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  我們沒有統計過,不過我們可以相信,一定有不少的年輕朋友們,有自己的實驗台,也許那是書桌,也是飯桌,但有更多的時間,他們在這張桌子上聚精會神、廢食忘寢的玩弄那些別人看來莫測高深的電子零件。

  電容、電阻、IC、LED、SCR、FET,這些玩藝兒,究竟有甚麼吸引人的地方呢?這就恐怕只有曾經玩過的人才知道了。

  當然,既稱實驗台,我們希望是從一樣零件,或者一個構思開始......

  感謝唐老編在第三期音響技術還未出刊以前即把聲寶公司羅哲先生所提供的8038 Function Generator的內部線路影印寄來給我,研究了大半天已不對此黑箱有陌生的感覺了,而且我想對前文一些判斷提出修正,並對我們的構想有關的8038內部線路提出自己的分析心得以供大家參考,也以此為我們修正電路運用IC的依據。

所謂的電流鏡

  這個名字起得很好,而與我們外加741有密切關係,所以我們必須將這部份特別提出分析。我們假定讀者對羅先生關於電流鏡的分析都已了解,見圖(五)Q9與Q8一對電流鏡,其上的電流社為I,所以和為2I。Q11與Q10也是一對電流鏡,其上的電流應該相同,即Q10應該是Q11的影子也須流過2I的電流。我們從圖中可以看出Q2 Q4 Q8與Q3 Q5 Q9組成相似的電路而且Q2與Q3的偏流同樣由Q1的射極取得,假使4、5兩腳外加的電阻相同的話,流過Q8 Q9的電流應該是相同的,也就是均為I。我們將Q25比擬成一支開關S以利分析。

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  S開始時是closed,所以Q10也是closed,Q9的電流只能往電容上充電,如實線電流I所示。此時Q11也是OFF的狀態,2I的電流只有往Q25流了,也如實線電流2I所示。當電容上的電壓被升到某一值時,經過一連串的開關作用最後使Q25 open,結果Q10 ON,Q11也跟著ON了,此時Q11上有2I的電流,所以Q10必須也有2I的電流而且是非要不可,但Q9只能供應一個I,所以另一個I必須由電容來提供了,這就是前期譯文中所述往I充電,往2I放電的實際情形。

  由此我們了解只要I維持定值,電容的充電速率就一定,要是此I變為半值則頻率將也變成一半,很顯然這是一個線性的關係;問題出在I是受Vin的控制,但是Vin並不與I呈線性關係,依電晶體的特性我們了解I應該與Iin呈線性關係的,大約為IβIin。所以我們應該先行變換Vin與Iin呈線性關係,即Vin/Iin=常數。

再找資料

  在OP-Amp中我們知道有一則應用電路叫Voltage-to-Current Converter的,現在我們就找些這類的資料研究研究,然後才能明白圖(二)中安插741的真實作用何在。

  參考的書籍是IC OP-Amp Cookbook by WALTER G. JUNG。中譯本161~174頁電流調節器一節。以及BURR-BROWN出版的OPERATIONAL AMPLIFIERS page 225, Voltage-to-Current Converters。

  運算放大器有兩個基本的特性,即(一)差動輸入端的電壓差為零(二)不管正反相輸入端輸入(或輸出)為零。這是解運算放大器常常使用的公式。

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  現在我們把圖(二)中741與8038有關的線路繪在圖(六): 741的輸出經一個1K的電阻到Q1的基極,Q3的射擊也接一個1K的電阻到741的負輸入端。有一點很重要的觀念我們必須弄清楚的,像8038這種IC一定是單晶面所製成的故不管其上的晶體是NPN型或PNP型,一定屬於同一種半導體材料,故VBE的電壓特性一定相同,這一點告訴我們Q1與Q3的VBE是相同的,應維矽質則為0.7V的話為0.2V,但不管矽或鍺,第4與第8腳的電壓應該是相等的,因此我們把圖(六)畫簡成圖(七)是可以成立。看圖(七),如果正輸入端呈現-Vin的電壓,則負輸入端也應為-Vin(這是因為差動輸入端的電壓差為零之故),但是因為輸入端阻抗相當大的緣故(OP-Amp的特性),故沒有電流流入流出,也就是說R1上沒有電流,故-Vin的電壓呈現在Rext上面,因此必定有一電流 At-010.jpg

