電路創意/小組 66b

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66b 小組學生頁面

我們是來自計算機系統學院，索菲亞技術大學的學生。我們 66 小組分為兩個小組；我們構成第二個 - 66b - 小組。以下是我們的姓名

Borislav Bozhanov；Aydin Hafizoglu；Nicklay Lyubenov；Miroslav Otsedarski；Georgi Upalov；Zapyan Dimitrov；Borislav Borisov；Vanya Shiderova；Lyudmila Nenkova；Ana Ivanova；Yanita Petkova；Rumi Pasaoglu；Konstantina Gocheva；Petar Velichkov；Erol Ozturk；Lyubomir Todorov。

實驗室 1：研究無源電阻器件

在本節中，我們將解釋並展示我們在實驗室 1 期間的一些工作。

下圖展示了我們在實驗室練習中使用的電路圖。它包含以下元素

- DAC1,DAC2 (DAC3,DAC4) : 數模轉換器；

- ADC1,AC2(ADC3,ADC4) : 模數轉換器；

- V1,V2,V3 : 三個電壓表；

- R = 4,7KΩ : 一個電位器

- 一臺電腦，我們可以在上面觀察圖表

我們使用兩個輸入電壓（Vin1 和 Vin2）

1. 電勢圖的圖形表示。

2. 移動電位器的滑動觸點（Vin1 = 常量，Vin2 = 0）。

在這種情況下，我們進行的是“移動-電壓”轉換。這意味著，當我們移動滑動觸點時，我們改變了輸出電壓。

3. 改變 Vin1（電位器阻值不變，Vin2 = 常量）。

在這種情況下，我們進行了“電壓-電壓”轉換。當我們改變電壓 Vin1 時，我們改變了 Vout。換句話說，這是一個由左側控制的“電壓-電壓”轉換器。

4. 改變 Vin1 和 Vin2。

在這種情況下，我們“發明”了電壓求和器。

如果這些電壓的極性相反，我們的電路將成為一個比較器。在電位器上的某個位置，我們有一個電位為零的點，稱為“虛擬地”。

在這裡，我們插入了一些關於虛擬地點的維基百科考量。

虛擬地（或虛擬地）是電路中保持在穩定參考電位的節點，而沒有直接連線到參考電位。在某些情況下，參考電位被認為是地球表面，因此參考節點被稱為“地”或“地球”。

虛擬地概念有助於運算放大器和其他電路中的電路分析，並提供有用的實際電路效果，這些效果用其他方法很難實現。

在電路理論中，一個節點可以具有任何電流或電壓值，但虛擬地的物理實現將具有電流處理能力的限制和非零阻抗，這可能會產生實際的副作用。

--Ludmila&Konstantin (討論) 12:15, 2008 年 5 月 17 日 (UTC)

實驗室 2: 改進真正的歐姆實驗

2008 年 3 月 18 日星期二，13.45 時

歐姆定律

1. 歐姆定律處理理想導體中電壓和電流之間的關係。這種關係表明，理想導體兩端的電位差（電壓）與其透過的電流成正比。比例常數稱為“電阻”，用 R 表示。歐姆定律表示為：V = I.R，其中 V 是兩點之間的電位差，包括電阻 R。I 是流過電阻的電流。對於生物學工作，通常更喜歡使用電導率 g = 1/R；在這種形式下，歐姆定律為：I = g.V 2. 服從歐姆定律的材料稱為“歐姆材料”或“線性材料”，因為其兩端的電位差與其透過的電流呈線性關係。

3. 歐姆定律可用於求解簡單電路。完整的電路是指閉合迴路。它包含至少一個電壓源（從而提供電勢能的增加），以及至少一個電位降，即電勢能減少的地方。完整電路中各電壓的代數和為零。

4. 電路中電勢能的增加導致電荷從低電位（即電壓）移動到高電位。注意電勢能和電位的區別。由於靜電力試圖將正電荷從高電位移動到低電位，因此電池內部必須有另一個“力”來將電荷從低電位移動到高電位。這種被稱為“力”的力稱為電動勢或emf。emf 的 SI 單位是伏特（因此，它不是真正的力，儘管其名稱如此）。我們將使用指令碼 E 來表示 emf。

電勢能的減少可以透過多種方式發生。例如，由於電路中的電阻導致的熱量損失可能是能量下降的一個來源。由於能量守恆，emf 兩端的電位差必須等於電路其餘部分兩端的電位差。也就是說，歐姆定律將得到滿足：ε = I.R。

5. 這裡有一個很棒的歐姆定律模擬實驗，供您測試您對該概念的理解。使用“後退”按鈕返回到此位置。 VanyaShiderova66b (討論)

