū)動法的實施創(chuàng)造了條件[2]。

1 任務(wù)驅(qū)動法的實施

1.1明確目標(biāo)，提出任務(wù)

功率放大電路廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、軍事等領(lǐng)域，但凡輸出信號要去驅(qū)動一定的裝置，都需要功率放大電路。教師首先演示一個常見的聲音放大系統(tǒng)——音響的工作過程，引導(dǎo)學(xué)生分析該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，總結(jié)出功率放大器的作用是向負(fù)載提供足夠大的功率，特點是處于多級放大電路的末級，帶負(fù)載的能力強。

接下來，結(jié)合生活實際向?qū)W生提問，當(dāng)購買音響設(shè)備時，會注重產(chǎn)品的哪些性能呢？學(xué)生的答案可能是具體的要求，比如聲音大、音質(zhì)好、省電、散熱好、壽命長等，之后需要教師提煉、總結(jié)，以專業(yè)術(shù)語的形式歸納出來：功率放大器的主要性能指標(biāo)及要求是輸出功率大、效率高和無失真。

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法要求針對教學(xué)目標(biāo)設(shè)計任務(wù)，將要學(xué)的概念、技能蘊含在要解決的任務(wù)之中，通過任務(wù)的完成，使學(xué)生獲得有關(guān)知識，掌握相應(yīng)技能[3]。

功率放大器這節(jié)課的知識目標(biāo)是能夠區(qū)分各種功率放大電路的工作狀態(tài)和特點，能夠分析電路的工作原理，進行指標(biāo)計算；能力目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)知識分析復(fù)雜電路的能力和發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力；德育目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和辯證思維。

依據(jù)上述教學(xué)目標(biāo)，提出本節(jié)課的任務(wù)是設(shè)計一個滿足輸出功率大、效率高和無失真三個要求的功率放大電路。

1.2發(fā)現(xiàn)問題，逐步解決

在以往的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生多以分析已有電路為主，對設(shè)計電路比較陌生，且又要求設(shè)計一個功率放大電路，乍一看會覺得難度很大，沒有頭緒。此時教師引導(dǎo)學(xué)生思考：能不能把學(xué)過的基本單元電路用作功率放大器呢？這樣就有了電路雛形，設(shè)計難度大大降低。經(jīng)過學(xué)生的分析和討論，結(jié)合功率放大器帶負(fù)載能力強的特點，可選用圖1所示的共集電極放大電路作功率放大器。

圖1 共集電極放大電路作功放

圖1的電路是學(xué)生熟悉的共集電路，但分析的指標(biāo)不再是增益、輸入電阻和輸出電阻等，而是輸出功率、效率和失真問題。此時，教師適時地引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)，從能量控制的角度來看，功率放大電路和電壓放大電路并沒有本質(zhì)區(qū)別，只是所要完成的任務(wù)不同，那么對它的指標(biāo)要求也不同，在此，用辯證的思維加深了對功率放大器的理解。

下面要求學(xué)生分析圖1電路的輸出功率、效率和失真問題。由圖解法可知，當(dāng)設(shè)置的靜態(tài)工作點合適時，信號波形沒有失真，晶體管在信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通，稱這種功率放大器為甲類功率放大器。在甲類功率放大器中，靜態(tài)電流ICQ是一直存在的，所以不管有沒有輸入信號，電源始終向外輸送功率。這就好比一個水龍頭，不管需不需要接水，它都源源不斷地流水，這勢必會造成水資源的浪費。所以甲類功率放大器的效率是非常低的，通過計算可知，圖1電路的效率不足25%，這顯然不符合任務(wù)的第二個要求，需要改進電路。

靜態(tài)電流是造成效率低的主要因素，如果把靜態(tài)工作點向下移動，使輸入信號為零時電源供給的功率減小，甚至為零，信號增大時電源供給的功率隨之增大，就好比不需要接水時，水龍頭不流水，需要接水時，水再流出，并且水龍頭流出的水量會隨著需要水量的大小而變，這樣就能實現(xiàn)“按需分配”，從而解決甲類功率放大器效率低的問題。在此，用類比方法就可幫助學(xué)生理解效率問題。

把圖1電路的直流偏置去掉，得到圖2電路，學(xué)生在分析圖2電路時發(fā)現(xiàn)輸出信號的負(fù)半周波形被削掉了，存在嚴(yán)重失真。如何解決失真問題呢？教師啟發(fā)學(xué)生能否找到一個電路可以在輸入信號的負(fù)半周仍能工作，在輸出端得到一個負(fù)半周波形呢？這樣，兩個電路的輸出在負(fù)載端疊加就可以得到一個完整的正弦波。

圖2 去掉直流偏置的共集電路

有學(xué)生想到了用一個NPN管和一個PNP管組成圖3電路。要想輸出波形正負(fù)半周完全對稱，要求這兩個半導(dǎo)體管的特性必須完全一致，每個管子只工作半個周期，互相補充對方的不足，這個電路便稱為乙類互補對稱功率放大電路。

圖3 乙類互補對稱功率放大電路

可見，采用乙類互補對稱功率放大器，效率得到顯著提高。另外，從表達式上看，電源功率隨輸出電壓幅值的變化而變，確實實現(xiàn)了“按需分配”。

1.3仿真驗證，完成任務(wù)

乙類互補對稱功率放大器的效率提高了，失真是否完全消除了呢？圖3電路滿足任務(wù)的第三個要求嗎？此時教師引出Multisim仿真軟件，測試該電路的輸出波形如圖4所示。

