电路创意/小组 67b
我们是来自计算机系统学院，索菲亚理工大学的学生。我们的 67 小组分成两个小组；我们组成第一个 67b 小组。以下是我们的名字
Dafar Shaban、Nikola Lambev、Kalina Domuschieva、Valeri Kirilov、Reneta Stoycheva、Sofiya Shtarbova、Kiril Rusev、Raya Yunakova、Ina Tacheva、Dimitar Mindalov（在这里添加你的名字）
2008 年 3 月 25 日星期二，16:45
在本实验中，我们尝试利用对著名欧姆定律实验的知识来“发明”新的模拟设备。为了查看我们“新”设备的图形，我们使用了Microlab - PC Apple2 连接到 4 个 DAC 和 4 个 ADC。我们进行了一些实验，这些是我们分析的方案。首先，电源仅连接到电阻的一端，我们测量沿电阻层的电位（第一张图片）。因此，我们制作了一个线性传输到电压的转换器。
为了进行欧姆定律实验，我们需要某种电阻丝。我们的老师给了我们一根加热丝，所以我们开始用它进行实验。当我们用导线、电源、电压表和电流表连接它时，我们开始测量它的电阻。我们还使用了两种电压表和电流表 - 老式指针式和新型数字式设备。在成功构建和连接电路后，我们非常兴奋地发现它确实有效。周围的图片显示了我们的电路和进展。
当有两个电源，并且它们都具有相同的极性时，我们有一个并联电压叠加器。这里 VOUT = r1/(r1+r2).VIN1 + r2/(r1 + r2).VIN1。
如果我们有不同极性的电压，并且选择 VIN1 和 VIN2 使得 VOUT=0（称为“虚拟地”的点），我们将得到一个比较设备，就像第三张图片中的方案：VIN2/VIN1 = -(r2/r1)。为了保持 Vout = 0，我们可以使用运算放大器（向下）。这里 I1.R1=(VIN/R1).R2 或 VOUT/VIN=-R2/R1。
这份实验报告由 Reneta Stoycheva、Sofiya Shtarbova、Ina Tacheva 和 Valeri Kirilov 撰写，Raya Yunakova，。
2008 年 4 月 8 日星期二，16:45 （摘录自固态录音机制作的实验记录） Circuit-fantasist 2008 年 6 月 3 日 05:43 (UTC)
本周二，共有三个学生小组在这个专门用于生产恒定电流的晶体管电路的实验室中进行实验。首先，来自小组 65b 的同事们正在构建和研究最简单的晶体管电流源。来自下一个小组 66b 的学生继续他们的工作，试图将最简单的晶体管电流源转换为一个 BJT 电流镜电路。但他们没有成功，因为在实验室结束时发生了一起事故 - 主晶体管开始冒烟，他们必须弄清楚原因。这个荣誉落在了你的小组 67b 的肩上，他们需要完成他们的工作......
在我们开始这个实验室之前，我们必须澄清一些哲学问题。什么是晶体管？它做什么？你对晶体管有什么概念？它是像他们经常描述的那样一个超自然的“神圣”器件，因此他们用复杂的方程式和分析来掩盖它吗？或者它是一个简单、清晰、直观的器件，每个人（即使是孩子）都能理解？
一名学生：晶体管由两个 np 结组成......但也有没有结的晶体管（例如，MOS 晶体管在输入部分没有结）。让我们用更一般的方式说。另一名学生：晶体管可以放大......但这意味着什么？该学生：如果我们施加输入信号，就会在输出端出现一个大的信号。但这不可能；自然界没有放大。我们不能放大能量。我想更准确地说，没有放大。我们不能从更少的能量中获得更多的能量；这根本不可能。
那么，晶体管究竟是做什么的呢？好吧，看看你之前同事的最后一张照片（左边）来自Group 66b。正如你所见，我们画了箭头从晶体管中射出。它们代表着晶体管正在散发出的热量，因为它们在集电极电路中被短路连接了。所以，我再次问你，“晶体管做什么？正如你所见，我们将三端晶体管拆分成两个两端器件，现在我们讨论其中一个 - 输出集电极-发射极“器件”。这里就是这个“器件”，我已经拿在手上了。它有两个引线，并且通过这两个引线连接在电路中...... 我再次问你，“它在这个电路中做什么？“，“晶体管用它的输出部分做什么？”
