任务驱动法在功率放大电路教学中的实践

赵冬梅, 郭 姣, 宋 阳

(海军大连舰艇学院 基础部, 辽宁 大连 116018)

任务驱动法在功率放大电路教学中的实践

赵冬梅, 郭 姣, 宋 阳

(海军大连舰艇学院 基础部, 辽宁 大连 116018)

功率放大电路是“模拟电子技术”课程的重要内容。本文提出以任务驱动教学法为主，以类比教学法、实验仿真等为辅的教学策略，教学过程包括明确目标，提出任务；发现问题，逐步解决；仿真验证，完成任务等环节。教学实践证明将任务驱动法引入课堂教学，有助于提高学生的学习兴趣和分析、解决问题的能力。

任务驱动；功率放大电路；教学方法

0 引言

“模拟电子技术”是一门工程性、实践性很强的专业基础课，主要包含电子器件、基本单元电路和功能电路三大模块，该课程涉及的器件种类多、电路花样多、概念方法多，对于军校学员这个特殊的学生群体，体能训练多，政治任务多，值勤站岗多，课下自主学习时间少，传统的“教师课上讲授、学生课下消化”教学模式已经满足不了实际的教学要求，为了达到更好的教学效果，必须改进教学方法，切实提高课堂授课质量。

“功率放大电路”是该课程第三大模块——功能电路中的重要内容，处于知识体系中较高的层次。传统的授课方式是给出甲类、乙类、甲乙类功率放大器的基本概念和电路图，依次介绍它们的工作原理、性能指标等，属于电路分析的范畴[1]。这种教学方法使学员被动地接受教学内容，不易激发其学习兴趣。而采用任务驱动法，学生在完成任务的过程中掌握了学习内容，提高了发现、分析、解决问题的能力，同时解决问题、完成任务的成就感也容易激发其学习的积极性。

从教学内容看，“功率放大电路”是对前面所学电子器件和单元电路的综合应用，此时学生已经掌握了电子技术的基本理论，具备了分析基本放大电路的能力，这就为任务的完成提供了知识保证；从教学准备看，小班授课也为任务驱动法的实施创造了条件[2]。

1 任务驱动法的实施

1.1明确目标，提出任务

功率放大电路广泛应用于生活、生产、军事等领域，但凡输出信号要去驱动一定的装置，都需要功率放大电路。教师首先演示一个常见的声音放大系统——音响的工作过程，引导学生分析该系统的主要结构，总结出功率放大器的作用是向负载提供足够大的功率，特点是处于多级放大电路的末级，带负载的能力强。

接下来，结合生活实际向学生提问，当购买音响设备时，会注重产品的哪些性能呢？学生的答案可能是具体的要求，比如声音大、音质好、省电、散热好、寿命长等，之后需要教师提炼、总结，以专业术语的形式归纳出来：功率放大器的主要性能指标及要求是输出功率大、效率高和无失真。

任务驱动教学法要求针对教学目标设计任务，将要学的概念、技能蕴含在要解决的任务之中，通过任务的完成，使学生获得有关知识，掌握相应技能[3]。

功率放大器这节课的知识目标是能够区分各种功率放大电路的工作状态和特点，能够分析电路的工作原理，进行指标计算；能力目标是培养学生利用已学知识分析复杂电路的能力和发现、分析、解决问题的能力；德育目标是培养学生的探索精神和辩证思维。

依据上述教学目标，提出本节课的任务是设计一个满足输出功率大、效率高和无失真三个要求的功率放大电路。

1.2发现问题，逐步解决

在以往的学习过程中，学生多以分析已有电路为主，对设计电路比较陌生，且又要求设计一个功率放大电路，乍一看会觉得难度很大，没有头绪。此时教师引导学生思考：能不能把学过的基本单元电路用作功率放大器呢？这样就有了电路雏形，设计难度大大降低。经过学生的分析和讨论，结合功率放大器带负载能力强的特点，可选用图1所示的共集电极放大电路作功率放大器。

图1 共集电极放大电路作功放

图1的电路是学生熟悉的共集电路，但分析的指标不再是增益、输入电阻和输出电阻等，而是输出功率、效率和失真问题。此时，教师适时地引导学生总结，从能量控制的角度来看，功率放大电路和电压放大电路并没有本质区别，只是所要完成的任务不同，那么对它的指标要求也不同，在此，用辩证的思维加深了对功率放大器的理解。

下面要求学生分析图1电路的输出功率、效率和失真问题。由图解法可知，当设置的静态工作点合适时，信号波形没有失真，晶体管在信号的整个周期内均导通，称这种功率放大器为甲类功率放大器。在甲类功率放大器中，静态电流ICQ是一直存在的，所以不管有没有输入信号，电源始终向外输送功率。这就好比一个水龙头，不管需不需要接水，它都源源不断地流水，这势必会造成水资源的浪费。所以甲类功率放大器的效率是非常低的，通过计算可知，图1电路的效率不足25%，这显然不符合任务的第二个要求，需要改进电路。

