原创 主动元件的特性与应用（下）

低噪音定电压电源
接着要介绍由电晶体与定电压二极体组合构成的简易式定电压电源，虽然简易式定电压电源的输出电压精度或变动率等特性都不如三端子比较器(Regulator)，不过电路结构单纯而且输出噪音很低，所以广泛应用在要求低噪音特性的模拟电路简易电源。

图30是正电压简易定电压电源电路，它是把定电压二极体连接到波动滤波电路。图中与定电压二极体并联连接的C2，可以吸收定电压二极体产生的噪音(Noise)；图31是图30定电压电路各部位的电压动作波形，过渡分析的设定与上述图24相同，由图31可知Q1的基准电位VB(Q1)变成5.5V直流一定值，它是定电压二极体D2的两端产生的电压。输出电压Vout设定成比VB(Q1)更低的VBE，本电路成为4.97V直流一定值。
　

图30 正电压的简易定电压电源电路
　

图31 图30的定电压电路各部位电压波形
　

图32是图30整流电路的输入电压V1变成9Vpeak时，各部位的电压动作波形，由图显示随着V1变高，电路的输入电压Vin(=整流电路的输出)也会提高，不过Vout = 4.8V与V1 = 8Vpeak时，输入电压几乎没有任何变化。

Vin一旦变高施加于R1两端的电压( Vin - VB(Q1) )也随着提高，D2内的电流则变大，然而定电压二极体两端产生的电压，几乎与流动电流无关成为一定值，因此基准电位VB(Q1)与Vout几乎没有任何变化。
　

图32 提高图30输入电压V1的模拟分析
　

图33是图30Vout波形的时间轴与电压轴放大图，图中的Vout残留21.8mVP-P的波动，造成波动主要原因是D2内流动的D2ID2波动成份所致。
　

图33 图30输出电压的波动波形
　

图34是 负极设置Marker观察ID2获得的动作波形，图中的ID2是R1内流动的电流IR1扣除Q1基准电流的结果，R1两端的电压变成 Vin - VB(Q1) ，由于Vin的波动呈直接加入状，因此IR1出现波动，ID2也跟着出现类似图34的波动波形。

虽然理想定电压二极体两端的电压与流动电流无关成为一定值，然而实际上元件两端的电压却与流动电流成比例作mV等级变化，所以VB(Q1)(D2的两端电压)会产生与Vin波动成比例作mV等级的电压变化，最后该电压变化直接出现在Vout，此时Low Pass Filter插入Q1的Base，由于它的动作特性与波动滤波电路一样，所以可以有效抑制Vout的波动。图35是将C2设定成330μF同时加大R1与C2，依此构成Low Pass Filter的时定数。
　

图34 Zener二极体的电流波形
　

图35 低波动的定电压电路
　

图36是C2 = 330μF时Vout的波动成份，如图所示残留波动降至4.8mVP-P，证实加大C2可以同时获得定电压与低波动特性，此处必需注意的是加大C2后C2的充电时间相对变长(图37)。
　

图36 提高图30C2时的输出电压波动电压波形
　

图37 提高C2时的起动特性模拟分析
　  定电流电路
．吸入型定电流电路
定电流电路与连接负载的阻抗无关，它可以输出一定的电流，因此广泛应用在LED点灯电路与OP增幅IC等领域。

图38是由电晶体构成可以输出吸入方向电流的定电流电路，电路结构属于无输入端子Emitter共通增幅电路。

本电路的输出端子Q1为Collector，负载则连接至比Q1的Emitter更高电位，亦即电源与输出端子之间。
　

图38 吸入型定电流电路
　

图39是决定输出电流的方法，由图可知电晶体的基准电位VB由VCC ,R1 ,R2 决定，它会变成直流一定值，Emitter的电位流VE则设定成流VB - VBE，因此VE也成成一定值，Emitter的电流IE可用下式表示:

由式(4)可知IE同样也会变成直流一定值，如果忽略基准电流的话，Collector电流等同于Emitter电流，由于输出电流Iout = IE，因此Iout与RL值或是VLOAD值无关成为直流一定值。
　

图39 Collector电流Iout变成一定的动作机制
Iout (= IE)由VE ,RE决定，RE为
阻抗值不会变化，因此VE与VBE ,VB
都是属于定电源的差分
　

