學子專區—ADALM2000活動：BJT多諧振盪器
前言：
作者：ADI顧問研究員Doug Mercer 及系統應用工程師Antoniu Miclaus
背景知識
本文解釋三種主要類型的多諧振盪器電路以及如何建構每種電路。多諧振盪器電路一般由兩個反相放大級組成。兩個放大器串聯或級聯，回饋路徑從第二放大器的輸出接回到第一放大器的輸入。由於每一級都將訊號反相，因此迴路整體的回饋是正的。
多諧振盪器主要分為三種類型：非穩態、單穩態和雙穩態。非穩態多諧振盪器使用電容耦合兩個放大器級並提供回饋路徑。電容會阻隔任何從一級傳送到下一級的直流訊號，因此非穩態多諧振盪器沒有穩定的直流工作點，是一個自由運作的振盪器。在單穩態多諧振盪器中，從一級到另一級的耦合使用一個電容，而第二個連接是透過直流路徑。因此，單穩態多諧振盪器有一個穩定的直流級。除了施加觸發脈衝時之外，電路均保持此種單一的穩定狀態。然後，狀態改變，持續時間為訊號路徑的交流耦合部分的RC時間常數所設定的預定時長。在雙穩態多諧振盪器中，兩條耦合路徑都是直流耦合，因此電路具有兩種不同的穩定狀態，並且不使用電容。雙穩態多諧振盪器也被稱為觸發器，在任一時間處於兩種直流穩定狀態中的一種狀態。
非穩態多諧振盪器
目標
第一個實驗的目的是建構一個非穩態多諧振盪器。兩個相同的電阻電容網路決定振盪發生的頻率。放大元件（電晶體）以共發射極配置連接，如圖1所示。
圖1. 非穩態多諧振盪器
材料
• ADALM2000 主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 兩個470 Ω電阻
• 兩個20 kΩ電阻
• 兩個小訊號NPN電晶體(2N3904)
• 一個紅光LED
• 一個綠光LED
• 兩個47μF電容
說明
在無焊試驗板上建構圖1所示電路。請注意，ADALM2000板沒有輸入，只有電源。第一個反相放大器級由Q1、R1和用於輸出負載的紅光LED組成。第二個反相放大器級由Q2、R2和用於負載的綠光LED組成。C1將位於Q1集電極的第一級輸出耦合到位於Q2基極的第二級輸入。同樣的，C2將位於Q2集電極的第二級輸出耦合回位於Q1基極的第一級輸入。
硬體設定
試驗板連接如圖2所示。
圖2. 非穩態多諧振盪器試驗板電路
程式步驟
只有在電路建構完畢並檢查之後，才能開啟VP電源。紅光和綠光LED應以大約1秒的間隔交替閃爍。您還可以使用示波器通道監視輸出波形（Q和Q-bar）。
由於電容C1和C2的值較大，因此振盪頻率非常慢。將C1和C2替換為0.1 μF電容。電路現在應該以快得多的速度振盪，兩個LED同時亮起。現在使用示波器通道測量輸出波形的頻率和週期。
圖3. 使用47 μF電容時的非穩態多諧振盪器間隔
圖4. 使用0.1 μF電容時的非穩態多諧振盪器間隔
單穩態多諧振盪器
目標
第二個實驗的目的是建構一個單穩態多諧振盪器。一個電阻電容網路決定單穩態多諧振盪器輸出的持續時間。放大元件（電晶體）以共發射極配置連接，如圖2所示。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 兩個470 Ω電阻
• 一個1 kΩ電阻
• 一個20 kΩ電阻
• 一個47 kΩ電阻
• 一個小訊號二極體(1N914)
• 兩個小訊號NPN電晶體(2N3904)
• 一個紅光LED
• 一個綠光LED
• 一個47 μF電容
說明
在無焊試驗板上建構圖5所示電路。從實驗1中的電路出發，移除一個20 kΩ電阻（舊R3），將電容C1替換為47 kΩ電阻（新R3）。在Q2的基極上增加二極體D1和電阻R5，如圖所示。務必將C2替換為原來的47 μF電容。
