电路创意/57a小组
向所有电路爱好者、梦想家以及对电气工程一无所知的人致以问候。如果您是第三种类型，请不要费心，因为，作为梅奇科夫先生（又名“电路幻想家”，又名本页的发起人）的门徒，我们已经了解到，复杂的数学、公式和令人困惑的图表只会使事情变得更糟（如果可能的话）。因此，我们要做的是将我们在课程中学到的经验通过简单的图片和基本的逻辑解释呈现出来，并尽可能减少数字的使用。干杯：57gr.团队
今天的工作，虽然乍一看可能很简单，但包含了一些关于将数字和模拟电路创意集成在一起的有趣且巧妙的技术。指示器的基本原理在下图中简单地说明。
我们首先构建一个由两个12V电源组成的双极性电源（我们也将在未来的项目中使用）。我们添加了两个电阻，考虑到每个LED的半导体特性，具体取决于其颜色（绿色2.1-2.2V；红色1.6-1.7V工作电压）。下一步将是找到一种有效且简单的方法来轻松地在LED支路之间切换电流。这里有一个来自ECL电路的想法，称为**电流转向**。白板上显示的简单开关电流转向的想法如左侧照片所示。
整个电源模块，包括LED的V-A特性和ECL电流转向原理，随后显示。
下一步是用双极性晶体管替换这些简单的开关。为了满足我们的需求，它们应该是不同类型的，一个PNP，另一个NPN。然后我们将晶体管基极连接在一起，然后连接到输入信号 - 因此一个将在信号的负侧工作（PNP），另一个在正侧工作（NPN）。对于输入，我们将使用一个作为电位器的可变电阻。电位器上的中间点显示为0V，因此称为**虚拟地**。我们的电路也将是互补的 - 由两个相反的部分（负极和正极）组成。当输入电压升至高于0.6-0.7V的水平时，它会激活其中一个BJT（取决于极性），并且电流流过集电极-发射极结。这会激活相应的LED，并使绿色熄灭，因为其电压已降至1.7V。
我们的下一个任务是正确放置晶体管和两个红色LED。在尝试了各种配置后，我们设法发现了最终电路白板图中所示的最佳方法。当BJT的输入没有信号时，绿色LED亮起，因此从电压源和两个电阻接收电流。当输入电压升至高于0.6-0.7V的水平时，它会激活其中一个BJT（取决于极性），并且电流流过集电极-发射极结。这会激活相应的LED，并使绿色熄灭，因为其电压已降至1.7V。
在两种不同的情况下，其中一个晶体管将相应的红色LED与绿色LED并联连接，同时缩短另一个红色LED。这种简单但有效方法的另一个好处是输出和输入电压的较大容差。它也非常灵活，因为零指示器（绿色LED）可以通过调整限流电阻（R1、R2）来转换为指示各种电压水平。
在了解了电路的最终想法和结构之后，是时候在PCB上使用真实的元件来实现它了。
**另请参阅** 3-LED电压指示器（发明家的故事）
好吧，这可能是连接BJT最熟悉的方法之一，以其电压放大能力而闻名。今天，我们将更深入地研究这个著名的电路，并实际研究其特性。事实上，考虑到能量的本质，“放大”一词有点误导，因此更准确的方法是将该过程描述为“调节”能量。当我们将这样的“调节”装置（如晶体管）放置在恒定能源的路径上时，它就像一个吸收和转换能量的电阻，从而使该电源不再恒定，而是受控的。因此，我们可以将此类设备称为“电子调节电阻”。
我们将从构建使用n-p-n BJT晶体管的最简单电路开始。发射极将接地，基极将充当控制输入。然后，我们可以从此推导出所有静态特性等等。为了进行实际研究，我们将尝试将BJT连接到双极性电源。通过这样做，我们再次观察到中间的“虚拟地”现象。这类似于所谓的“推挽输出”，但只使用一个晶体管。正如您在图片中看到的，我们使用了DAC的输入作为源，并且在跟踪基极电流路径时遇到了一些麻烦。
当我们试图弄清楚这个看起来有点奇怪的电路的应用时（有些人可能认为发射极是共用的，但实际上集电极连接到电源轨），我们偶然发现了有源跟随的概念。为了实现电压的简单重复（或跟随），我们可以尝试使用一根简单的导线。但很快我们会意识到这不是一个可行的方案，因为一部分电压会因导体的内阻而损失。所以我们必须找到另一种方法。幸运的是，Mechkov 先生有一些来自现实生活的鼓舞人心的例子与我们分享。例如，我们每天都能看到——汽车驾驶员控制汽车速度，声音因周围环境而变化。我们能想到的所有例子都有一个共同点——那就是有源跟随。这在框图中进行了说明。通过分析，我们发现这就是负反馈的原理。在我们的例子中，比较器件将由基极-发射极结充当，调节器件将由集电极-发射极充当。然后晶体管将比较输出发射极电压与输入电压，并使两者相等。
