Post

《跟着题库认识业余无线电》系列文章第三十九篇:从电子管到场效应管——三十二道题认全放大、滤波与振荡电路

从电子管的三极管到绝缘栅场效应管,这篇用三十二道题走一遍有源器件的放大原理:三套电极命名、输入阻抗排序、理想运放与封装尾缀,再用二十三张电路图教你把放大组态、低通高通带通滤波器、五种振荡器、三种整流器与环形调制器一眼认出来。

跟着题库学无线电 阅读 0 点赞 0 评论 0

上一批把电阻、电容、电感、变压器这些被动元件翻了一遍,收尾时留下一个问题:谁来放大。放大的道理拆开只有一句,用一点小信号去支配一股大能量。能做到这件事的器件叫有源器件,最早的那一批住在玻璃壳里,后来的主角换成了半导体。

三十二道题从电子管的三极管问起,经过双极型晶体管与场效应管的输入阻抗排序,再进入二十三张电路图。图的样子不少:放大组态、低通与高通滤波、带通、五种振荡电路、三种整流器,还有一只环形调制器。看着杂乱,判图的钥匙其实只有几把,认准元件挂在通路的哪条臂上,多数题不必算就能落笔。

先说清一件事:电源画在图的上边还是下边、元件排得疏还是密、走线拉得多长,都不影响判断。要紧的只有交流信号从哪里进、从哪里出,剩下那个电极在交流上接到了哪里。

一、从电子管说起

真空管(vacuum tube)在中文里也叫电子管,三极管(triode)是它家族里第一种真正具备放大能力的成员。二十世纪前半段的发射机、接收机和早期雷达,有源器件几乎都是它。它的电极名字与后来者完全不同,题目也正是拿这一点做文章。

【MC1-1138】电子三极管的三个基本电极是: 正确答案:A(阴极、栅极、屏极(板极))

阴极、栅极、屏极各有分工。阴极(cathode)被灯丝加热到高温,金属里的电子获得足够能量越过表面势垒逸出,这叫热电子发射;栅极(grid)是夹在阴极与屏极之间的一层金属网,栅压改变阴极表面的电场强度,能飞过去的电子数量随之增减;屏极(plate,又叫板极、阳极)接高正电位,把电子收下来。三套命名因此泾渭分明:真空管用阴极、栅极、屏极,双极型晶体管用发射极、基极、集电极,场效应管用源极、栅极、漏极。选项里出现阴极与屏极这对搭档,答案已经锁定。

顺带点破一个干扰项。阴极、门极、阳极这一组看着也像真空管的词,可门极是晶闸管也就是可控硅的控制极,不是真空管的电极,凑在一起就不成立。记住每个名字属于哪个家族,比死背选项可靠。

【MC1-1139】电子三极管至少应有几个引脚? 正确答案:A(4 个)

电极只有三只,引脚却至少四根。多出来的一根来自灯丝(filament):阴极要被烤热才能发射电子,灯丝是一根电阻丝,两端都得引出接线。直热式管子直接把灯丝当阴极用,灯丝两端加栅极、屏极,正好四根引脚;旁热式把阴极做成套在灯丝外面的金属圆筒,阴极再单独引一根,就是五根。题目问的是至少几个,答案落在四。

早期电池收音机把这套供电分成甲电与乙电,甲电点灯丝,只有一两伏;乙电供屏极,几十到上百伏。维修老机器时被这个电压差咬一口的人不少,几百伏的高压就停在屏极上。

管座上的定位键是另一处不能含糊的地方。管子插进管座有确定方向,定位键对不上就插不进去,硬按下去会把灯丝与屏极的引脚接反,通电瞬间管子就废了。换管之前看一眼管座缺口,比事后惋惜便宜得多。

发射机末级用的功率管至今还在生产,业余圈里做大功率短波功放的人仍会挑它。这类管子的屏极工作时烧到暗红,散热靠强制风冷,机箱里那只呼呼响的风扇多半就是为它准备的;栅极与屏极之间的高压要靠绝缘与爬电距离守住,拆机之前先确认高压电容已经放电。

【MC1-1142】描述电子三极管放大能力的最常用参数、单位及符号是: 正确答案:A(互导(跨导); 单位为毫安/伏;符号为“gm”)

放大能力怎么量,是这一节的关键。栅极离阴极很近,栅压动一点,屏流就动一大截,把两者之比写下来就是跨导(transconductance,也叫互导),符号 gm,定义式是屏流变化量除以栅压变化量。量纲是电流除以电压,也就是安培每伏;电子管的屏流只有毫安量级,手册里统一写成毫安每伏(mA/V)。电导的单位是西门子,一毫安每伏恰好等于一毫西门子,两种写法等价。