图40是将连接负载的电源VLOAD，利用DC分析2~10V范围内变化时各部位的电压与电流动作波形( RL = 100Ω )，由图可知输出电流与VLOAD值无关，Iout成为0.95mA(≒0.96V/1kΩ)一定值，输出电流完全不受连接负载的影响。

图41是利用DC分析使负载阻抗 在10Ω~1kΩ范围内变化时的各部位的输出电流特性，如图显示即使负载值改变，Iout几乎是一定值完全不受连接负载的影响。
　

图40 改变图38的负载电压时各部位的电压与电流
　

图41 改变图38的负载电压时各部位的输出电流特性
　

．吐出型定电流电路
图42是由电晶体构成可以输出吐出方向电流的定电流电路，由于电流的流动方向与吸入型相反所以使用PNP型电晶体，负载连接于比电晶体的Emitter更低电位，亦即电源与输出端子之间。
　

图42 电流Source型定电流电路
　

图43是利用DC分析VLOAD在2~10V范围内变化时各输出电流的动作特性，由图可知输出电流完全不受连接负载的影响，可以几乎输出一定值的电流，输出电流为2.1mA它是与VLOAD值无关，Iout成为0.94mA一定值，证实图42的电路可以达成预期的定电流特性。
　

图43 改变图42的负载电压时各部位的电压、电流特性
　

．JFET型定电流电路
上述由电晶体构成的定电流电路，Base偏压(Bias)时必需使用电源或是电阻，如果是JFET型定电流电路就可以省略这些元件，电路变得非常简洁。

图44是N通道(Channel)JFET构成的电流Sink Type定电流电路，本电路只需将JFET的Gate连接至Source，再将负载连接至比Source电位更高的电源即可。由于电路的输出电路取决于JFET特性，如果对Drain-Source之间施加某种程度大电压的话，JFET的Drain电流ID就可用Drain-Source之间电压决定。

如上所述由于本电路的Gate连接至Source，由于VGS = 0V因此此ID是由传达特性Curve上VGS = 0V的Point IDSS决定，必需注意的是同等级的JFET它的IDSS分佈非常大，所以图44定电流电路的输出电流精度比电晶体型定电流电路差。
　

图44 使用JFET的电流Sink型定电流电路
　

图45是利用DC分析VLOAD在2~10V范围内变化时，输出电流Iout的动作特性，由图可知它与连接负载的电源电压值无关，可以输出一定值的电流。输出电流为2.1mA它是根据经过模拟分析的JFET特性设定。

图46是利用DC分析负载阻抗RL在10~1kΩ范围内变化时，输出电流Iout的动作特性，由图可知它Iout同样与RL无关可以输出一定值的电流。
　

图45 改变图44的负载电压时时的输出电流特性
　

图46 改变图44的负载阻抗时的输出电流特性
　

如图47所示若将串联电阻RS插入Source，可以使输出电流从朝IDSS朝低方向调整；图48是利用DC分析VLOAD变化时的输出电流Iout动作特性，由图可知若插入RS可以将Iout设定成1.06mA，至于RS值则可用JFET传达特性座标决定，具体步骤首先读取座标上欲设定Drain电流ID时的Gate-Source之间电压值VGS接着根据设定RS :

图47的电路希望设定成Iout1mA，根据图49的JFET传达特性座标决定RS为390Ω(=0.4V/1mA)，由于JFET的传达特性本身分佈非常大，因此从定电流电路流入电阻的的输出电流分佈也很大。
　

图47 可以调整输出电流的JFET定电流电路
　

图48 改变图47的负载阻抗时的输出电流特性
　

图49 根据JFET传达特性座标求取
插入的Source电阻RS值
　

电流Source型定电流电路
电晶体构成的定电流电路必需固定基准电位，所以电流Sink型与电流Source型定电流电路通常都会使用NPN与PNP型。

由于图44与图47的电路只要针对Source固定Gate电位即可，不需要针对GND、电源固定，所以可以利用N通道JFET制作电流Source型定电流电路。

图50是典型N通道JFET构成的电流Source型定电流电路，图中的Drain连接电源，Source设有串联电阻RS，连接Gate的点当作输出端子；图51是改变VLOAD时的Iout DC分析结果，由图可知本电路具备定电流电路动作特性。
　