圖5. 單穩態多諧振盪器
硬體設定
試驗板連接如圖6所示。
圖6. 單穩態多諧振盪器試驗板電路
程式步驟
只有在電路建構完畢並檢查之後，才能開啟VP電源。紅光LED應亮起，綠光LED應熄滅。用一段電線將觸發器輸入（R5端）短暫觸碰VP，然後立即鬆開。紅光LED應熄滅，綠光LED點亮約一秒鐘，然後返回穩定狀態，紅光LED亮起，綠光LED熄滅。多試幾次。
圖7. 觸發時的單穩態多諧振盪器行為
雙穩態多諧振盪器（或觸發器）
目標
第三個實驗的目的是建構一個雙穩態多諧振盪器。放大元件（電晶體）以共發射極配置連接，如圖8所示。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 兩個470 Ω電阻
• 兩個1 kΩ電阻
• 兩個47 kΩ電阻
• 兩個小訊號NPN電晶體(2N3904)
• 兩個小訊號二極體(1N914)
• 一個紅光LED
• 一個綠光LED
說明
在無焊試驗板上建構圖8所示電路。
圖8. 雙穩態多諧振盪器
硬體設定
試驗板連接如圖9所示。
圖9. 雙穩態多諧振盪器試驗板電路
程式步驟
只有在電路建構完畢並檢查之後，才能開啟VP電源。紅光LED應點亮而綠光LED熄滅，或者綠光LED應點亮而紅光LED熄滅。用一段電線將SET或RESET輸入（R5端或R6端）短暫觸碰VP，然後立即鬆開。LED應改變狀態或來回切換，具體取決於哪個輸入觸碰到VP，可以多試幾次。
圖10. 觸發SET接腳的雙穩態多諧振盪器行為
圖11. 觸發RESET接腳的雙穩態多諧振盪器行為
D型觸發器
目標
第四個實驗的目的是使用實驗3中的雙穩態或SET-RESET觸發器來建構所謂的D型觸發器。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 三個1 kΩ電阻
• 一個100 kΩ電阻
• 兩個200 kΩ電阻
• 兩個47 kΩ電阻
• 三個小訊號NPN電晶體(2N3904)
• 兩個小訊號二極體(1N914)
• 兩個39 pF電容
• 兩個100 pF電容
說明
在無焊試驗板上建構圖12所示的D型觸發器電路。請注意，與圖8相比，兩個二極體的極性相反。此實驗將在更高的頻率下進行，因此LED已被移除，改用簡單的1 kΩ負載電阻。
圖12. D型觸發器
觸發器兩種狀態之間的切換是透過施加D（數據）訊號和單個時脈脈衝來實現的：根據D輸入相對於目前狀態的狀態，在時脈脈衝的負緣或降緣，ON電晶體將斷開，OFF電晶體將導通。真D訊號和互補DB訊號（Q3、R7反相級的輸出）用於偏置二極體D1和D2，以將時脈脈衝引導至正確的基極，這相當於圖8中的SET和RESET輸入。
為了說明電路如何工作，我們假設電路處於兩個穩定狀態之一，QB輸出低位準（Q1的集電極電壓為0 V），Q輸出高位準（Q2的集電極電壓為5 V高位準）。當D輸入為低位準（DB為高位準）時，D1的陰極（通過R6）具有低電壓，其陽極（通過R4）具有高電壓（導通電晶體Q1的VBE），使其正向偏置。D2的陰極（通過R5）具有高電壓（來自DB），其陽極（通過R3）具有低電壓（關斷電晶體Q2的VBE），使其反向偏置。
由於D1正向偏置，所以時脈輸入上的負向脈衝（通過C1和C2耦合）被引導至Q1的基極，但由於D2反向偏置，所以負向脈衝被Q2的基極阻隔。通過C3和R3並聯組合的交叉耦合連接使Q1關斷，並使Q2導通。由於我們之前在簡單雙穩態多諧振盪器中看到的正回饋效應，此種情況發生得非常快速。電路現在處於另一種穩定狀態，Q輸出高位準，QB輸出低位準。電路將保持在該狀態，直到D輸入變為高位準並且另一個負向時脈脈衝到達之後。
