以電晶體仿 IC 8038 之功能－老音響資料庫/蘇桑部落格

　　由於筆者常利用業餘時間裝配一些擴大器,手頭上缺少一部低週信號產生器,工作時總覺不甚方便。一年前在日文的無線電雜誌上,發現了8038可以用來製作信號產生器的 IC。於是託在日本的友人代為購買。一直到今年才購得二枚,其中一枚印的是Made in Taiwan,另一枚則印著Made in Singgapore。Made in Taiwan者,按所附說明書試裝的結果,其正弦波的輸出,雖經一再的調整,波形總不像正弦波。兩枚 IC 在日本購得之價錢,換算為台幣,幾近千元。心痛之餘,下定決心要修改所試裝之線路,因而也對該 IC 的內部線路,下了點功夫研究,發現,以電晶體來仿製,並不太難,以下將逐步說明之。

一、8038之內部線路

　　以下為說明書上所刊載的內部線路。其幾個主要部份,以虛線方塊標出,分別為:

①定電流產生部份

②積分部份──即外加電容

③緩衝放大器

④電子開關兼方波產生器

⑤折線近似變換器

8038的工作原理很多刊物曾有介紹,本文只提供其線路,不擬重覆說明。

二、仿製線路

　　仿製重點為三角波產生器──這也是8038之心臟部份。

　　仿製線路,在方塊圖上與原線路並無二致,在細部線路方面,則有很大的簡化,以下就是。

1. Current-Mirror(電流鏡,筆者暫譯)

　　基本的Current-Mirror如圖三

　　假定Q1 Q2為特性完全相同之兩電晶體,其電流增益以β表示之。Q2的C-B間短路,形成一二極體,一般稱之為「二極體接法之電晶體(Diode-Connected Transistor)」當不在工作飽和區域內,這樣子形成的「二極體」,仍具備電晶體的特性,即其集流Ic仍受基流IB之控制,也就是Ic=βIB仍成立。假定,有某一定量的電流I1,被強迫流經「二極體」Q2,則其中一部份將流經基極,另一部份將流經集極,並將依電晶體的特性曲線,在基射極間建立一個相應之電位差。因Q2之基極與Q1之基極相接之故,此一電位差將施至Q1,使得Q1也有能力流過近乎I1的集流I2。詳細的分析可由圖3知之。若β≥100則I1/I2=β/(β+2)≒1,其偏差小於2%。

　　圖3的線路,Q1 Q2的C-E間工作電壓,很可能完全不同,Q2相當於二極體,故其電壓總在0.6至1伏特之間,Q1為一電晶體,C-E電壓隨外加線路,可有很大的變化範圍。由於C-E間電壓的不同,兩晶體的特性就無法保持一致。因此另加進一枚電晶體,如圖4所示線路,以求改進。

　　圖4中的Q2 CE間電壓,相當於Q3 C-E間電壓再加Q1的 C-E間電壓,約為兩個二極體之接合面電壓。如此,做為電流鏡的二枚電晶體,不論外部線路如何變化,偏差總在一個二極體之壓差,其特性很容易就能維持一致。此外I2/I1=(β²+2β)/(β²+2β+2),若β仍為100,則偏差僅及0.002%。

　　電流鏡,不論是圖3或圖4,事實上可以當作是一個β永遠為「1」的一個大電晶體,I1相當於這個大電晶體的基流,I2則相當於集流。

2. Flip-Flop(搖擺線路)-F/F

　　此Flip-Flop有兩個輸入端子,接由負脈衝觸發,當負脈衝加入Input 1時,Q1 ON使得Q1集極電位上升,經R1 R2分壓後使得Q2集極電壓也上升,造成Q2 ON,又使Q2的集極電位下降,經R3 R4分壓而映至Q1的基極,助長了原先的負脈衝的作用,形成正回授,而於瞬間內使得Q1 Q2同時達到ON的狀態。同理,當負脈衝加於Input 2時也能產生Regeneration,不過這時是使Q1 Q2於瞬間內同時OFF。

