吊打三極管

顯示看到下面這個(gè) LED 閃爍電路的彩色動(dòng)圖（GIF）就被它的簡潔電路吸引，它的確與常見到的單管震蕩電路有很大的區(qū)別。

通常的單管震蕩電路，無論是 RC 移項(xiàng)震蕩電路 ，還是 LC 組成三點(diǎn)震蕩電路，或者通過變壓器耦合震蕩電路等方式，都需要三極管能夠有一個(gè)基本的放大偏置工作狀態(tài)，然后通過正反饋來形成正弦震蕩，或者多諧震蕩。

• RC 移項(xiàng)震蕩電路:
  https://www.tutorialspoint.com/sinusoidal_oscillators/sinusoidal_phase_shift_oscillators.htm

然而下面這個(gè)基于 BC547-NPN 震蕩演示電路則是太奇怪了！

▲ 動(dòng)畫振蕩器演示

電路中的有源器件 BC547 并沒有進(jìn)行正常的偏置，它的基極是懸空的。而且 NPN 三極管也沒有按照正常電壓配置，集電極電位高于發(fā)射極，而是發(fā)射極的電位高于集電極。

看到這個(gè)電路，每個(gè)人都會問：這個(gè)電路真的能夠震蕩工作嗎？?。?！

▲ 振蕩電路

如果手邊有些相應(yīng)的元器件，就可以方便在面包板上構(gòu)建起實(shí)驗(yàn)電路。由于所使用的晶體管型號與 BC547 不同，在穩(wěn)壓電源 9V 的時(shí)候，并沒有看到電路震蕩。當(dāng)電壓提升到 12V 時(shí)，可以觀察到電路中 LED 開始周期閃爍。

▲ 搭建在面包板上的實(shí)驗(yàn)電路

使用示波器觀察電路中電解電容 C1 上的電壓信號，LED 串聯(lián)限流電阻 R2 上的電壓信號可以相應(yīng)的振蕩信號。

▲ 三極管集電極、發(fā)射極信號波形|黃線：發(fā)射極(e)信號|青色：集電極(c)信號

當(dāng)電源電壓（12V）通過 R1（2.7kΩ）給 C1（100uF）充電超過 10V 左右時(shí)，晶體三極管開始被擊穿。電容電壓便通過擊穿后的三極管、R2、LED 開始放電，從而引起 C1 電壓開始迅速下降。

隨著 C1 電壓減小，放電電流減少一半的時(shí)候，三極管重新恢復(fù)截止。電路又開始新的一個(gè)循環(huán)。

▲ 三極管集電極發(fā)射極信號
黃線：發(fā)射極(e)信號
青色：集電極(c)信號

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在這個(gè)振蕩電路中，并沒有應(yīng)用三極管的放大功能，而是利用了它的 C-E 引腳之間，在被擊穿之后出現(xiàn)的負(fù)阻現(xiàn)象，也就是隨著流過的電流增加，C-E 兩端的電壓反而減小的情況。

在下面表格中，顯示了三極管 2N2222A 的 C-E 之間的電壓與電流的關(guān)系。曲線的斜率是負(fù)值，顯示出等效阻值為負(fù)數(shù)。

▲ 三極管 2N2222A C-E 之間的電壓與流過電流之間的關(guān)系

對于一個(gè)負(fù)阻器件，可以通過外部并聯(lián)一些儲能器件（電容、電感）來形成震蕩電路。下圖則是一個(gè)簡單的 LC 正弦震蕩電路。

▲ 利用 2N2222A 的 C-E 之間的負(fù)阻建立的正弦振蕩器

對于半導(dǎo)體中出現(xiàn)的負(fù)阻現(xiàn)象，最早是由 Leo Easki 研究。他后來因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了隧道二極管中的量子隧道效應(yīng)而獲得了 1973 年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

這種利用器件的負(fù)阻現(xiàn)象構(gòu)成的脈沖振蕩器，它的頻率主要由外部儲能器件參數(shù)決定。將前面電路中將 C1 的容值更換成 0.1uF，對應(yīng)的震蕩波形如下，震蕩的頻率升高到 1.773kHz。

▲ 振蕩電路中的集電極和發(fā)射極的信號

電路的工作電壓需要大于三極管 C-E 反向擊穿電壓電路才能夠開始震蕩。隨著供電電壓增加，當(dāng)它超過一定電壓之后，流過 R1 的電流就會使得三極管在擊穿之后始終保持導(dǎo)通狀態(tài)，電路也會停止震蕩。

下面顯示了工作電流從 9V 變化到 19V，使用萬用表測量 R1 信號的震蕩頻率?？梢缘玫秸鹗庮l率與工作電壓之間的關(guān)系曲線。

▲ 工作電壓從 9.5V 到 19V 的變化過程

可以看出，只有在工作電壓處于 10.2V 到 18.5V 之間時(shí)，電路才能夠正常震蕩。在這個(gè)范圍內(nèi)，震蕩頻率隨著工作電壓的增加而增加。

▲ 不同工作電壓下輸出信號的頻率

為了獲得更強(qiáng)的震蕩信號，可以將多個(gè)半導(dǎo)體三極管串聯(lián)起來，組成的震蕩電路可以輸出幅度更大的振蕩信號。

▲ 使用串聯(lián)的負(fù)阻抗器件提高震蕩電路的輸出功率