自激多谐振荡器

自激多谐振荡器在生产斗争和科学实验中获得了广泛的应用。例如，在脉冲数字电路和自动控制系统中，常常利用它来作为产生脉冲的信号源。在航标灯、汽车转向闪光灯以至电针灸治疗机等器械中也用到它。这种振荡器不需要外加触发信号就能自行振荡，所以称为“自激”；它的输出波形近似为方波或矩形波，包含有丰富的谐波，因此又加上“多谐”二字，称为自激多谐振荡器。

本文打算先从实验的角度出发，简要地介绍自激多谐振荡器的工作原理，电路参数的设计和调试，然后举一个便于业余爱好者自己制作的闪光灯电路为例，以直观地演示晶体管的饱和导通、截止及RC电路的充放电过程，只要具备一个万用电表就可以很方便地进行观察和测试，有助于加深对晶体管的开关作用的理解。

自激多谐振荡器的基本电路如图①所示，它是一个两级阻容耦合的正反馈电路，第一级晶体管BG\(_{1}\)的集电极输出信号经C1耦合到第二级BG\(_{2}\)的基极，第二级BG2的集电极输出信号经C\(_{2}\)又耦合回第一级的基极，由于共发射极电路的输出信号与输入信号是反相的，因而这两级的交叉耦合便构成了一个具有正反馈作用的闭合环路。

合上电源后，由于这种正反馈作用的结果将使电路只能处于下述两个状态之一：或者BG\(_{1}\)截止、BG2饱和导通；或者BG\(_{2}\)饱和导通，BG2截止。究竟处于哪一个状态则由当时的具体条件来决定。例如，当某种原因使BG\(_{1}\)的集电极电位uc1稍有降低时，由于电容C\(_{1}\)两端的电压不能突变，因而引起BG2的基极电位u\(_{b2}\)亦跟着降低，它经过BG2的反相放大使BG\(_{2}\)的集电极电位uc2升高；而电容C\(_{2}\)两端的电压不能突变，又使得BG1基极的电位u\(_{b1}\)升高，经BG1反相放大而使BG\(_{1}\)的集电极电位uc1进一步降低。这种正反馈连锁反应是进行得极为迅速的，很快就达到BG\(_{1}\)完全截止、BG2饱和导通的状态，即BG\(_{1}\)的集电极电位降到了其最低值（大约-6伏），而BG2的集电极电位则上升到其最高值（大约-0.1伏）。

前面说过，电容器两端的电压不能突变，这就是说，电容器右边的电位上跳多少伏，其左边的电位也要同样上跳多少伏，这样才能保持电容器两端的电压不变。在BG\(_{2}\)刚导通的瞬间，BG2集电极电位从-6伏上跳到接近零伏，这个突然变化将通过电容器C\(_{2}\)。传到BG1的基极，使BG\(_{1}\)的基极电位ub1从接近零伏跳到+6伏。当电路达到BG\(_{1}\)截止、BG2饱和导通时，电容C\(_{1}\)由-6伏电源经BG1集电极电阻RC\(_{1}\)进行充电，而电容C2则由电源经BG\(_{1}\)基极偏流电阻Rb1进行放电。充、放电的路径如图②所示。

但是BG\(_{1}\)截止、BG2饱和这个状态只是电路的一个暂稳态，它是不能持久的。毛主席指出：“事物内部矛盾着的两方面，因为一定的条件而各向着和自已相反的方面转化了去，向着它的对立方面所处的地位转化了去。”因为维持BG1截止的条件乃是电容C\(_{2}\)两端的电压，它一方面经过饱和导通管BG2的集一射极（可看作短路）而直接加到BG\(_{1}\)的发射结，使之处于反向偏置，另一方面却又经由Rb1向-6伏电源进行放电，放电的快慢由时间常数R\(_{b1}\)C2所决定。 C\(_{2}\)的放电使BG1的基极电位u\(_{b1}\)由+6伏开始逐渐下降，当它下降到零伏再负一点时，BG1的发射结变为正向偏置，于是BG\(_{1}\)的集电极电位uc1开始上升，强烈的正反馈连锁反应很快就使电路翻转到BG\(_{1}\)饱和、BG2截止的状态，这是电路的第二个暂稳态，如图③所示。

