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  對一位電子工程師來講,要設計一部對數放大器,實在是一點困難也沒有,尤其在積體運算放大器(OP Amp)流行的今天更是沒有問題; 可是如果稍加一點條件恐怕就會難倒大多數的人了; 我們要的對數掃描時基(log-time base)是配合IC 8038的輸入情形而定的,依照發表在第五期的圖表(第55頁)顯示,不管是對數時基或是線性時基(Yamp),都需要有0>Vin>-5V的範圍,而且是由0伏開始往負5伏呈對數或線性遞減,如圖一所示。

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為了想得到如圖(B)的波形,我找遍了各種對數放大器的資料,也做了不少實驗總是沒辦法,不是電壓範圍不夠,就是不能剛好由0伏開始往下掃描,再不然就是線路過於複雜調整麻煩; 正苦於難產時,音響技術的唐老編突然寄來一份名為"Build Super Audio Sweep Generator"的資料,也是使用ICL 8038,其構想跟我發表在第三期的構想一樣,只缺了計頻儀。這份資料是由Electronic Experiment Hand Book一九七六年版摘錄下來的,是一篇買套件的廣告性文章,所幸附有全部線路圖,而其中之一正是我們夢寐以求的,也正是我們整個實驗過程的瓶頸,過了這一關,所有的事情都可迎刃而解了,想到這兒是該謝唐凌的。

  這份資料除了線路圖及調整方法外沒有什麼說明,我把它統統拷貝過來,讓有興趣的讀者做為參考,然後將我的解析以及實驗新德依序做簡要的報告,以便攝取所需要的線路結構,加添到我們已經完成的架構上。

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  Fig(1)為方塊系統圖說明了信號流程; 

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Fig(2)為電源供應使用了Raytheon公司的RC4194TK雙電源穩壓IC; 

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Fig(3)為線性掃描信號產生器(即鋸齒波產生器),這部份的電路我們將詳加探討; 

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Fig(4)為對數掃描器我們也將詳加探討; 

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Fig(5)為ICL 8038函數信號產生器,此部份的線路不比我們在第三期(第67頁)所公布的圖高明(因為它沒經過線性的處理); 

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Fig(6)為輸出級,輸出阻抗約為600Ω。在這些圖中以Fig(4)終的2N2916這部份的線路觀念最叫人欣賞,其他的都很平凡,以下就是我對Fig(3)以及Fig(4)的實驗報告: 

  研究Fig(3)的線路時,我們發現Q1為定電流源,而Q?一定是放電晶體受IC2的輸出控制; 也就是說C1上的電壓以一定斜率像上充電,此時Q2必然要OFF,那麼IC2的輸出此時一定得為負值。我們來研討一下這個關係是否成立; 假設此時IC2的輸出為負值的話,Q2必然再OFF的狀態,那麼R13,C6 C7 C8此時沒有作用,因此IC2的負輸入端有

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如果IC2的正輸入端低於5伏的話,這個猜測便是正確的,這使我們連想到IC2在此的作用便是比較器; 而IC1為單增益不倒相緩衝級,也就是說C1電容上的電壓完完全全地在IC1的輸出端呈現。因此這個電路的工作情形是很容易了解的,那當t=0時C1電容開始充電,斜率為I/C, I為Q1所造成的定電流。

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其中K為電容器上的起始電壓,如果剛開始時電容器上不積任何電荷,則K為零,

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時,C1仍然繼續充電且其他電路狀況不變,一直到t=t2時,Vc的電壓剛到5伏稍一超過時IC2正輸入電壓強於負輸入端的電壓故輸出瞬間變為正(因為OP Amp的增益為無限大之故),此時Q2導電,C1上的電荷立即往Q2放電,放完電又開始充電如此周而復始造成一連串的鋸齒波形。依照我們以上的分析,Q3一直沒有被提到,好像它是多餘的; 在沒實驗以前我心裡是如此想的,因此在實驗板上Q3 R13 C6 C7 C8這幾個零件我均沒接上,你能猜測到發生什麼後果嗎?請看圖二的波形,這就是沒有Q3電路的結果。至此我才恍然大悟,原來自己分析電路的功夫還不怎麼到家; 我常碰到一些稍有一點電路實際經驗的朋友,對於電路上的東西都很謙虛,並不是客套的做作,而是有感於電路學的浩瀚; 在我看來拿起烙鐵跟舉棋之間並沒有什麼兩樣。