　　R5接於Q2之射極,當Q2 ON時期兩端之壓降可輸出以推動接續其後之線路,其阻值不得太小否則輸出不足以推動其後之線路,但也不能太大,否則將妨礙Regeneration之產生,而使Flip-Flop失效。

　　圖5右邊所示為,分別加入不同時發生之負脈衝信號於兩個輸入端子,所得到之輸出波形,在時間軸上的相互關係。

3. Comparators(比較器)

　　在圖2比較器中,採用了Darlington線路,目的在提高比較器的靈敏度及輸入阻抗,以避免對電流鏡造成過大的負荷,而妨礙積分器的動作,使三角波形扭曲。

　　由R1 R2 R3所造成的分壓器,使得Q1 Q2的基極電壓分別為⅔Vcc與⅓Vcco當輸入電壓達到⅔Vcc(以上)時,Q2 ON而在Q2的集極上輸出一個負向脈衝。當輸入電壓低於⅓Vcc時Q4 ON,而在Q4的集極上得一正向脈衝,再經Q5反轉為負向脈衝。當輸入電壓介於⅓Vcc與⅔Vcc之間時,皆無脈衝輸出。此二脈衝,即用以觸發Flip-Flop。

4. 整體動作說明

　　在電源接通之前,積分器(即外加電容器)上不帶任何電荷,其電位為0。此0電位(⅓Vcc小於)使得比較器的輸出為Output 2側,並處發Flip-Flop之兩電晶體皆OFF。Flip-Flop此時之輸出為0電位,以致使電流鏡之Q5(圖7)為OFF,電流鏡此時不流通任何電流。若施一電位於Q1之基極上,使Q1能產生一集流Ic,此Ic將悉數流過D1而入外加電容C。C即被充電而電位升高,至⅔Vcc時依前述Comparator之分析,輸出在Output 1側,使得Flip-Flop之兩電晶體ON,而輸出正電位,同時Q5 ON而將電流鏡接通。當電流鏡接通之後,Ic不再對C充電,而流經D1及Q4,依前述電流鏡之效應也應Q2 Q3 Q5流過等量的電流,此電流及由原先儲存在C內之負荷供應。於是C開始放電而電位下降。當電位降至⅓Vcc時Flip-Flop的輸出又出現於Output 2側,於是動作重演週而復始,循環不已。如此C被以一定之電流充放電之結果,就產生了三角波。充放電之電流可由Q1之基極電壓控制,電流越大,充放電越快,頻率也越高。

　　除改變Q1之基極電位可以控制頻率外,改變外加電容量,也可改變頻率,因此,可用開關轉變電容數值,以做為頻率之倍率切換。

三、緩衝放大級與正弦波轉換器

　　在正弦波變換器之前,先要經過一個緩衝放大器。這緩衝放大器的輸入阻抗必須是非常大,以免影響到積分器的動作。此線路中(圖8)的緩衝放大器,屬B類放大,射極輸出方式,電壓增益為1,但具備足夠的電流增益,並供給三角波輸出用。

　　正弦波變換器非常簡單,僅由一枚N-Channel Junction FET及二枚Si二極體和二枚電阻組成,如圖9左。此變換器利用FET的VGS與IDS特性曲線中Pinch-OFF以前之彎曲部份,將三角波扭曲成和正弦波非常接近的波形。當輸入為三角波之正半周時,其等價線路如圖9右,所利用的特性曲線則為圖10之實線部份。

當輸入為負半週時,等價線路如圖9右,所利用之特性曲線,則為圖10之虛線部份。圖9之二極體,可視同0.6伏特電壓分別施於FET的Gate和Source電阻間及Gate和Drain電阻間。右此種變換是將三角電壓波轉換成正弦電流波,此電流波流經Source電阻造成的壓降乃成為正弦電壓波。唯其振幅太小,故又經一輸出放大器提升之。此一放大器與一般OCL放大器無異。其電壓增益,視正弦波變換器的輸出大小而定,留待實際製作時決定之。

