实操：石墨烯自制MOS多谐振荡电路
电路一点通
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2023-04-25
01、振荡电路
不知道是真的还是假的， 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个场效应管， 并将其应用在搭建的多谐振荡电路中。这一点的确感到令人惊奇。 下面让我们看看他是如何利用石墨烯粉末来制作场效应管的吧。
▲ 图1.1.1 使用石墨烯自制的场效应管搭建的多谐振荡电路
二、多谐振荡器
1、电路原理图
首先看一下视频中的多谐振荡电路， 这是一个由两个NPN三极管组成的多谐振荡电路。 这个电路利用了两级三极管放大电路串联形成正反馈，最后产生振荡。 它的通常绘制方法， 是采用对称的形式。 大家注意到这个电路中， 作为三极管的负载的LED并没有串联限流电阻。所以它应该只能工作在低压电源下。
▲ 图1.2.1 多谐振荡电路
下面利用手边的元器件测试一下这个电路。这是三极管BC547的参数。 在面包板上搭建电路，加上5V工作电压，电路开始震荡。 其中三极管基级电阻 R1、R2阻值为68k欧姆。
▲ 图1.2.2 在面包板上搭建的测试电路
为了便于后面测试该电路工作电压范围， 将电路中电容容量减小， 改成0.1微法， 这是电路工作后对应的三极管的集电极与基极的电压波形。 电路的工作频率为494Hz。
▲ 图1.2.3 在耦合电容为0.1微法时电路工作波形黄色：集电极信号，青色：基极信号
2、工作电压范围
下面通过Python编程自动测试多谐振荡电路工作电压对工作电流与振荡频率的影响。 将测量结果绘制成曲线。 下面是测量结果， 蓝色曲线为电路振荡频率，橙色曲线为电路工作电流。 当电源电压高于2.6V的时候，电路开始振荡。 随着工作电压升高， 电路的工作电流基本上是线性增加。 电路振荡频率也随着电压升高而上升。
▲ 图1.2.4 多谐振荡器工作电压与工作频率与振荡频率之间的关系原则上这个电路的振荡频率与电压无关，仅仅取决于 电路中RC对应的时间常数。 但是随着工作电流的增加， 发光二极管等效的电阻会下降， 从而也在一定长度上影响了电路的振荡频率。为了对比， 将电路中的LED更换成两个300欧姆的电阻， 重新测量电路工作电压与电路振荡频率之间的关系。 看看工作电压对频率是否有影响。 通过测量结果， 可以看到当电路开始振荡之后，振荡频率不太受到工作电压的影响。 这说明了前面对于负载为LED情况下出现的振荡频率受到工作电压影响的原因分析是正确的。
▲ 图1.2.5 将多谐振荡电路中的LED更换成300欧姆电阻后工作电压与振荡频率
三、MOSFET振荡电路
下面对于振荡电路中的三极管， 都替换成N沟道MOSFET，重新测试一下电路是否能够振荡，以及振荡电路的工作特性。 这是手边的两只MOSFET， 型号为17N50K， 根据期间的数据手册， 它的栅极阈值电压最大不超过4V。 下面在面包板上将原来三极管替换成这个MOS管， 相关的引线进行了调整。
▲ 图1.3.1 将振荡电路中的三极管改成MOS管下面是测量结果。蓝色是测量电路的振荡频率，橙色是电路工作电流。 可以看到电压只有在一个很小的范围内，电路才振荡。 这个电压位于3V左右，恰好是MOS管栅极阈值电压。 电路震荡时工作电压范围在2.9V至3.2V之间。 当电压小于2.9V， MOS管截止， 大于3.2V MOS管导通。电路停止振荡。 下面给出了电路振荡时MOS管漏极电压信号。
▲ 图1.3.2 振荡电路工作电压与振荡频率和工作电流可以看到在以MOS晶体管组成的多谐振荡电路， 它的振荡频率随着工作电压升高而降低， 这一点与前面基于NPN三极管振荡电路有很大区别。 通过实验证明，使用MOS管组成的振荡电路工作电压范围非常窄， 只是在MOS管的栅极阈值电压附近，电路才能够振荡。
▲ 图1.3.3 多谐振荡电路工作电压与振荡频率下面将增强型场效应管改成耗尽型场效应管， 手边有BF245耗尽型场效应管。 将它们替换原来的三极管，经过测试发现电路始终无法振荡。 有可能的原因是该三极管跨导参数太小，在负载为LED的情况下电压增益无法超过1， 进而电路无法起振。
四、石墨烯场效应管
下面来看看视频中是如何使用石墨烯制作场效应管的吧。 首先需要这种石墨烯粉末。 然后还需要这种环氧树脂AB胶水。
▲ 图1.4.1 制作原材料首先将AB胶水挤出一些放在搅拌塑料盘上， 然后将石墨烯粉末倒在胶水上面。 下面将胶水与石墨烯粉末进行充分均匀混合。 接着增加环氧树脂配方的第二种成分，并一起搅拌均匀。场效应管的三个电极使用单面覆铜板制作。其中较大的是栅极，另外两个窄条用作漏极和源极。这里给他们分别焊接上对外的引线。 为了防止栅极与漏极和源极短路，在栅极表面粘贴一个双面胶进行隔离。 然后将前面配置好的石墨烯胶水涂抹在栅极胶带纸上。 然后将漏极和源极电极粘贴在栅极上石墨烯胶水上。 将源极和漏极电极板尽可能紧紧压制在栅极板上。 至此，基于石墨烯的场效应管基本上就大功告成了。 使用剩余的石墨烯胶水涂抹在整个电极外边，用作器件的封装。
▲ 图1.4.2 使用石墨烯胶水将三个电极固定在一起由于AB环氧树脂胶完全固化需要等待一段时间。下面让整个制作完成的场效应管静静的进行固化。 使用相同的方式制作两个这样的场效应管。 再利用可以固化的橡皮泥将整个器件封装起来。 将制作好的石墨烯场效应管焊接外部引线。 将它们引入前面多谐振荡器进行测试。 加电测试，看是否能够振荡。 加电后可以看到电路能够完美的进行振荡了。
※ 总结 ※
本文介绍了网络上别人使用石墨烯粉末手工制作场效应管的过程。 制作器件完成后，作者利用了一个多谐振荡器来演示该MOS管的放大特性。 说实在的对于他制作场效应管所使用的这个配方，是真的还是假的？
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