任務驅動法在功率放大電路教學中的實踐

趙冬梅, 郭 姣, 宋 陽

(海軍大連艦艇學院 基礎部, 遼寧 大連 116018)

任務驅動法在功率放大電路教學中的實踐

趙冬梅, 郭 姣, 宋 陽

(海軍大連艦艇學院 基礎部, 遼寧 大連 116018)

功率放大電路是“模擬電子技術”課程的重要內容。本文提出以任務驅動教學法為主，以類比教學法、實驗仿真等為輔的教學策略，教學過程包括明確目標，提出任務；發現問題，逐步解決；仿真驗證，完成任務等環節。教學實踐證明將任務驅動法引入課堂教學，有助于提高學生的學習興趣和分析、解決問題的能力。

任務驅動；功率放大電路；教學方法

0 引言

“模擬電子技術”是一門工程性、實踐性很強的專業基礎課，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，對于軍校學員這個特殊的學生群體，體能訓練多，政治任務多，值勤站崗多，課下自主學習時間少，傳統的“教師課上講授、學生課下消化”教學模式已經滿足不了實際的教學要求，為了達到更好的教學效果，必須改進教學方法，切實提高課堂授課質量。

“功率放大電路”是該課程第三大模塊——功能電路中的重要內容，處于知識體系中較高的層次。傳統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、性能指標等，屬于電路分析的范疇[1]。這種教學方法使學員被動地接受教學內容，不易激發其學習興趣。而采用任務驅動法，學生在完成任務的過程中掌握了學習內容，提高了發現、分析、解決問題的能力，同時解決問題、完成任務的成就感也容易激發其學習的積極性。

從教學內容看，“功率放大電路”是對前面所學電子器件和單元電路的綜合應用，此時學生已經掌握了電子技術的基本理論，具備了分析基本放大電路的能力，這就為任務的完成提供了知識保證；從教學準備看，小班授課也為任務驅動法的實施創造了條件[2]。

1 任務驅動法的實施

1.1明確目標，提出任務

功率放大電路廣泛應用于生活、生產、軍事等領域，但凡輸出信號要去驅動一定的裝置，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——音響的工作過程，引導學生分析該系統的主要結構，總結出功率放大器的作用是向負載提供足夠大的功率，特點是處于多級放大電路的末級，帶負載的能力強。

接下來，結合生活實際向學生提問，當購買音響設備時，會注重產品的哪些性能呢？學生的答案可能是具體的要求，比如聲音大、音質好、省電、散熱好、壽命長等，之后需要教師提煉、總結，以專業術語的形式歸納出來：功率放大器的主要性能指標及要求是輸出功率大、效率高和無失真。

任務驅動教學法要求針對教學目標設計任務，將要學的概念、技能蘊含在要解決的任務之中，通過任務的完成，使學生獲得有關知識，掌握相應技能[3]。

功率放大器這節課的知識目標是能夠區分各種功率放大電路的工作狀態和特點，能夠分析電路的工作原理，進行指標計算；能力目標是培養學生利用已學知識分析復雜電路的能力和發現、分析、解決問題的能力；德育目標是培養學生的探索精神和辯證思維。

依據上述教學目標，提出本節課的任務是設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發現問題，逐步解決

在以往的學習過程中，學生多以分析已有電路為主，對設計電路比較陌生，且又要求設計一個功率放大電路，乍一看會覺得難度很大，沒有頭緒。此時教師引導學生思考：能不能把學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，設計難度大大降低。經過學生的分析和討論，結合功率放大器帶負載能力強的特點，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的電路是學生熟悉的共集電路，但分析的指標不再是增益、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，教師適時地引導學生總結，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區別，只是所要完成的任務不同，那么對它的指標要求也不同，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，當設置的靜態工作點合適時，信號波形沒有失真，晶體管在信號的整個周期內均導通，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%，這顯然不符合任務的第二個要求，需要改進電路。

靜態電流是造成效率低的主要因素，如果把靜態工作點向下移動，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“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，學生在分析圖2電路時發現輸出信號的負半周波形被削掉了，存在嚴重失真。如何解決失真問題呢？教師啟發學生能否找到一個電路可以在輸入信號的負半周仍能工作，在輸出端得到一個負半周波形呢？這樣，兩個電路的輸出在負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。要想輸出波形正負半周完全對稱，要求這兩個半導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，確實實現了“按需分配”。

1.3仿真驗證，完成任務

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。

仿真發現，輸出波形在穿越零點時發生了失真，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，不符合任務的第三個要求，還需要繼續改進電路。

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的原因，啟發學生通過失真發生在零點附近這一現象思考交越失真的成因。由學過的知識可知，當輸入信號沒有達到發射結的閥值電壓時，三極管截止，不產生電流信號，輸出為0。所以消除交越失真的方法是先給發射結一個門坎電壓，保證輸入信號一來，管子立刻導通，輸出跟隨輸入變化，也就是要為三極管設置一個較小的直流偏壓，使三極管微導通。像這種三極管在信號的多半個周期內處于導通狀態的放大電路，稱為甲乙類功率放大器。

繼續啟發學生思考如何實現這種構想，誰能提供一個門坎電壓呢？有學生想到二極管，一個二極管就是一個PN結，剛好能補償發射結的門坎電壓，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，實現了最初提出的任務，至此，任務驅動法在功率放大電路教學中的實踐便告完成。

最后，教師需特別強調一下，本節課是以滿足三個要求為出發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。音樂發燒友追求音質好，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，在實際應用中選擇何種功率放大器，要看用戶的需求。

2 結語

在功率放大電路教學中，以設計一個輸出功率大、效率高、無失真的功放為任務，以甲類功率放大器為基礎，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一，完成了設置的任務。實踐證明，采用這種教學方法，能充分調動學生的積極性，有助于對知識點的掌握，有助于培養學生的創造性和探索精神。

筆者在實施任務驅動法過程中遇到的問題及反思歸納起來：一是學生能力不同，任務的完成效果參差不齊，教師應注意統籌兼顧，可以將任務進一步細化，針對不同能力的學生分配不同難度的任務；二是教師作為課堂的組織者，把握好度是關鍵，既要適時指導，歸納總結，點評提升，又不能越俎代庖，成為任務的執行者。

[1] 康華光主編,電子技術基礎(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.任務驅動法在微機原理及應用課程中的應用[J].成都:實驗科學與技術.2015,13(1):172-175.

[3] 孫怡,張敏.基于任務驅動的計算機教學探討[J].沈陽:高等農業教育.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和研究工作,E-mail:zhaodongmei871201@126.com

TN722.7

A

1008-0686(2017)05-0093-04