四、製　　作

　　如圖12製作印刷電路板,並按圖13裝配,再依圖12配線。所使用電晶體悉為Si晶體,耐壓35伏特以上β大於100以上即可。如能採用Switching用者更佳。除NPN、PNP之別外盡可能採用同一型號者,尤其適用於Current Mirror者,不但要同一型號,更要特性接近,最好能以Curve Tracer挑選,如果無法以Curve Tracer挑選,至少要同一型號且β值相等者。正弦波變換器中所用之二極體,必須為Si質二極體,且為同一型號者。輸出放大器中所用之二極體,作為偏壓供應用,也應為Si質者,並要能提供足夠的偏壓,以免造成Cross-Over Distortion。整流用二極體可用1N4002或其相當品。穩壓用Zener Diode,電壓6至8伏特,400mW者即可。其餘二極體可用1N60。FET可使用2SK30或2SK30A,其他之N-Channel Junction FET也都可用。電源穩壓部份之輸出電晶體,耐壓30伏以上,Pc 1W,Icmax 1A者大約足夠了。如圖12、13裝配完成後即可開始試機,圖13中有※記號之電阻,先以10K可變電阻調整於5K歐姆左右代替之。再依下列程序調整:

1. 電源部份之兩枚半固定電阻皆調至中央,接上電源。

2. 以三用表接至圖12之B+與地端,調整10K半固定電阻,使電表讀數為15伏特。

3. 以電表量B-與地端,也應在15伏特左右。

4. 將是波器之V-Input接至三角波之輸出端,應能觀測到三角波形之出現。如轉動5K可變電阻,可看到頻率將隨之而變。

5. 將示波器改接至正弦波輸出端,此時看到之波形可能仍為三角波,可能類似方波,也可能已為正弦波。如為三角波,則應調整穩壓線路中之10K半固定電阻使電壓增高。如為方波,則應調整使電壓降低。

6. 照上述調整,可使波形趨近正弦波,但其正負各半週可能不甚對稱,可調整穩壓線路之5K半固定電阻以改善之。

7. 交互調整5K與10K之半固定電阻,至得到最滿意之波形為止。

8. 調整代用之10K可變電阻,始正弦波之振幅增加,至波形開始被截頭時,在退回少許以不被截頭為止。

9. 拆下此代用之可變電阻,以三用表量其電阻值,換用一數值最接近之固定電阻,正式接入印刷電路板上。此時應再度確認波形有否截頭,如有,則應選一稍大之阻值換用之。

10. 如有必要,可再正弦波與三角波之輸出端,分別接上5K可變電阻,以做輸出衰減用。

11. 正弦波調整OK後,可用另一部已有頻率刻度之信號產生器,利用李沙育圖來校正頻率及定刻度。將本機調至最低頻位置(即外加電容最大,5K可變電阻最盡頭處)。調整Current Mirror線路中,5K半固定電阻,至所要之最低頻(本線路為20Hz)即可。筆者假定讀者們對李沙育圖定頻率法已知悉,不在此多述。假定所選用之外加電容誤差甚小的話,頻率刻度僅定一次即可,換檔時可以x10,x100視之,大致不會有太大之誤差發生。

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追補

①本仿製線路,在20KHz附近波形較差,毛病發生在Current Mirror的Switching(即圖7之Q5之所以Switch不夠快,原音乃在於Q5一旦Switching ON之後即Saturation,由Saturation要再Switching OFF,以一般電晶體而言,總要有一段Time Delay,要避免Time Delay就要設法不讓Q5 Saturation。其法至簡,如圖14追加一枚1N60於Q5集極上即可,此1N60最好特性要和接於基極者特性一致,否則效果不彰。又此1N60比找在設計印刷電路板時未曾慮及,讀者其自行設法追加之。

②同一檔內的頻率範圍,由圖12之10K和680歐姆兩枚電阻決定,大抵680歐姆者改用越小者越向低頻端延伸,10K歐姆者改用越大者,越往高頻端延伸。但延伸過度則波形將失真甚且消失,圖12所舉數值僅供參考,大約在同一檔內可有10倍之頻率變化。又為了改善頻率溫度特性,680歐姆可用已390歐姆,串聯一枚Si二極體代用之,正確數值讀者自行以實驗決定之。