電路創意/小組 68a
我們是來自計算機系統學院，索菲亞理工大學的學生。我們 68 小組分為兩個小組；我們構成第一個 68a 小組。以下是我們的姓名
卡特琳娜·斯拉沃娃，埃莉奧諾拉·託多羅娃，拉多斯拉夫·丹切夫，赫里斯蒂娜·馬拉科娃，埃萊娜·赫里斯託娃，盧博米爾·內迪亞爾科夫，迪米塔爾·佩特科夫，艾哈邁德·卡拉曼，阿爾珀·穆特魯，塔梅爾·艾丁和基里爾·克雷拉諾夫。
在本實驗中，我們討論瞭如何構建轉換器以及如何使用 Microlab 系統研究它們。首先，指導老師向我們介紹了轉換器的含義。
轉換器是一種裝置，它將來自模擬裝置（如麥克風）的電壓的連續波動轉換為數字資訊（?!?! Circuit-fantasist (討論) 06:29, 19 May 2008 (UTC))，這些資訊可以儲存或處理在取樣器、數字訊號處理器或數字記錄裝置中。轉換器通常分為兩種型別：電壓到電流轉換器和電流到電壓轉換器。
在本實驗中，我們回到了幾個世紀以前。我們感覺自己身處歐姆的原始實驗室。格奧爾格·西蒙·歐姆生活在 1789 年至 1854 年間。他的發明令人驚歎。即使在今天，我們也把他認為是最古怪、最有創造力的人之一。在他的一個實驗中，他取了一段導體。他在兩端拉伸了它。他開始測量兩端的電壓和電流。但在那些年裡，沒有現代儀器，也沒有像我們現在可以使用的那些便利設施——他用原始的東西創造了電的歷史。所以他用指南針測量電流，用靜電計測量電壓。
遵循他的想法，我們試圖在實驗室條件下重複他的實驗。我們決定讓我們的科學實驗更有趣、更具吸引力。我們沒有使用導體，而是使用了石墨。石墨具有阻抗，因此它具有電壓。我們發現，如果我們測量導體的兩端，其中一端為 0V，另一端為最大 V。 赫里斯蒂娜·馬拉科娃 68 (討論) 2008 年 3 月 20 日星期四，下午 4:45
惠斯通電橋以查爾斯·惠斯通爵士的名字命名，儘管他並不是這種電路的實際發現者。實際上，是他發明了它的用途，但第一個描述這個著名電路的人是塞繆爾·亨特·克里斯蒂。在實驗開始時，我們討論了惠斯通電橋的結構，它由一個公共電壓源組成，該電壓源連線兩個包含四個電阻的並聯分支。當我們深入研究這種結構時，我們得出一個結論，即它由兩個分壓器組成。然後，我們使用兩支鉛筆的石墨作為分壓器來構建惠斯通電橋，然後對其進行了研究。這對於我們小組的所有學生以及講師來說都非常有趣 :) （這段文字由 拉多斯拉夫·丹切夫 編寫）
卡特琳娜·斯拉沃娃，扎麗娜·彭科娃 65gr，埃莉奧諾拉·託多羅娃，拉多斯拉夫·丹切夫，赫里斯蒂娜·馬拉科娃，埃萊娜·赫里斯託娃，盧博米爾·內迪亞爾科夫，帕夫林·斯托亞諾夫 64，迪米塔爾·佩特科夫，喬治·吉茲多夫 65，艾哈邁德·卡拉曼 68，阿爾珀·穆特魯 68，塔梅爾·艾丁 68，瑪麗亞·格奧爾基耶娃 65 和基里爾·克雷拉諾夫。
2008 年 4 月 3 日星期四，下午 4:45
“電晶體可能是 20 世紀最重要的發明，而發明背後的故事充滿了衝突的自我和絕密的研究。”
問題始於 1907 年，當時 AT&T（美國電話電報公司）面臨著亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的電話專利到期後出現的競爭。而解決方案是跨大陸電話服務。1906 年，古怪的美國發明家李·德福雷斯特開發了真空管三極體。它是一種可以放大訊號的裝置，包括人們希望在電話線上傳輸的訊號，因為它們從一個交換機箱跨越到另一個交換機箱。AT&T 買下了德福雷斯特的專利，並極大地改善了該管。它允許訊號沿線路定期放大，這意味著只要沿線路有放大器，電話對話就可以持續任何距離。但使這種放大成為可能的真空管極其不可靠，耗電量過大，並且產生熱量過高。
