使用石墨烯自制MOS搭建的多諧振蕩電路

01、振蕩電路

不知道是真的還是假的， 今天看到一部短片，?其中短片作者利用石墨烯粉末徒手制作了一個(gè)場效應(yīng)管，? 并將其應(yīng)用在搭建的多諧振蕩電路中。這一點(diǎn)的確感到令人驚奇。?下面讓我們看看他是如何利用石墨烯粉末來制作場效應(yīng)管的吧。

▲ 圖1.1.1 使用石墨烯自制的場效應(yīng)管搭建的多諧振蕩電路

二、多諧振蕩器

1、電路原理圖

首先看一下視頻中的多諧振蕩電路，??這是一個(gè)由兩個(gè)NPN三極管組成的多諧振蕩電路。?這個(gè)電路利用了兩級(jí)三極管放大電路串聯(lián)形成正反饋，最后產(chǎn)生振蕩。?它的通常繪制方法，?是采用對(duì)稱的形式。?大家注意到這個(gè)電路中，?作為三極管的負(fù)載的LED并沒有串聯(lián)限流電阻。所以它應(yīng)該只能工作在低壓電源下。

▲ 圖1.2.1 多諧振蕩電路

下面利用手邊的元器件測試一下這個(gè)電路。這是三極管BC547的參數(shù)。?在面包板上搭建電路，加上5V工作電壓，電路開始震蕩。?其中三極管基級(jí)電阻 R1、R2阻值為68k歐姆。

▲ 圖1.2.2 在面包板上搭建的測試電路

為了便于后面測試該電路工作電壓范圍，?將電路中電容容量減小，?改成0.1微法，?這是電路工作后對(duì)應(yīng)的三極管的集電極與基極的電壓波形。?電路的工作頻率為494Hz。

▲ 圖1.2.3 在耦合電容為0.1微法時(shí)電路工作波形黃色：集電極信號(hào)，青色：基極信號(hào)

2、工作電壓范圍

下面通過Python編程自動(dòng)測試多諧振蕩電路工作電壓對(duì)工作電流與振蕩頻率的影響。?將測量結(jié)果繪制成曲線。?下面是測量結(jié)果，?藍(lán)色曲線為電路振蕩頻率，橙色曲線為電路工作電流。?當(dāng)電源電壓高于2.6V的時(shí)候，電路開始振蕩。?隨著工作電壓升高， 電路的工作電流基本上是線性增加。?電路振蕩頻率也隨著電壓升高而上升。

▲ 圖1.2.4 多諧振蕩器工作電壓與工作頻率與振蕩頻率之間的關(guān)系 原則上這個(gè)電路的振蕩頻率與電壓無關(guān)，僅僅取決于 電路中RC對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。?但是隨著工作電流的增加， 發(fā)光二極管等效的電阻會(huì)下降，?從而也在一定長度上影響了電路的振蕩頻率。 為了對(duì)比，?將電路中的LED更換成兩個(gè)300歐姆的電阻，?重新測量電路工作電壓與電路振蕩頻率之間的關(guān)系。?看看工作電壓對(duì)頻率是否有影響。?通過測量結(jié)果，?可以看到當(dāng)電路開始振蕩之后，振蕩頻率不太受到工作電壓的影響。?這說明了前面對(duì)于負(fù)載為LED情況下出現(xiàn)的振蕩頻率受到工作電壓影響的原因分析是正確的。

▲ 圖1.2.5 將多諧振蕩電路中的LED更換成300歐姆電阻后工作電壓與振蕩頻率

三、MOSFET振蕩電路

下面對(duì)于振蕩電路中的三極管，?都替換成N溝道MOSFET，重新測試一下電路是否能夠振蕩，以及振蕩電路的工作特性。? 這是手邊的兩只MOSFET， ?型號(hào)為17N50K，?根據(jù)期間的數(shù)據(jù)手冊，?它的柵極閾值電壓最大不超過4V。?下面在面包板上將原來三極管替換成這個(gè)MOS管，?相關(guān)的引線進(jìn)行了調(diào)整。

