动手实践

我们将要制作的激光传声器是这样工作的：

激光二极管发光的强弱可以由加在它两端的电压决定，而电脑耳机插孔里输出的，是一个随声波振荡的电压信号。如果我们把这个电压信号加到激光二极管两端，激光的强弱就会随声波信号振荡了，这就是我们的发射端（电路如图1.3所示）。如果你读了本书的第4章，制作了其中的微波探测电路，那么看到图1.3应该会觉得眼熟，它也是一个由运算放大器引入负反馈构成的放大电路。因为电脑耳机插孔输出的音频电压波动幅度较小，需要通过放大才能引起激光二极管亮度的明显变化。细看图1.3的电路，我们会发现与第4章不同的是，那里的信号是连接到运放的正极输入端，而这里的信号是连接到运放的负极接入端。另外，一个可变电阻产生的可调电压连接到了运放的正极输入端。在第4章里我们提到了具有负反馈的运放的特点是正负极输入端的电压基本一致，而且电流基本不通过输入端流入运放。我们可以方便地把这两个特点记忆为“虚短”和“虚断”。所谓虚短，是指正负极输入端就好像短路一样，所以它们的电压一样；而虚断是指正负极输入端也可以看成与运放断开了，所以它们与运放之间没有电流流动。记住了这两个词，分析运放负反馈电路就变得容易了。根据“虚短”原则，如果可变电阻输入运放正极输入端的电压是U的话，那么它的负极输入端电压也是U。根据“虚断”原则，这个U在10kΩ电阻上引起的电流完全流过51kΩ的电阻，所以可以得出运放加到激光二极管两端的电压就是 (U/10kΩ)×(51kΩ+10kΩ)=6.1V。因为红色激光二极管的工作电压在2～4V，所以我们可以通过调节可变电阻来使得电路在音频信号为零的情况下输出大约3V的电压。加入了音频信号以后，运放输出电压可以在2～4V波动，以保证既不会使激光管烧毁，也不会使它完全不发光。

图1.3 发射端电路

和第4章的电路一样，这个电路对音频信号的放大倍数也可以由引入负反馈那两个电阻值计算出来：(51kΩ+10kΩ)/10kΩ。我们可以这样来理解：假设原本音频信号为零，运放负极输入端电压为U。此时幅度为s的音频信号引入（s比U小），那么加在10kΩ电阻两端的电压减小为U-s。所以流过10kΩ电阻的电流变为：(U-s)/10kΩ。注意到，运放的输入端不提供也不吸收电流，从而运放输出电压为：[(U-s)/10kΩ]×(51kΩ+10kΩ)。对比输入音频为零的情况，我们得出音频信号放大倍数为 6.1倍。选择这个放大倍数的原因是我用万用表测量到电脑耳机插孔输出的音频信号的幅度大约为0.2V，所以通过放大6倍，可以使得运放的输出在2～4V变化。

由于电路简单，我们可以直接把它焊接到洞洞板上（见图1.4实物图），其中的音频信号用一根耳机线从电脑引出来。注意图1.4使用的耳机线只有一个声道，所以只有两根线；而一般的耳机线有左右两个声道，所以有4根线。读者朋友可以通过万用表很容易地测量出哪根线对应于哪个声道，我们的电路只需要其中一个声道就可以了。测试电路时，首先电脑不播放声音，用万用表测量运放的输出，通过调节可变电阻来使得它为3V左右。然后电脑以最大音量放音乐，我们应该能看到激光亮度的明显变化，这样发射端的电路就做成了。如果你的电路只能让激光点亮，却不能让它的亮度有所变化，有可能是音频信号线没有焊接好，也有可能是运放的输出电压进入了饱和状态。因为运放电路输出的最大电压是比它的电源电压略小的，如果采用3V的电源，则运放的最大输出为2.5V左右，此时即使有音频信号输入也不能对它产生调节作用。所以应使用5～6V的电源电压（4节1.5V电池），并确保无音频信号输入时运放输出电压为3V左右。

图1.4 发射端实物图

接下来，我们要制作类似于图1.2所示的接收端，把强弱变化的激光信号转换成电信号并用音箱输出。我们可以使用光电二极管来实现这种转换，电路见图1.5，实物图见图1.6。