二戰結束後，一支由物理學家、化學家和工程師組成的科學家團隊被組建起來，旨在開發一種固態半導體開關來替代有問題的真空管。1947 年 11 月 17 日，沃爾特·布拉頓，一位能製造或修理幾乎所有東西的實驗物理學家，在一個裝滿水的保溫瓶裡進行了一次實驗。他製造的矽裝置本應幫助他研究電子在半導體表面上的行為。這個浸水的裝置創造了布拉頓迄今為止見過的最大放大倍數。透過開啟正電壓，他進一步增加了效果；將其改為負電壓可以完全消除它。似乎電子在表面上阻止放大的行為，在某種程度上被水抵消了——建造放大器的最大障礙已被克服。不幸的是，這種巨大的放大倍數躍升只適用於特定型別的電流——頻率非常低的電流。這對於電話線來說是行不通的，因為電話線必須處理人聲中所有複雜的頻率。因此，下一步是讓它在所有頻率下都能工作。
事實上，該裝置的工作原理就好像根本沒有氧化層一樣。當布拉頓反覆戳弄金觸點時，他意識到那是因為根本沒有氧化層。他無意中把它洗掉了。布拉頓對自己感到非常憤怒，但他還是決定繼續調整點接觸。令他驚訝的是，他實際上獲得了電壓放大——更重要的是，他可以在所有頻率下獲得它！金觸點在鍺中製造了空穴，這些空穴抵消了表面電子產生的影響，就像水做的那樣。但這比使用水的版本要好得多，因為現在，該裝置在所有頻率下都提高了電流。
布拉頓已經設法在某些頻率下獲得大的放大倍數，並且在所有頻率下獲得小的放大倍數——現在他只需要將兩者結合起來。他知道關鍵部件是一塊鍺片和兩個相隔只有幾分之一毫米的金點接觸。沃爾特·布拉頓用金箔圍繞一個塑膠三角形，並在其中一個點上切開。透過將三角形的尖端輕輕地放在鍺上，他看到了驚人的效果——訊號透過一個金觸點輸入，並在它透過另一個金觸點輸出時增強。第一個點接觸電晶體誕生了。
他在 12 月 23 日的一次小組會議上展示了這個小小的塑膠三角形。這是官方的——這個小小的鍺、塑膠和金部件是第一個工作的固態放大器。
(本文由 Radoslav Danchev 撰寫)
在白板上構建電路
[edit | edit source]電晶體作為放大器
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這個實驗室練習的第一部分是在白板上構建一個電晶體開關。我們從關於電晶體行為的討論開始。講師問我們電晶體的真正功能是什麼，電晶體由哪些部分組成。知道答案的人很少。我們從前一年瞭解到電晶體可以放大電流。但在這次練習中，我們深入研究了它的結構，並理解了電晶體只不過是一個受電控制的電阻器。實際上並沒有真正的放大。電晶體的真正功能是調節而不是放大。（本文由 Radoslav Danchev 撰寫）
在實驗室課程中，我們以電子學中通常解釋的方式來想象電晶體——就像一個可變電阻器。它們是電控電阻器，被稱為有源電晶體。通常，電晶體兩端的電壓會增加其值，但實際上它會衰減。電晶體會降低電源電壓。似乎電晶體可以調節它——這是電晶體的主要功能之一。
讓電晶體充當開關
[edit | edit source]在討論完什麼是電晶體之後，我們開始討論電晶體開關的意義。我們得出結論，這是一種具有兩種狀態的元件——OFF 和 ON。當開關關閉時，沒有電流流過它，因此電晶體關閉。發射極-基極結上的耗盡區很大。基極和發射極之間沒有電位差。發射極-集電極端子作為開路。第二種狀態是 ON——然後電晶體以最大的能力開啟。基極-發射極結上存在電壓。發射極-基極結上的耗盡區儘可能縮小。這裡有一個關於電晶體開關的簡報：http://www.wisc-online.com/objects/index_tj.asp?objID=SSE3703 非常有趣！看看吧！
最終，我們瞭解了電晶體和電晶體開關的具體含義，以及它們的通用用途。因此，我們開始構建一個。構建方案在照片中。 Hristina Malakova68 (talk)
使用更簡單的轉換器組裝電晶體開關
[edit | edit source]- 這裡有一些關於電晶體開關電路的問題。在這個電路中，基極電阻 Rb 實際上做什麼？我們是否可以將 1000V 或更高的電壓施加到電晶體開關輸入端？集電極電阻 Rc 在這個電路中實際上做什麼？提示：將電晶體開關表示為由三個轉換器組成的電路（一個 電壓到電流、一個電流到電流和一個 電流到電壓 轉換器）。請參見下面的圖片。 Circuit-fantasist (talk) 14:32, 20 April 2008 (UTC)
