浅析图解法分析放大器的启发式教学

在多年的技工学校电子专业教学实践中,笔者体会最深的就是学生学习电子电路这门课入门难,因为在中学里接触的都是线性电路,所以学生对非线性非常陌生,从二极管的单向导电到三极管的电流放大作用以及放大电路的分析方法,学生理解掌握起来普遍感到吃力,探索更加有效的教学方法,引导学生尽快入门,是这门课教学的迫切要求。启发式教学是指教师在教学过程中,根据教学任务和学习的客观规律,从学生的实际出发,采用多种方式,以启发学生的思维为核心,调动学生的学习主动性和积极性,促使他们生动活泼地学习的一种教学思想。在讲授图解法分析放大器时,笔者采用启发式教学,收到了良好效果。

一、分析放大器的难点

在学习放大电路过程中,三极管的电流放大作用是一个难点,而放大电路的工作原理、分析方法又是一个难点。要掌握电流放大作用,首先要理解三极管的结构特点,就是发射区杂质浓度高,基区浓度低,又很薄,集电区面积大,杂质浓度低,便于收集少子,其中基区薄是放大的关键因素,即基区的薄厚关系到放大倍数的大小。三极管是有源器件,电流控制,只有发射结正偏、集电结反偏时才有电流放大作用,也就是放大条件,然后介绍三个电极电流的形成,即发射极电流是扩散电流,基极电流是复合电流,集电极电流是漂移电流(现在的劳动三版教材把这些内容已经删除),电流分配关系为IE=IC+IB,进而介绍IB对 IC的控制,得出IC=IB,即电流控制。对于学生来说,杂质是怎样掺进半导体的本身就是一个疑点,因为学生到半导体工厂区亲自实习的机会很少,对平面工艺只是从书本上得来的感性认识,老师在课堂上把这个问题完全讲明白也很不容易,笔者在课后跟学生讨论时,学生普遍感到难以听懂。学校招收的是初中毕业生,知识面比较窄,对于原子结构、化学反应、光刻、氧化膜、杂质浓度(这里半导体是固体,不同于溶液)等基础知识知之甚少,还有一点就是半导体器件的几何尺寸小到微米数量级,更增加了理解的难度。笔者把三极管解剖后让学生观看,外形比电阻还大的管子,内部就一个半个芝麻皮大的晶片,这时候学生的疑问就来了:三极管的内部三个电极是怎样焊接的?外面做这么大的管壳干什么?等等。笔者顺势启发学生,利用课件介绍在平面工艺、放大镜下压焊的过程,使学生对半导体工业需要超净化车间、技术要求高有了初步认识,拓宽了学生的知识面,而管壳做得大一些是为了散热,这对电流的热效应又是一个很好的回顾,使学生对半导体的温度特性有了进一步的认识。

分析放大电路的难点是既有直流量,又有交流量,直流量学生比较熟悉,交流量学生比较陌生,需要反复讲解,而瞬时值是交流和直流的叠加,对交流和直流叠加大部分学生理解不了,我们习惯上画出工作波形,三角函数知识掌握不牢固的学生又是一个难点,在教学过程中,笔者用水面的波浪比喻交直流的关系,平静的水面是直流,而波浪就像交流,无水不起波浪,直流是交流放大的基础和保证,进一步阐述了为什么要设置静态工作点,没有直流分量管子的放大条件不能满足,就无法正常放大。

二、图解法分析放大电路的步骤

对于图解法分析放大电路,笔者采用五个步骤:

1.引导学生全面认识三极管的特性曲线

已知放大电路中三极管的特性曲线,这是图解法分析的前提条件,大部分学生看不懂这个曲线,老师就需要引导学生认识特性曲线,结合实验做出三极管的特性曲线,让学生回答:(1)该曲线是从哪里来的?(2)为什么该曲线有多条?(3)该曲线分几个区?(4)各个区有什么特点?(5)每个管子的特性曲线是否都相同?引发了学生的热烈讨论,得出了结论该曲线是通过实验做出来的,实验时每一条曲线对应一个IB,不同的管子特性曲线都不一样,进而对截止区、放大区和饱和区三个分区的特点进行了回顾:放大区IC=IB,饱和区IB

2.做直流负载线要考虑的关系

做直流负载线,是说明IC随UCE的变化关系。笔者提出问题:IC是怎样变化的?它是否随RC发生变化?直流负载线与两个坐标轴的交点有什么含义?同学们有的回答是IC可能随UCE变化,笔者及时加以纠正,把三极管电流控制的特性重复一遍,指出在放大区IC只受IB控制,基本不受RC的影响,这也直接回答了IC随IB的不同是一条条几乎和横轴平行的曲线,UCE变化了很多,IC基本不变,只有在饱和区IC才随UCE变化,而直流负载线与坐标轴的交点是极限情况。算出IBQ以后,得出IBQ与直流负载线的交点,既是静态工作点Q(IBQ、 ICQ、 UCEQ),Q点说明直流分量是不变的,Q点的位置一般在中间,太高或者太低都容易发生失真,为接着分析失真情况做准备。

3.做交流负载线要考虑的问题

如何做交流负载线,进行动态分析时,要考虑负载RL,算出RL′=RL//RC。笔者提出问题为什么这两条线相交于Q点?为什么交流负载线要比直流负载线陡些?信号沿着哪条负载线变化?学生在这些问题上思维比较活跃,回答的都正确。

4.求电压放大倍数

求电压放大倍数,图解法求发电压放大倍数是量UCE最大值线段的长度,根据IB的变化范围确定IC的变化范围,由IC的变化范围确定UCE的变化范围,比例换算成电压UOM,得出输出电压与输入电压UIM的比例即使电压放大倍数AU=UO/UI 。对此提出问题是:我们测量的是输出电压的最大值还是有效值?怎样把线段的长度划算成电压?这种分析方法的精度如何?同学们得出了正确结论:测量的是UCE的最大值,不是有效值,把测量的线段长度按比例换算成电压,测量线段长度时会出现误差,加上前面讲的管子的特性曲线的差异,所以这种分析方法的精度并不高,作图时要求一定力求准确。

5.分析静态工作点的位置及与失真的关系

这是图解法分析的关键一步。对此提出的问题:静态工作点与电路参数有什么关系?静态工作点与失真有什么关系?静态工作点在中间还会不会发生失真?通过笔者的引导,同学们得出正确结论,RC变化,静态工作点不变;RB增大,静态工作点沿直流负载线上移,RB减小,静态工作点沿直流负载线下移;电源电压升高,静态工作点向右上移动,电源电压降低,静态工作点向左下移动。静态工作点过高,会发生饱和失真,过低会发生截止失真,静态工作点在中间,动态范围最大,但是当信号过大时,则有可能同时发生饱和失真和截止失真,所以该分析方法特别适合分析大信号电路,例如功率放大器等。

总之,图解法分析放大电路的优点是非常直观地看出静态工作点是否合适,信号有没有发生失真,特别适合分析输入大信号和单管放大电路;缺点是需要有三极管的特性曲线,管子多时作图比较麻烦,分析精度不高等。几个学生发言谈自己对图解法分析放大电路的理解,从不同方面对该方法进行巩固,扩大了视野,对放大电路的工作原理的掌握有了新的提高。

(作者单位:河南省驻马店高级技工学校)

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