图1.5 接收端电路

图1.6 接收端实物图

光电二极管其实就是一小块太阳能电池，但是价格比一般玩具用的太阳能电池要贵。作为未来新能源的代表技术之一，它们的工作原理是非常巧妙的。我们知道一般的二极管是由两种半导体材料结合在一起组成的，称为PN结，粗略来看，P型（来自英文单词Positive）半导体中有一些可以移动的正电荷，N型（来自英文单词Negative）半导体中有一些可以移动的电子。但是，注意这两种材料本身并不带电，是电中性的。例如，N型半导体中有一些可以移动的电子，但是它也有同样数量的不可移动的正电荷，所以整体来看它是不带电的。但是当我们把P型和N型半导体连接在一起时，非常有趣的事情就发生了。因为P型半导体里的可移动的正电荷多一些，所以它们就会自然而然地扩散到N型半导体中去（主要集中在PN交界处）；同理，N型半导体中的电子也会扩散到P型半导体中去（主要集中在PN交界处）。这时候，这两种材料在交界处就不再保持电中性了。因为P型半导体不仅失去了一些正电荷，而且还迎来了一些电子，所以它就会带负电；而N型半导体不仅失去了一些电子，还迎来了一些正电荷，所以它就会带正电，这个过程如图1.7第一幅图所示。所以在PN结附近就会形成一个天然的电场，从N型材料指向P型材料。此时，如果有一束外来的光照射到这个区域，那么就有可能被其中的电子吸收，从而本来不活跃的电子有了足够的能量可以自由移动起来。在电场作用下，这个电子和它原来归属的正离子受到方向相反的力，从而它们被分离开，向二极管的两端游荡（注意电场基本上只局限于PN交接处，就像一个平板电容的电场基本只局限于两块平板之间一样。所以一旦离开了PN交接处，电子和正电荷就不会感受到电场力了）。如果在PN结区域被光激发的电子和正离子很多，那么它们就会在二极管两端积累，此时，把光电二极管接上一个很小的灯泡，那么由光引起的电流就会点亮它。这便是太阳能电池和光电二极管的基本工作原理。当然，其中的具体细节则是一个非常热门的研究前沿，如何优化材料的结构，提高光电转换效率是研究的核心问题。

图1.7 光电二极管（太阳能电池）的工作原理

了解了光电二极管（太阳能电池）的工作原理，再来看图1.5的电路就容易理解了。在光的照射下，电流从二极管的N极流向P极（二极管符号上的短横代表N极，三角形代表P极）。注意这与普通二极管的工作模式恰好相反，普通二极管导通时电流从P极流向N极。图1.5中的第一个运放起到了将光电二极管的电流转化为电压的功能。而且，由于“虚短”，光电二极管两端的电压差始终在零伏左右，这样稳定了PN结区域电场强度，起到了保持电流与光照强度的线性关系的作用。因为我使用的光电管产生的电流小于0.1mA，所以我采用了10kΩ的电阻，这样转化成的电压在1V以下。然后再通过一个运放放大6倍，就可以输入音箱了。你选用的光电二极管或者太阳能电池所产生的光电流不一定和我的一样，所以在选择电阻值时要进行一些尝试，避免运放进入饱和状态。整个电路是比较简单的，调试也很容易。当发射端和接受端都正常工作以后，你就可以把自己喜欢的音乐通过这个激光传声器进行“无线”播放了，相信你也能体会到贝尔先生当年的喜悦。

除了光电二极管可以充当光信号到电信号的转换器以外，我们也可以使用廉价的光敏电阻，接收端的电路也可以大为简化（见图1.8）。

图1.8 接收端采用光敏电阻的电路

看到这儿，你是不是觉得前面用光电二极管的电路有点浪费呢？但是，毕竟是一分钱一分货，使用光电二极管得到的声音效果远远好于光敏电阻的电路，前者的音质清脆，而后者则含含糊糊。我们可不可以给图1.8加上一些后续的放大和滤波的电路，使声音变得清晰起来呢？实际上，从上一章使用光敏电阻记录陀螺转速的实验我们就应该了解到，用光敏电阻不可能产生清脆的声音，无论采用多么高级的后续电路进行处理都是枉然。在第一卷第8章有关图8.8的讨论中我们了解到，光敏电阻在外来激光消失以后，需要几毫秒的时间电阻值才能慢慢变大，这就决定了光敏电阻的响应速度无法跟上声波的变化速度。一般音乐的频率是在数百赫兹以上，也就是说，经过音频信号调制的激光强弱变化的周期只有几毫秒，而在这段时间里，光敏电阻还没缓过神来，所以它输出的声音就模糊不清了。图1.9展示了用这两种光电转换电路播放936Hz声音（方波）时所产生的波形（用示波器记录）。很明显，光电二极管能清晰地还原音频信号的方波，而光敏电阻则呈现了第一卷第8章图8.8中那样的波形：在激光变弱以后，电阻慢慢上升，它两端的电压显示在示波器上慢慢地增大；当激光再次变强时，它的电阻比较快地减小，所以其两端的电压迅速减小，如此往复。这样的波形转换成的声音就不如光电二极管的清脆了。

图1.9 用光电二极管和光敏电阻接受激光音频信号所产生的波形图

现代光纤通信技术中，负责把激光信号转化成电信号的也是光电二极管，因为它的反应速度可以跟得上强弱每秒钟变化109次的激光信号（我们称它的带宽为109Hz）。而如果使用光敏二极管的话，就只能跟得上每秒钟变化100次的激光信号（带宽为100Hz），光纤通信高速的特点就会完全丢失了。