基于思維導圖的三極管教學方法探索

張凡 王能慶 胡中秋

關鍵詞 思維導圖 MOSFET BJT 三極管

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.09.072

Keywords mind mapping; MOSFET; BJT; transistor

0 引言

MOSFET和BJT三極管是“模擬電子技術”、“模擬與數字電子技術”、“電子技術基礎”等課程的重點教學內容、也是學生的學習難點。理解不同類型的MOSFET和BJT三極管的結構符號、工作原理和特性，學會分析和設計由MOSFET或BJT三極管為核心器件構成的放大電路，要求學生熟練掌握三極管的輸出特性曲線、轉移特性曲線、電路方程和小信號模型，并要求學生能夠熟練畫出給定電路的直流通路和交流通路，同時能熟練使用圖解法或小信號模型法對電路進行定性和定量分析。面對基礎各異的學生，如何幫助學生查漏補缺時，讓學生通過綜合運用基礎知識，掌握三極管放大電路的分析方法、設計方法，是教師在教學實踐中面臨的永恒挑戰。

思維導圖[1]是運用文本框、箭頭等圖文，將各種零散卻又相互關聯的知識點以一種邏輯關系連接在一張圖上，使人一目了然，是一種幫助學生思考的輔助性圖形化工具。英國頭腦基金會總裁，世界著名教育學家托尼.博贊（Tony Buzan）發明了“思維導圖（Mind Mapping）”，并將它推廣到了全世界。同樣的內容，因為每個人的思維方式各異，所以每個人繪制出的思維導圖也會有差異。簡單的思維導圖可以直接在紙上手繪而成，復雜的思維導圖可以借助思維導圖軟件繪制。常見的思維導圖軟件有MindMaster，[2]億圖圖示，[3]Mindmanager，[4]Xmind，[5]iMindMap，[6]FreeMind，[7]MindMapper，[8]NovaMind，[9]百度腦圖。[10]這些軟件各有特色，一些軟件主要用在商業界，為收費軟件，功能強大;一些軟件為開源軟件，綠色輕巧，使用方便;還有一些軟件可在線編輯，供多人共享使用。學生可安裝對電腦配置要求不高的免費版的開源軟件，也可以直接使用在線共享軟件，或者直接在紙上手繪自己的思維導圖。

本文介紹了運用思維導圖總結MOSFET和BJT三極管重難點內容的方法，探討了如何通過思維導圖發掘MOSFET和BJT三極管的異同點。考慮到學生的實際情況，課程選用了不依賴硬件平臺的在線共享思維導圖繪制軟件——百度腦圖，作為教授學生運用思維導圖的工具。

1 基于思維導圖的MOS三極管教學法

利用思維導圖法，可以將場效應三極管的主要學習內容總結為如圖1所示，主要分為以下兩部分內容：

（1）器件：場效應管（FET）主要分為MOSFET和JFET兩類。根據導電溝道的形成機制不同，MOSFET又分為增強型和耗盡型兩種，分別具有不同極性的開啟電壓或夾斷電壓。根據襯底采用的半導體材料的不同，MOSFET和JFET分別可再細分為增強型N溝道MOSFET、增強型P溝道MOSFET、耗盡型N溝道MOSFET、耗盡型P溝道MOSFET、N溝道JFET、P溝道JFET。它們的結構符號和特性曲線非常相似，互為映射或翻轉關系。例如，增強型P溝道MOSFET的轉移特性曲線在第一象限、增強型N溝道MOSFET的轉移特性曲線在第三象限，它們互為映射關系，將P溝道的曲線相對坐標原點翻轉后即可得到N溝道的曲線。同理，耗盡型N溝道MOSFET的轉移特性曲線（第一、四象限），相對坐標系原點翻轉后就是耗盡型P溝道MOSFET的轉移特性曲線（第二、三象限）。因此，在FET器件的教學中，首先幫助學生理解一種FET的工作原理和特性。然后，再利用不同形式的思維導圖，向學生闡明不同FET之間的對應關系。最后，可通過多種練習，幫助學生綜合理解多種FET的各種特性之間的異同點和關聯，理清思路、避免混淆、熟練掌握。

（2）應用：場效應管FET、尤其MOSFET，因為它具有體積小、耗電小、噪聲低、抗輻射能力強等優點，成為目前大規模和超大規模集成電路中應用最為廣泛的器件單元。根據MOSFET的輸出特性，它可工作在截至區、可變電阻區和飽和區。因此，MOSFET的應用主要有三種，可做出超大阻值的可變電阻，或是實現開關電路，或是應用到放大電路。基于MOSFET的放大電路是本課程的學習重點。MOSFET的放大電路從電路結構上可分為直接耦合放大電路和阻容耦合放大電路。根據MOSFET柵極、源極和漏極的連接方式，MOSFET放大電路又可分為共源極放大電路、共柵極放大電路、共漏極放大電路和多級放大電路。放大電路的分析采用交直分開分析的方法，利用電路的直流通路計算放大電路的靜態工作點，利用電路的交流通路計算放大電路的動態參數。靜態工作點和動態參數均可使用圖解法估算，前提是電路的輸出特性曲線簇需已知。靜態工作點也可以通過MOSFET的特性方程和電路的電路方程計算獲得，精確量化的動態參數可利用MOSFET的小信號等效模型計算獲得。