举个手算的例子。某只管子栅压升高一伏,屏流增加两毫安,跨导就是两毫安每伏。另一只功率管要五伏的栅压摆动才换来同样的屏流变化,跨导只有零点四,放大能力差了一个数量级。

别把它和晶体管的电流放大倍数搞混。那个倍数用贝塔或 hFE 表示,没有单位,衡量的是基极电流能带出多少集电极电流;跨导衡量的是电压能撬动多少电流。一个管电压,一个管电流,这是两条不同的技术路线。

手册给跨导一定会附测试条件,屏压多少、屏流多少。同一只管子工作点不同,跨导能差出一截,脱离条件谈数字没有意义。

二、三种器件,三种输入阻抗

控制端向信号源要多少电流,决定了前级好不好带。把三种器件摆在一起,输入阻抗从几百欧一直排到近乎无穷大,跨度惊人。

【MC1-1143】若将器件上起控制作用的电极按输入阻抗由低到高排列,则可以是: 正确答案:A(双极型晶体管的基极、结型场效应管的栅极、绝缘栅场效应管的栅极)

差别的根子在控制电极与沟道之间的那个结。双极型晶体管的基极与发射极之间是一个正向偏置的 PN 结,导通时动态电阻很小,典型值几百欧到几千欧,它要从信号源里实实在在地抽走基极电流。结型场效应管(junction field-effect transistor,缩写 JFET)的栅极与沟道之间是反向偏置的 PN 结,几乎不导电,只漏一点点,输入阻抗落在兆欧量级。绝缘栅场效应管的栅极与沟道之间隔着一层极薄的二氧化硅,金属与半导体根本不接触,漏电流只有皮安乃至飞安级,输入阻抗能到十的九次方到十的十五次方欧。由低到高排下来就是:双极型晶体管基极、结型场效应管栅极、绝缘栅场效应管栅极。

这个排序在动手时很有用。接高阻信号源的天线放大器,输入级优先选场效应管,接上去不会把信号压垮;换成双极型管子,前级的输出立刻被拉低。反过来,要求低噪声又要有一定驱动能力时,双极型管子仍有它的位置。

场效应管好用,也有娇气的一面。那层二氧化硅绝缘层薄到几个纳米的量级,人体上积的静电足以把它击穿,而且击穿之后栅极就永久失效。取用金属氧化物半导体管子之前先摸一下接地金属放掉静电,存放时插在导电泡沫里,是几秒钟的习惯,能省掉一只器件的钱。

【MC2-1144】下列哪种元器件可用来实现以较小的电流控制较大电流的功能? 正确答案:AB(晶体管;继电器)

多选题问哪些器件能实现以小控大。判据只有一条:输入端与输出端分不分开,小信号能不能支配大电流。晶体管走的是增益路线,放大区里基极电流小、集电极电流大,两者近似成比例;把管子当开关用,几毫安的基极驱动就能接通几安的负载回路。继电器走的是电磁路线,线圈里的小电流吸合衔铁,触点去切换大电流,控制端与被控端还天然隔离,单片机驱动大功率负载时最常用它。

电阻是线性无源元件,两端电压与电流成比例,没有输入端与输出端之分,也提供不了任何增益。电池能供出大电流,可它听不到小信号,谈不上控制。这两项被排除,理由都落在有没有支配关系上。

驱动需求再大一些的时候,达林顿接法会把两只管子复合起来用,等效电流放大倍数近似等于两只管子放大倍数的乘积,代价是饱和压降稍高、响应稍慢。它在自制设备的电源控制与继电器驱动里很常见。

【MC2-1147】理想运算放大器的基本概念是: 正确答案:AB(在不加负反馈的情况下,也就是开环工作时,其放大倍数为无穷大;这种放大器具有正、负两种极性的输入端,并且输入阻抗为无穷大)

运算放大器(operational amplifier,缩写运放)的理想化模型,是把实际器件的非理想因素全部推向极端。开环工作时电压增益趋向无穷大,两个输入端一正一负,差模输入电阻也趋向无穷大,输入端不取电流。此外理想模型还假设输出电阻为零、共模抑制比无穷大、带宽无穷大,并且没有噪声与失调。实际运放的开环增益大约在十万到一千万之间,也就是一百到一百四十分贝,离无穷远并不妨碍这套模型好用。