一个学生：晶体管表现得像电阻一样。是的，这正是我想听到的 - “电阻”在该词的广义上。除了最流行的资料之外，它们通常不会以这种方式解释晶体管；它们避免给出这种直观的解释（也许是因为晶体管的行为像非线性电阻而不是欧姆电阻）。但是，这是关于晶体管最简单、最强大的观点。所以，如果有人问你晶体管做什么或能做什么，你可以回答：晶体管唯一能做的事情就是在它连接的电路中“插入”一个电阻，耗散功率，将其散发到空间中，并以这种方式阻碍电流，调节负载电压、电流和功率。晶体管除了像我们面前的这个可变电阻（变阻器）之外什么也做不了。当然，还存在电容和电感，但它们是寄生元件，可以忽略不计。
晶体管和简陋的变阻器之间有什么区别？首先，晶体管是电控电阻，而变阻器是机械控制的。还有光控电阻 - 光电阻、声控电阻 - 碳话筒、温度控制电阻 - 热敏电阻等等。例如，将这个光电阻连接到欧姆表，照亮或遮蔽它；这样你就可以测量这个光控电阻的最小（4 kΩ）和最大（300 kΩ）电阻。我们用相同的方式控制晶体管的电阻，只是用电方式。
其次，正如我们在上面提到的，晶体管是非线性电流稳定电阻，而变阻器是欧姆电阻。当他们说“电阻”时，我们隐含地理解“欧姆电阻”；因此，晶体管在广义上来说是电阻。好吧，让我们绘制两种类型的特性。当我们改变欧姆电阻的电阻时，它的IV特性曲线倾斜；当我们改变BJ晶体管的基极-发射极电压时，它的输出特性曲线垂直移动，保持平行于自身。
晶体管充当电流稳定电阻
[edit | edit source]我们的最终目的是创建一个由另一个电流控制的电流源。所以，我们必须理解晶体管如何保持恒定电流。我们与你之前来自group 65b的同事一致地考虑了这个话题。我们开始通过创建最简单的无源电流源（一个串联连接的电压源和一个电阻）来解决“产生恒定电流”的问题。然后我们确定了它的不完美之处（如果负载变化，电流也会变化）。所以，我们开始推断如何制作一个完美的恒定电流源。我们记得他们在电力中如何解决这个问题 - 通过将电压和电阻增加到无穷大，以便抑制负载的影响。只是，我们注意到这种方法并不完美，因为电阻会耗散大量的能量。然后，我们转向电子学领域，在那里这个问题以更巧妙的方式得到解决。你能猜到这个想法是什么吗？
好吧，你有一个由三个串联连接的元件组成的电路：一个电压源、一个电流设定电阻 R 和一个具有可变电阻 RL的负载。当负载电阻变化时，为了保持恒定电流，我们必须做些什么？巧妙的想法是什么？ 一个学生：...... 晶体管、运算放大器...... 也许吧，但这些都是非常具体的解决方案；我们仍然处于“想法”阶段。 另一个学生：...... 反馈...... 但我们仍然不知道反馈是什么。
让我们继续以人性化的方式推理...... 例如，如果负载电阻增加，导致电流降低，我们该怎么做才能恢复电流？ 学生：...... 我们必须降低电流设定电阻 R！反之亦然，如果 RL 降低...... 学生：...... 我们必须增加 R！结果表明，一个奇怪的电阻停留在那里，它具有独特的特性，可以根据流过它的电流改变它的电阻。电阻 R 不是一个普通的“静态”电阻；它是一种可变的、动态的电阻。它仍然是欧姆的，但它是可变欧姆电阻。人们称这种奇怪的元件为电流稳定电阻。
我们可以在我们人类日常生活中看到这种动态化思想。有些人行为“静态”；他们对各种干预措施没有反应。其他人更灵活、更适应、更动态；他们获胜。
