電路創意/小組 67b
我們是來自計算機系統學院，索菲亞理工大學的學生。我們的 67 小組分成兩個小組；我們組成第一個 67b 小組。以下是我們的名字
Dafar Shaban、Nikola Lambev、Kalina Domuschieva、Valeri Kirilov、Reneta Stoycheva、Sofiya Shtarbova、Kiril Rusev、Raya Yunakova、Ina Tacheva、Dimitar Mindalov（在這裡新增你的名字）
2008 年 3 月 25 日星期二，16:45
在本實驗中，我們嘗試利用對著名歐姆定律實驗的知識來“發明”新的模擬裝置。為了檢視我們“新”裝置的圖形，我們使用了Microlab - PC Apple2 連線到 4 個 DAC 和 4 個 ADC。我們進行了一些實驗，這些是我們分析的方案。首先，電源僅連線到電阻的一端，我們測量沿電阻層的電位（第一張圖片）。因此，我們製作了一個線性傳輸到電壓的轉換器。
為了進行歐姆定律實驗，我們需要某種電阻絲。我們的老師給了我們一根加熱絲，所以我們開始用它進行實驗。當我們用導線、電源、電壓表和電流表連線它時，我們開始測量它的電阻。我們還使用了兩種電壓表和電流表 - 老式指標式和新型數字式裝置。在成功構建和連線電路後，我們非常興奮地發現它確實有效。周圍的圖片顯示了我們的電路和進展。
當有兩個電源，並且它們都具有相同的極性時，我們有一個並聯電壓疊加器。這裡 VOUT = r1/(r1+r2).VIN1 + r2/(r1 + r2).VIN1。
如果我們有不同極性的電壓，並且選擇 VIN1 和 VIN2 使得 VOUT=0（稱為“虛擬地”的點），我們將得到一個比較裝置，就像第三張圖片中的方案：VIN2/VIN1 = -(r2/r1)。為了保持 Vout = 0，我們可以使用運算放大器（向下）。這裡 I1.R1=(VIN/R1).R2 或 VOUT/VIN=-R2/R1。
這份實驗報告由 Reneta Stoycheva、Sofiya Shtarbova、Ina Tacheva 和 Valeri Kirilov 撰寫，Raya Yunakova，。
2008 年 4 月 8 日星期二，16:45 （摘錄自固態錄音機製作的實驗記錄） Circuit-fantasist 2008 年 6 月 3 日 05:43 (UTC)
本週二，共有三個學生小組在這個專門用於生產恆定電流的電晶體電路的實驗室中進行實驗。首先，來自小組 65b 的同事們正在構建和研究最簡單的電晶體電流源。來自下一個小組 66b 的學生繼續他們的工作，試圖將最簡單的電晶體電流源轉換為一個 BJT 電流鏡電路。但他們沒有成功，因為在實驗室結束時發生了一起事故 - 主電晶體開始冒煙，他們必須弄清楚原因。這個榮譽落在了你的小組 67b 的肩上，他們需要完成他們的工作......
在我們開始這個實驗室之前，我們必須澄清一些哲學問題。什麼是電晶體？它做什麼？你對電晶體有什麼概念？它是像他們經常描述的那樣一個超自然的“神聖”器件，因此他們用複雜的方程式和分析來掩蓋它嗎？或者它是一個簡單、清晰、直觀的器件，每個人（即使是孩子）都能理解？
一名學生：電晶體由兩個 np 結組成......但也有沒有結的電晶體（例如，MOS 電晶體在輸入部分沒有結）。讓我們用更一般的方式說。另一名學生：電晶體可以放大......但這意味著什麼？該學生：如果我們施加輸入訊號，就會在輸出端出現一個大的訊號。但這不可能；自然界沒有放大。我們不能放大能量。我想更準確地說，沒有放大。我們不能從更少的能量中獲得更多的能量；這根本不可能。
那麼，電晶體究竟是做什麼的呢？好吧，看看你之前同事的最後一張照片（左邊）來自Group 66b。正如你所見，我們畫了箭頭從電晶體中射出。它們代表著電晶體正在散發出的熱量，因為它們在集電極電路中被短路連線了。所以，我再次問你，“電晶體做什麼？正如你所見，我們將三端電晶體拆分成兩個兩端器件，現在我們討論其中一個 - 輸出集電極-發射極“器件”。這裡就是這個“器件”，我已經拿在手上了。它有兩個引線，並且透過這兩個引線連線在電路中...... 我再次問你，“它在這個電路中做什麼？“，“電晶體用它的輸出部分做什麼？”