實驗室 3：電晶體電路（試圖建立一個“二極體”電流映象）

2008 年 4 月 8 日星期二，13.45 時 （摘自固態錄音機記錄的實驗室記錄） Circuit-fantasist 18:56, 2008 年 5 月 29 日 (UTC)

本實驗的目標是將最簡單的電晶體電流源（你來自 65b 組的同事一小時前製作的）轉換成一個電流鏡電路。你可以檢視白板上的討論內容，以及他們製作的原型電路板。首先，我們來分析和討論他們的作品，然後嘗試將其轉化成我們想要的電路。

觀察白板上你同事留下的電路。你看到了什麼？它是什麼？這個電路的設計理念是什麼？電晶體在那裡起什麼作用？它的行為是什麼樣的？電位器在做什麼？這些固定的電阻是什麼？為什麼他們將它們與可變電阻串聯？每個元件在這個電路中起什麼作用？

讓我們開始推理，揭開這個典型電晶體電路的秘密...

理解電晶體

我們必須從某個地方開始；我們需要一些想法來開始討論... 因此，讓我們首先考慮無處不在的電晶體。它是一個三端器件... 他們是如何在這裡連線它的？我們如何連線三端元件？他們將其中一個引腳連線到地；因此，三引腳電晶體被連線成一個四引腳器件。此外，為了理解更復雜的三個端電晶體，我們可以將其分解成更簡單的兩個端部分。例如，我們可以先將輸出集電極-發射極部分作為一個兩端“元件”，將輸入基極-發射極部分作為另一個兩端“元件”；然後，開始推理電晶體的作用。

改變輸入電流

驅動電晶體最簡單的方法是用電流。為此，我們只需要在電源和電晶體的基極之間連線一個基極電阻 Rb；為了簡單起見，讓我們連線相同的負載電阻 R_L = Rb。結果，我們得到了一個電流放大器（Ic = βIb）而不是我們想要的電流鏡（Ic = Ib）。我們如何使電流相等？

改變輸入電壓

我們可以將第二個電阻（實際上是一個電位器）並聯連線到基極-發射極結點，將多餘的電流從基極引流到地。我們可以在哪裡驅動電晶體？輸入是什麼？基極和發射極之間的電壓驅動電晶體。我們可以在電路的左側識別出無處不在的電位器和一個串聯連線的固定電阻。因此，顯然，設計理念是用電壓驅動電晶體。電晶體的工作模式是什麼（飽和、放大或截止）？還連線了測量裝置——兩個電壓表和一個（毫安）電流表。

我們可以用這個電路做什麼？我們可以一個接一個地改變它的屬性，並觀察它對我們干預的反應。讓我們開始改變輸入電壓。如果我們將 P 的滑塊向下移動到末端位置，會發生什麼？然後輸入電壓是多少？零。是的，沒有輸入電壓。電晶體的輸出集電極-發射極部分處於截止狀態。集電極和發射極之間的電阻無窮大；輸出電路中沒有電流流動。因此，你可以將電晶體看作一個可變電阻，在這些條件下（零輸入電壓）它具有無窮大的電阻。為什麼電壓表 V₁ 顯示最大電壓（等於電源電壓）？解釋起來並不容易... 好吧，我們已經討論過這種現象。我們有一個電阻，它的上端連線到電源的正軌。它的下端電位（相對於地面的電壓）是多少？

一種可能的觀點是將這個電路看作一個分壓器，其中 R₁ = R_L，R₂ = ∞（R₂ >> R₁；因此，K ≈ 1。另一個觀點是看到電阻 R₁ 並不起作用，因為沒有東西可供它抵抗（沒有電流流動）。實際上，電路中沒有連線電晶體；我們可以從白板上擦除它...

電晶體只是一個可變電阻

現在開始向上移動電位器的滑塊。在給定的時刻，輸出電壓 V₂ 開始降低；停止時，它位於電源軌（0 - 10 V）之間，例如在中間（5 V）。電晶體的模式是什麼（飽和、放大或截止）？它處於“半開”狀態；因此，它處於放大模式。電晶體是如何做到這一點的？它做了什麼特別的事情嗎？不，電晶體在這個區域沒有做任何超自然的事情，它所做的事情與真空管、場效電晶體、變阻器等在它所在的位置所做的事情相同——它只是改變了它當前的電阻。因此，電晶體是一個可變電阻；只是它是一個電控電阻。好吧，如果我們設定了總負載電阻 R_L = 10 kΩ，V_CE = 5 V，電晶體做了什麼？它也設定了它當前的電阻 R_CE = 10 kΩ。它只是與集電極電阻相同的電阻。將這個電路看作一個分壓器，它有兩個相同的電阻；它的傳輸比為 K = 0.5。

