简易的波形折叠电路

原创 TsinghuaJoking 2022-10-02 11:59

01 形折叠

一、背景介绍

  今天在 Youtube 上看到 UP 主 Neukolln 展示了一款非常简单波形折叠电路。那么什么是波形折叠电路?它有什么用处?

1、什么是波形折叠?

  通常情况下,信号在放大中会产生“饱和失真”,这是由于放大器输出动态范围所致。饱和之后,信号的细节就消失了,声音显得啥呀干燥。波形折叠则是将声音波形幅值超过某个阈值之后将其反褶过来,其变化过程依然保留在输出信号中。

  下图给出了三角波、锯齿波、方波信号在波形折叠之后的形状。折叠不仅改变了信号的波形,同时也改变了信号中的频率成分。对于方波信号,波形折叠仅仅改变了它的幅度。

▲ 图1.1.1 波形折叠

2、波形折叠的用途

  也许你已经厌倦了普通的振荡电路所产生的音调了,使用波形折叠可以为其添加一些令人激动的成分,声音信号经过波形折叠之后增加了一些金属质感。

▲ 图1.1.2 波形折叠之后会改变音乐的音色,使其产生金属乐器的效果

  由于波形折叠限制了信号的幅值,所以也对动态变化大的敲击乐进行了限幅,避免后级功率放大进一步产生失真。

二、波形折叠电路

  波形折叠电路有很多形式。视频中给出了一款最为简易的实现电路,它巧妙的利用了晶体三极管特殊的对称结构以及 NPN-PNP的互补特性。

1、三极管反向放大电路

  为了理解这款简易波形折叠电路的工作原理,先看一下三极管的反向放大电路。下面给出了三极管反向放大电路原理图。三极管的集电极与发射极连接有相同阻值的电阻。如果三极管工作在放大区域时, 集电极与发射极电流基本相同,这样便在三极管的集电极与发射极产生及向相反的信号。

▲ 图1.2.1 简易波形折叠电路

  在上述电路中,当三极管基极电压小于等于 0 V时,发射极的电位小于 -0.7V, 所产生的电流在集电极电阻、发射极电阻上的电压相同,再根据电路正负极工作电压都是 12V,所以此时三极管的集电极电压大于等于 0.7V,三极管处于放大区域。三极管集电极波形与基极波形极性相反。

  当基极电压超过0V,继续上升。三极管集电极-发射极之间的电压就会持续减少。当基极电压超过 0.7V,对应发射极电压上升到 0V,集电极电压降低到 0V。此时三极管的基极与集电极之间的 PN结便开始导通,集电极电压便会随着基极电压上升开始上升。

▲ 图1.2.2 三极管集电极上产生信号波形折叠

  这个电路对于所有三极管基极电压超过 0.7V 的电压波形进行折叠。下面给出了实际测试电路图。三极管使用 8050 NPN 三极管。输入信号为 500Hz 峰峰值为 5V, 平均值为 0V的三角波,在三极管的集电极测试到的信号波形。

▲ 图1.2.3 NPN晶体管波形折叠电路

  使用 MSO24示波器产生输出信号,并测量基极与集电极电压波形。读取示波器两个通道波形数据绘制如下。蓝色为基极输入波形,当超过0.7V 左右, 橙色为集电极电压波形。在基极信号小于 0.7V 时,输出与输入信号反向。当输入信号超过 0.7V 时, 输出波形则是对输入波形进行了反褶。请注意,输出波形在整体上比输入波形往上平移了大约 0.7V。

▲ 图1.2.4  三角波形对应的折叠效果

  下面是信号为正弦波时对应的折叠效果。

▲ 图1.2.5  正弦波对应的折叠波形

  使用 PNP 三极管可以构成反向波形折叠电路。根据同样的原理,下面电路则对信号小于 -0.7V 的信号产生折叠。

▲ 图1.2.6 PNP三极管组成的反向折叠电路

  下图给出了三角波形反向波形折叠的效果。当基极信号小于 0.7V 后, 集电极输出的信号便开始反向减少了。

▲ 图1.2.7  反向三角波形折叠的信号

2、双向波形折叠

  把上述两个电路进行并联,将两个三极管的基极并联,集电极信号并联,便可以兴盛双向波形折叠电路。

▲ 图1.2.8 双向波形折叠

  下面给出了上述双向波形折叠电路的输入输出信号波形。

▲ 图1.2.9  双向折叠电路输出波形

三、电路的改进

1、增加反向放大器

  由于三极管集电极信号与基极信号之间存在反相关系,在上述放大电路后面增加一级反向放大,便可以将输入输出之间的信号极限保持相同。

  下面电路中,巧妙的利用了原来三极管集电极分压效果,根据戴维南电源等效原理,可以等效成一个内阻为 10k 的电压源。由此后面增加一个输入电阻为  10k, 放大倍数为 -1 的放大电路,便可以实现输入输出之间波形同相了。

▲ 图1.3.1 增加反向放大器

2、增加输入放大器

  在上述电路中,要求驱动基极的电压信号内阻比较小。下面给电路的输入增加一级放大,一方面可以对输入信号的幅值进行调整,另一方面也可以使得三极管基极信号驱动能力更强。

▲ 图1.3.2 增加输入信号限幅放大

3、双重双向折叠

  如果输入信号很强,经过一次折叠之后有可能还会出现反向幅度超过限制。将上述电路进行级联,便可以形成双重双向折叠电路,这样便可以将信号进一步折叠在规定的电压范围之内了。

▲ 图1.3.3 双重双向折叠电路

  下面让我们看看双重波形折叠的效果吧。

▲ 图1.3.4  双重波形折叠

  结 ※

  文介绍了 Neukolln 发布的一款简易波形折叠电路。在其视频中给出了波形经过折叠之后听起来的音效。

  这个简单电路也有缺点,由于三极管 PN 结导通过程中的非线性,也使得输出的折叠波形出现了过度失真,比如下面三角波形折叠后产生的圆滑过度。

▲ 图2.1 三角波形折叠效果



TsinghuaJoking 这是一个公众号,它不端、不装,与你同游在课下、课上。 卓晴博士,清华大学中央主楼 626A。010-62773349, 13501115467,zhuoqing@tsinghua.edu.cn
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