显示看到下面这个 LED 闪烁电路的彩色动图(GIF)就被它的简洁电路吸引,它的确与常见到的单管震荡电路有很大的区别。

 

通常的单管震荡电路,无论是 RC 移项震荡电路 ,还是 LC 组成三点震荡电路,或者通过变压器耦合震荡电路等方式,都需要三极管能够有一个基本的放大偏置工作状态,然后通过正反馈来形成正弦震荡,或者多谐震荡。

 

  • RC 移项震荡电路:
    https://www.tutorialspoint.com/sinusoidal_oscillators/sinusoidal_phase_shift_oscillators.htm

 

然而下面这个基于 BC547-NPN 震荡演示电路则是太奇怪了!

 

▲ 动画振荡器演示

 

电路中的有源器件 BC547 并没有进行正常的偏置,它的基极是悬空的。而且 NPN 三极管也没有按照正常电压配置,集电极电位高于发射极,而是发射极的电位高于集电极。

 

看到这个电路,每个人都会问:这个电路真的能够震荡工作吗?!!!

 

▲ 振荡电路

 

如果手边有些相应的元器件,就可以方便在面包板上构建起实验电路。由于所使用的晶体管型号与 BC547 不同,在稳压电源 9V 的时候,并没有看到电路震荡。当电压提升到 12V 时,可以观察到电路中 LED 开始周期闪烁。

 

▲ 搭建在面包板上的实验电路

 

使用示波器观察电路中电解电容 C1 上的电压信号,LED 串联限流电阻 R2 上的电压信号可以相应的振荡信号。

 

▲ 三极管集电极、发射极信号波形|黄线:发射极(e)信号|青色:集电极(c)信号

 

当电源电压(12V)通过 R1(2.7kΩ)给 C1(100uF)充电超过 10V 左右时,晶体三极管开始被击穿。电容电压便通过击穿后的三极管、R2、LED 开始放电,从而引起 C1 电压开始迅速下降。

 

随着 C1 电压减小,放电电流减少一半的时候,三极管重新恢复截止。电路又开始新的一个循环。

 

▲ 三极管集电极发射极信号
黄线:发射极(e)信号
青色:集电极(c)信号

 

在这个振荡电路中,并没有应用三极管的放大功能,而是利用了它的 C-E 引脚之间,在被击穿之后出现的负阻现象,也就是随着流过的电流增加,C-E 两端的电压反而减小的情况。

 

在下面表格中,显示了三极管 2N2222A 的 C-E 之间的电压与电流的关系。曲线的斜率是负值,显示出等效阻值为负数。

 

▲ 三极管 2N2222A C-E 之间的电压与流过电流之间的关系

 

对于一个负阻器件,可以通过外部并联一些储能器件(电容、电感)来形成震荡电路。下图则是一个简单的 LC 正弦震荡电路。

 

▲ 利用 2N2222A 的 C-E 之间的负阻建立的正弦振荡器

 

对于半导体中出现的负阻现象,最早是由 Leo Easki 研究。他后来因为发现了隧道二极管中的量子隧道效应而获得了 1973 年的诺贝尔物理奖。

 

这种利用器件的负阻现象构成的脉冲振荡器,它的频率主要由外部储能器件参数决定。将前面电路中将 C1 的容值更换成 0.1uF,对应的震荡波形如下,震荡的频率升高到 1.773kHz。

 

▲ 振荡电路中的集电极和发射极的信号

 

电路的工作电压需要大于三极管 C-E 反向击穿电压电路才能够开始震荡。随着供电电压增加,当它超过一定电压之后,流过 R1 的电流就会使得三极管在击穿之后始终保持导通状态,电路也会停止震荡。

 

下面显示了工作电流从 9V 变化到 19V,使用万用表测量 R1 信号的震荡频率。可以得到震荡频率与工作电压之间的关系曲线。

 

▲ 工作电压从 9.5V 到 19V 的变化过程

 

可以看出,只有在工作电压处于 10.2V 到 18.5V 之间时,电路才能够正常震荡。在这个范围内,震荡频率随着工作电压的增加而增加。

 

▲ 不同工作电压下输出信号的频率

 

为了获得更强的震荡信号,可以将多个半导体三极管串联起来,组成的震荡电路可以输出幅度更大的振荡信号。

 

▲ 使用串联的负阻抗器件提高震荡电路的输出功率