▲ 圖1.3.1 將振蕩電路中的三極管改成MOS管 下面是測量結(jié)果。藍(lán)色是測量電路的振蕩頻率，橙色是電路工作電流。?可以看到電壓只有在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，電路才振蕩。?這個(gè)電壓位于3V左右，恰好是MOS管柵極閾值電壓。?電路震蕩時(shí)工作電壓范圍在2.9V至3.2V之間。?當(dāng)電壓小于2.9V， MOS管截止， 大于3.2V MOS管導(dǎo)通。電路停止振蕩。? 下面給出了電路振蕩時(shí)MOS管漏極電壓信號(hào)。

▲ 圖1.3.2 振蕩電路工作電壓與振蕩頻率和工作電流 可以看到在以MOS晶體管組成的多諧振蕩電路，?它的振蕩頻率隨著工作電壓升高而降低，?這一點(diǎn)與前面基于NPN三極管振蕩電路有很大區(qū)別。?通過實(shí)驗(yàn)證明，使用MOS管組成的振蕩電路工作電壓范圍非常窄， 只是在MOS管的柵極閾值電壓附近，電路才能夠振蕩。

▲ 圖1.3.3 多諧振蕩電路工作電壓與振蕩頻率 下面將增強(qiáng)型場效應(yīng)管改成耗盡型場效應(yīng)管，?手邊有BF245耗盡型場效應(yīng)管。?將它們替換原來的三極管，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)電路始終無法振蕩。?有可能的原因是該三極管跨導(dǎo)參數(shù)太小，在負(fù)載為LED的情況下電壓增益無法超過1，?進(jìn)而電路無法起振。

四、石墨烯場效應(yīng)管

下面來看看視頻中是如何使用石墨烯制作場效應(yīng)管的吧。?首先需要這種石墨烯粉末。?然后還需要這種環(huán)氧樹脂AB膠水。

▲ 圖1.4.1 制作原材料 首先將AB膠水?dāng)D出一些放在攪拌塑料盤上，?然后將石墨烯粉末倒在膠水上面。?下面將膠水與石墨烯粉末進(jìn)行充分均勻混合。?接著增加環(huán)氧樹脂配方的第二種成分，并一起攪拌均勻。 場效應(yīng)管的三個(gè)電極使用單面覆銅板制作。其中較大的是柵極，另外兩個(gè)窄條用作漏極和源極。這里給他們分別焊接上對(duì)外的引線。?為了防止柵極與漏極和源極短路，在柵極表面粘貼一個(gè)雙面膠進(jìn)行隔離。?然后將前面配置好的石墨烯膠水涂抹在柵極膠帶紙上。?然后將漏極和源極電極粘貼在柵極上石墨烯膠水上。?將源極和漏極電極板盡可能緊緊壓制在柵極板上。?至此，基于石墨烯的場效應(yīng)管基本上就大功告成了。?使用剩余的石墨烯膠水涂抹在整個(gè)電極外邊，用作器件的封裝。

▲ 圖1.4.2 使用石墨烯膠水將三個(gè)電極固定在一起 由于AB環(huán)氧樹脂膠完全固化需要等待一段時(shí)間。下面讓整個(gè)制作完成的場效應(yīng)管靜靜的進(jìn)行固化。?使用相同的方式制作兩個(gè)這樣的場效應(yīng)管。?再利用可以固化的橡皮泥將整個(gè)器件封裝起來。?將制作好的石墨烯場效應(yīng)管焊接外部引線。?將它們引入前面多諧振蕩器進(jìn)行測試。?加電測試，看是否能夠振蕩。?加電后可以看到電路能夠完美的進(jìn)行振蕩了。

總結(jié)

本文介紹了網(wǎng)絡(luò)上別人使用石墨烯粉末手工制作場效應(yīng)管的過程。?制作器件完成后，作者利用了一個(gè)多諧振蕩器來演示該MOS管的放大特性。?說實(shí)在的對(duì)于他制作場效應(yīng)管所使用的這個(gè)配方，是真的還是假的?

審核編輯：湯梓紅