一個學生：電晶體表現得像電阻一樣。是的，這正是我想聽到的 - “電阻”在該詞的廣義上。除了最流行的資料之外，它們通常不會以這種方式解釋電晶體；它們避免給出這種直觀的解釋（也許是因為電晶體的行為像非線性電阻而不是歐姆電阻）。但是，這是關於電晶體最簡單、最強大的觀點。所以，如果有人問你電晶體做什麼或能做什麼，你可以回答：電晶體唯一能做的事情就是在它連線的電路中“插入”一個電阻，耗散功率，將其散發到空間中，並以這種方式阻礙電流，調節負載電壓、電流和功率。電晶體除了像我們面前的這個可變電阻（變阻器）之外什麼也做不了。當然，還存在電容和電感，但它們是寄生元件，可以忽略不計。
電晶體和簡陋的變阻器之間有什麼區別？首先，電晶體是電控電阻，而變阻器是機械控制的。還有光控電阻 - 光電阻、聲控電阻 - 碳話筒、溫度控制電阻 - 熱敏電阻等等。例如，將這個光電阻連線到歐姆表，照亮或遮蔽它；這樣你就可以測量這個光控電阻的最小（4 kΩ）和最大（300 kΩ）電阻。我們用相同的方式控制電晶體的電阻，只是用電方式。
其次，正如我們在上面提到的，電晶體是非線性電流穩定電阻，而變阻器是歐姆電阻。當他們說“電阻”時，我們隱含地理解“歐姆電阻”；因此，電晶體在廣義上來說是電阻。好吧，讓我們繪製兩種型別的特性。當我們改變歐姆電阻的電阻時，它的IV特性曲線傾斜；當我們改變BJ電晶體的基極-發射極電壓時，它的輸出特性曲線垂直移動，保持平行於自身。
電晶體充當電流穩定電阻
[edit | edit source]我們的最終目的是建立一個由另一個電流控制的電流源。所以，我們必須理解電晶體如何保持恆定電流。我們與你之前來自group 65b的同事一致地考慮了這個話題。我們開始透過建立最簡單的無源電流源（一個串聯連線的電壓源和一個電阻）來解決“產生恆定電流”的問題。然後我們確定了它的不完美之處（如果負載變化，電流也會變化）。所以，我們開始推斷如何製作一個完美的恆定電流源。我們記得他們在電力中如何解決這個問題 - 透過將電壓和電阻增加到無窮大，以便抑制負載的影響。只是，我們注意到這種方法並不完美，因為電阻會耗散大量的能量。然後，我們轉向電子學領域，在那裡這個問題以更巧妙的方式得到解決。你能猜到這個想法是什麼嗎？
好吧，你有一個由三個串聯連線的元件組成的電路：一個電壓源、一個電流設定電阻 R 和一個具有可變電阻 RL的負載。當負載電阻變化時，為了保持恆定電流，我們必須做些什麼？巧妙的想法是什麼？ 一個學生：...... 電晶體、運算放大器...... 也許吧，但這些都是非常具體的解決方案；我們仍然處於“想法”階段。 另一個學生：...... 反饋...... 但我們仍然不知道反饋是什麼。
讓我們繼續以人性化的方式推理...... 例如，如果負載電阻增加，導致電流降低，我們該怎麼做才能恢復電流？ 學生：...... 我們必須降低電流設定電阻 R！反之亦然，如果 RL 降低...... 學生：...... 我們必須增加 R！結果表明，一個奇怪的電阻停留在那裡，它具有獨特的特性，可以根據流過它的電流改變它的電阻。電阻 R 不是一個普通的“靜態”電阻；它是一種可變的、動態的電阻。它仍然是歐姆的，但它是可變歐姆電阻。人們稱這種奇怪的元件為電流穩定電阻。
我們可以在我們人類日常生活中看到這種動態化思想。有些人行為“靜態”；他們對各種干預措施沒有反應。其他人更靈活、更適應、更動態；他們獲勝。