我们开始寻找这样的元件。在电力中，灯泡有类似的行为（有被称为巴雷特电阻的 - 热敏电阻具有正温度电阻系数）。在电子学中，我们发现晶体管（包括 BJT 和 FET）具有这种行为。请看你的同事们所绘制的图，图中展示了晶体管的行为。这种图形表示的想法是什么？他们将电路的输出部分表示为两个彼此连接的两端元件 - 一个真实的电源和一个负载（根据戴维南定理，我们可以以这种方式表示所有电路）。真实的电源是一个复合电源；它由两个两端元件组成 - 一个理想的电压源 VCC，具有垂直的 IV 特性曲线，以及一个内部电阻 RL，具有倾斜向右，并从坐标原点开始的 IV 特性曲线。两条特性的差值表示复合真实电源的有效 IV 特性曲线。正如你所见，它向右移动了 VCC 的幅度，并根据 RL 倾斜向左。这看起来可能很奇怪，但在这种表示中，晶体管充当负载，而 RL 充当内部电源电阻？你同意这种观点吗？
正如你所见，输出晶体管特性类似于恒定电流源的特性曲线。两条特性曲线的交点称为工作点；它表示这两个元件上的现有电压和流过它们的电流。
改变负载电阻
[edit | edit source]现在让我们开始推断当我们开始改变 RL 时会发生什么。如果我们降低它，电源曲线上升，反之，如果我们增加电阻，电源曲线下降。正如他们通常在经典电子学课程中所说，由于晶体管的输出特性曲线几乎是水平的，因此工作点几乎沿着它水平移动；电流的变化微不足道。这种解释在某种程度上是有效的，但我们想知道晶体管是如何实际做到这种魔术的；它的输出特性曲线是如何得到的。但没有人回答这些问题......
请看上面右侧的第二张图片。那里显示了什么？我们看到另一条从坐标原点开始的线。这条线是什么？它代表什么？正如你可能猜到的，它代表了现有的欧姆晶体管电阻。请记住我们上面是如何表示晶体管的 - 作为具有现有欧姆电阻 RT = VCE/IC 的可变电阻。如果你开始降低 RL，这个“电阻”就会开始增加它的电阻，反之亦然。所以，它表现得像一个可变欧姆电阻。它不是静态的，而是一个动态的，自我改变的电阻，它以这样的方式工作，使交点（工作点）沿着几乎水平的线移动 - 输出特性曲线。这条线表示工作点的轨迹；它是一条不真实的、虚构的、人造的曲线。只有两条交叉的线是真实的。
这种解释试图解释动态（非线性）电阻是什么。所以，让我们得出结论：动态（非线性）电阻实际上是一个“自变”欧姆电阻。流过它的电流或它两端的电压改变了它的现有电阻。
其他元件（例如二极管）具有相反的特性。当我们改变 RL 时，这样的元件会改变其现有电阻，方向相同，以便保持恒定电压。所以，它们表现得像电压稳定元件。
改变供电电压
[edit | edit source]根据上面的解释，如果我们开始改变供电电压，电流将保持恒定：如果我们增加电压，晶体管将增加其现有电阻，以便 I = VCC/RT 的比率也保持恒定，反之亦然。但它并没有保持恒定。为什么？这个安排中有什么问题？ 一个学生：...... 输入电压也变化了...... 是的，没错。你的同事感觉事情非常棒...... 显然，问题是我们从同一个电压源而不是从一个单独的电压源获取输入（参考）电压。这是不正确的，结果是显而易见的：当我们改变供电电压时，“参考”电压也会变化。
结果表明，在实践中，没有单独的电源，或者更常见的是，我们更喜欢使用一个公共电源（例如，一辆汽车只有一个电池，为许多电气和电子设备供电）。显然，我们必须安排好，以便当供电电压变化时，输入（参考）基极-发射极电压不会改变。
看看下面的图片，看看我们如何开始用来自第66b组的同事解决这个问题。问题是什么？我们想要保持什么不变？我们想要保持一个稳定的基极-发射极电压，即使电源电压变化，因为水平输出BJT特性是在给定的基极-发射极电压下。到目前为止，一个分压器产生这个电压；但是分压器是一个比例器件。那么，我们需要什么类型的器件呢？
看着一个新的电路，我们发现更多熟悉的“子器件”；在这里，我们识别出众所周知的电压分压器。只是，我们想让它在输入电压变化时，其输出电压不改变。换句话说，我们已经解决了*保持稳定电流*的问题；现在，我们必须解决*保持稳定电压*的问题。让我们概括这些想法。
