一個古老而優雅的電子線路

2021-01-15 TsinghuaJoking

一個電子線路如果算得上「優雅」,那是它能夠非常簡明有效實現所需要的功能;如果算得上「漂亮」,它則能夠經受得住時間的考驗。



交叉耦合對電路(Cross-coupled pair:XCP)就是一個電路中多面手。它誕生於1919年,今年它已經演化發展超過了100年,形成各種器件設計技術、適合工作在不同的電壓以及響應速度。


XCP電路最早是在1919年由兩篇只相差四天獨立發表的文章提出的,文章作者分別是Abraham & Bloch;Eccles & Jordan。


Abraham


最早的文章現在已經很難發現了,好在Abraham在同年12月發表的另外一篇文章中也提到了該電路,他將該電路命名為多諧振蕩器(Multivibrator)。


早期使用電子管設計的XCP電路


在1920年,vaf der Pol使用鬆弛振蕩器的原理分析了多諧振蕩器。Eccles和Jordan最早將XCP設計成雙穩態觸發器,可以用於存儲器。在人類第一臺通用電子計算機ENIAC中,就使用這種結構作為存儲器電路。


到了1940誕生了雙極性電晶體,XCP自然就在電晶體電路設計中扮演了重要的角色。XCP電路分為兩大類:一類是集電極耦合的形式的,包括有無穩態、單穩態、雙穩態電路;另外一類是發射極耦合形式電路,這類電路除了構成存儲器之外,發射極耦合電路也出現在各種運算放大器、比較器的前級差分放大電路、射頻放大電路設計中。


XCP電路也隨著器件發展不斷的演化。以作為振蕩器功能來講,它也經歷了多諧振蕩、再生式鬆弛振蕩器、以及負阻抗LC振蕩器等多階段的發展。



上圖(a)中的形式是XCP早期誕生時就出現的功能,現在還被作為基礎振蕩器的形式出現在一些教科書中。


《運算放大器--應用電路設計》是由日本人馬場清太郎寫的一本模擬電路書籍。不像其它的教科書那樣包含著大量的公式,這本書中則是通過運放搭建的實際的電路進行舉例講解,電路中的參數都是實際工作參數,所有的電路波形都採用實際測量的波形。


《運算放大器--應用電路設計》


開始看到這本書的時候,就被他的風格所吸引。過去了很多年了,我始終被書中提到的一個問題所困擾。


在書中第24章,講解無穩態多諧振蕩器的時候,使用耦合電路對(XCP)進行舉例。書中也提到該電路最早來自於Abraham, Block在1918年(文獻中應該是1919年)提示的方案。


下面電路圖就是由兩個NPN電晶體(8050)構成可以工作的多諧振蕩器以及相應的波形。該電路工作原理講述在網絡上大量存在,在此就省略討論。


由NPN電晶體搭建的多諧振蕩器


書中談到該電路的缺點是,電源電壓從零開始逐步升高時,電路中的兩個電晶體會同時導通,不產生振蕩。在正文和圖例中都提到電路的這個缺點。


這個問題之所以令人迷惑,就是在其它講解該電路的書中,以及我對於它的理解中,都不會提到該電路的工作電壓的逐步升高出現不振蕩的情況。


從邏輯上來講,如果上述電路嚴格對稱,在電壓逐步升高的過程中,兩個電晶體從最初的截止,進入到放大狀態,再進入飽和狀態,有可能最終穩定在都飽和的情況。


但實際的兩個電晶體以及相應的外部電阻、電容參數不會嚴格的一致。再加上整個電路中存在的熱運動,電路不再對稱,所以應該不會產生停震現象。


上面多諧振蕩器可以看成兩個電晶體放大電路串聯成一個正反饋環路。如下圖所示:



由於是正反饋,當兩個三極體所組成的放大電路的增益乘積大於1,上述電路就會發生振蕩。由於其中沒有選頻電路,實際電路工作在遲張振蕩電路狀態。


如果猛一看,根據兩個三極體的基級電阻和集電極電阻的數值,應該能夠判斷兩個三極體都處於飽和狀態。按理它們不會產生信號的放大,但該電路還是能夠工作並輸出振蕩波形。


下面是對於單個三極體,按照上面振蕩電路中集電極和基極電阻配置組成放大電路。靜態情況下, 三極體的集電極電壓只有0.02V左右,處於過飽和狀態。



給上述電路輸入1kHz測試信號,幅值從0.3mV變化到30mV。通過測量它的輸出信號,可以計算出該電路的增益。


實驗的數據可以看出,處於過飽和狀態的三極體對於交流小信號還是有放大功能。並且隨著輸入信號幅度的增加,信號的增益也上升。


這說明對於處在飽和區的三極體,還是有信號放大能力,只是放大倍數比工作在放大區時要小的多。


對於多諧振蕩電路來說,只要兩個三極體信號放大增益乘積大於1,就可以完成狀態的切換,進而形成振蕩。


通過上面分析,對於馬長清太郎在書中提到的多諧振蕩器由於電壓緩慢增加而停震的缺點,仍然無法解釋。也許這個缺點只是在最初的電子管放大器版本中才存在,使用電晶體設計的多諧振蕩器,只要能夠振蕩,就不會因為工作電壓上升的速度而出現停震的情況。



公眾號提問


卓老師您好,最近我放假在家修樓道燈。我喜歡鑽研,一直疑惑熱釋電紅外開關(只有兩電極)如何實現串聯在電燈迴路中,閉合時還能正常取電運作,因為理論上開關閉合,兩端沒有電壓。我猜想是由於電子開關功耗非常小,壓降很低,有足夠剩餘電壓驅動電燈。可事情不簡單,我冒死帶電測試發現,整個模塊導通時兩端僅約1V交流電壓,但內部專用控制晶片卻有3.3V的電源。不僅如此,3.3V其實是三端穩壓的輸出,輸入前的某電容兩端竟高達6V以上!然而未發現電感線圈。


這超出了我的認知,因為智能車上的H橋驅動所需的高電壓是通過含有電感的升壓電路完成的。請問卓大大,這是為什麼?網上苦苦搜索沒有滿意的答案,覺得卓老師的推文經常能體現您同樣具有這種鑽研精神,特來求教。


如有打擾,就當沒看見好了;如果卓大覺得有趣,拿來做一篇推文也是極好的。



回覆:疑問,是驅動科學發展的動力。提問是凝練疑問的好的辦法。我們需要這種提問習慣和態度。你所提出的問題,我探究後再回覆你吧。

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