我們開始尋找這樣的元件。在電力中，燈泡有類似的行為（有被稱為巴雷特電阻的 - 熱敏電阻具有正溫度電阻係數）。在電子學中，我們發現電晶體（包括 BJT 和 FET）具有這種行為。請看你的同事們所繪製的圖，圖中展示了電晶體的行為。這種圖形表示的想法是什麼？他們將電路的輸出部分表示為兩個彼此連線的兩端元件 - 一個真實的電源和一個負載（根據戴維南定理，我們可以以這種方式表示所有電路）。真實的電源是一個複合電源；它由兩個兩端元件組成 - 一個理想的電壓源 VCC，具有垂直的 IV 特性曲線，以及一個內部電阻 RL，具有傾斜向右，並從座標原點開始的 IV 特性曲線。兩條特性的差值表示複合真實電源的有效 IV 特性曲線。正如你所見，它向右移動了 VCC 的幅度，並根據 RL 傾斜向左。這看起來可能很奇怪，但在這種表示中，電晶體充當負載，而 RL 充當內部電源電阻？你同意這種觀點嗎？
正如你所見，輸出電晶體特性類似於恆定電流源的特性曲線。兩條特性曲線的交點稱為工作點；它表示這兩個元件上的現有電壓和流過它們的電流。
改變負載電阻
[edit | edit source]現在讓我們開始推斷當我們開始改變 RL 時會發生什麼。如果我們降低它，電源曲線上升，反之，如果我們增加電阻，電源曲線下降。正如他們通常在經典電子學課程中所說，由於電晶體的輸出特性曲線幾乎是水平的，因此工作點幾乎沿著它水平移動；電流的變化微不足道。這種解釋在某種程度上是有效的，但我們想知道電晶體是如何實際做到這種魔術的；它的輸出特性曲線是如何得到的。但沒有人回答這些問題......
請看上面右側的第二張圖片。那裡顯示了什麼？我們看到另一條從座標原點開始的線。這條線是什麼？它代表什麼？正如你可能猜到的，它代表了現有的歐姆電晶體電阻。請記住我們上面是如何表示電晶體的 - 作為具有現有歐姆電阻 RT = VCE/IC 的可變電阻。如果你開始降低 RL，這個“電阻”就會開始增加它的電阻，反之亦然。所以，它表現得像一個可變歐姆電阻。它不是靜態的，而是一個動態的，自我改變的電阻，它以這樣的方式工作，使交點（工作點）沿著幾乎水平的線移動 - 輸出特性曲線。這條線表示工作點的軌跡；它是一條不真實的、虛構的、人造的曲線。只有兩條交叉的線是真實的。
這種解釋試圖解釋動態（非線性）電阻是什麼。所以，讓我們得出結論：動態（非線性）電阻實際上是一個“自變”歐姆電阻。流過它的電流或它兩端的電壓改變了它的現有電阻。
其他元件（例如二極體）具有相反的特性。當我們改變 RL 時，這樣的元件會改變其現有電阻，方向相同，以便保持恆定電壓。所以，它們表現得像電壓穩定元件。
改變供電電壓
[edit | edit source]根據上面的解釋，如果我們開始改變供電電壓，電流將保持恆定：如果我們增加電壓，電晶體將增加其現有電阻，以便 I = VCC/RT 的比率也保持恆定，反之亦然。但它並沒有保持恆定。為什麼？這個安排中有什麼問題？ 一個學生：...... 輸入電壓也變化了...... 是的，沒錯。你的同事感覺事情非常棒...... 顯然，問題是我們從同一個電壓源而不是從一個單獨的電壓源獲取輸入（參考）電壓。這是不正確的，結果是顯而易見的：當我們改變供電電壓時，“參考”電壓也會變化。
結果表明，在實踐中，沒有單獨的電源，或者更常見的是，我們更喜歡使用一個公共電源（例如，一輛汽車只有一個電池，為許多電氣和電子裝置供電）。顯然，我們必須安排好，以便當供電電壓變化時，輸入（參考）基極-發射極電壓不會改變。
看看下面的圖片，看看我們如何開始用來自第66b組的同事解決這個問題。問題是什麼？我們想要保持什麼不變？我們想要保持一個穩定的基極-發射極電壓，即使電源電壓變化，因為水平輸出BJT特性是在給定的基極-發射極電壓下。到目前為止，一個分壓器產生這個電壓；但是分壓器是一個比例器件。那麼，我們需要什麼型別的器件呢？
看著一個新的電路，我們發現更多熟悉的“子器件”；在這裡，我們識別出眾所周知的電壓分壓器。只是，我們想讓它在輸入電壓變化時，其輸出電壓不改變。換句話說，我們已經解決了*保持穩定電流*的問題；現在，我們必須解決*保持穩定電壓*的問題。讓我們概括這些想法。