出現在Rext上,而這一電流也必定流至R2上,所以I=IL=Vin/Rext=K(Vin)。由以上的說明我們發覺這之741做如此接法時確實有I=K(Vin)的線性功能;然而那1,000P的電容不知是什麼作用,依我的程度是想不通的,只好留在實地動手時以加與不加方法來認識它了。

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  如果圖(七)的電路夠忠實的話,達成圖(一)的線性理想應是沒問題的。我以簡單的方法以圖(七)為本做了實驗,方法如圖(八-1)得出的數據列成圖(八-2),這一段實驗證明我的分析沒有多大的差池,同時加強了我們對圖(二)的信心,我想開始實地試焊圖(二)做實驗是有百分之百的信心了。

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  我們希望Intersil的8038是夠水準的,如果我手頭上這支IC也像羅哲君從日本購得的一樣差勁的話,我研究了大半天就等於做虛功了。

  說真的,有時實在是備品質差的元件搞得興趣信心全無。我在一本雜誌上EDN(Electrical Design News)看到一篇「741的真實面目」的文章,作者是美國Analog Devies公司的微電路市場經理Stan Harris,很痛心的引述了他在消費市場上發覺的一個問題,大意是說741原本為快捷半導體公司設計而成的很優秀的一支通用型OPA,幾乎可以代替所有放大電路,因此使用者激增,供不應求,生產仿製的工廠愈來愈多,幾乎有數十數百家呢?搞得貨價大跌,粗製濫造品質拙劣......有的根本不是原來的741設計,卻打了741的名號......使許多初次使用者或甚至一些老工程設計師對它都起了戒心,奉勸各位使用741的設計師在使用以前先辨明你的是不是真正的741......」我們的中華商場也有這種現象,像2N3055真不知叫我買哪一種的好。如果有一家電料行能當場測試出零件的特性然後才賣出,我想這家電料行一定最受歡迎的。

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  閒話少說,我們剛才在解電路時將圖(六)化成圖(七),解是可以這樣解,得出來的結果可不能完完全全應用回圖(六)中。只要你仔細一比較就明白了問題所在;圖(七)中R2尚的電流方向是流入OPA內,而圖(六)中應該是由OPA像Q1的基極留才對的,極性剛好反了;問題出在我們的假設上,因為第4第8腳本來就不是同一腳,我們只是取其電壓老是相同這一點關係;所以我們還該返回圖(六)討論一下,將之重繪在圖(九)並標明電壓電流方向,很顯然的第4腳的電壓仍為-Vin,流過R的電流仍為Vin/R=I,第8腳的電壓也仍為-Vin如果-Vin-15的話,電流應該流入Q1的基極沒錯。而且會使Q1的集電流也為I,這可由電流鏡的方法得知。綜觀這些分析,我們雖然沒有理由說Vin與Iin的關係是線性的,但是我們可以確信Vin與I一定呈線性關係,而且是受第4腳上的電阻控制著。有了這些瞭解我們等於透徹的明瞭了741與8038做如此配接的答案,而且只需依歐姆定律可求出往第10腳電容上充電的I到底多大了。我們再把結論重複一次: 在圖(二)8038第4腳的電壓等於741的-Vin電壓,流入第4腳的電流等於Vin除以4.7K加可變電阻分得的部分。舉一例,設P1恰好在中央,-Vin為2伏則I=2(4.7+0.25)=0.4mA,由此看Vin當然與I呈線性關係,也當然與頻率呈線性關係了。

  這一大堆分析完全是羅先生提供了8038內部線路之助,如此一來我們總算不必玩瞎子摸象的遊戲,而且很可大膽地按圖施工了。圖(十)是線路板,實驗結果很好,正弦波除低頻以外均很對稱均勻,大概這支8038是「好貨」吧。唯一遺憾的是筆者的示波器正在是玩這些波型打算照相時變壓器冒煙燒了,試聽成果下期補述。

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轉載音響技術第4期 ARP. 1976 實驗台上/對數掃描信號產生器的構想/白金弘

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