由这两条假设能推出分析电路时最常用的两个结论。一是虚短,闭环负反馈下输出自动调整到两个输入端电位几乎相等;二是虚断,输入端几乎不取电流,对信号源来说等于断路。反相放大、同相放大、加法器、积分器,全是从这里长出来的。

另外两个选项错得比较典型。把理想运放说成内部噪声为零的共发射极晶体管放大器,混淆的是器件类型,运放内部是一整块直接耦合的差分放大电路,不是一只管子。说输出电压幅度不设上限也不对,理想化的是增益,输出幅度仍然受供电电压约束,摆到头就会削顶。

高阻抗信号源配上运放,是这套模型最常见的用武之地。话筒、压电传感器、晶体滤波器这类源内阻动辄几十千欧,用一只双极型管子直接接上去,信号会被输入电流拉走大半;换成运放,输入端的电流只有纳安甚至皮安量级,源几乎感觉不到负载,后级再把信号放大、滤波、送进模数转换器。

【MC1-1149】业余无线电作品中常见的一些集成电路,例如运算放大器和微处理器等,有时会在所标型号之后附加字母尾缀,例如 SIP、DIP、SOT、SOP、SSOP、QFP 等。它们用来说明: 正确答案:A(器件的封装形式)

型号尾缀那些字母,是封装(package)形式的代号。同一颗芯片内核往往有几种封装在卖,价格、体积、散热与可焊性都跟着变。买件、画板、焊接这三件事上,认后缀比认型号数字更实用。

常见的几类可以这样记。单列直插封装(SIP)引脚排成一列;双列直插封装(DIP)分两列,标准引脚间距 2.54 毫米,能插在插座里反复更换,最适合实验;小外形晶体管封装(SOT)尺寸很小、引脚三到六只,二极管与三极管常见;小外形封装(SOP)双列鸥翼引脚,间距 1.27 毫米,是贴片时代的主力;缩小型小外形封装(SSOP)把间距进一步压到 0.65 毫米左右;四侧引脚扁平封装(QFP)四边都出脚,引脚数多的芯片用它。

选封装还要看手上有什么工具。双列直插能插面包板、能焊万用板,手边只有一把烙铁时最好用;小外形与四侧扁平封装必须上热风台或回流焊,手工飞线勉强能救急,长期可靠性靠不住。散热也是一条:同样一颗稳压芯片,四侧扁平封装靠焊盘把热导到铜箔上,直插封装靠本体与散热片,选之前先看看机箱里留给它的地方有多大。

三、三张电路图认清放大组态

放大电路按哪个电极做输入回路与输出回路的公共端来分类,双极型晶体管有共发射极、共基极、共集电极三种,场效应管对应共源极、共栅极、共漏极。判图三问:输入信号加在哪两个端点之间;输出信号从哪两个端点取出;这两组端口共同的那个电极是谁,组态的名字就来自它。

这里说的公共端是交流意义上的。电容对交流近似短路,电源两端通常并着容量足够的旁路电容,或者电源本身内阻极低,所以经电容接地的电极、乃至直接接电源的电极,在交流上都可以当成接地。把图上的耦合电容与旁路电容在脑子里短接,再数那两个端口的公共电极,判断题就变成了数数。

【MC1-1150】图中的电路为: 正确答案:A(共基极放大器)

MC1-1150 题图:共基极放大器电路

第一张图的基极经电容接到地,交流上成了公共端,信号从发射极那头进,输出从集电极取,所以是共基极(common base)。它的输入端口直接落在正向偏置的发射结上,交流电阻极小,输入阻抗只有几十欧;输出阻抗却很高。电流增益约等于一,因为进出的几乎是同一股电流,只差一个基极电流。电压增益不小,输出与输入同相,短波段里做宽带放大与高频振荡都合适,五十欧的馈线接到几十欧的输入上,匹配反而好做。

共基极在射频前端有一块专属地盘。集电结电容不再被密勒效应放大,内部反馈小,电路稳定,所以从短波一直到几百兆赫的低噪声放大器都能见到它。代价是输入阻抗低,直接把高阻的晶体滤波器接上去会失配,前面往往要垫一级阻抗变换。

【MC1-1151】图中的电路为: 正确答案:A(共发射极放大器)

MC1-1151 题图:共发射极放大器电路

第二张图的发射极一侧有电容通到地,输入进基极,输出从集电极取出,公共端是发射极,这是共发射极(common emitter)。三种组态里只有它同时给出电压增益与电流增益,功率增益最高,小信号电压放大几乎都用它。代价有两条:输出与输入反相一百八十度;集电结电容经密勒效应折算到输入端会被放大好几倍,高频响应因此变差。

