[浅谈功率放大电路课堂教学设计]功率的教学设计

浅谈功率放大电路课堂教学设计

0 引言 “模拟电子技术”课程以放大电路为主要研究对象。由 于放大电路的结构和功能都不尽相同，在学习各种放大电路 时，学员在学习过程中常感觉电路很多无从下手，内容之间 没有清晰的主线，很难发现电路之间的内部联系。这就要求 教员在教学过程中，理清教材结构，努力帮助学员梳理电路 之间的关系，形成清晰的主线。这对于帮助学员正确理解和 掌握电路的结构和工作原理，简化教学难度有着积极的意义。

同时在不断的发现问题、解决问题中也能提升学员的逻辑思 维能力。本文以“功率放大电路”的教学为例，笔者努力发 掘三种功率放大电路之间的关系，进行了教学内容的整合和 教学策略的思考，希望能与同行共同商榷。

1教学设计 1.1教学任务分析 “模拟电子技术”全书共十二章，主要可以分为三大模 块，分别是电子器件，单元电路和功能电路，采用层层推进，逐步建立学员的知识体系和工程素养。“功率放大电路”位 于全书的第九章，是学员接触的第一个功能电路[1]。教学 重点:介绍三种功率放大电路的结构和工作原理，使学员掌 握每种放大电路的特点和参数的计算。教学难点:引导学员 找到三种功率放大电路的内部联系，掌握电路的演变过程。

1.2 教学流程确定 如何找到三种功率放大电路之间的内部联系，需要教员 在课前就潜心研究，努力发掘，确定教学策略和流程。本节 课确定将功率放大电路的性能指标：输出功率，效率和失真 为研究的主线，通过解决效率和失真之间矛盾完成从甲类功 放到甲乙类功放电路的演化过程，解决知识目标。并在不断 的发现问题，解决问题中完成本节课的能力目标。具体流程 如图1.2 2教学过程 2.1问题引入 功率放大电路简称功放，在生产、生活、军事中都有广 泛的应用。例如：火炮随动系统、声纳、雷达系统中都有功 率放大电路。教员结合军用设备引出功放的概念，激发学员 学习兴趣。它和我们前面所学的电压放大电路本质上没有区 别，但由于所处位置不同，完成任务不同，所关心的性能指 标就有所不同。功率放大电路要求获得尽可能大的不失真输 出功率和转换效率，通常是在大信号状态下工作。功放电路 关心的性能指标就是输出功率、转换效率和失真。这也是本节课研究的主线。

2.2甲类功率放大电路 功率放大电路的种类有很多，从三极管 的导通角来分可分为甲类、乙类，甲乙类。外国教材叫 A类、B类、AB类[2]。以前所学的电压放大电路均属于甲类 放大。教员引导学员从学过的电路出发，围绕本节课的主线 进行分析，达到温故知新的效果。

2.2.1分析电路 由于前面所学的共集电极放大电路的电流放大能力和 带负载能力强，所以就以它为例围绕三个性能指标进行分析， 这样从熟悉的电路入手，分析新的参数，能够帮助学员快速 掌握三个性能指标的基本概念和含义，起到事半功倍的效果。

为了突出电路的演化过程，简化共集电路如图2.1所示 （1）输出功率 功率等于电压乘以电流，设负载上电压和电流均为交流 正弦波，则表达式为， （2）转换效率 对于功放来说它的转换效率就是负载上得到的有用信 号功率与电源能够提供的直流功率的比值。它实际上考查的 就是功放电路的转换能力。在直流电源功率一定的情况下， 效率越高，负载上得到的功率也就越大。尤其对于便携的电 子产品，转换效率非常重要。这个共集电极电路它的电源向 外发出的功率等于直流电压乘以整个周期内电流的平均值，近似为PV=VCCICQ。由于前面已经求出了最大输出功率，所 以学员很容易自己推导出最大转换效率，共集电极电路的最 大转换效率只有25﹪，是非常低的，这说明电源的能量只有 25﹪变成了有用功率进行了输出，另外75﹪都变成了无用功 消耗在电路的各种器件上，并且以热量形式散发出去，故这 种类型的功放需要良好的散热片，因此甲类功放成本高，机 身笨重，体积大。

（3）失真 通过前面的学习知道，甲类放大电路的特点就是只要设 置合适的静态工作点，输出波形就不会产生失真。这个参数 前面分析过，在这里可以略讲。教员和学员围绕三个参数分 析完毕后，要乘胜追击，总结电路特点，引出新的问题。

甲类功放的特点就是没有失真，但效率低，最高也只能 达到50﹪。如果分析到这里，教员就直接进入乙类功放的学 习，那么学员仍然不会建立起电路之间的联系。教员应该围 绕效率低这个问题，展开讨论。为什么效率低？主要原因是 什么？如何以甲类功放为基础进行改进，解决效率低的问 题？这样才能真正意义上帮助学员建立电路之间的内容联 系，清楚电路的演变过程，同时，找到出现问题的根本原因， 提高学员分析问题，解决问题的能力。