图50 使用JFET的电流Source型定电流电路
　

图51 改变负载阻电压时的输出电流特性
　  Limiter电路
图52的电路可以保护OP增幅IC内部的输入端子；图53 Limiter电路可以限制超过±0.6V范围的振幅信号，输出端子与GND之间2个二极体逆向并联连接是本电路主要特徵；图54是利用DC法分析0～2ms范围内变化时的动作波形，输入电压Vinput超过＋0.6V时D2变成ON，输出电压Voutput固定成≒＋0.6V，输入电压Vinput低于－0.6V时D1变成ON，输出电压Voutput固定成≒－0.6V，其结果使得＋0.6V范围的输入信号直接输出，超过该范围的信号则被去除。
　

图52 OP增幅IC输入单元使用的Limiter电路
　

图53 ±0.6V Limiter电路
　

图54 图53电路的动作波形
　

图55的电路可以保护数位IC内部的输入端子，如图56所示本Limiter电路只让某范围的信号通过窗口，如果输入电压Vinput超过＋0.6V时D1变成ON，输出电压Voutput固定VP + 0.6V；输入电压Vinput低于VN - 0.6V是D2变成ON，Voutput固定成VN - 0.6V。

图57是利用DC法分析0～2ms范围内变化时的动作波形，由于图56电路的VP = 1V ,VN = -0.5V，因此正端被固定成1.6V (=1V + 0.6V)，负端被固定成-1.1V (=-0.5 - 0.6V0.6V)，换句话说本电路直接输出VN - 0.6V ~ VP + 0.6V范围的信号，去除超过该范围的信号。
　

图55 数位IC输出单元使用的Limiter电路
　

图56 Window Limiter电路
　

图57 图56电路各部位的电压波形
　  结语
以上介绍二极体、电晶体、FET等主动电子元件的动作特性与应用电路。FET与电晶体同样拥有古老的歷史，两者最大差异是FET的消费电力比一般电晶体更低，目前FET大多应用在微处理器数字IC/LSI、无线系统的Front-end、Switching电源控制器，以及马达驱动控制器等领域。

电晶体与二极体则是近代消费性电子产品不可或缺的电子元件，因此本文利用模拟分析法深入探讨常用主动电子元件的动作特性应用。

低噪音定电压电源
接着要介绍由电晶体与定电压二极体组合构成的简易式定电压电源，虽然简易式定电压电源的输出电压精度或变动率等特性都不如三端子比较器(Regulator)，不过电路结构单纯而且输出噪音很低，所以广泛应用在要求低噪音特性的模拟电路简易电源。

图30是正电压简易定电压电源电路，它是把定电压二极体连接到波动滤波电路。图中与定电压二极体并联连接的C2，可以吸收定电压二极体产生的噪音(Noise)；图31是图30定电压电路各部位的电压动作波形，过渡分析的设定与上述图24相同，由图31可知Q1的基准电位VB(Q1)变成5.5V直流一定值，它是定电压二极体D2的两端产生的电压。输出电压Vout设定成比VB(Q1)更低的VBE，本电路成为4.97V直流一定值。
　

图30 正电压的简易定电压电源电路
　

图31 图30的定电压电路各部位电压波形
　

图32是图30整流电路的输入电压V1变成9Vpeak时，各部位的电压动作波形，由图显示随着V1变高，电路的输入电压Vin(=整流电路的输出)也会提高，不过Vout = 4.8V与V1 = 8Vpeak时，输入电压几乎没有任何变化。

Vin一旦变高施加于R1两端的电压( Vin - VB(Q1) )也随着提高，D2内的电流则变大，然而定电压二极体两端产生的电压，几乎与流动电流无关成为一定值，因此基准电位VB(Q1)与Vout几乎没有任何变化。
　

图32 提高图30输入电压V1的模拟分析
　

图33是图30Vout波形的时间轴与电压轴放大图，图中的Vout残留21.8mVP-P的波动，造成波动主要原因是D2内流动的D2ID2波动成份所致。
　

图33 图30输出电压的波动波形
　

图34是 负极设置Marker观察ID2获得的动作波形，图中的ID2是R1内流动的电流IR1扣除Q1基准电流的结果，R1两端的电压变成 Vin - VB(Q1) ，由于Vin的波动呈直接加入状，因此IR1出现波动，ID2也跟着出现类似图34的波动波形。