最简单的晶体管电流源利用了晶体管在基极-发射极电压固定时稳定电流的固有能力。根据这个想法，我们需要什么来构建最简单的晶体管电流源？首先，我们必须在基极-发射极结上设置一个恒定电压；所以，我们需要一个恒定电压源。来自第65b组的同事已经用一个分压器做到了。注意，还有一个保护电阻（3.9 kΩ）与电位器串联连接；它限制了基极电流（最大 3 mA），以防有人将滑块移到电位器的末端。这个简陋的电阻电路允许我们设置一些输入电压，并以此方式将输出特性移动到给定的位置。因此，我们使晶体管根据上面的解释，通过负载传递所需的电流并保持其恒定。晶体管通过改变其现在的电阻，通过串联连接到负载的动态电阻，来抵制我们的干预。总电阻和电源电压保持恒定；因此，电流也保持恒定。通过这种方式，在电子学中，我们足够聪明，可以制作完美的电流源。
所以，我们需要一个*电压稳定元件*，我们需要一个*二极管*来获得所需的压降。我们如何连接它？*一个学生：它必须是正向偏置的…*在以前，我们必须调整电压；现在它正好是我们需要的那么多。更准确地说，我们将通过改变流过它的电流来调整它；当我们显着改变电流时，这个电压会略微变化。
来自第66b组的同事在 Tony Kuphaldt 关于电流镜的页面上发现了相同的解决方案。
但是我们不仅需要输出电流；我们需要一个镜像输出电流，其大小等于输入电流。思考这个问题，我们意识到这两个元件必须具有相同的特性。只要输入表现为一个PN结，我们不就使用另一个PN结来设置电压吗？为此，我们可以使用另一个晶体管的基极-发射极结作为这样的元件。与上面的“二极管”情况一样，不需要调整参考电压，就像我们在分压器的情况下必须做的那样。集成电路制造技术允许将这两个元件做得完全相同。
所以，更好的解决方案是将一个相同晶体管的基极-发射极结连接起来（使集电极没有连接）。
只是，出现了一个问题 - 输出晶体管饱和了！为什么？让我们再次看看 Tony Kuphaldt 关于电流镜的页面，并尝试找到这个问题的答案。Tony 声称流过负载的输出电流等于流过二极管的输入电流：*“因此，流过电阻 Rload 的电流是偏置电阻设置的电流的函数，两者几乎相等。”* 他认为这两个输出电流相等，因为两个输入基极-发射极电压相等。但这是真的吗？我们必须在这里证明这个断言…
你觉得这两个电流相等吗？显然，输入电压相等，因为两个基极-发射极结并联连接。但这是否意味着两个输出电流相等？我们可以发现电流设置二极管只分流“一个”基极电流 Ib = V/2Rbias，而 T2 的相应集电极电流是 β/2 倍大 - Ic = IL = β.V/2Rbias。
我们可以得出结论，“二极管”电流镜充当电流放大器（IOUT > IIN），而不是真正的电流镜（IOUT = IIN）！
现在让我们记住我们练习的开始，通过以下推理来澄清电位器的作用。假设我们将两个相同的电阻连接在一起 - 一个基极电阻 Rb 和一个负载电阻 RL = Rb。因此，我们得到一个电流放大器（Ic = βIb），而不是所需的电流镜（Ic = Ib）。然后，让我们将第二个电阻（实际上是一个电位器）并联连接到基极-发射极结，以将多余的电流从基极引流到地。
好吧，让我们继续开发电流镜电路…
因此，我们得出了将未使用的集电极连接到晶体管基极以将多余的基极电流引流到地的有力想法。
通过这种方式，我们揭示了输入电流设置晶体管 T1 的作用；它从输入电流中去除大部分 - （1 + β）Ib - 并且只为输出晶体管 T2 留下小部分 Ib。因此，输入电流和输出电流几乎相同。
尤里卡！我们已经“发明”了著名的但从未解释过的BJT电流镜电路！我们甚至反驳了关于简单BJT电流镜的普遍误解 - 通过正向偏置二极管或基极-发射极结设置输入电流的可能性！
如何反转电流方向是另一个关于基本电流镜的电路想法故事。
电流镜是著名网络作者 Tony Kuphaldt 撰写的关于电流镜主题的流行阐释。
2008 年 4 月 22 日，星期二，下午 4:45