静态电流是造成效率低的主要因素，如果把静态工作点向下移动，使输入信号为零时电源供给的功率减小，甚至为零，信号增大时电源供给的功率随之增大，就好比不需要接水时，水龙头不流水，需要接水时，水再流出，并且水龙头流出的水量会随着需要水量的大小而变，这样就能实现“按需分配”，从而解决甲类功率放大器效率低的问题。在此，用类比方法就可帮助学生理解效率问题。

把图1电路的直流偏置去掉，得到图2电路，学生在分析图2电路时发现输出信号的负半周波形被削掉了，存在严重失真。如何解决失真问题呢？教师启发学生能否找到一个电路可以在输入信号的负半周仍能工作，在输出端得到一个负半周波形呢？这样，两个电路的输出在负载端叠加就可以得到一个完整的正弦波。

图2 去掉直流偏置的共集电路

有学生想到了用一个NPN管和一个PNP管组成图3电路。要想输出波形正负半周完全对称，要求这两个半导体管的特性必须完全一致，每个管子只工作半个周期，互相补充对方的不足，这个电路便称为乙类互补对称功率放大电路。

图3 乙类互补对称功率放大电路

可见，采用乙类互补对称功率放大器，效率得到显著提高。另外，从表达式上看，电源功率随输出电压幅值的变化而变，确实实现了“按需分配”。

1.3仿真验证，完成任务

乙类互补对称功率放大器的效率提高了，失真是否完全消除了呢？图3电路满足任务的第三个要求吗？此时教师引出Multisim仿真软件，测试该电路的输出波形如图4所示。

仿真发现，输出波形在穿越零点时发生了失真，这种失真称为“交越失真”。乙类互补对称功率放大器虽然效率提高了，但存在失真，不符合任务的第三个要求，还需要继续改进电路。

图4 乙类互补对称功放的仿真

解决问题要先寻找问题出现的原因，启发学生通过失真发生在零点附近这一现象思考交越失真的成因。由学过的知识可知，当输入信号没有达到发射结的阀值电压时，三极管截止，不产生电流信号，输出为0。所以消除交越失真的方法是先给发射结一个门坎电压，保证输入信号一来，管子立刻导通，输出跟随输入变化，也就是要为三极管设置一个较小的直流偏压，使三极管微导通。像这种三极管在信号的多半个周期内处于导通状态的放大电路，称为甲乙类功率放大器。

继续启发学生思考如何实现这种构想，谁能提供一个门坎电压呢？有学生想到二极管，一个二极管就是一个PN结，刚好能补偿发射结的门坎电压，改进后得到的甲乙类功率放大器如图5所示。

图5 甲乙类功率放大电路

同样可以用Multisim仿真验证甲乙类功率放大器是否消除了交越失真，如图6所示。

图6 甲乙类互补对称功放的仿真

仿真结果表明，输出正弦波在穿越零点时已不存在交越失真。甲乙类互补对称功率放大器的直流偏置很小，所以静态直流功耗很小，效率略低于乙类功率放大器，即最大效率略低于78.5%。因此甲乙类互补对称功率放大器的特点是输出功率大、效率高、无失真，实现了最初提出的任务，至此，任务驱动法在功率放大电路教学中的实践便告完成。

最后，教师需特别强调一下，本节课是以满足三个要求为出发点得到甲乙类功率放大器，并不是说甲类、乙类功率放大器不好，不能用了。音乐发烧友追求音质好，要求最逼真地还原声音，就会选择Hi-Fi音响，也就是甲类功率放大器；而在工控系统中，以输出功率最大为目的，对失真的要求降为次要问题，就会选择乙类，甚至丁类功放。所以，在实际应用中选择何种功率放大器，要看用户的需求。

2 结语

在功率放大电路教学中，以设计一个输出功率大、效率高、无失真的功放为任务，以甲类功率放大器为基础，不断改进电路，最终得到甲乙类互补对称功率放大器，达到了效率和失真之间的统一，完成了设置的任务。实践证明，采用这种教学方法，能充分调动学生的积极性，有助于对知识点的掌握，有助于培养学生的创造性和探索精神。

笔者在实施任务驱动法过程中遇到的问题及反思归纳起来：一是学生能力不同，任务的完成效果参差不齐，教师应注意统筹兼顾，可以将任务进一步细化，针对不同能力的学生分配不同难度的任务；二是教师作为课堂的组织者，把握好度是关键，既要适时指导，归纳总结，点评提升，又不能越俎代庖，成为任务的执行者。

[1] 康华光主编,电子技术基础(模拟部分(第六版))[M].北京:高等教育出版社,2013.12.

[2] 张妍,王咏梅.任务驱动法在微机原理及应用课程中的应用[J].成都:实验科学与技术.2015,13(1):172-175.

[3] 孙怡,张敏.基于任务驱动的计算机教学探讨[J].沈阳:高等农业教育.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年海军大连舰艇学院教育科研课题

赵冬梅(1987-),女,硕士,讲师,主要从事电工电子方面的教学和研究工作,E-mail:zhaodongmei871201@126.com

TN722.7

A

1008-0686(2017)05-0093-04