最簡單的電晶體電流源利用了電晶體在基極-發射極電壓固定時穩定電流的固有能力。根據這個想法，我們需要什麼來構建最簡單的電晶體電流源？首先，我們必須在基極-發射極結上設定一個恆定電壓；所以，我們需要一個恆定電壓源。來自第65b組的同事已經用一個分壓器做到了。注意，還有一個保護電阻（3.9 kΩ）與電位器串聯連線；它限制了基極電流（最大 3 mA），以防有人將滑塊移到電位器的末端。這個簡陋的電阻電路允許我們設定一些輸入電壓，並以此方式將輸出特性移動到給定的位置。因此，我們使電晶體根據上面的解釋，透過負載傳遞所需的電流並保持其恆定。電晶體透過改變其現在的電阻，透過串聯連線到負載的動態電阻，來抵制我們的干預。總電阻和電源電壓保持恆定；因此，電流也保持恆定。透過這種方式，在電子學中，我們足夠聰明，可以製作完美的電流源。
所以，我們需要一個*電壓穩定元件*，我們需要一個*二極體*來獲得所需的壓降。我們如何連線它？*一個學生：它必須是正向偏置的…*在以前，我們必須調整電壓；現在它正好是我們需要的那麼多。更準確地說，我們將透過改變流過它的電流來調整它；當我們顯著改變電流時，這個電壓會略微變化。
來自第66b組的同事在 Tony Kuphaldt 關於電流鏡的頁面上發現了相同的解決方案。
但是我們不僅需要輸出電流；我們需要一個映象輸出電流，其大小等於輸入電流。思考這個問題，我們意識到這兩個元件必須具有相同的特性。只要輸入表現為一個PN接面，我們不就使用另一個PN接面來設定電壓嗎？為此，我們可以使用另一個電晶體的基極-發射極結作為這樣的元件。與上面的“二極體”情況一樣，不需要調整參考電壓，就像我們在分壓器的情況下必須做的那樣。積體電路製造技術允許將這兩個元件做得完全相同。
所以，更好的解決方案是將一個相同電晶體的基極-發射極結連線起來（使集電極沒有連線）。
只是，出現了一個問題 - 輸出電晶體飽和了！為什麼？讓我們再次看看 Tony Kuphaldt 關於電流鏡的頁面，並嘗試找到這個問題的答案。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。”* 他認為這兩個輸出電流相等，因為兩個輸入基極-發射極電壓相等。但這是真的嗎？我們必須在這裡證明這個斷言…
你覺得這兩個電流相等嗎？顯然，輸入電壓相等，因為兩個基極-發射極結並聯連線。但這是否意味著兩個輸出電流相等？我們可以發現電流設定二極體只分流“一個”基極電流 Ib = V/2Rbias，而 T2 的相應集電極電流是 β/2 倍大 - Ic = IL = β.V/2Rbias。
我們可以得出結論，“二極體”電流鏡充當電流放大器（IOUT > IIN），而不是真正的電流鏡（IOUT = IIN）！
現在讓我們記住我們練習的開始，透過以下推理來澄清電位器的作用。假設我們將兩個相同的電阻連線在一起 - 一個基極電阻 Rb 和一個負載電阻 RL = Rb。因此，我們得到一個電流放大器（Ic = βIb），而不是所需的電流鏡（Ic = Ib）。然後，讓我們將第二個電阻（實際上是一個電位器）並聯連線到基極-發射極結，以將多餘的電流從基極引流到地。
好吧，讓我們繼續開發電流鏡電路…
因此，我們得出了將未使用的集電極連線到電晶體基極以將多餘的基極電流引流到地的有力想法。
透過這種方式，我們揭示了輸入電流設定電晶體 T1 的作用；它從輸入電流中去除大部分 - （1 + β）Ib - 並且只為輸出電晶體 T2 留下小部分 Ib。因此，輸入電流和輸出電流幾乎相同。
尤里卡！我們已經“發明”了著名的但從未解釋過的BJT電流鏡電路！我們甚至反駁了關於簡單BJT電流鏡的普遍誤解 - 透過正向偏置二極體或基極-發射極結設定輸入電流的可能性！
如何反轉電流方向是另一個關於基本電流鏡的電路想法故事。
電流鏡是著名網路作者 Tony Kuphaldt 撰寫的關於電流鏡主題的流行闡釋。
2008 年 4 月 22 日，星期二，下午 4:45
在本練習中，我們將重新發明傳奇電路 - 觸發器。首先，我們將揭示記憶的一般想法；然後，我們將使用 NPN 電晶體構建一個 RS 觸發器和一個運算放大器觸發器。為了做到這一點，我們需要知道觸發器可以用於什麼以及我們希望我們的“發明”如何工作。我相信理工大學的每個學生都熟悉這些器件，但由於本書旨在向所有對電子學感興趣的人解釋電子學的想法，因此我將提供一些關於該主題的一般資訊。