2 基于思維導圖的BJT三極管教學法

BJT三極管的教學與場效應三極管的教學非常相似。圖2是以BJT放大電路為中心學習內容構建的思維導圖。對比圖1和圖2可發現，類似的內容，偏重點不同，構建出來的思維導圖不盡相同。另外，由于每個人的思維方式并不完全相同，即使是同樣的教學內容，指定同樣的重難點，不同的人構建的思維導圖也是不同的。在利用思維導圖的教學中，要經常向學生說明個體思維的差異性，幫助學生理解自身的思維特點、思維習慣，理解自己的思維與教師的思維方式的差異性，接納自己思維的獨特性，提示自信，培養學生利用思維導圖深入理解三極管相關知識的能力。

與FET三極管類似，根據基極半導體材料的不同，BJT三極管可分為NPN型BJT三極管和PNP型BJT三極管。NPN型BJT三極管和PNP型BJT三極管的結構符號和特性曲線也具有對稱或翻轉的關系。在教學中，我們往往以NPN型BJT三極管為例，向學生深入講解BJT三極管的工作原理和特性。利用特性曲線和特性方程，幫助學生理解截止區、放大區和飽和區的區分條件，理解并不是在任何條件下三極管都可以實現線性放大，為學生后續理解信號產生飽和失真和截止失真做好鋪墊工作。學習BJT三級管的放大電路，要求學生深入理解并熟練掌握BJT三極管保持在放大區工作的必要條件。

根據思維導圖2可以看出，BJT三極管放大電路的分析分為靜態分析和動態分析兩大方面。設置合適的靜態偏置，可以保證BJT三極管在整個動態范圍內保持在放大區。靜態偏置的分析和設計要求學生必須熟練掌握直流通路的畫法。如果學生可以正確畫出電路的直流通路，利用圖解法（大信號）或特性方程（小信號）和電路方程，可方便地獲得基極直流電流、集電極直流電流和集電極直流電壓這三個關鍵的靜態參數，同時可判斷在已知輸入信號動態范圍的情況下，電路是否會發生截至失真或飽和失真。

BJT三極管放大電路的動態分析方法主要根據電路，畫出交流通路。對于大信號，利用圖解法可估算出電路的放大倍數、輸入電阻和輸出電阻等動態參數。對于小信號，利用三極管的小信號等效模型，可將電路的交流通路轉換成交流等效電路。然后，利用電路方程，可求解出電路的動態參數。

設計BJT三極管放大電路是指已知電路的動態參數，要求設計出滿足參數指標的放大電路。根據典型電路的結構特征，BJT放大電路可分為基本組態放大電路、多級放大電路、直接耦合放大電路和阻容耦合放大電路。基本組態放大電路是學習的重點，根據三端連接方式的不同，分為共射極放大電路、共基極放大電路和共集電極放大電路。設計BJT放大電路的前提是學生必須熟練掌握三種基本組態放大電路的異同點。然后，根據所要求設計的電路對放大倍數、輸入電阻和輸出電阻的要求，選擇合適的組態，再根據電路方程，計算相應元件的參數。

3 利用思維導圖發掘MOS與BJT三極管的異同點

MOSFET和BJT是目前應用最為廣泛的兩種三極管器件。MOSFET和BJT在工作原理上的差異導致了它們構成放大電路上的差異，放大電路的差異導致了它們的電路性能和特點上的差異。MOSFET和BJT三極管都可以通過兩個輸入電極（MOSFET： G和S電極;BJT： B和E電極）之間的電壓，控制流過第三個電極（MOSFET： D極;BJT： C極）的電流來實現電壓控制電流源。但是，因為MOSFET管的柵極電流為0，因而獲得輸入電阻為無窮大的放大電路。所以，當所設計電路要求輸入電阻非常大時，一般選用MOSFET。

MOSFET和BJT制造工藝的差異導致了它們電路性能上的差異。MOSFET為電壓控制器件，BJT為電流控制器件。但是，它們所構成的放大電路的基本組態以及相應的應用非常相似。例如，如圖3所示，BJT共射極放大電路與MOSFET共源級放大電路的主要應用均為反相電壓放大器。BJT共集電極放大電路與MOSFET共漏極放大電路均適合做電壓跟隨器。BJT共基極放大電路和MOSFET共柵極放大電路均可設計成電流跟隨器。

MOSFET和BJT三極管是學生學習模擬電子技術的重難點。作為三端器件，它與學生之前學習的二端器件分析方法和分析思路上有較大不同，要求學生能夠轉換思路，通過分別分析直流通路和交流通路，利用圖解法和小信號模型分別從輸入端和輸出端分解電路，計算電路的靜態參數和動態參數。從器件的學習，到特性方程和特性曲線理解，再到圖解法和信號模型方法的理解和運用，要求學生綜合運用固體物理、電路方程、坐標映射和電路轉換等多種知識，很多學生在學習過程中感到非常吃力。本文嘗試使用思維導圖法，通過幫助學生建立自己的思維導圖，從各個不同方面學習MOSFET和BJT三極管的器件分類、工作原理、應用電路的分析和設計，理解它們在各個方面的異同點，從而熟練掌握MOSFET和BJT三極管常用的放大電路。

參考文獻

[1] Mind Mapping官方網站：https：//www.mindmapping.com/

[2] MindMaster官方網站：http：//www.mindmasters.org/

[3] 億圖圖示官方網站：https：//www.edrawsoft.cn/

[4] Mindmanager官方網站：https：//www.mindjet.com/

[5] Xmind官方網站：https：//www.xmind.cn/

[6] iMindMap官方網站：https：//imindmap.com/

[7] FreeMind官方網站：https：//freemind.en.softonic.com

[8] MindMapper官方網站：http：//www.mindmapper.cc/

[9] NovaMind 官方網站：http：//www.novamind.com

[10] 百度腦圖官方網站：http：//naotu.baidu.com/