【MC1-1152】图中的电路为: 正确答案:A(共集电极放大器)

MC1-1152 题图:共集电极放大器电路

第三张图的集电极接在电源上,信号从基极进、发射极出,公共端落在集电极,这是共集电极(common collector),更常用的名字叫射极跟随器(emitter follower)。基极电压抬一点,发射极跟着抬一点,输出电压几乎与输入同幅同相,只低了一个发射结压降,电压增益在零点九五到零点九九之间。它的看家本领是阻抗变换:输入阻抗几十千欧,输出阻抗几十欧以下,把高阻信号源与低阻负载隔开。多级放大器的末级要驱动扬声器、长电缆、低阻滤波器,都靠它做缓冲。

这三种组态在一条接收链上的分工,可以这样记:前端要高阻低噪就用共源或共发射极,中间要宽带稳定就用共基极,末级要推动低阻负载就加一级跟随器。记不住名称时,先问信号进哪个极、出哪个极,名字自己就浮出来了。

反相这件事在系统里要提前算清。共发射极与共源极的输出与输入差一百八十度,用它们做振荡器时正好凑相位,用它们做多级放大时却要保证偶数级串联,否则末级推挽的两只管子会同时导通,静态电流一下子冲上去。

判断一个实做的电路属于哪种组态,除了看交流通路,还可以拿万用表量静态电压。发射极电压比基极低一个结压降、集电极电压居中,是按共发射极在工作;发射极电压跟着基极走、只差零点六伏上下,多半是射极跟随器;基极电位接近零而发射极有明显正电压,说明基极被交流旁路电容按在地上,是共基极的接法。量出来的数字与图上的组态对不上,先查管子有没有装反、旁路电容有没有漏焊。

四、滤波电路:怎么看图判断

滤波器(filter)是对频率有选择性的网络:让一部分频率过去,把另一部分挡掉或者引走。识图只需要盯住两件事,串联臂上挂的是什么元件,并联臂上挂的又是什么元件,两条臂的作用方向必须一致,网络才成立。电容的容抗写成 Xc=1/(2πfC),频率越高容抗越小,直流下等于断路;电感的感抗写成 XL=2πfL,频率越高感抗越大,直流下等于短路。把这两句翻译成大白话:电容通高频、阻低频,电感通低频、阻高频。

于是四种组合各有归宿。串联电容挡掉低频,剩下高频能过,是高通;并联电容把高频就近引到地,留下低频,是低通;串联电感拦住高频,同样是低通;并联电感把低频短路掉,放高频往前走,是高通。看到图先别急着算转折频率,先问哪条臂挡谁、哪条臂引走谁。转折频率的算式也不复杂,一节电阻电容网络是 f_c=1/(2πRC);对称的电感电容网络按 1/(π√(LC)) 估算。

电台里几乎每一级都能见到滤波器的影子。接收机前端用带通网络把业余频段之外的中波广播与调频强台挡在外面,混频之后用中频滤波器选出所需的那一段,发射机输出端再挂一只低通,把功放产生的谐波压到限值以下。同样的元件图换个位置就是另一种用途,认图的能力因此比背参数更值钱。

五张低通图先摆在一起看。

【MC1-1159】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(低通滤波)

MC1-1159 题图:低通滤波电路

只有两只元件的那张图,电阻串在通路上,电容从电阻之后的节点跨到地。低频时电容近乎开路,信号经电阻原样送到输出;频率一高,容抗变小,把高频电流从输出节点引向地线。转折频率由电阻与电容的乘积决定,取一千欧配一百纳法,f_c=1/(2π×1000×100×10⁻⁹)≈1.6 千赫,低于它的信号基本通过,高于它的每十倍频程衰减二十分贝。

跨在输入节点上的那只电容先给高频开一条就近下地的路,线圈再串进通路挡住剩下的高频。

【MC1-1160】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(低通滤波)

MC1-1160 题图:低通滤波电路

两条臂都是电抗元件时,识图反而更容易,因为它们的阻抗走向正好相反。取十微亨配一百皮法,按 1/(π√(LC)) 估算,1/(3.14×√(10×10⁻⁶×100×10⁻¹²))≈10 兆赫,正好盖住短波。并联臂摆在上游还是下游,理论频响几乎一样,区别落在阻抗匹配上。

