基于思维导图的三极管教学方法探索

张凡 王能庆 胡中秋

关键词 思维导图 MOSFET BJT 三极管

中图分类号：G424                                    文献标识码：A   DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.09.072

Keywords mind mapping; MOSFET; BJT; transistor

0 引言

MOSFET和BJT三极管是“模拟电子技术”、“模拟与数字电子技术”、“电子技术基础”等课程的重点教学内容、也是学生的学习难点。理解不同类型的MOSFET和BJT三极管的结构符号、工作原理和特性，学会分析和设计由MOSFET或BJT三极管为核心器件构成的放大电路，要求学生熟练掌握三极管的输出特性曲线、转移特性曲线、电路方程和小信号模型，并要求学生能够熟练画出给定电路的直流通路和交流通路，同时能熟练使用图解法或小信号模型法对电路进行定性和定量分析。面对基础各异的学生，如何帮助学生查漏补缺时，让学生通过综合运用基础知识，掌握三极管放大电路的分析方法、设计方法，是教师在教学实践中面临的永恒挑战。

思维导图[1]是运用文本框、箭头等图文，将各种零散却又相互关联的知识点以一种逻辑关系连接在一张图上，使人一目了然，是一种帮助学生思考的辅助性图形化工具。英国头脑基金会总裁，世界著名教育学家托尼.博赞（Tony Buzan）发明了“思维导图（Mind Mapping）”，并将它推广到了全世界。同样的内容，因为每个人的思维方式各异，所以每个人绘制出的思维导图也会有差异。简单的思维导图可以直接在纸上手绘而成，复杂的思维导图可以借助思维导图软件绘制。常见的思维导图软件有MindMaster，[2]亿图图示，[3]Mindmanager，[4]Xmind，[5]iMindMap，[6]FreeMind，[7]MindMapper，[8]NovaMind，[9]百度脑图。[10]这些软件各有特色，一些软件主要用在商业界，为收费软件，功能强大;一些软件为开源软件，绿色轻巧，使用方便;还有一些软件可在线编辑，供多人共享使用。学生可安装对电脑配置要求不高的免费版的开源软件，也可以直接使用在线共享软件，或者直接在纸上手绘自己的思维导图。

本文介绍了运用思维导图总结MOSFET和BJT三极管重难点内容的方法，探讨了如何通过思维导图发掘MOSFET和BJT三极管的异同点。考虑到学生的实际情况，课程选用了不依赖硬件平台的在线共享思维导图绘制软件——百度脑图，作为教授学生运用思维导图的工具。

1 基于思维导图的MOS三极管教学法

利用思维导图法，可以将场效应三极管的主要学习内容总结为如图1所示，主要分为以下两部分内容：

（1）器件：场效应管（FET）主要分为MOSFET和JFET两类。根据导电沟道的形成机制不同，MOSFET又分为增强型和耗尽型两种，分别具有不同极性的开启电压或夹断电压。根据衬底采用的半导体材料的不同，MOSFET和JFET分别可再细分为增强型N沟道MOSFET、增强型P沟道MOSFET、耗尽型N沟道MOSFET、耗尽型P沟道MOSFET、N沟道JFET、P沟道JFET。它们的结构符号和特性曲线非常相似，互为映射或翻转关系。例如，增强型P沟道MOSFET的转移特性曲线在第一象限、增强型N沟道MOSFET的转移特性曲线在第三象限，它们互为映射关系，将P沟道的曲线相对坐标原点翻转后即可得到N沟道的曲线。同理，耗尽型N沟道MOSFET的转移特性曲线（第一、四象限），相对坐标系原点翻转后就是耗尽型P沟道MOSFET的转移特性曲线（第二、三象限）。因此，在FET器件的教学中，首先帮助学生理解一种FET的工作原理和特性。然后，再利用不同形式的思维导图，向学生阐明不同FET之间的对应关系。最后，可通过多种练习，帮助学生综合理解多种FET的各种特性之间的异同点和关联，理清思路、避免混淆、熟练掌握。

（2）应用：场效应管FET、尤其MOSFET，因为它具有体积小、耗电小、噪声低、抗辐射能力强等优点，成为目前大规模和超大规模集成电路中应用最为广泛的器件单元。根据MOSFET的输出特性，它可工作在截至区、可变电阻区和饱和区。因此，MOSFET的应用主要有三种，可做出超大阻值的可变电阻，或是实现开关电路，或是应用到放大电路。基于MOSFET的放大电路是本课程的学习重点。MOSFET的放大电路从电路结构上可分为直接耦合放大电路和阻容耦合放大电路。根据MOSFET栅极、源极和漏极的连接方式，MOSFET放大电路又可分为共源极放大电路、共栅极放大电路、共漏极放大电路和多级放大电路。放大电路的分析采用交直分开分析的方法，利用电路的直流通路计算放大电路的静态工作点，利用电路的交流通路计算放大电路的动态参数。静态工作点和动态参数均可使用图解法估算，前提是电路的输出特性曲线簇需已知。静态工作点也可以通过MOSFET的特性方程和电路的电路方程计算獲得，精确量化的动态参数可利用MOSFET的小信号等效模型计算获得。