這是關於電晶體的概念，我們需要了解電晶體電路是如何工作的。所有有源元件的作用都是一樣的；它們都是電控電阻。因此，所有電晶體電路都包含普通電阻和電控電阻（有源元件）。它們形成了眾所周知的分壓器，其中電晶體被放置在 R₁、R₂ 或兩者位置上。

如果你繼續向上移動滑塊，你可能會達到飽和狀態，其中 V₂ ∞ 0 V，電晶體完全開啟。現在的電流是多少？根據歐姆定律，它具有最大值：I = V_CC/R_L。

改變負載電阻

我們是如何得出結論，電晶體的輸出部分表現為恆流源的？我們必須以某種方式檢查這種推測。為此，我們必須激發電路，看看它將如何對我們的干預做出反應。好吧，如果我們改變負載電阻 R_L，我們會看到什麼？輸出電晶體特性可以給我們答案。你還記得半導體器件的主題嗎？這些特性是他們最喜歡的主題。只是他們沒有展示如何使用這種電晶體行為。一位學生：特性是水平的；因此，如果負載變化，電流不會改變。是的，這是正確的。但是電晶體做了什麼，它是什麼行為導致了這種特性？

如果我們改變負載電阻，電流會改變嗎？一位學生：是的，會... 但是你怎麼解釋呢？因為答案正好相反——電流沒有變化... 顯然，有些事情與我們的直覺相矛盾，而這就是其中之一... 好吧，看看右邊的那張圖片（來自 68b 組）；它以圖形方式展示了電晶體是如何做到這一點的。兩個 IV 特性疊加在同一個座標系上。第一條曲線是具有電壓 V_CC 和內部電阻 R_L 的實際電壓源的 IV 特性（他們將其命名為“負載線”）。這條曲線的斜率取決於 R_L。如果 R_L = 0，它是一條垂直線；如果 R_L > 0，它會與電阻成比例地傾斜。第二條曲線代表當前的輸出電晶體電阻 (R_CE 或簡稱為 R_T)。

電晶體做的是以下的技巧：如果我們試圖降低/增加負載電阻（以使負載線直立），它會做相反的事情——增加/降低它當前的電阻 (R_CE 或簡稱為 R_T)，以便交叉（工作）點沿著電晶體幾乎水平的輸出特性移動。結果，電流幾乎保持恆定。你可以看到這個動態恆流源的設計理念是多麼簡單。它僅包含兩個元件：一個電壓源和一個與電阻負載串聯的動態電阻。動態電阻的電阻補充了負載電阻以達到恆定值 (R_L + R_T = const)；因此，電流是恆定的——I = V_CC/(R_L + R_T)。簡而言之，動態電阻保持著電阻的總和恆定。

結論：如果你將電晶體和電阻串聯連線起來，並開始改變電阻的電阻，電晶體也將開始改變它當前的電阻，以使電阻的總和保持恆定；結果，電流保持恆定。電晶體充當一個可變的動態電阻，作為電流穩定電阻（具有保持恆定電流特性的元件）。

電阻上的壓降呢？它會變化嗎？移動滑塊並觀察 V₂。如果我們降低 R_L，負載上的壓降 V_L 也會降低。但是電晶體會增加它當前的電阻 R_T，它上的壓降 V₂ 也會增加。反之亦然；如果我們增加 R_L，負載上的壓降 V_L 也會增加。現在，電晶體會降低它當前的電阻 R_T，它上的壓降 V₂ 也會降低。

結論：如果我們改變負載電阻，電流保持恆定，但電壓在很寬的範圍內變化。

然而，在某一刻，電晶體耗盡了其儲備電阻；它飽和，其兩端的電壓 V₂ 變為零。動態化的魔力消失，如果繼續改變負載電阻，電流將根據歐姆定律變化。

改變電源電壓

除了負載電阻，我們還可以改變電源電壓。再次看看白板上的圖片，回答這個問題，“如果我們改變電源電壓 V_CC，電流會保持恆定嗎？” 好吧，在實驗室設定中試試。正如我們所見，電流發生了變化。為什麼？問題是什麼？

當我們改變電源電壓時，電晶體會像以前一樣對這種新的“干預”做出反應：如果我們增加 V_CC，它會增加其目前的電阻 R_T，反之亦然。電晶體將保持一個恆定的比率 V_CC/(R_T + R_L)。但是電流仍然在變化... 原因是什麼？一名學生：輸入電壓變化。是的，這就是原因... 這個電路的悲劇在於，他們用相同的電源為輸入電壓分壓器供電。但我們沒有另一個電源。那麼我們該怎麼做才能使電流在改變公共電源電壓時保持恆定呢？