在本练习中，我们将重新发明传奇电路 - 触发器。首先，我们将揭示记忆的一般想法；然后，我们将使用 NPN 晶体管构建一个 RS 触发器和一个运算放大器触发器。为了做到这一点，我们需要知道触发器可以用于什么以及我们希望我们的“发明”如何工作。我相信理工大学的每个学生都熟悉这些器件，但由于本书旨在向所有对电子学感兴趣的人解释电子学的想法，因此我将提供一些关于该主题的一般信息。
触发器（FF）是数字领域中用于各种用途的器件。正确连接后，触发器可用于临时存储数据、乘法或除法、计数操作或接收和传输信息。每个 FF 根据其类型具有两个到五个输入。所有类型 FF 的共同点是它们具有两个不同的输出，通常标记为 Q 和 /Q。它们可以处于“0”状态或“1”状态，并且始终应该是互补的。这意味着如果 Q 的状态是“1”，则 /Q 的状态是“0”，反之亦然。特别是 RS 触发器用于临时保存或存储信息，直到需要它为止。单个 RS FF 将存储一位二进制数字，即 1 或 0。它有两个标准输入 - R，代表“复位”并将 Q 输出设置为“0”，以及 S，代表“置位”并将 Q 输出设置为“1”（Raya Yunakova，67）。
我们可以在上面的图片中看到输入和输出，但我们无法理解触发器的工作原理。我们本次练习的主要目标是揭示“黑盒子”中的内容。基本上，RS 触发器是最简单的实用存储设备，它基于以反馈配置连接的 NOR 门。TU 的任何人都知道该触发器的真值表，因此我们不会用这些内容来烦扰你。主要问题是：如何使某物“记住”、“记忆”？如果我们找到答案，那么我们将知道创建任何类型的触发器的确切机制。（Reneta Stoycheva 和 Sofiya Shtarbova）
在这里描述从我们人类日常生活得出的情况（类比），其中某人（某物）没有记忆开始记忆。例如：狗咬自己的尾巴：)，愤怒的人使自己陷入狂怒：)，雪崩，等等。Circuit-fantasist (讨论) 16:14, 2008年5月18日（UTC）
我们从这里开始。我们有一个双极结型晶体管，其发射极对输入和输出都共用。输入由晶体管的基极控制，其集电极作为输出。我们用标记为 * 的按钮控制输入。按下按钮时，输入电路闭合，晶体管处于激活状态。当按钮未按下时，晶体管处于非激活状态，我们无法获得任何输出信号。
结构。这是 BJT 的正常工作流程。但是，在我们的案例中，这还不够好，因为我们的目标是“发明”一种在没有输入的情况下不会改变其状态的设备。但怎么做呢？很明显，我们需要在电路中添加一些东西来继续影响晶体管的输入（基极）。如果我们获得第二个晶体管并像这样连接到第一个晶体管会怎么样？
第一个晶体管的输出连接到第二个晶体管的输入（其基极），第二个晶体管的输出连接到第一个晶体管的输入。两个元件的集电极通过电阻连接到恒压源。发射极接地。（Raya Yunakova，67）
操作。我们的电路如何运作？当我们将电路投入运行时，左侧的晶体管处于非激活状态。但是，足够高的电流流过电阻 Rc1 以激活右侧的晶体管（请记住，我们已经连接了电压源）。其发射极-基极结正向偏置，因此我们具有等于接地电位的输出。此输出影响第一个晶体管的输入，但不足以激活第一个元件。我们继续在其输出上具有逻辑“1”，这使我们电路中的情况与之前完全相同。这不是我们一开始就想要发生的事情吗？
看来我们已经完成了目标，并且使晶体管“记住”了！使用这种方法，我们可以创建几乎任何类型的存储设备来满足我们的目的。我们实际上已经实现了名为“正反馈”的机制。它在电子学中被广泛用于改变放大器的参数，例如电压增益、输入和输出阻抗、稳定性和带宽。（Raya Yunakova，67）
在这里描述问题是什么以及我们如何解决它。Circuit-fantasist (讨论) 17:29, 2008年5月18日（UTC）
在这里描述我们做了什么。Circuit-fantasist (讨论) 17:24, 2008年5月18日（UTC）
左图显示了我们第一次尝试制作该方案，结果发现是错误的 :( 之后我们通过团队合作以正确的方式完成了它。
本实验报告由 Reneta Stoycheva 和 Sofiya Shtarbova 完成。
由 Raya Yunakova 更新。