与上述讨论相似，这第二个暂稳态也是不能持久的。“矛盾着的对立面又统一，又斗争，由此推动事物的运动和变化。”当BG\(_{1}\)饱和、BG2截止时，C\(_{2}\)开始充电而C1则开始放电，C\(_{1}\)的放电使BG2的基极电位u\(_{b2}\)逐渐下降，当它下降到零伏再负一点时，BG2的发射结变为正向偏置，于是电路便又翻转回BG\(_{1}\)截止、BG2饱和导通的状态，即第一个暂稳态。就这样，由于电路中存在的正反馈作用和电容器的充放电作用，使电路得以周期性地在两个状态之间不断翻转，于是在每管的集电极上便得到截止与饱和导通互相交替的输出波形。即为近似的矩形波，如图④所示。值得注意的是，由于电容C\(_{1}\)的存在，当BG1截止时其集电极电位u\(_{c1}\)不可能立即就降低到-6伏，而要经历一段时间，这段时间的长短由充电时间常数Rc1C\(_{1}\)所决定。由于这个缘故，在输出波形的下跳沿就出现了一个“圆角”，即不是理想的短形波。

振荡幅度与周期是表示多谐振荡器输出特性的两个重要参数。参看图④，振荡幅度Um就是管子截止与饱和时的集电极电压之差，因为饱和时的管压降很小（约0.1伏），而截止时的管压降等于电源电压6伏，所以振荡幅度U\(_{m}\)近似地等于电源电压（6伏）。

振荡周期T=T\(_{1}\)＋T2，其中T\(_{1}\)为一个周期内BG1截止的时间，T\(_{2}\)为BG2截止的时间。BG\(_{1}\)截止的时间取决于放电时间常数Rb1C\(_{2}\)，即C2两端电压由6伏经R\(_{b1}\)向电源放电至零伏所经历的时间，由简单的数学推算可求得T1=0.7R\(_{b1}\)C2。同样可求出T\(_{2}\)＝0.7Rb2C\(_{1}\)。这里电阻若以千欧为单位，电容以微法为单位，则时间将以毫秒（即10－3秒）为单位。把我们上述电路的具体数值代进来，可以求得：T1＝0.7×39×200≈5500毫秒=5.5秒，T\(_{2}\)=0.7×27×100≈1900毫秒=1.9秒，于是T=T1＋T\(_{2}\)=5.5＋1.9＝7.4秒。

多谐振荡器的设计，就是根据输出幅度和振荡周期选好晶体管及电源电压EC之后，决定R\(_{c1}\)、Rb1和R\(_{c2}\)、Rb2以及C\(_{1}\)、C2之值。电源电压值应略大于输出幅度。一般选择晶体管的特征频率f\(_{T}\)比电路工作频率高10倍以上就能满足要求。

R\(_{c}\)的选择要考虑到多谐振荡器的负载情况和晶体管的最大允许集电极电流IcM。从提高电路的负载能力来看R\(_{c}\)应选得小些，但又要保证晶体管饱和时的集电极电流（Ic饱和=\(\frac{E}{_{c}}\)Rc）不得超过I\(_{cM}\)。在我们这个例子里，晶体管BG1、BG\(_{2}\)选用了两只低频锗合金管3AXI，其IcM=10毫安，β1=20,β2=25。当E\(_{c}\)=6伏，选取Rc1=3K及R\(_{c2}\)=1.3K时，可算得Ic1饱和=E\(_{c}\);Rc1=6V3KΩ=2毫安，I\(_{c2饱和}\)=6V;1.3KΩ=4.6毫米，均小于10毫安、故能满足要求。鉴于BG2将要用来驱动带灯的反相器，所以其集电极电阻选得较小，并且采用β值较大的一只管子。

R\(_{b}\)的选择要照顾到两个因素：一方面要保证使晶体管在导通时能够处于充分饱和，另一方面又要注意它与耦合电容的乘积（Rb1C\(_{2}\)或Rb2C\(_{1}\)）决定了电路的工作周期。要达到充分饱和，就必须使晶体管的实际基极电流Ib=\(\frac{E}{_{c}}\)Rb大于其临界饱和时的基极电流I\(_{b临界}\)=Ic饱和;β=\(\frac{E}{_{c}}\)βRc,即要有R\(_{b}\)＜βRc。读者不难验证，现在我们选取的R\(_{b1}\)=39K和Rb2=27K都是满足这个关系式的。在满足充分饱和的条件下，R\(_{b}\)的数值还可以有一定的伸缩范围，这样我们由Rb与耦合电容的适当数值搭配起来便能获得给定的振荡周期。通常R\(_{b}\)也不宜过小，否则合上电源后两个管子都将过分饱和，振荡不容易产生。

电容C\(_{1}\)与C2的取值除了由工作周期决定之外，还必须满足另一个条件，即要保证使一边的放电时间常数远大于另一边的充电时间常数，以使得电路在每次翻转之前充电回路上的电容都能够充足了电（即电容两端的电压为E\(_{c}\)），否则就不能利用上述周期公式。一般须取放电时间常数为充电时间常数的五倍以上，即Rb1C\(_{2}\)≥5Rc1C\(_{1}\)及Rb2C\(_{1}\)≥5Rc2C\(_{2}\)。读者可以验证图①的电路也是满足这些要求的。