一名學生：...新增另一個電晶體...我不知道；告訴我你將把這個額外的電晶體放在哪裡。你必須有一些想法來放置它。電晶體穩定什麼？所有同事都理解電晶體穩定電流嗎？電晶體是電流穩定器，而二極體是電壓穩定器。這種電壓穩定元件的特性是垂直線。所有電壓穩定元件（二極體、齊納二極體、LED 等）都具有這樣的特性；它們表現得像電壓源。

一個真正的二極體設定輸入電流

另一名學生：...放置一個二極體...是的，這是正確的答案，放置一個二極體，但現在你必須說在哪裡。請在白板上寫下來；這裡有白板筆。不要因為我們“發明”了在白板上塗鴉的電路而感到困惑。另一個選擇是在幻燈片或Powerpoint演示中展示“現成的”漂亮的電路...

好吧，你的同事開始畫一個二極體；她是在正確的方向上畫的嗎？順便說一句，我知道有些二極體通常是反向連線的。它們是什麼？學生：...齊納二極體...正確，但讓我們使用一個普通的二極體。只有，讓我們正確地連線它...電路寫正確了嗎？

另一名學生：讓我們擦掉電位器...去畫出你的意思。也許，最好不要移除電位器；相反，把它畫得更高，並正確連線，作為一個變阻器（不要忘記連線滑塊）。把它作為一個讓我們能夠調節輸入電流的元件。現在是拍攝一些照片的時候了。這個房間不太適合拍攝照片，因為它不像好萊塢工作室，但你的同事們做了一些很棒的事情；所以，他們應該被永久儲存下來：）

你不覺得是時候在網路上尋找類似的解決方案了嗎？為此，在 Google 視窗中輸入 "電流鏡"。和往常一樣，相應的維基百科頁面（過於正式和無聊）仍然在第一個位置。

那麼讓我們看看 Tony Kuphaldt 關於電流鏡的頁面。一開始，他正在討論 Ebers-Moll 二極體方程。我們可以看到負載和電晶體，現在我們驚奇地喊道——這裡有相同的二極體！Tony Kuphaldt 提出了我們同事也提出的建議——透過在基極-發射結並聯連線一個正向偏置的二極體來改進電路。然後，作者開始講述連線一個普通二極體的好處。

讓我們仔細研究 Tony Kuphaldt 的電路，因為我有以下想法。因為他是一位非常優秀的老師和優秀的網路作家，我打算給他寫一封電子郵件，描述我們的 Wikibooks “開放式學生專案”，並邀請他加入。更具體地說，我會告訴他，你和我和我們所有人是如何共同想到他的想法的；然後，我們如何檢驗它並發現它是正確的（或者不，現在我們必須決定）。這就是為什麼判斷他的電路非常重要的原因。

Tony 聲稱流過負載的輸出電流等於流過二極體的輸入電流：“因此，流過電阻 Rload 的電流是偏置電阻設定的電流的函式，兩者幾乎相等。”但這是真的嗎？讓我們試試。

誰會焊接？選擇一個二極體，把它焊接到原型 PCB 上，並測量電流。據我記得，你的同事曾經說過，一個電晶體包含兩個二極體。這裡我們需要一個二極體，其 IV 曲線與驅動負載的電晶體的 IV 曲線相同。那麼什麼想法會產生呢？假設我們沒有一個普通的二極體；我們只有電晶體...

一個基極-發射極電晶體“二極體”設定輸入電流

用一個基極-發射極電晶體結替換真正的二極體

我們可以使用電晶體作為二極體嗎？是的，我們可以。在這種情況下，我們可以連線一個相同電晶體的基極-發射極結（使集電極不連線）作為二極體。一名學生：是的，這是 Tony Kuphaldt 的下面那個電路...

他們經常使用這個“技巧”... 即使電晶體可以“半損壞”；我們只能使用它的一個結（在這種情況下，我們只需要基極-發射極結）。誰來畫新的電路？讓同事來畫吧。讓集電極不連線。嘗試以更對稱的方式繪製電路，並將其與基極轉到另一個基極；這樣我們更容易得到偉大的電流鏡電路。最後，用綠色的電流回路畫出電流流動的方向。所有的電流都從電源電壓源的正極開始，並返回到負極。首先，一個輸入電流從正軌下降，流過基極電阻，併到達兩個基極之間的公共點。在這裡，它撞擊了兩個並聯連線的 PN 結（我們假設它們是相同的）。那麼，它會做什麼？電流將分成兩個方向——向左和向右；有兩個基極電流 I_B。

Tony Kuphaldt 的想法是什麼？它斷言，如果我們透過一個包含電阻和二極體（或充當電壓穩定元件的基極-發射極結）的穩定器建立一個輸入電壓，並將此電壓應用於另一個電晶體的基極-發射極結，則這兩個電流（輸入電流和輸出電流）將幾乎相等。簡而言之，由於兩個電壓相等，因此兩個電流相等。

然後尋找另一個但相同的電晶體並將其焊接。誰會來展示一下？只有，讓我們在輸入電路中連線另一個毫安表。我們可以期待這兩個電流絕對相等嗎？不，我們不能，因為兩個電晶體不是絕對相同的；它們沒有被選擇。他們特別是在積體電路中製造了這種結構。誰會焊接？看看白板上的電路，並在原型板上實現它。不要移除串聯連線到電位器的穩壓電阻。它為什麼在那裡？當有人將電阻設定為零時，它可以保護電晶體的基極-發射極結。

順便說一句，我從未做過這個實驗；所以，我不知道會發生什麼。結果可能是積極的，但也可能是消極的... 你對這些電流有什麼看法？它們相等嗎？好吧，我們稍後會檢查它們。現在讓我們整理一下測量裝置。讓電壓表跨接在輸出電晶體兩端；我們需要它來知道電晶體是否處於有源區。兩個毫安表將顯示兩個電流。

現在將輸入電阻的滑塊向上移動，增加輸入電流。輸出電流怎麼樣？它沒有“移動”，保持不變（大約 2 mA）。為什麼？測量輸入電壓（基極和發射極之間）以瞭解原因。正如我們所見，它大約為 0.65 V。這意味著什麼？也許電晶體飽和了……為了確保，還要測量輸出電阻上的電壓 V_CE。您需要一個電壓表；將電流表切換為電壓表，並將其連線到第二個電晶體的集電極-發射極部分。只需要用一根導線閉合迴路（使用兩端有鱷魚夾的導線）……

出現問題：電晶體冒煙了！

哦！電晶體開始冒煙了！它很熱！但為什麼？發生了什麼？不可能！如果您的電路是白板上繪製的電路，電晶體不應該發熱，因為在基極和集電極電路中連線了 3.9 kΩ 的“保護”電阻！還有其他原因，您必須找到它，因為它對我們非常有用。IMO，有些連線錯誤……您可以檢查保護電阻，看它們是否是 3.9 kΩ。是的，它們是。

一個學生：我已經找到了原因 - 我們繞過了連線在集電極上的所有電阻！也許電晶體沒有損壞？

好吧，讓我們檢查一下。唉！集電極-發射極之間沒有電壓；看來電晶體壞了。或者只是飽和了？

我們的實驗結束了。您來自下一個小組 67b 的同事將繼續您的工作。

（到這裡，記錄結束） 電路幻想家 2008 年 6 月 2 日 17:22 (UTC)

實驗 4：運算放大器反相放大器

2008 年 4 月 22 日（星期二） 13.45

1.負反饋（NFB）原理

負反饋的主要思想是將輸出 (Y) 返回到裝置的輸入 (X)（圖 1）。換句話說，我們可以將這種想法理解為一種主動的“跟蹤”或“跟隨”。每個具有負反饋的裝置都會“解決”方程X=Y。為了做到這一點，我們首先需要能量 (E)。另外，我們需要一個調節元件 (R) 來控制輸出量Y。我們的 NFB 裝置中的第三個元件是一個比較器 (-)，它將“分析”X 和Y 之間的差異，並將結果提供給調節元件，調節元件必須將差異降至零。

裝置和系統使用 NFB 來補償工作過程中可能發生的任何干擾。

圖 1：[1]

2.電壓跟隨器

這是最簡單的運算放大器配置。它跟隨傳送的電壓。這是一個非常有用的小型電路。您可以使用它來保護電路免受過載。具有理想運算放大器的電壓跟隨器簡單地給出 Vout = Vin。首先，我們有一個帶有 NFB 的運算放大器：圖 2：[2] 然後我們新增 2 個電阻：圖 3：[3] 現在我們有了電壓跟隨器！！！

瞭解串聯的 2 個電阻具有減去 2 個電壓的能力是有益的：圖 4：[4]。一個有趣的事實是，在嘗試補償干擾時，跟隨器正在變成運算放大器。

這裡我們可以看到理想電路中的一個電阻加法器：圖 5：[5]

Yanita Petkova --閃耀的明星 (討論) 2008 年 5 月 17 日 23:33 (UTC)

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