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

        2021-02-05 14:09:02
        山西電子技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:信號學(xué)生

        毛 群

        (阿壩師范學(xué)院電子信息與自動化學(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)計方法,會解決工程實際問題,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、工程實踐性強(qiáng),加上又是學(xué)生首次系統(tǒng)地把電路的知識和工程實際相結(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重難點,如果學(xué)生僅會利用一些既定步驟機(jī)械地去分析這個電路,沒有深度掌握電路的構(gòu)建過程,就會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,但我不會做題,也不會做課程設(shè)計?!奔锤具_(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)生主動參與、深度學(xué)習(xí)目標(biāo),教學(xué)過程中,第一,以“活躍互動”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)知識點聯(lián)系及應(yīng)用,啟發(fā)學(xué)生沿著正確方向思考問題,實現(xiàn)課堂內(nèi)學(xué)生主體、師生良好互動[1]?!叭龢O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,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。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(zhuǎn)換和控制”是本質(zhì),“放大電路設(shè)計”是目標(biāo)。放大電路構(gòu)造依據(jù)幾個目標(biāo)實施,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核心有源元件,能實現(xiàn)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(xué)生明白電路構(gòu)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(qū)別。關(guān)于電路具體連接,先討論電路輸入設(shè)計,繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生回顧PN結(jié)知識,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)自然不會導(dǎo)通,圖2連接雖能導(dǎo)通發(fā)射結(jié),卻會因缺少保護(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,在輸入端得到一個變化的基極電流馱載在直流之上,初步實現(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,這個電壓即交流小信號AC的放大,圖6實現(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),兩套電源在一個簡單電路中實不可取,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電路不會正常工作,B點電位僅為小信號提供,三極管發(fā)射結(jié)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(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)生對電路每個元件所起作用必定會有深刻的認(rèn)識。電路的設(shè)計要落地,在此基礎(chǔ)之上,結(jié)合工程實際,對圖10所示基本放大電路繼續(xù)探究,可發(fā)現(xiàn)這類電路有一個嚴(yán)重缺點:半導(dǎo)體三極管是一個溫度敏感元件,當(dāng)溫度變化時,將使集電極電流IC發(fā)生變化,影響靜態(tài)工作點穩(wěn)定性。為穩(wěn)定靜態(tài)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(wěn)定靜態(tài)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(xiàn)在IC變大時,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,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,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態(tài)性能,將發(fā)現(xiàn)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(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)知是一個過程,而不是一個結(jié)果。”因此,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,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)知識的同時,提升其用工程的思維分析問題、解決問題的能力[3]。

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