想基于Jack Kilby的电路文档学习RC相移振荡器是有一定的难度的,主要是因为他当初设计的电路是基于PNP核心,而今天我所能找到的RC相移振荡器的文章,都是基于NPN为核心讨论。
所以我想应该先把基于NPN的RC相移振荡器了解一下,才有可能推敲出Jack Kilby的电路的工作原理。
一、题外话:为什么要用PNP而不用NPN?
这里有一个额外的话题:为什么Jack Kilby要基于PNP做这个RC相移振荡器的集成电路呢?首先排除最不可能的原因:PNP在1958年的时候,没有NPN成熟。这个猜测是错误的,实际上晶体管从诞生之处,就是NPN先成熟起来,无论是制造工艺的成熟、尺寸的小巧、成本的低廉,都是NPN更胜一筹。所以没有道理不使用NPN。
那么Jack Kilby当年为什么不用NPN、而使用PNP呢?查资料,没有答案。各种资料随便整合到一起的猜测如下:
1、Jack Kilby进入TI实验室之后,并不是研究基于硅基片的晶体管工艺,他做的研究是基于锗基片进行生产;
2、Jack Kilby的工作,也许是只得到了PNP的研发权限,没有NPN的研发权限(这一点是猜测);
3、Jack Kilby的发明研发工作,也许需要避免向其他技术科室索取硅基片或NPN技术(也是猜测);
4、对于相同的电路模块,PNP电路也许在稳定性上不如NPN,但是从使用的IC数量上也许会少于NPN;
综上四点,也许就是Jack Kilby使用了PNP做核心元件的原因吧。
二、还是题外话:为什么NPN更优秀?
无论上面的第一点是怎样的情况,在今天我都遇到了一个新的困惑:为什么我能找到的RC振荡器的教程,都是基于NPN的、而没有一篇是基于PNP进行阐述的?
另外,从现在的结果上来看,似乎NPN更稳定,但究竟更稳定在哪里呢?
三、基于NPN的RC相移网络振荡器
这里有一些问题,先罗列出来:
1、反馈网络的两种形式:
反馈网络既可以是电阻串联、上面并联电容器;也可以是电容串联、上面并联电阻器。通过仿真,我也尝试出了两种不同形式的电路。如下图所示:
值得注意的是,两种形式在通过RC网络计算输出频率时,使用的公式是不一样的。
电容串联时(常见形式):
\(f_{out} = \frac{1}{2 \pi RC\sqrt{2N}}\)使用电阻串联、电容做旁路并联时(少见):
\(f_{out} = \frac{ \sqrt{2N} }{2 \pi RC}\)2、NPN的E极(发射极)上面的电阻(RE)和电容(CE)分别是做什么用的?
一说是电阻RE增加了电路的稳定性,电容CE是旁路电容(by pass电容),但是这2句话表述的实在太模糊了,我想更明确的了解这两个元件的作用。
3、NPN作为分线性原件,只能依靠仿真或datasheet手册进行分析么?
没有基于数学的公式来计算、推导相关的过程和细节吗?我想应该是有的,只是还没有找到吧。手中的相关书籍在介绍到这个电路的时候,都是一笔带过。还要再多找一找参考资料,看有没有专门的书籍对这个电路进行介绍。
4、额外的备忘截屏:
这里还有一个相关资料的截屏,日后再学习,先截屏保存一下: