三极管音频信号发生器电路原理及仿真分析

本文介绍一种音频信号发生器电路，描述了电路组成、工作原理、仿真分析计算。

(一)  电路组成

图1是一种音频信号发生器电路，V1是3V直流电源，Rs模拟电源内阻。三极管Q1、Q2组成二级直连放大器，R1是Q1偏置电阻，RL模拟负载扬声器，R2、C1组成正反馈通道，把C点电压变化反馈到A点。

图1 音频信号发生器原理图

(二)  工作原理

电路工作时，在电容C1的充放电作用下，A点电压周期性改变，三极管Q1和Q2同时周期性地导通和截止，形成振荡。Q2输出矩形脉冲电流，推动喇叭发音。一个振荡周期的时序可分为导通和截止两种状态及两个转换节点，下面分别描述各个过程。

1.  导通状态： 3V电源经R1限流后的电流，注入Q1基极，Q1导通，A点电压被发射结钳制在0.7V左右。因两个三极管级联放大倍数很高，Q2饱和或接近饱和导通，C点电压约为2V。C1在上一周期中被充电，两端电压约0.4伏（左正右负）。因此，R2两端电压为V_C-V_A-V_C1=2-0.7+0.5=1.8V，在R2、C1组成的反馈通道上产生一个反向电流，注入Q1基极。C1先放电、再充电，充放电时间常数为R2C1。

2.  导通转截止：当C1充电逐渐结束，C1两端建立起约-1.3V的电压，此时B点电压接近C点。B点与C点电压相等时，流过R1的电流为0，这个点称为临界点。理论上，电路在临界点可以进入稳定状态。但反向电流因C1充电而减小，也即Q1的基极电流也在不断减小，电路很容易跨过临界点，出现V_B>V_C，这时反馈通道就会出现正向电流，这个电流会引发正反馈过程：Q1基极电流减小→Q1导通程度下降→Q2导通或饱和程度下降→C点电压下降→B点电压不能突变，流经R2的正向电流加大→Q1基极电流减小。Q1、Q2迅速进入截止状态。

http://s11/mw690/001By0zUzy7jDjvPsgi9a&690

3.  截止状态：Q1、Q2截止，Q2无电流，C点电压为0V，C1上的电压-1.3V不能突变，因此A点电压为-1.3V，B点电压为4.3V，R2两端电压为4.3V，反馈通道产生正向电流，电流路径为：B点、R2、RL、V1、R1、C1、B点，C1先放电再充电，充放电时间常数为（R1+R2）C1。

4. 截止转导通：正向电流持续给C1充电，C1两端电压逐渐上升。充电电流同时在R2上形成压降，当C1两端电压与R2压降之和使A点电压接近0.7V时，Q1基极开始注入电流，经二级放大后，Q2产生的电流使C点电压上升，当C电压大于B点电压时，流经R2电流的从正向变为反向。这个反向电流以及来自R1的偏置电流，均注入Q1基极，电路重复上述正反馈过程，很快进入导通状态。

5. 电路重复上述4步，周而复始，形成振荡。

 从上述分析可见，振荡产生及维持的关键是进入临界点时，导通状态能否通过正反馈过程转换为截止状态。R1如果太小，导通时注入Q1的基极电流太大，使Q2进入深度饱和导通，那么C点电压就会稳定不变，B点C点电压始终一致，那么引发正反馈的正向电流就不会产生，电路就稳定在导通状态，无法切换到截止状态。如果R2太大，C点电压的略微下降，在R2上产生的正向电流太小，无法对Q1基极电流造成有效分流，Q1依旧导通不变，正反馈过程也不能产生。这两种情况均导致电路不能起振。

(三)  仿真分析及计算

用Altium Designer进行仿真，截取0－2ms的6路信号波形，如图4、图5所示，分别是3路电流信号：电容C1电流、Q1基极电流、流过R1的电流，及3路电压信号：A点、C点、电容两端电压（即A点电压减B点电压）。

从波形图可见，在从启动到约1.45ms间，电路经历了初始过程（步骤1－步骤3）和一个完整的周期（步骤3到6），下面对这些步骤作解读和计算。

http://s14/mw690/001By0zUzy7jDjDoDMNfd&690

步骤1：初始阶段。电路接通时，计算A点电压可判断Q1的工作状态。此时C1可看作短路，3V电源电压经R1、R2及RL分压， A点电压约为：3V*1K/(15K+1K)=0.188V（RL太小可忽略不计），因此Q1、Q2均截止。

