01 波形折疊

一、背景介紹

??今天在 Youtube 上看到 UP 主 Neukolln 展示了一款非常簡單波形折疊電路。那么什么是波形折疊電路？它有什么用處？

1、什么是波形折疊？

??通常情況下，信號在放大中會產(chǎn)生“飽和失真”，這是由于放大器輸出動態(tài)范圍所致。飽和之后，信號的細(xì)節(jié)就消失了，聲音顯得啥呀干燥。 波形折疊則是將聲音波形幅值超過某個閾值之后將其反褶過來，其變化過程依然保留在輸出信號中。

??下圖給出了三角波、鋸齒波、方波信號在波形折疊之后的形狀。折疊不僅改變了信號的波形，同時也改變了信號中的頻率成分。對于方波信號，波形折疊僅僅改變了它的幅度。

2、波形折疊的用途

??也許你已經(jīng)厭倦了普通的振蕩電路所產(chǎn)生的音調(diào)了，使用波形折疊可以為其添加一些令人激動的成分，聲音信號經(jīng)過波形折疊之后增加了一些金屬質(zhì)感。

??由于波形折疊限制了信號的幅值，所以也對動態(tài)變化大的敲擊樂進(jìn)行了限幅，避免后級功率放大進(jìn)一步產(chǎn)生失真。

二、波形折疊電路

??波形折疊電路有很多形式。視頻中給出了一款最為簡易的實(shí)現(xiàn)電路，它巧妙的利用了晶體三極管特殊的對稱結(jié)構(gòu)以及 NPN-PNP的互補(bǔ)特性。

1、三極管反向放大電路

??為了理解這款簡易波形折疊電路的工作原理，先看一下三極管的反向放大電路。下面給出了三極管反向放大電路原理圖。三極管的集電極與發(fā)射極連接有相同阻值的電阻。如果三極管工作在放大區(qū)域時， 集電極與發(fā)射極電流基本相同，這樣便在三極管的集電極與發(fā)射極產(chǎn)生及向相反的信號。

??在上述電路中，當(dāng)三極管基極電壓小于等于 0 V時，發(fā)射極的電位小于 -0.7V， 所產(chǎn)生的電流在集電極電阻、發(fā)射極電阻上的電壓相同，再根據(jù)電路正負(fù)極工作電壓都是 12V，所以此時三極管的集電極電壓大于等于 0.7V，三極管處于放大區(qū)域。三極管集電極波形與基極波形極性相反。

??當(dāng)基極電壓超過0V，繼續(xù)上升。三極管集電極-發(fā)射極之間的電壓就會持續(xù)減少。當(dāng)基極電壓超過 0.7V，對應(yīng)發(fā)射極電壓上升到 0V，集電極電壓降低到 0V。此時三極管的基極與集電極之間的 PN結(jié)便開始導(dǎo)通，集電極電壓便會隨著基極電壓上升開始上升。

??這個電路對于所有三極管基極電壓超過 0.7V 的電壓波形進(jìn)行折疊。 下面給出了實(shí)際測試電路圖。 三極管使用 8050 NPN 三極管。輸入信號為 500Hz 峰峰值為 5V， 平均值為 0V的三角波，在三極管的集電極測試到的信號波形。

??使用 MSO24示波器產(chǎn)生輸出信號，并測量基極與集電極電壓波形。讀取示波器兩個通道波形數(shù)據(jù)繪制如下。藍(lán)色為基極輸入波形，當(dāng)超過0.7V 左右， 橙色為集電極電壓波形。在基極信號小于 0.7V 時，輸出與輸入信號反向。 當(dāng)輸入信號超過 0.7V 時， 輸出波形則是對輸入波形進(jìn)行了反褶。 請注意，輸出波形在整體上比輸入波形往上平移了大約 0.7V。

??下面是信號為正弦波時對應(yīng)的折疊效果。

??使用 PNP 三極管可以構(gòu)成反向波形折疊電路。 根據(jù)同樣的原理，下面電路則對信號小于 -0.7V 的信號產(chǎn)生折疊。

??下圖給出了三角波形反向波形折疊的效果。當(dāng)基極信號小于 0.7V 后， 集電極輸出的信號便開始反向減少了。

2、雙向波形折疊

??把上述兩個電路進(jìn)行并聯(lián)，將兩個三極管的基極并聯(lián)，集電極信號并聯(lián)，便可以興盛雙向波形折疊電路。

??下面給出了上述雙向波形折疊電路的輸入輸出信號波形。

三、電路的改進(jìn)

1、增加反向放大器

??由于三極管集電極信號與基極信號之間存在反相關(guān)系，在上述放大電路后面增加一級反向放大，便可以將輸入輸出之間的信號極限保持相同。

??下面電路中，巧妙的利用了原來三極管集電極分壓效果，根據(jù)戴維南電源等效原理，可以等效成一個內(nèi)阻為 10k 的電壓源。 由此后面增加一個輸入電阻為 ?10k， 放大倍數(shù)為 -1 的放大電路，便可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間波形同相了。

2、增加輸入放大器

??在上述電路中，要求驅(qū)動基極的電壓信號內(nèi)阻比較小。 下面給電路的輸入增加一級放大，一方面可以對輸入信號的幅值進(jìn)行調(diào)整，另一方面也可以使得三極管基極信號驅(qū)動能力更強(qiáng)。

3、雙重雙向折疊

??如果輸入信號很強(qiáng)，經(jīng)過一次折疊之后有可能還會出現(xiàn)反向幅度超過限制。 將上述電路進(jìn)行級聯(lián)，便可以形成雙重雙向折疊電路，這樣便可以將信號進(jìn)一步折疊在規(guī)定的電壓范圍之內(nèi)了。

??下面讓我們看看雙重波形折疊的效果吧。

※ 總??結(jié) ※

??本文介紹了 Neukolln 發(fā)布的一款簡易波形折疊電路。在其視頻中給出了波形經(jīng)過折疊之后聽起來的音效。

??這個簡單電路也有缺點(diǎn)，由于三極管 PN 結(jié)導(dǎo)通過程中的非線性，也使得輸出的折疊波形出現(xiàn)了過度失真，比如下面三角波形折疊后產(chǎn)生的圓滑過度。