仿真發(fā)現(xiàn)，輸出波形在穿越零點時發(fā)生了失真，這種失真稱為“交越失真”。乙類互補對稱功率放大器雖然效率提高了，但存在失真，不符合任務(wù)的第三個要求，還需要繼續(xù)改進電路。

圖4 乙類互補對稱功放的仿真

解決問題要先尋找問題出現(xiàn)的原因，啟發(fā)學(xué)生通過失真發(fā)生在零點附近這一現(xiàn)象思考交越失真的成因。由學(xué)過的知識可知，當(dāng)輸入信號沒有達到發(fā)射結(jié)的閥值電壓時，三極管截止，不產(chǎn)生電流信號，輸出為0。所以消除交越失真的方法是先給發(fā)射結(jié)一個門坎電壓，保證輸入信號一來，管子立刻導(dǎo)通，輸出跟隨輸入變化，也就是要為三極管設(shè)置一個較小的直流偏壓，使三極管微導(dǎo)通。像這種三極管在信號的多半個周期內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)的放大電路，稱為甲乙類功率放大器。

繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生思考如何實現(xiàn)這種構(gòu)想，誰能提供一個門坎電壓呢？有學(xué)生想到二極管，一個二極管就是一個PN結(jié)，剛好能補償發(fā)射結(jié)的門坎電壓，改進后得到的甲乙類功率放大器如圖5所示。

圖5 甲乙類功率放大電路

同樣可以用Multisim仿真驗證甲乙類功率放大器是否消除了交越失真，如圖6所示。

圖6 甲乙類互補對稱功放的仿真

仿真結(jié)果表明，輸出正弦波在穿越零點時已不存在交越失真。甲乙類互補對稱功率放大器的直流偏置很小，所以靜態(tài)直流功耗很小，效率略低于乙類功率放大器，即最大效率略低于78.5%。因此甲乙類互補對稱功率放大器的特點是輸出功率大、效率高、無失真，實現(xiàn)了最初提出的任務(wù)，至此，任務(wù)驅(qū)動法在功率放大電路教學(xué)中的實踐便告完成。

最后，教師需特別強調(diào)一下，本節(jié)課是以滿足三個要求為出發(fā)點得到甲乙類功率放大器，并不是說甲類、乙類功率放大器不好，不能用了。音樂發(fā)燒友追求音質(zhì)好，要求最逼真地還原聲音，就會選擇Hi-Fi音響，也就是甲類功率放大器；而在工控系統(tǒng)中，以輸出功率最大為目的，對失真的要求降為次要問題，就會選擇乙類，甚至丁類功放。所以，在實際應(yīng)用中選擇何種功率放大器，要看用戶的需求。

2 結(jié)語

在功率放大電路教學(xué)中，以設(shè)計一個輸出功率大、效率高、無失真的功放為任務(wù)，以甲類功率放大器為基礎(chǔ)，不斷改進電路，最終得到甲乙類互補對稱功率放大器，達到了效率和失真之間的統(tǒng)一，完成了設(shè)置的任務(wù)。實踐證明，采用這種教學(xué)方法，能充分調(diào)動學(xué)生的積極性，有助于對知識點的掌握，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和探索精神。

筆者在實施任務(wù)驅(qū)動法過程中遇到的問題及反思?xì)w納起來：一是學(xué)生能力不同，任務(wù)的完成效果參差不齊，教師應(yīng)注意統(tǒng)籌兼顧，可以將任務(wù)進一步細(xì)化，針對不同能力的學(xué)生分配不同難度的任務(wù)；二是教師作為課堂的組織者，把握好度是關(guān)鍵，既要適時指導(dǎo)，歸納總結(jié)，點評提升，又不能越俎代庖，成為任務(wù)的執(zhí)行者。

[1] 康華光主編,電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分(第六版))[M].北京:高等教育出版社,2013.12.

[2] 張妍,王詠梅.任務(wù)驅(qū)動法在微機原理及應(yīng)用課程中的應(yīng)用[J].成都:實驗科學(xué)與技術(shù).2015,13(1):172-175.

[3] 孫怡,張敏.基于任務(wù)驅(qū)動的計算機教學(xué)探討[J].沈陽:高等農(nóng)業(yè)教育.2012,5(5):55-57.

ApplicationofTask-drivenMethodinPowerAmplifierTeaching

ZHAODong-mei,GUOJiao,SONGYang

(DepartmentofAcademic,DalianNavalAcademy,Dalian116018China)

Power amplifier is one of the most important contents of Analog Electronic Technology course. This paper proposes a new teaching strategy based on task-driven teaching method、comparable teaching method and experiment simulation. the teaching procedure includes instance stimulating interest, raising task, finding problem, solving step by step, simulating and verifying, completing task and so on. During the teaching procedure, students are always the main body, teacher enlightens students to think independently and deeply. Practice has proved that it is helpful to improve the students′ learning interest and ability to analyze and solve problems by introducing the task-driven approach into class teaching.

task-driven; power amplifier; teaching method

2016-10-20;

2017-01-07

2016年海軍大連艦艇學(xué)院教育科研課題

趙冬梅(1987-),女,碩士,講師,主要從事電工電子方面的教學(xué)和研究工作,E-mail:zhaodongmei871201@126.com

TN722.7

A

1008-0686(2017)05-0093-04