基于问题导向的“三极管放大电路构建”教学实践*

毛 群

(阿坝师范学院电子信息与自动化学院，四川 自贡 623002)

0 引言

“模拟电子技术”是电类及相关专业重要的专业基础课。课程要求学生掌握半导体器件及其组成电路的分析和设计方法，会解决工程实际问题，但传统教学很难让学生真正达到上述目标。究其原因，首先“模电”本身理论性强、概念抽象、工程实践性强，加上又是学生首次系统地把电路的知识和工程实际相结合，二本院校学生普遍反映该课程学习难度大、课堂学习效率较低。再者，一般“模电”教材多重视对基本电路分析，而忽略对电路的设计或构建过程，然而本质上讲，从分析电路的角度和设计构建电路的角度学习模拟电路，对学生的要求和思维方式是不同的，学生对电路的理解深度也是不同的。晶体管放大电路便是“模电”课程开篇遇到的一个重难点，如果学生仅会利用一些既定步骤机械地去分析这个电路，没有深度掌握电路的构建过程，就会停留在知其然而不知其所以然的学习层面，电路稍加变化，学生不懂，用学生话说就是：“我上课听懂了，但我不会做题，也不会做课程设计。”即根本达不到应用和解决问题层面。

1 基于问题导向的放大电路构建思路

1.1 问题导向引领教学过程

为达到学生主动参与、深度学习目标，教学过程中，第一，以“活跃互动”而导课，三极管放大电路属于分立元件组成电路的基础，教学中要力戒“畏难”情绪，要戒枯燥无味。第二，以“问题/目标”而启思，通过设置问题思考进行提问，引导学生关注相关知识点联系及应用，启发学生沿着正确方向思考问题，实现课堂内学生主体、师生良好互动[1]。“三极管基本放大电路”的问题设置如表1所示。

表1 “三极管基本放大电路”的问题引导举例

1.2 目标驱动，教师引导，学生思考，共同探究

在创设问题情境基础上，结合教室扩音器等生活中常见放大器，教师引导学生思考，师生共同探究三极管基本放大电路构建。基本思路：“放大”是起点，“不失真放大”是前提，“功率放大”是特征，“能量转换和控制”是本质，“放大电路设计”是目标。放大电路构造依据几个目标实施，如表2所示。

表2 “三极管基本放大电路”的目标引导

2 基于问题导向的放大电路构建过程

紧扣基本概念，探讨信号不失真条件下的“放大”，即功率放大，本质是对能量的控制和转换，因此，放大电路中必须有一个核心有源元件，能实现能量控制作用，如三极管，其功能用一个小信号的输入，控制一个大信号的输出，信号能量由直流电源提供;学生明白电路构建必要组成:三极管和直流电源，同时理解电路两个“源”：信号源和电源的作用及区别。关于电路具体连接，先讨论电路输入设计，继续引导学生回顾PN结知识，三极管发射结导通电压一般为600 mV～800 mV(硅管)，而测试信号AC一般几毫伏到几十毫伏，学生易知图1电路连接方式发射结自然不会导通，图2连接虽能导通发射结，却会因缺少保护电阻烧毁三极管。通过上述启发，根据三极管输入特性曲线，学生可改进电路，构造出图3所示电路，在输入端得到一个变化的基极电流驮载在直流之上，初步实现小信号输入目标。

接着构造三极管输出端，讨论表1问题3可知，要在集电极输出大电流，集电结需要反偏，应在集电极加电源EC，如图4所示。集电极电流即为基极电流的放大，但集电极电流的功率由电源EC提供，所谓基极电流控制集电极电流，实质上是基极电流控制电源EC输出多大集电极电流。理论上讲，图4中交流小信号AC的变化将引起基极电流变化，集电极电流跟随基极电流变化。

工程中，放大后信号被使用才有意义，图4电路集电极电流信号如何输出到负载？分析图5与图6，易得：图5中负载RL两端电压即电源EC，图6中集电极电流iC经过RC，RC上压降与集电极电流iC成线性关系，从RC两端把电压取出，这个电压即交流小信号AC的放大，图6实现了将集电极电流变成电压信号输出。