把并联臂挪到负载侧的那张图,线圈先串、电容后并。

【MC1-1161】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(低通滤波)

MC1-1161 题图:低通滤波电路

并联电容靠近哪一侧,那一侧的阻抗越高,分流越有效。信号源阻抗高的场合,把电容放在输入端更划算;负载阻抗高的场合,放在输出端更划算。设计时把并联臂朝向阻抗高的那头,是这条经验最省的用法。

元件加到三只、形状像字母 T 的那张图,两只线圈分列通路前后。

【MC1-1162】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(低通滤波)

MC1-1162 题图:低通滤波电路

中间节点挂一只电容到地,图形像字母 T,这叫 T 形网络。电抗元件从两只变成三只,阶数从二阶升到三阶,阻带衰减斜率从每十倍频程四十分贝变成六十分贝,边带抑制更利落,代价是元件、体积与损耗都上去。

两端各挂一只电容、中间串一只线圈的那张图,形状像希腊字母 π。

【MC1-1163】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(低通滤波)

MC1-1163 题图:低通滤波电路

π 形网络从端口往里看先遇到并联臂,这种形态与阻抗较低的源和负载配合得顺;对偶的 T 形两端都是串联臂,更适合阻抗高一些的场合。五张图看下来,低通的指纹很稳定:凡是串联臂为电感、并联臂为电容,或者干脆是电阻串加电容并,答案都在低通这一边。

高通的五张图,把元件种类对调过来即可。

【MC1-1164】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(高通滤波)

MC1-1164 题图:高通滤波电路

头一张把电容挪到了串联臂上,电阻留在并联位置做负载。容抗与频率成反比,低频下几乎断路,高频下近似短路,通高频阻低频的高通就此成立。电阻本身不选频,只给电容一个确定的充放电回路,转折频率同样是 f_c=1/(2πRC),十千欧配一纳法算出约十六千赫;若换成十千欧配十微法,转折点降到一点六赫兹附近,整个音频段都能通过。音频链路上用它压掉交流声与低频杂音,是很常见的做法。

并联臂换成线圈的那张,情形比上一张更有意思。

【MC1-1165】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(高通滤波)

MC1-1165 题图:高通滤波电路

电阻对各个频率一视同仁,它引走的低频与高频一样多;线圈不一样,感抗与频率成正比,直流下几乎短路。把它跨在输入节点与地之间,低频成分还没走进后面的电路就被吸到地线上,高频则因为感抗很大而畅通。串联电容照旧挡住低频,一个拦、一个引,低频受到双重压制,这是电感电容高通节的典型样子。

相邻的两张图是同一副骨架,选项顺序换了位置。

【MC1-1166】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(高通滤波)

MC1-1166 题图:高通滤波电路

通路上一只串联电容,电容之后的节点向下引一只线圈到公共回线,仅此两只元件。串联电容隔直流、通射频,接收机前端与天线之间用它挡掉前级的直流和天线积下的静电荷;并联线圈对直流与低频近乎短路,对射频近似断开,不会把有用的信号吃掉。低频被前后夹击,高频两头放行,答案只能是高通。

第四张的元件与第三张完全相同,输入输出的位置也没有变化,题库只是把四个选项的排列打乱了。

【MC1-1167】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(高通滤波)

MC1-1167 题图:高通滤波电路

这类题的稳妥做法是只看元件位置与交流通路,不去记选项序号。串联电容仍然管不让低频过,并联电感仍然管把低频引走,两只元件各司其职,高通的结论不随选项顺序漂移。

元件数加到三只的那张高通,把 π 形结构整个对调了过来。

【MC1-1168】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(高通滤波)

MC1-1168 题图:高通滤波电路

从输入到输出依次是:输入节点并一只电感到回线,中间串一只电容,输出节点再并一只电感到回线。第一只电感给低频开近路,串联电容再挡一道,输出侧的电感把漏过来的低频清一次尾。三只元件在同一方向上使劲,衰减自然比两元件时更陡。

一组图里还夹着一张带通。

【MC1-1169】下列电路具备的功能是: 正确答案:A(带通滤波)

MC1-1169 题图:带通滤波电路

这张图复杂一些,输入端先串一只电阻,之后分成两条支路,一条是电阻与电感串联,另一条是电容,输出取自两条支路共同的两端。那条串联的电阻是源内阻,跨在电感上的电阻是线圈的损耗电阻,剩下的一只电感与一只电容并联,就构成了并联谐振回路。频率低时电感支路阻抗小,把输出端电压压得很低;频率高时电容支路阻抗小,同样把输出旁路掉;只有在谐振频率 f=1/(2π√(LC)) 附近,两条支路的电流来回交换能量,并联阻抗升到最高,输出出现峰值。峰值两侧都往下掉,这就是带通滤波的性格。峰有多尖由品质因数 Q 决定,通频带宽度约等于中心频率除以 Q,回路 Q 值越高,选出来的频带就越窄。

五、振荡器:反馈从哪里绕回来

振荡器(oscillator)的骨架是三件东西:提供增益的放大器、决定频率的选频网络、以及把输出相位正确地送回输入端的反馈通道。起振要满足巴克豪森判据,环路增益的模不小于一,环路总相移是三百六十度的整数倍。幅度条件决定它能不能振起来,相位条件决定它振在哪个频率上。

判图的关键就一处,反馈信号靠什么元件绕回来。两只线圈靠互感耦合,是电感耦合式;一只线圈上带抽头,是电感三点式;两只电容串联后的中点是反馈取出点,是电容三点式;整张图翻遍找不到电感和晶体,频率只能由电阻电容的充放电决定,是 RC 反馈式。

五种振荡电路按题序排下来。

【MC1-1170】下列电路是一个: 正确答案:A(电感耦合式振荡器)

MC1-1170 题图:电感耦合式振荡器电路

弧面相对的两只线圈出现在第一张振荡图里,其中一只与电容并联成谐振回路。集电极电流的交流分量流过一只线圈,交变磁场穿过另一只线圈并感应出电压,回路再把电压经耦合电容送回基极,反馈靠的是磁耦合,所以叫电感耦合式振荡器,也叫互感耦合振荡器。这里有一处装配上的生死线:两只线圈的绕向与引线接法决定反馈极性,接反了就变成负反馈,电路只会衰减不会起振,调试时对调其中一个线圈的两根引出头,是常用的补救办法。

只剩一只线圈的那张图,抽头是全部秘密。

【MC1-1171】下列电路是一个: 正确答案:A(电感三点式振荡器)

MC1-1171 题图:电感三点式振荡器电路

线圈上那个抽头把谐振回路分成上下两段,上段接集电极一侧,下段接发射极一侧,回路电压按匝数比分成两份,相位相反,正好凑出正反馈需要的相位关系。这只线圈既当选频元件又当分压器,元件少、起振容易,代价是上下两段磁耦合很紧,输出波形的谐波成分偏多,正弦纯度不如电容三点式。它的教科书名字是哈特莱振荡器(Hartley oscillator)。

抽头换成了两只电容的那张,波形会明显干净一些。

【MC1-1172】下列电路是一个: 正确答案:A(电容三点式振荡器)

MC1-1172 题图:电容三点式振荡器电路

电感与两只首尾串联的电容组成谐振回路,两只电容相接的那个节点引出线接到发射极,反馈从这个分压点取出。电容不产生磁耦合,谐波不会像抽头线圈那样在上下段之间来回跑,这也是电容三点式(考毕兹振荡器,Colpitts oscillator)在实做里更常见的原因。回路真正决定频率的是两只电容串联后的等效容量,等于两只电容之积除以它们之和;两只各取二百皮法,串联后是一百皮法,配十微亨的电感,谐振频率约五兆赫,落在短波里。

整张图找不到一只电感的那张,考的是另一种频率基准。

【MC1-1173】下列电路是一个: 正确答案:A(RC 反馈式振荡器)

MC1-1173 题图:RC 反馈式振荡器电路

图里只有两级放大器与一堆电阻电容,反馈从第二级集电极经电阻电容网络回到第一级基极。单级共射放大器把信号倒相一次,两级串起来倒相两次,合计三百六十度,反馈网络再在某个特定频率上补足相位,环路条件就在这个频率上成立。频率由电阻电容的充放电过程决定,这类电路统称 RC 反馈式振荡器。用一路电阻电容配合对地支路的是文氏电桥振荡器,适合产生音频;用几节电阻电容首尾相连做相移的是相移振荡器,适合更低的频率。

LC 振荡器的频率会随温度与振动跑。线圈受热会轻微膨胀,电感量跟着变;电容的温度系数、管子的结电容也在漂,短波段上跑出几百赫兹是常有的事。要求稳住频率时,把决定频率的那只元件换成石英晶体,它的品质因数能到几万,振荡频率基本由晶体的切型与尺寸锁定,温度再变化也只挪动很小的比例。