运放（operational amplifier 的缩写）是许多有用电路的关键元件。众所周知，它具有强大的放大能力，放大倍数很容易达到 200000 或更高。有了这一点，我们可以将其功能描述为基于“冗余”。我们今天的一个任务是将这个巨大的放大倍数缩小到仅仅 1（跟随器）。这个任务起初可能看起来毫无用处，就像著名的哈罗德·布莱克（Harold Black）做出他的发现（负反馈）时所认为的那样，而这个发现后来对现代工程产生了巨大的影响。
让我们开始对运放的基本理解。我们看到它有两个输入——反相输入和同相输入。这两种类型根据我们的目的使用——使用负反馈或正反馈。除此之外，我们还有双极性电源。如果我们连接两个 12V 电池和一个负载来使图片完整，我们就会得到之前遇到的类似对称电路。它类似于桥式电路。下一步将是完成电路，将两个电池连接到差分输入。最终的变体可以在下面的图片中看到，说明了输入和输出电压。运放的输入非常灵敏，因此它们之间非常小的变化会导致输出饱和。
对于我们的下一个任务，我们必须构建有源电压跟随器并以某种有效的方式使用它。我们从构建一个简单的分压器开始。如果我们在输出端连接一个电压表，我们会注意到由于电压表的内阻，所需的电压低于预期。整个电路就像一个实际的电压源。为了使它理想化，我们需要通过 100% 的负反馈进行补偿。在之前的实验中，晶体管在补偿方法中扮演着这个角色。它既充当比较器件又充当调节器件。现在我们将用运放替换它。最终电路可以在右侧看到。
现在让我们转向我们的下一个任务——压控电感的有趣概念。根据定义，压控电感用于将负载电容转换为电感。这非常有用，因为笨重的线圈可以用包含电容器、运算放大器或晶体管以及电阻的更小的组件替换。我们将从头开始构建一个简单的 RC 和 RL 电路，并分析这两个图，这两个图表示 C 和 L 的电压和电流在时域中的变化。我们注意到 RC 电路中电阻上的电压降表示另一个电路中电感元件上的电压降。在发现这种依赖关系后，我们将不得不找到一种实现它的方法。
我们从构建一个 RC 电路开始。为了复制模拟电感元件的电阻上的电压降，我们使用另一个电源，如图片所示。接下来，我们必须找到一种复制流过电容器的电流的方法。为此，我们关注另一条分支并连接一个电阻 Rl。它上的电压降等效于电容器上的电压降。所需的电流等于 Vc/Rl。现在草图再次出现，类似于熟悉的东西——平衡桥。下一步将是将我们上面讨论过的电压跟随器集成到电路中。现在，运放和电阻 Rl 的组合表现得像电感元件。
我们没有时间在 PCB 上进行实际实施，而是开始了一个关于下面电路中是否存在正反馈回路的有趣讨论。事实上，这种回路确实存在，为了稳定，这个反馈的比例必须小于 1。
在上一实验中构建了电压跟随器后，现在是时候将放大倍数提高到例如 10。10 指的是严格的 10，没有明显的偏差。为了理解这个原理，我们讨论了一些涉及这种机制的现实生活中的例子（例如汽车驾驶员和加速踏板）。我们得出的结论是，在克服某种干扰或障碍的过程中，跟随器变成了放大器。因此，我们现在的目的是将这种恒定的障碍物从输出端放置到比较器件的输入端。首先，我们尝试只使用一个简单的电阻，但它不起作用，因为由于运放的高输入阻抗，它上面不会有任何电压降。所以我们将使用另一个众所周知的电路——分压器。因此，我们选择电阻相等并管理 0.5 的比例。通过这种有趣的方式，我们实际上通过衰减构建了一个放大器，并选择对该衰减的反应作为输出。
为了发明反相放大器，我们将回到哈罗德·布莱克偶然遇到相同问题的年代。他身边没有任何带有差分输入的运放。所以我们将使用单输入器件。根据下面的电路，我们试图找到一种将两个电池的电压相加的方法。我们不能串联地将它们相加，但并联地将它们相加会导致问题，因此我们将连接两个电阻来缓解冲突。这种连接方式很好地说明了叠加原理，实际上我们制造了一个带权重因子的加法器（电子秤）。在得到这个加法器后，我们将输出连接到运放的反相输入。如果我们使用带有差分输入的运放，我们将同相输入连接到地。为了使我们的加法器工作，输入和输出电压必须具有不同的极性。因此，我们反转输出电压，然后得到一个反相器。为了使其放大，我们将电阻 R2 设置为比 R1 大得多，就像一对天平一样。如果比例相反，我们将得到一个反相衰减器。我们还看到，运放的反相输入似乎为“0”或所谓的“虚地”，并且我们看到电位图围绕这一点“振荡”。该电路的另一个好处是它消耗电源的能量，而不是输入的能量。