硬體設定
試驗板連接如圖13所示。
圖13. D型觸發器試驗板電路
程式步驟
AWG1輸出應連接到圖12中標記的時脈輸入。AWG2輸出應連接到D輸入。示波器通道1輸入應連接到時脈輸入。示波器通道2應連接到圖12中觸發器的Q輸出。AWG1和AWG2均應配置為具有5 V幅度峰對峰值和2.5 V偏移（0 V至5 V擺幅）的方波。將AWG1的頻率設定為10 kHz，將AWG2的頻率設定為5 kHz。將AWG2的相位設定為45度。務必將兩個AWG輸出配置為同步運作。
只有在電路建構完畢並檢查之後，才能開啟VP電源並使能AWG輸出。應能在Q輸出上觀察到一個方波，其與時脈輸入訊號的降緣對齊。更改AWG2（D輸入訊號）的相位，同時觀察此對齊。這會隨著D輸入的相位變化而變化嗎？將通道1示波器輸入移至D輸入。應能看到一個類似的方波訊號，但其相對於Q輸出超前。換言之，Q輸出延遲到時脈訊號的降緣為止。
圖14. Q和時脈訊號圖
圖15. Q和D訊號圖
2分頻觸發器
目標
第五個實驗的目的是修改實驗4中的D型觸發器，以建構一個將輸入訊號的頻率除以2的電路。
材料
• ADALM2000主動學習模組
• 無焊試驗板
• 跳線
• 兩個1 kΩ電阻
• 兩個200 kΩ電阻
• 兩個47 kΩ電阻
• 兩個小訊號NPN電晶體(2N3904)
• 兩個小訊號二極體(1N914)
• 兩個39 pF電容
• 兩個100 pF電容
說明
修改實驗4中的D型觸發器，在無焊試驗板上建構圖16所示的2分頻電路。
圖16. 2分頻電路
兩種狀態之間的切換是透過施加單個時脈脈衝來實現的；在該時脈脈衝的負緣或降緣，這會導致ON電晶體斷開，OFF電晶體導通。依次向每個基極施加脈衝，該電路將順序切換，這是透過單個輸入時脈脈衝來實現的——該時脈脈衝用於偏置兩個二極體，根據觸發器的目前狀態將脈衝引導至正確的基極。
為了說明電路如何工作，我們假設電路處於兩個穩定狀態之一，Q1的集電極電壓為低位準(0 V)，Q2的集電極電壓為高位準(5 V)。D1的陰極（通過R6）具有低電壓，其陽極（通過R4）具有高電壓（導通電晶體Q1的VBE），使其正向偏置。D2的陰極（通過R5）具有高電壓，其陽極（通過R3）具有低電壓（關斷電晶體Q2的VBE），使其反向偏置。
由於D1正向偏置，所以外部負向脈衝（通過C1和C2耦合）被引導至Q1的基極，但由於D2反向偏置，所以負向脈衝被Q2的基極阻隔。通過C3和R3並聯組合的交叉耦合連接使Q1關斷，並使Q2導通。由於我們之前在簡單雙穩態多諧振盪器中看到的正回饋效應，如此情況發生得非常快速。
電路現在處於第二穩定狀態，等待另一個負向時脈脈衝。
由於Q2的集電極電壓（Q輸出節點）會隨著每個時脈脈衝改變狀態，因此每出現兩個時脈輸入脈衝，輸出端就會出現一個脈衝。因此，它可以用作二分頻電路。
硬體設定
試驗板連接如圖17所示。
圖17. 2分頻觸發器試驗板電路
程式步驟
AWG1輸出和示波器通道1輸入均應連接到圖16中標記的時脈輸入。示波器通道2應連接到圖16中觸發器的Q輸出。AWG1應配置為具有5 V幅度峰對峰值和2.5 V偏移（0 V至5 V擺幅）的方波。將頻率設定為10 kHz。
只有在電路建構完畢並檢查之後，才能開啟VP電源並使能AWG1輸出。應能在Q輸出上觀察到一個方波，其頻率是AWG1訊號頻率的一半。將通道2示波器輸入移至QB輸出。應能看到一個類似的方波訊號，但其相對於Q輸出反相。
圖18. 時脈和Q輸出圖
圖19. 時脈和QB輸出圖
問題
對於圖1所示電路，增加或減少兩個電容的值會產生什麼影響？
您可以在 學子專區 部落格上找到答案。