將電路安裝在原型 PCB 上
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上面的圖片展示了我們如何構建一個電晶體開關。這對我們來說是一個非常有趣的任務。我的一些同事也參與了這個專案。我非常認真地觀察著他們。首先，講師找到一個原型印刷電路板 (PCB)，並交給了我們。然後我們開始構建我們的“發明”。我們將電源電壓焊接到 PCB 上。然後，我們將 npn 電晶體放在板上。焊接它的引腳非常困難……但我們成功了！
調查電路
[edit | edit source]然後我們放了一個燈泡，用作集電極負載。燈泡的電流值為 100mA。我們將一個按鈕連線起來，用於控制燈泡的開閉。我們將按鈕焊接在電源正極和電晶體基極之間。當燈泡關閉時，按鈕也關閉。在這種情況下，電晶體被截止。我們還連線了一個接觸點，可以在那裡測量電晶體開關的輸出（集電極）電壓。這是我們在我們的“發明”上做的最後一步。我們的電晶體開關工作得很好，我們測試了幾次。非常棒。值得一做。
得出結論
[edit | edit source]最後，我們得出結論，如果我們想讓電晶體開關正常工作，我們必須注意一些情況
- 電晶體必須完全飽和。否則它會開始發熱。
- 如果 Rb 不夠小，電晶體會被阻塞，並且會開始發熱。它的行為將類似於放大器。
- 電晶體必須處於兩種最終狀態——飽和（完全導通狀態）或截止（截止狀態）。
實驗 4：帶正反饋的運算放大器觸發電路
[edit | edit source]讓帶滯後的比較器具有記憶功能（“發明”一個基本的觸發器）
一個簡單的反向比較器
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問題：錯誤切換。
在本實驗中，我們有機會討論了最有趣的電子元件之一——放大器，特別是運算放大器。運算放大器可以有或沒有反向連線。那些沒有反向連線的放大器極其敏感。講師告訴我們，最簡單的無反向連線放大器是比較器。該器件的功能是記錄電流透過放大器時的狀態。比較器是一種邏輯訊號，這意味著：“+”對應於“1”，而“-”對應於“0”。Hristina Malakova68 (talk)
在電路中引入滯後
[edit | edit source]具有滯後的系統可以概括為一個系統，該系統可以處於任意數量的狀態，而與系統的輸入無關。許多物理系統自然地表現出滯後。人類設計的系統有時會有意地表現出滯後。例如，考慮一個控制爐子的恆溫器。爐子要麼關閉，要麼開啟，中間沒有其他狀態。恆溫器是一個系統；輸入是溫度，輸出是爐子的狀態。如果我們希望保持 23 度的溫度，那麼我們可以將恆溫器設定為在溫度降至 21 度以下時開啟爐子，並在溫度超過 25 度時關閉爐子。該恆溫器具有滯後。假設溫度為 24 度。根據這些資訊，我們無法預測爐子是否會開啟；無法預測恆溫器的瞬時輸出，只知道其瞬時輸入。（該文字由 Eleonora Todorova 撰寫）
正如我們之前所說，當運算放大器沒有反向連線時，它極其敏感，其電壓-電流特性會發生變化。為了忽略這種變化，使用了稱為滯後的現象。滯後實際上是一種正向反向連線。它的工作原理就像筆的按下或抬起。沒有平均狀態——筆要麼按下，要麼抬起，這就是滯後的機制。它增強了放大器在相同方向上的效能，這就是變化消失的方式。為了在比較器方案中使用滯後，我們需要改變電源的型別。它不能是硬電源，而應該是一個方案（運算放大器）可以自行控制的電源，且朝正向控制。我們在方案中添加了一個分壓器。這允許電流透過電阻器 R1 和 R2，它們的阻值相等。Hristina Malakova68 (talk)
在白板上視覺化電路
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在白板上調查電路