步骤2：正向充电阶段。3V电压通过R1、R2、RL给电容C1充电。起始充电电流为3V/(R1+R2)=3V/16K=188uA。C1两端电压（左正右负）逐渐增加，A点电压也逐渐上升，当A点电压接近0.6V时，充电电流为（3-0.6）/R1=160uA，则R2上压降为0.16V， C1两端电压为 0.6-0.16=0.44V。本阶段Q1、Q2持续截止。

步骤3：正反馈导通。当A点电压上升到0.6V时，Q1基极产生微弱电流，触发正反馈过程，让Q1、Q2迅速导通。

步骤4：反向电流阶段。Q1、Q2刚导通时，V_C=2V， V_A=0.7V，V_C1=0.44V，所以V_B=0.7-0.44=0.26V，V_R2=-2+0.26=-1.74V，I_R2=-1.74V/1K=-174uA，C1放电，I_Q1=I_R1+I_R2=153uA+174uA=327uA，Q1基极电流达到最大值，Q2饱和导通。C1放电结束后进入反向充电，充电电压为V_A-V_C =-1.3V。

步骤5：正反馈截止。C1充电到接近-1.3V，电路进入临界点。Q1基极电流不断减小，让电路越过临界点，触发正反馈过程，Q1、Q2迅速截止。

步骤6：正向电流放电。Q1、Q2截止后，I_Q1=0，V_C=0V，V_C1=-1.3V，观察图2所示的正向电流路径，得：I_正向=（V1-V_C1）/（R1+R2+RL）=（3+1.3）/（16K）=268uA，从而V_R1=268uA*15K=4V，VA=-1V。C1开始放电，放电结束后转充电，过程同步骤2，Q1、Q2持续截止。

电路重复上述步骤2－步骤6，周而复始，形成振荡，Q2输出电流驱动喇叭发声。

(四)  振荡频率的计算

振荡频率是振荡周期的倒数，振荡周期分导通时间和截止时间两部分，转换用时忽略不计。

导通时，C1充放电时间常数为R2C1。截止时C1的充放电时间常数为（R1+R2）C1。但在导通和截止期间，不仅充放电时间常数不同，给电容C1充电的电压也不一样的，且充电终止的电压值也不同，因此导通与截止时间的计算比较复杂。

计算电容充电时间的公式为：t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]，其中V0为电容上的初始电压值，V1为电容最终可充到或放到的电压值，Vt为t时刻电容上的电压值。

导通阶段对应正向电流阶段，如图5中标示的步骤（6）。该阶段又分成放电、充电两时段，放电时C1电压从-1.25V到0V，充电时从0V到0.44V。对照公式，有V1=3V，V0=-1.25V，Vt=0.44V，充电常数RC=（R1+R2）*C1＝1.6ms，代入上式得到t_导通=0.881ms。

截止阶段对应反向电流阶段，如图5中标示的阶段（4）。该阶段也分成放电、充电两时段，放电时C1电压从0.44V到0V，充电时从0V到-1.25V，充满电压时为-1.25V。充放电时间常数为R2C1=0.1ms。则放电时间t_截止放电= RC*Ln [(-1.25-0.44)/(-1.25-0)]=0.030ms，与仿真值0.026ms接近。理论上充电结束时间为无穷大，一般按5倍RC计算，可充到电路两端电压的99%，因此t_截止充电=5RC=0.5ms，因此截止时长为t_截止=0.530ms。

振荡周期T=t_导通+t_截止=0.881ms+0.530ms=1.411ms。在仿真得到的波形中，测得电容最高电压为0.36V，最低电压为-1.25V，t_导通=0.831ms，t_截止=0.390ms，T=1.221ms。总体上与计算值接近。

(五)  元件参数选取

C1、R1、R2及电源电压，均可影响振荡频率。电容量越大，R1、R2阻值越大，或电压电压越低，充放电速度就越慢，振荡频率就越低。下表是仿真数据，为让输出电流方波的占空比接近50%，电阻R1、R2的选择已作大致匹配。

(六)  两种改型

　　　　1. 如果R1取值太小，电路无法进入振荡，可在Q1发射极设置一电阻Re，且并联上10uF旁路电容。此电阻改变了Q1工作点，抬升A点电压，使电路容易起振。见图6及图8。

 　　　　2.  如果R2太大，正反馈量太小而导致无法起振，可在A点与C点并联一RC微分电路，可以临界点处提供一个强烈的微分反馈。但在截止阶段，该RC微分电路将让电路产生一个调频微振荡。见图7及图9。

http://s7/mw690/001By0zUzy7jDkzAVBsc6&690

 　　对于这种简单电路来说，实际上没有必要再增加元件增加成本。只需合理设置R1、R2和C1及电压值，就能让电路正常起振，并获得所需的振荡频率和占空比。这两种做法，只是提供一些思路而已。