又回到两只电容的那张,骨架相似,有一处细节变了。

【MC1-1174】下列电路是一个: 正确答案:A(电容三点式振荡器)

MC1-1174 题图:电容三点式振荡器电路

谐振回路仍是电感与两只串联电容,分压点接发射极,判断的落脚点与上一张一样。变的是基极那一侧:一只电容把基极在交流上接地,输入回路落在基极与发射极之间,输出回路落在集电极与发射极之间,管子工作在共基极状态。共基组态输入阻抗低、内部反馈小、高频特性好,所以这类电容三点式电路能一直做到甚高频,短波与 VHF 的本地振荡器里经常露面。

六、整流、调制与场效应管

整流把交流变成单向脉动的直流,靠的是二极管单向导电。三种整流电路的差别,用两把尺子就能量出来:数一数用了几只二极管,再看变压器的次级引出几根线、有没有中心抽头。

【MC1-1175】下列电路是一个: 正确答案:A(二极管半波整流器)

MC1-1175 题图:二极管半波整流器电路

次级回路里只有一只二极管,也没有中心抽头,这就是最省的半波整流。正半周二极管导通,电流经负载回到绕组;负半周反向截止,负载上电压为零。一个周期只有一个半周出力,输出的脉动频率与输入相同,直流分量大约是峰值的百分之三十一点八。加上滤波电容之后,二极管在截止期承受的反向电压会接近次级峰值电压的两倍,选管时这条余量不能省。

【MC1-1176】下列电路是一个: 正确答案:A(二极管桥式整流器)

MC1-1176 题图:二极管桥式整流器电路

四只二极管首尾相接围成一个闭环,交流输入占住电桥的一组对角,直流负载接在另一组对角上,正半周一对管子导通,负半周换另一对,两次穿过负载的电流方向一致,输出的脉动频率翻倍,这是桥式整流。识别它的三条指纹是:管子四只、连成闭环、变压器次级直接跨接在输入对角上而不需要中心抽头。代价是电流每次要穿过两只管子,压降约一点四伏,低电压大电流的场合略吃亏。

整流之后的脉动直流还要过一道滤波。并在负载两端的电容在电压峰值附近充电,电压回落时向负载放电,把两个脉动之间的空档填平,输出就被抹得平滑。五十赫兹的输入经半波整流留下五十赫兹的脉动,经全波整流变成一百赫兹,后者的空档本来就窄,同样容量的电容能换来更小的纹波;负载电流越大,电容放电越快,纹波也就越明显。

【MC1-1177】下列电路是一个: 正确答案:A(二极管全波整流器)

MC1-1177 题图:二极管全波整流器电路

两只二极管配上带中心抽头的次级,是另一种全波整流。次级被抽头分成上下两个半绕组,电压大小相等、相位相反,两只管子的阴极并在一起接负载正端,负载负端回到中心抽头。正半周上半绕组出力,负半周下半绕组出力,电流两次穿过负载的方向相同,脉动频率同样是输入的两倍。它与桥式的分工很清楚:电流每次只过一只管子,压降约零点七伏,效率占优;被截止的那只管子要承受峰值电压的两倍,耐压要求比桥式高一倍;变压器还得保证两个半绕组严格对称,否则输出会带上与输入同频的分量。

【MC1-1178】下列电路是一个: 正确答案:A(二极管环形调制器)

MC1-1178 题图:二极管环形调制器电路

同样是四只管子,围法却不一样,这一张首尾相接成一个方向一致的环,两侧各有一台变压器。两路信号分别从环的两组对角送进去,幅度大的那一路控制二极管对的通断,等效于对另一路做高速斩波。时域里的相乘,落到频域就是频率的加减,输出里出现两路频率的和与差,也就是边带。两台变压器把两组信号都平衡掉,所以既看不到载波,也看不到调制信号本身,这是双平衡结构,名字叫环形调制器(ring modulator)。与桥式整流最省事的区分点是输出:桥式出的是直流,环形出的是边带。

环形调制器在收发信机里多半躲在屏蔽盒中,担任混频。本振送来的信号与天线收来的信号在环里相乘,和频与差频一起出现在输出端,后面接一只中频滤波器,只放需要的那一路进中放。它的好处是输出里没有本振泄漏,也没有输入信号自身的残留,落在带外的杂散少,邻道干扰也就小;代价是两只变压器的绕制与配对讲究,平衡度差一点,载波抑制就跟着变差。