多谐振荡器电路的调试相当简单，首先断开两个耦合电容C\(_{1}\)、C2而测BG\(_{1}\)、BG2的集-射极电压U\(_{ce}\)，此时因反馈环路已被切断，故BG1、BG\(_{2}\)均应达到饱和，即Uce≈0.1伏。若测得某管的U\(_{ce}\)较大（例如1伏），那就表明它还未进入饱和，应当进一步减小该管的偏流电阻Rb或加大其R\(_{c}\)，直至两管均达到饱和为止。然后接上C1、C\(_{2}\)看动态情况，此时用万用电表应观测到每只管子的集电极电压大约在6伏与0.1伏之间周期性地变动，这表明电路已经起振了。如果电路不能起振，可能是Rb取得过小，使晶体管过份饱和，以致无法翻转;此时就要适当加大R\(_{b}\)或减小Rc，直至能够起振为止。用万用电表还可以观测到BG\(_{1}\)、BG2基极电压的变化情况及C\(_{1}\)、C2的充放电情况，但因为万用电表的输入阻抗比较低，反应亦不够迅速，所以这些观测结果只能是定性的。

图⑤为闪光灯的一个实验电路，由BG\(_{1}\)、BG2组成自激多谐振荡器，BG\(_{2}\)的输出被用来驱动带灯的反相器BG3。电路的工作原理如下：当BG\(_{2}\)饱和导通时，其集-射极电压Uce≈0,这相当于使BG\(_{3}\)的基极接地，故BG3因发射结得不到正向偏压而截止，I\(_{c3}\)=βIb3≈0，接在BG\(_{3}\)集电极上的指示灯也就不亮。而当BG2截止时则刚好相反，此时反相器BG\(_{3}\)有相当大的基极驱动电流

这个值大于BG\(_{3}\)的临界饱和基极电流Ib3临界=\(\frac{I}{_{c3饱和}}\)β3=150mA;120≈1.25毫安，所以BG\(_{3}\)进入饱和导通，Uce3≈0，电源6伏得以直接地加到指示灯上，因而灯就亮了。这种情况说明，在一定的条件下晶体管能够起着普通的开关一样的作用。当BG\(_{2}\)输出高电位（即饱和）时BG3就输出低电位（即截止），指示灯熄灭；当BG\(_{2}\)输出低电位（即截止）时BG3就输出高电位（即饱和），指示灯亮。亦即BG\(_{3}\)的输出总是与输入相反的，故BG3称为“反相器”。R\(_{V}\)是一个用来使灯泡得到预热电流的电阻，因为钨丝灯泡在冷态时的电阻要比其热态电阻低很多，6V150mA灯泡的热态电阻为\(\frac{6V}{150mA}\)=40Ω，但由万用电表测得其冷态电阻只有6Ω左右，这样BG3在刚进入饱和导通时的瞬间冲击电流将要比常态电流（150mA）大几倍，这对晶体管的使用寿命是很不利的。当接入R\(_{V}\)之后，即使是在BG3截止期间灯泡也有约6V;220Ω≈27毫安的预热电流流过，这使灯泡的暗态电阻被提高到20Ω左右，因而晶体管BG\(_{3}\)导通时的瞬间冲击电流只比热态电流约大一倍，这就可以延长BG3的使用寿命。

图⑤电路的闪光周期可通过调节R\(_{b1}\)、Rb2来改变，最短的闪光周期为T＝T\(_{1}\)＋T2＝1.1秒（暗）＋0.9秒（明）＝2.0秒，最长的闪光周期为T′＝7.6秒（暗）＋2.2秒（明）=9.8秒。要获得更大的通-断比可采用β值更大的管子或者用复合管。实测情况表明，在接上BG\(_{3}\)后振荡周期会受到影响（变小），所以最好在BG2与BG\(_{3}\)之间加一级射极跟随器以作缓冲隔离之用。为了使周期的实际测量值与理论计算值很好地符合，必须注意电解电容器C1、C\(_{2}\)的容量要准确（一般铝电解电容器的标称容量与其实际容量之间的允许偏差达+100％及-10％，所以要进行挑选或实测），其漏电应尽可能小，用万用电表测其正向绝缘电阻最好是大于1000千欧的。另外，电源电压EC在晶体管的开关过程中不得有较大的波动，最好是采用稳压电源供电，否则测得的周期数值亦与计算值有出入。（许国殷）