进一步探究电路的合理性，电路构造到图6形式容易发现，两套电源在一个简单电路中实不可取，调整基极电阻RB和集电极电阻RC，保证发射结正偏，集电结反偏，可将电源合二为一，电路如图7所示。图6信号源AC浮地，抗干扰差，改进电路，如图8所示将信号源一端接地，然而如同图1，图8电路不会正常工作，B点电位仅为小信号提供，三极管发射结不会正偏，若将信号源AC和B点电位分开，由叠加定理，在信号源和B点间加一电阻，B点电位即为直流电源EC和交流小信号AC共同作用的叠加，电路正确，构建了直接耦合放大电路如图9所示。

在表2的目标引导下，师生继续探究图9电路，信号源AC真正进入放大器的信号是经RB1和RB2分压后的部分信号，效率低，输出电压带有直流成分。利用电容“隔直通交”特性，用电容取代RB1电阻，输出端通过电容输出，构造出图10所示阻容耦合放大电路。至此，通过师生探究，完成三极管放大电路构造，过程中学生对电路每个元件所起作用必定会有深刻的认识。电路的设计要落地，在此基础之上，结合工程实际，对图10所示基本放大电路继续探究，可发现这类电路有一个严重缺点：半导体三极管是一个温度敏感元件，当温度变化时，将使集电极电流IC发生变化，影响静态工作点稳定性。为稳定静态工作点，考虑用基极电流IB抑制IC变化。图10电路中基极电阻RB选定，IB将固定不变，因此不能稳定静态工作点，如果将三极管集电极输出电流变化回馈到放大电路输入端，可使IB减小，IC减小，具体体现在IC变大时，发射极电流IE变大，若在发射极加电阻便可抬高射级电位UE，而基极电位UB由电阻对Vcc分压，UB相对稳定，所以当IC变大时，使得UBE减小，IB减小，IC减小，进而抑制IC增大，稳定静态工作点，这就是如图11所示分压式偏置放大电路。如果进一步探讨该电路的动态性能，将发现RE电阻是一把“双刃剑”，理论分析及实验均证明其将影响电路增益，通过问题导向，利用电容“隔直通交”特性，在交流通路中将RE短路，获得实用三极管放大电路如图12所示[2]。

图10 阻容耦合放大电路 图11 分压偏置式放大电路

图12 分压偏置式放大电路

3 归纳总结、知识内化

基于问题导向的三极管放大电路构建总结：1)目标：小功率信号(已有)转变为大功率信号；2)条件：现有条件是有(有源)元件和能量(电源)，其他器件根据需要选用；3)技术路线：要构建一个能放大小信号的放大电路，第一：三极管必须工作在放大状态，若三极管工作在放大状态下，则IB可以控制IC，第二：小信号控制三极管UBE，UBE变化会引起IB变化，则小信号控制IB变化，第三：将放大的IC合理输出，第四：结合工程实践，改进优化电路。并回头分析电路性能。

4 总结

教育心理学者布鲁纳认为:“认知是一个过程，而不是一个结果。”因此，教学生学习，不是教他把结果记下来，而是要教他知识建立的过程。“授人以鱼，不如授人以渔”。大学教育带给学生的不应该只是课堂上学到的知识，更多是一种思维方法。在思维过程中可以使学生锻炼如何准确地观察问题、高效地分析问题和科学地解决问题[3]。实际教学中发现，一些电路教师认为很简单，但对初学者来说也是不易理解、不好掌握的，比如晶体管放大电路中的耦合电容、旁路电容、交、直流电阻等最基本的电路概念，经常让初学者感到困惑，采用问题导向、基于构造电路的探究式教学方法，教学效果远远好于直接搬出电路、告诉学生各元器件作用。引导学生参与获取知识的思维过程，能够使学生在学习和掌握一定的电子技术基础知识的同时，提升其用工程的思维分析问题、解决问题的能力[3]。