回到器件本身的两道题在最后收尾。

【MC1-1179】金属氧化物绝缘栅场效应管(MOSFET)经常用来实现只有开与关两个状态的电路。在这种电路中,术语“截止”与”饱和”是指晶体管的什么工作状态? 正确答案:A(所加偏压不足以使该管导通,则该管处于截止状态;所加偏压使该管充分导通,继续强化偏压而导通电阻几乎不再减小的状态为饱和状态)

金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,缩写 MOSFET)当开关用时,栅源电压从低到高会走过三段。低于阈值电压(threshold voltage)时沟道没有形成,漏源之间只剩极小的漏电流,这是截止。栅压超过阈值而漏源电压还很小时,沟道像一只由栅压调节的可变电阻,栅压越大电阻越小,这一段叫可变电阻区,也叫线性区或欧姆区。漏源电压继续升高,沟道靠漏极那一端被夹断,漏极电流不再随漏源电压上升,只由栅源电压决定,这叫饱和区,也叫恒流区。

开关只看两个状态:关的时候漏不漏电,开的时候压降大不大。关就是把栅压压到阈值以下;开是把栅压加足,让沟道充分打开、导通电阻落到最小值,再加偏压电阻也几乎不再下降,这就是饱和状态里的工作点。选项里说导通电阻随之逐渐减小,描述的其实是可变电阻区;把刚导通就称作饱和、或者拿开关损耗解释饱和,都没有落在定义上。

【MC3-1180】关于场效应晶体管放大器的放大作用,以下说法正确的是: 正确答案:ABC(共源极形式:栅极电压的微小变化可以引起漏极电压和电流的较大变化;共栅极形式:源极电流的微小变化可以引起漏极电压的较大变化;共漏极形式:栅极电压的微小变化可以引起源极电流的较大变化)

三选的那道题留给三种组态。场效应管的放大本领来自跨导,栅源电压的一点变化经跨导变成漏极电流的一段变化,再经漏极负载换成电压摆幅。共源极接法里,栅极电压的微小变化能引起漏极电压与电流较大的变化,这是电压增益最高、用得最多的一种;共栅极接法里,信号从源极进、栅极交流接地,源极电流的微小变化能引起漏极电压较大变化;共漏极接法里,输出从源极取,栅极电压的微小变化能引起源极电流较大变化,与双极型的射极跟随器对应。

被排除的那一项说,无论哪种电路形式,放大器都会在输入信号足够大时自动变成功率放大器。组态由电极怎么接决定,与信号大小无关;信号过大只会让管子进入非线性区,输出削顶失真,并不会换一种身份。

结语

这一趟从玻璃壳里的三极管出发,先在电极命名的分岔口上站稳,再用输入阻抗把三种器件排成一列。二十三张电路图看着多,判图的经纬其实只有几条:放大组态数两个端口的公共电极;滤波器看串联臂与并联臂各挂了什么,电容通高频、电感通低频;振荡器找反馈从哪儿绕回来;整流器数与抽头,环形调制器认那四只成环的管子和两组平衡的变压器。场效应管与双极型管的分工,最终落在跨导与输入阻抗这两个参数上。

下一篇把放大器的账本翻开:增益与阻抗怎么排序,小信号与大信号的分野在哪里,甲、乙、丙、丁四类放大器的导通角各是多少,推挽为什么要成对,负反馈与阻抗匹配又换来什么。组态认清了,功率放大那部分才接得住。

继续阅读

全部归档
《跟着题库认识业余无线电》系列文章第四十三篇:收官串讲——天线余题、电源、波形计算与防雷安全
《跟着题库认识业余无线电》系列文章第四十三篇:收官串讲——天线余题、电源、波形计算与防雷安全

收官篇用二十四道题把天线余题、电源保护、波形计算与防雷安全一次讲透:加感线圈放在哪里效率最高,陷波器与多频段振子怎么读图,电动势与端电压为何反向,熔断器背后的反接二极管如何救命,方波与脉动直流的有效值逐式算清。结语附上第 1~43 篇的五组主题索引。

《跟着题库认识业余无线电》系列文章第四十二篇:分贝这把尺子——从 S 表读数到仪器校准
《跟着题库认识业余无线电》系列文章第四十二篇:分贝这把尺子——从 S 表读数到仪器校准

分贝是业余无线电最通用的尺子。这篇先解决看什么:插值为何让数模转换更好做、万用表交流档测方波为何读数偏大、PSK 配相位矢量图、调频与单边带配频谱图;再解决怎么算:功率比看十、电压比看二十,串级相加、等分减三,S 表每格六分贝,dBm、dBμ、dBW 三个基准换着用。