觸發器（FF）是數字領域中用於各種用途的器件。正確連線後，觸發器可用於臨時儲存資料、乘法或除法、計數操作或接收和傳輸資訊。每個 FF 根據其型別具有兩個到五個輸入。所有型別 FF 的共同點是它們具有兩個不同的輸出，通常標記為 Q 和 /Q。它們可以處於“0”狀態或“1”狀態，並且始終應該是互補的。這意味著如果 Q 的狀態是“1”，則 /Q 的狀態是“0”，反之亦然。特別是 RS 觸發器用於臨時儲存或儲存資訊，直到需要它為止。單個 RS FF 將儲存一位二進位制數字，即 1 或 0。它有兩個標準輸入 - R，代表“復位”並將 Q 輸出設定為“0”，以及 S，代表“置位”並將 Q 輸出設定為“1”（Raya Yunakova，67）。
我們可以在上面的圖片中看到輸入和輸出，但我們無法理解觸發器的工作原理。我們本次練習的主要目標是揭示“黑盒子”中的內容。基本上，RS 觸發器是最簡單的實用儲存裝置，它基於以反饋配置連線的 NOR 門。TU 的任何人都知道該觸發器的真值表，因此我們不會用這些內容來煩擾你。主要問題是：如何使某物“記住”、“記憶”？如果我們找到答案，那麼我們將知道建立任何型別的觸發器的確切機制。（Reneta Stoycheva 和 Sofiya Shtarbova）
在這裡描述從我們人類日常生活得出的情況（類比），其中某人（某物）沒有記憶開始記憶。例如：狗咬自己的尾巴：)，憤怒的人使自己陷入狂怒：)，雪崩，等等。Circuit-fantasist (討論) 16:14, 2008年5月18日（UTC）
我們從這裡開始。我們有一個雙極結型電晶體，其發射極對輸入和輸出都共用。輸入由電晶體的基極控制，其集電極作為輸出。我們用標記為 * 的按鈕控制輸入。按下按鈕時，輸入電路閉合，電晶體處於啟用狀態。當按鈕未按下時，電晶體處於非啟用狀態，我們無法獲得任何輸出訊號。
結構。這是 BJT 的正常工作流程。但是，在我們的案例中，這還不夠好，因為我們的目標是“發明”一種在沒有輸入的情況下不會改變其狀態的裝置。但怎麼做呢？很明顯，我們需要在電路中新增一些東西來繼續影響電晶體的輸入（基極）。如果我們獲得第二個電晶體並像這樣連線到第一個電晶體會怎麼樣？
第一個電晶體的輸出連線到第二個電晶體的輸入（其基極），第二個電晶體的輸出連線到第一個電晶體的輸入。兩個元件的集電極透過電阻連線到恆壓源。發射極接地。（Raya Yunakova，67）
操作。我們的電路如何運作？當我們將電路投入執行時，左側的電晶體處於非啟用狀態。但是，足夠高的電流流過電阻 Rc1 以啟用右側的電晶體（請記住，我們已經連線了電壓源）。其發射極-基極結正向偏置，因此我們具有等於接地電位的輸出。此輸出影響第一個電晶體的輸入，但不足以啟用第一個元件。我們繼續在其輸出上具有邏輯“1”，這使我們電路中的情況與之前完全相同。這不是我們一開始就想要發生的事情嗎？
看來我們已經完成了目標，並且使電晶體“記住”了！使用這種方法，我們可以建立幾乎任何型別的儲存裝置來滿足我們的目的。我們實際上已經實現了名為“正反饋”的機制。它在電子學中被廣泛用於改變放大器的引數，例如電壓增益、輸入和輸出阻抗、穩定性和頻寬。（Raya Yunakova，67）
在這裡描述問題是什麼以及我們如何解決它。Circuit-fantasist (討論) 17:29, 2008年5月18日（UTC）
在這裡描述我們做了什麼。Circuit-fantasist (討論) 17:24, 2008年5月18日（UTC）
左圖顯示了我們第一次嘗試製作該方案，結果發現是錯誤的 :( 之後我們透過團隊合作以正確的方式完成了它。
本實驗報告由 Reneta Stoycheva 和 Sofiya Shtarbova 完成。
由 Raya Yunakova 更新。