2 基于思维导图的BJT三极管教学法

BJT三极管的教学与场效应三极管的教学非常相似。图2是以BJT放大电路为中心学习内容构建的思维导图。对比图1和图2可发现，类似的内容，偏重点不同，构建出来的思维导图不尽相同。另外，由于每个人的思维方式并不完全相同，即使是同样的教学内容，指定同样的重难点，不同的人构建的思维导图也是不同的。在利用思维导图的教学中，要经常向学生说明个体思维的差异性，帮助学生理解自身的思维特点、思维习惯，理解自己的思维与教师的思维方式的差异性，接纳自己思维的独特性，提示自信，培养学生利用思维导图深入理解三极管相关知识的能力。

与FET三极管类似，根据基极半导体材料的不同，BJT三极管可分为NPN型BJT三极管和PNP型BJT三极管。NPN型BJT三极管和PNP型BJT三极管的结构符号和特性曲线也具有对称或翻转的关系。在教学中，我们往往以NPN型BJT三极管为例，向学生深入讲解BJT三极管的工作原理和特性。利用特性曲线和特性方程，帮助学生理解截止区、放大区和饱和区的区分条件，理解并不是在任何条件下三极管都可以实现线性放大，为学生后续理解信号产生饱和失真和截止失真做好铺垫工作。学习BJT三级管的放大电路，要求学生深入理解并熟练掌握BJT三极管保持在放大区工作的必要条件。

根据思维导图2可以看出，BJT三极管放大电路的分析分为静态分析和动态分析两大方面。设置合适的静态偏置，可以保证BJT三极管在整个动态范围内保持在放大区。静态偏置的分析和设计要求学生必须熟练掌握直流通路的画法。如果学生可以正确画出电路的直流通路，利用图解法（大信号）或特性方程（小信号）和电路方程，可方便地获得基极直流电流、集电极直流电流和集电极直流电压这三个关键的静态参数，同时可判断在已知输入信号动态范围的情况下，电路是否会发生截至失真或饱和失真。

BJT三极管放大电路的动态分析方法主要根据电路，画出交流通路。对于大信号，利用图解法可估算出电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻等动态参数。对于小信号，利用三极管的小信号等效模型，可将电路的交流通路转换成交流等效电路。然后，利用电路方程，可求解出电路的动态参数。

设计BJT三极管放大电路是指已知电路的动态参数，要求设计出满足参数指标的放大电路。根据典型电路的结构特征，BJT放大电路可分为基本组态放大电路、多级放大电路、直接耦合放大电路和阻容耦合放大电路。基本组态放大电路是学习的重点，根据三端连接方式的不同，分为共射极放大电路、共基极放大电路和共集电极放大电路。设计BJT放大电路的前提是学生必须熟练掌握三种基本组态放大电路的异同点。然后，根据所要求设计的电路对放大倍数、输入电阻和输出电阻的要求，选择合适的组态，再根据电路方程，计算相应元件的参数。

3 利用思维导图发掘MOS与BJT三极管的异同点

MOSFET和BJT是目前应用最为广泛的两种三极管器件。MOSFET和BJT在工作原理上的差异导致了它们构成放大电路上的差异，放大电路的差异导致了它们的电路性能和特点上的差异。MOSFET和BJT三极管都可以通过两个输入电极（MOSFET： G和S电极;BJT： B和E电极）之间的电压，控制流过第三个电极（MOSFET： D极;BJT： C极）的电流来实现电压控制电流源。但是，因为MOSFET管的栅极电流为0，因而获得输入电阻为无穷大的放大电路。所以，当所设计电路要求输入电阻非常大时，一般选用MOSFET。

MOSFET和BJT制造工艺的差异导致了它们电路性能上的差异。MOSFET为电压控制器件，BJT为电流控制器件。但是，它们所构成的放大电路的基本组态以及相应的应用非常相似。例如，如图3所示，BJT共射极放大电路与MOSFET共源级放大电路的主要应用均为反相电压放大器。BJT共集电极放大电路与MOSFET共漏极放大电路均适合做电压跟随器。BJT共基极放大电路和MOSFET共栅极放大电路均可设计成电流跟随器。

MOSFET和BJT三极管是学生学习模拟电子技术的重难点。作为三端器件，它与学生之前学习的二端器件分析方法和分析思路上有较大不同，要求学生能够转换思路，通过分别分析直流通路和交流通路，利用图解法和小信号模型分别从输入端和输出端分解电路，计算电路的静态参数和动态参数。从器件的学习，到特性方程和特性曲线理解，再到图解法和信号模型方法的理解和运用，要求学生综合运用固体物理、电路方程、坐标映射和电路转换等多种知识，很多学生在学习过程中感到非常吃力。本文尝试使用思维导图法，通过帮助学生建立自己的思维导图，从各个不同方面学习MOSFET和BJT三极管的器件分类、工作原理、应用电路的分析和设计，理解它们在各个方面的异同点，从而熟练掌握MOSFET和BJT三极管常用的放大电路。

参考文献

[1] Mind Mapping官方网站：https：//www.mindmapping.com/

[2] MindMaster官方网站：http：//www.mindmasters.org/

[3] 亿图图示官方网站：https：//www.edrawsoft.cn/

[4] Mindmanager官方网站：https：//www.mindjet.com/

[5] Xmind官方网站：https：//www.xmind.cn/

[6] iMindMap官方网站：https：//imindmap.com/

[7] FreeMind官方网站：https：//freemind.en.softonic.com

[8] MindMapper官方网站：http：//www.mindmapper.cc/

[9] NovaMind 官方网站：http：//www.novamind.com

[10] 百度腦图官方网站：http：//naotu.baidu.com/