2.2.2 发现问题 从甲类功放电源输出功率入手PV=VCCICQ，VCC电源电压， ICQ静态工作电流，这两个值都是常数。说明了即使没有输入信号，电源也向外输送同样的功率。电路中时刻存在的静 态电流ICQ是造成管耗的主要因素。我们希望电路是“按需 分配”，即没有输入信号时电源不发送功率，输入信号增大 时电源供给的功率也随之增大，这样就可以提高电路的转换 效率。教员和学员一起找到了症结所在，下面就可以在已有 电路上改进，探索新的电路形式。

2.2.3 探索新知 按照“按需分配”的设想出发，将静态偏置电阻Rb去掉， 这样在静态时集电极电流ICQ为0，管子只在半个周期内导通， 所以属于乙类放大电路。但是这个电路输出波形只有半个周 期，随之又出现了失真问题，这时候教员就要继续引导学员 打破以往单个晶体管工作模式，在电路结构上有所突破，教 员通过问题牵引，提问有没有一个电路可以在输入信号的负 半周工作，在输出端得到一个负半周波形，这样，两个电路 结合在一起在负载端叠加就可以得到一个完整的正弦波。学 员会想到在学习NPN管时，还学习了有同样电特性的PNP管， 刚好可以在输入信号的负半周工作，所以应该再选一个电特 性完全相同的PNP管电路，每个管子都只工作半个周期，两 个管子轮流工作，互补对方不足，所以称为乙类互补对称功 率放大电路，电路如图所示2.2 2.3乙类功率放大电路 从定性分析上，电路形式的改变已经解 决了效率低的问题，但仍然要抓住本次课的主线，从定量计算上，围绕三个性能指标进行讨论，有了前面甲类分析 作为基础，这部分可以由学员自主完成，教员及时解答。

2.3.1分析电路 计算结果表明，与甲类功放相比，乙类双电源互补对称 功放的效率确实提高了很多，解决了甲类功放效率低的问题。

（3）失真 原理上分析，应该在输出端得到一个完整的正弦波，但 实际工作情况是不是这样呢？教员可以引导学员通过现代 仿真技术，解决课上难点问题，并且提高学员的动手能力。

借助Multisim仿真软件，电路波形仿真结果如图2.3所示。

上面为输入波形，下面为输出波形。

2.3.2 发现问题 通过仿真发现输出波形在正负半周交界处出现了失真， 这种失真称为交越失真。教员仍然要乘胜追击，抛出问题， 引导学员思考。交越失真产生的原因是什么？刚才分析的哪 个环节有所纰漏？结合前面所学，学员会想到晶体管工作原 理，存在门坎电压（Si 0.6V左右，Ge 0.2V左右）。当vi很 小（如±0.1V）时，不够克服门坎电压，两个管子均不工作， 所以会出现交越失真。

2.3.3 探索新知 为了克服“交越失真”要进一步改进电路，如何在乙类 互补对称功放上进行改进哪？生活中如果有一个“坎”过不 去，我们会考虑把这个“坎”垫平了，有的学员会提出设想假设门坎电压为0.6V，能否先让VBE有个0.6V的电压，这样 即使在输入信号很小时，晶体管也可以导通。那什么元件可 以刚好垫平这个“坎”那？如果垫的太高，就又回到了甲类。

一定是使管子处在“微”导通状态。一个发射结就是一个PN 结，把一个PN结封装起来，就是一个二极管。硅二极管压降 刚好是0.6V左右，在乙类互补对称功放的基础上加入两个二 极管来分别垫平两个晶体管的门坎电压，这样就得到了甲乙 类功率放大电路，如图2.4所示。

2.4甲乙类功率放大电路 该电路利用两个二极管为两个晶体管提供了微小的直 流偏置电压，使其处于微导通状态。每个晶体管导通时间为 多半个周期，所以为甲乙类双电源互补对称功放。由于偏置 电压很小，因此前两个参数仍可按乙类功放电路进行计算， 课上不再作为重点分析。重点应该放在是否消除交越失真上。

理论上可以消除交越失真，实际上是否消除了失真，还要用 事实说话。甲乙类双电源互补对称功放仿真结果如图2.5所 示。

小结：本节课以功率、效率、失真三个参数为主线，以 解决效率和失真间的矛盾为出发点，以甲类放大电路为基础， 不断改进电路，最终得到了甲乙类互补对称电路，达到了效 率和失真之间的结合和统一。其实事物发展的规律也是如此， 都是在不断的发现问题，解决问题，最后达到一种相对的平 衡。如何把双电源变成单电源又不影响效率？如何改变偏置的形式让电路更完美，这些问题由学员课后完成。

3 结束语 教员在课堂教学中，不仅要注意知识的传授，还要注重 展现思维的发展过程和知识点之间的联系，对学生进行思维 的引导，激发学习兴趣，提高学生的学习能力。本节课通过 课前教学策略和流程的确定，课中问题牵引，任务驱动，仿 真演示等教学方法的引入，取得了很好的教学效果。学员对 课堂所学内容理解透彻，学员的自主学习能力得到了显著提 高。课后学员自己总结了功放电路的思维导图，如图3.1所 示， 参考文献：
[1]康华光.《电子技术基础》模拟部分[M]. 6版. 北京: 高等教育出版社，2013 [2]蔡惟铮.《模拟与数字电子技术基础》[M]. 北京:高 等教育出版社，2014 [3]刘庆祥.学好《电子技术基础》课程的重要环节[J]. 高等函授学报,1999(5):.