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這是一個施密特觸發器，它是由一個運算放大器構成的。正如您在圖片中看到的，我們首先在白板上繪製了它的傳輸特性。然後，我的同事之一和老師在白板上進行了演示，向我們展示了電壓是如何變化的。它就像一個動畫。Hristina Malakova68 (talk)
用滯後曲線說明電路的工作原理
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滯後代表物理系統的歷史依賴性。如果你推動某物，它會屈服：當你釋放時，它會完全彈回嗎？如果沒有，它就表現出滯後，在某種廣義上。這個術語最常用於磁性材料，就像韋氏詞典所暗示的那樣：當來自麥克風的訊號的外部磁場關閉時，磁帶中微小的磁疇不會恢復到它們的原始配置（按照設計，否則你對音樂的記錄就會消失！）滯後發生在許多其他系統中：如果你在切割一塊堅韌的肉時對你的叉子施加一個很大的力，它並不總是會恢復到它的原始形狀：叉子的形狀取決於它的歷史。
滯後可用於過濾訊號，使輸出透過考慮最近的歷史而緩慢地做出反應。（該文字由 Eleonora Todorova 撰寫）
什麼是施密特觸發器？
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施密特觸發器是一種比較器應用，當輸入電壓向上透過正向參考電壓時，它將輸出電壓切換為負。然後，它使用負反饋來防止輸出電壓切換回另一個狀態，直到輸入電壓透過較低的閾值電壓，從而穩定了切換，防止噪聲在透過觸發點時快速觸發。
在上面的圖中，輸入電壓從零開始增加，沿著底部的水平線。輸出電壓保持在垂直線上的零。但是，當輸入電壓達到 1.7 伏時，輸出電壓從零急劇上升到 5 伏。降低輸入電壓，如頂部的水平線所示，不會導致輸出立即降至零。只有當輸入電壓降至 0.9 伏時，才會發生這種情況。輸入電平（輸出上升到最大值的電平）和輸入電平（輸出下降到零的電平）是不同的（該文字由 Radoslav Danchev 撰寫）。
- Radoslav，我還沒有理解為什麼滯後曲線向右傾斜。請解釋一下。Circuit-fantasist (talk) 13:44, 28 April 2008 (UTC)
- 好吧，現在我同意……Circuit-fantasist (talk) 06:31, 19 May 2008 (UTC)
在下圖中，施密特觸發器的動作以另一種方式演示。黑色圖形表示有噪聲的邏輯訊號。這是施密特觸發器的輸入。綠色圖形是輸出訊號。輸出保持在零，直到輸入超過 1.7 伏。然後輸出急劇上升到 5 伏，並保持在 5 伏，直到輸入下降到 0.9 伏。然後輸出下降到零。從非常嘈雜的輸入中恢復了幾乎完美的輸出（該文字由 Radoslav Danchev 撰寫）。
問題：我們如何讓它記憶？
[edit | edit source]在實驗結束時，我們討論了一個非常有趣的事情——我們如何讓一個裝置記憶。這對我們來說非常激動，因為作為未來的計算機工程師，我們必須瞭解計算機 RAM 的構建方式。這個創造的秘訣如下：
目標是建立一個 RS 觸發器（鎖存器，觸發器），它可以記憶施加到它的訊號。為了獲得觸發器，我們必須獲得 100% 的正向反向連線（反饋）。因此，我們可以獲得一個具有正向反向連線的放大器，這意味著我們必須建立一個滯後。為了獲得正向反饋，我們必須連續連線兩個反相器。
一個觸發器的秘密是為邏輯 1 提供 10V，為邏輯 0 提供 -10V，並在特定時刻將觸發器切換到另一個狀態。我們還需要提供偏置電壓，這意味著傳入訊號必須獲得一個位於滯後迴圈中間的值。換句話說，這個值必須介於兩個閾值之間。Hristina Malakova68 (talk)
如果我們應用一個初始輸入量，其大小在滯後環內，會發生什麼？
一個小貼士：我們能否在這裡使用強大的偏置理念？Circuit-fantasist (討論) 13:49, 28 April 2008 (UTC)