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  由於Q3沒有接上才得到這種小鋸齒波,很顯然電容器C1上的電荷還沒放完,又開始被充電,這該歸罪於IC2太過於靈敏之故,因為IC2的負輸入端永遠保持5伏左右,故其正輸入端被迫在5伏上下翻來覆去。恍然大悟後接上Q3 R13 C6,輸出波形立即如所預期。實驗結果發現R13 C6的時間常數決定了鋸齒波的「休息」時間,R13 C6愈大「休息」愈久,愈小「休息」愈短,這點是可以理解的,因為Q3導通時IC2負輸入端的電壓受C6的暫態響應,瞬間變為負9伏左右,然後才慢慢回升至5伏,在這段時間內C1的電荷早就放光了,故IC2負輸入端電壓在回升過程中一超過零電壓,便立即使IC2的輸入變為負關掉Q3與Q2使C1又開始充電,這才達成預期的波形。

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  Fig 3-a 3-b及附屬波形均是實驗時繪得的。而Fig 3a,右上角電晶體輸出特性曲線是說明電晶體定電流源的; 當然你可以從一些電子學的書上看到定電流源的證明,可是如果你改換一個觀點從圖上來最了解或許可以更深刻,我們知道VCE在超過一定的小值以後(即所謂的膝點電壓以後),幾乎與Ic沒什關係了,也就是說ib固定時不管VCE為多少,Ic均為定值,這Ic就是所謂的定電流源。由此看來Q1的基極電阻(調偏流)以及射極電阻(限制電流量)還有電容器的大小均可以改變鋸齒波的斜率。

  在零件選擇方面,Q1必須曲線平坦的晶體,Q2必須選飽和電阻小Ic夠大的晶體,C1必須是漏電小的電容如Mylar、Telfon之類,IC1 IC2均用741即可。

  談到此或許有人會懷疑為什麼要加一級IC1做為緩衝級?緩衝級是幹什麼用的?為什麼鋸齒波電壓不能直接從電容上引用?我的回答是緩衝級在此的作用是不使C1電容器造成負載而影響充電的線性; 這種以術語解答術語的答案經常使初學者丈二金剛摸不著頭腦。所以我對有些電路太白化的分析,請道內高手見諒。

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  其次我們來研究我認為它高明的Fig(4)電路,Fig 4-a是將Fig 4簡化重新安排以便於說明。IC3為不倒相單增益的接法,IC4為電壓至電流轉換器; 在試作這個電路時,我曾一度為找不到2N2916對裝晶體而擔憂,後來我以2N2222兩支試用,發覺一樣可以,並且了解到原設計用對裝管的用心是在於溫度補償,因此Qa接不接不影響輸出波形,倒是Qb的地位重要,不過Qb我曾換過好多晶體如2N2219,2N3053,MPS 9633等等均察覺不出對數曲線有些什麼變化,甚至只用一支二極體代上仍然可以。這個電路比較不容易「白化」的理解;它之所以能成為對數放大器主要是因為電晶體的接合面的電壓與電流對的關係為對數型式)之故,VBE是鋸齒波電壓則Ic將為對數變化的電流,這個電流經IC4轉換成電壓後,即變為對數掃描變化的電壓;變化的方程式如圖附所示: 這個電路原理比較難,實作比較不需技巧,唯IC3 IC4最好不要更換類似的IC像LM101 LM301之類,因為這些IC有百分之二十五的機會會引起高頻振盪(這個說法是在一本原文書上看到的,我原先不信,找了幾個LM301代換的結果,每一個都振盪了,所以我才相信)。

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  在S3接LOG時,IC6的輸出電壓如圖(E)的波形,電壓由0伏往負10伏對數遞減,超過我們的要求,故適合我們的應用。

  到此為止我們已完成我們所要的單項電路實驗,該是可以將我們曾經輕描淡寫的三個方塊圖用實際線路繪出來的時候了。見圖(三)。

  後記: 

  回顧在三個月前在音響技術第三期發表的對數掃描信號產生器的構想一文,老是覺得自己實在是自討苦吃,尤其在實驗做不成時更容易引咎自責,早知道如此類人就別答應老編上「實驗台上」,否則就別弄些什麼奇奇怪怪的構想作繭自縛。可試每當實驗完成以後,退一步想想,這又何嘗不是一項收穫,或許這就是人性的弱點吧!但是不管怎說曾經說出口的東西都以達成了,雖然不值得太驕傲至少能引以自豪,因為完成的電路經過消化吸收,而不是囫圇吞棗的抄襲。

  仍然跟以前一樣,如果你需要本文所提及的零件,請洽中壢市中正路248號佳樂電料部他們將給你滿意的答覆。(蘇桑註:此店現在可能已找不到了)

 

轉載音響技術第13期 JULY. 1976 實驗台上/對數掃描式信號產生器之實驗/白金弘

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