虽然理想定电压二极体两端的电压与流动电流无关成为一定值，然而实际上元件两端的电压却与流动电流成比例作mV等级变化，所以VB(Q1)(D2的两端电压)会产生与Vin波动成比例作mV等级的电压变化，最后该电压变化直接出现在Vout，此时Low Pass Filter插入Q1的Base，由于它的动作特性与波动滤波电路一样，所以可以有效抑制Vout的波动。图35是将C2设定成330μF同时加大R1与C2，依此构成Low Pass Filter的时定数。
　

图34 Zener二极体的电流波形
　

图35 低波动的定电压电路
　

图36是C2 = 330μF时Vout的波动成份，如图所示残留波动降至4.8mVP-P，证实加大C2可以同时获得定电压与低波动特性，此处必需注意的是加大C2后C2的充电时间相对变长(图37)。
　

图36 提高图30C2时的输出电压波动电压波形
　

图37 提高C2时的起动特性模拟分析
　  定电流电路
．吸入型定电流电路
定电流电路与连接负载的阻抗无关，它可以输出一定的电流，因此广泛应用在LED点灯电路与OP增幅IC等领域。

图38是由电晶体构成可以输出吸入方向电流的定电流电路，电路结构属于无输入端子Emitter共通增幅电路。

本电路的输出端子Q1为Collector，负载则连接至比Q1的Emitter更高电位，亦即电源与输出端子之间。
　

图38 吸入型定电流电路
　

图39是决定输出电流的方法，由图可知电晶体的基准电位VB由VCC ,R1 ,R2 决定，它会变成直流一定值，Emitter的电位流VE则设定成流VB - VBE，因此VE也成成一定值，Emitter的电流IE可用下式表示:

由式(4)可知IE同样也会变成直流一定值，如果忽略基准电流的话，Collector电流等同于Emitter电流，由于输出电流Iout = IE，因此Iout与RL值或是VLOAD值无关成为直流一定值。
　

图39 Collector电流Iout变成一定的动作机制
Iout (= IE)由VE ,RE决定，RE为
阻抗值不会变化，因此VE与VBE ,VB
都是属于定电源的差分
　

图40是将连接负载的电源VLOAD，利用DC分析2~10V范围内变化时各部位的电压与电流动作波形( RL = 100Ω )，由图可知输出电流与VLOAD值无关，Iout成为0.95mA(≒0.96V/1kΩ)一定值，输出电流完全不受连接负载的影响。

图41是利用DC分析使负载阻抗 在10Ω~1kΩ范围内变化时的各部位的输出电流特性，如图显示即使负载值改变，Iout几乎是一定值完全不受连接负载的影响。
　

图40 改变图38的负载电压时各部位的电压与电流
　

图41 改变图38的负载电压时各部位的输出电流特性
　

．吐出型定电流电路
图42是由电晶体构成可以输出吐出方向电流的定电流电路，由于电流的流动方向与吸入型相反所以使用PNP型电晶体，负载连接于比电晶体的Emitter更低电位，亦即电源与输出端子之间。
　

图42 电流Source型定电流电路
　

图43是利用DC分析VLOAD在2~10V范围内变化时各输出电流的动作特性，由图可知输出电流完全不受连接负载的影响，可以几乎输出一定值的电流，输出电流为2.1mA它是与VLOAD值无关，Iout成为0.94mA一定值，证实图42的电路可以达成预期的定电流特性。
　

图43 改变图42的负载电压时各部位的电压、电流特性
　

．JFET型定电流电路
上述由电晶体构成的定电流电路，Base偏压(Bias)时必需使用电源或是电阻，如果是JFET型定电流电路就可以省略这些元件，电路变得非常简洁。

图44是N通道(Channel)JFET构成的电流Sink Type定电流电路，本电路只需将JFET的Gate连接至Source，再将负载连接至比Source电位更高的电源即可。由于电路的输出电路取决于JFET特性，如果对Drain-Source之间施加某种程度大电压的话，JFET的Drain电流ID就可用Drain-Source之间电压决定。

如上所述由于本电路的Gate连接至Source，由于VGS = 0V因此此ID是由传达特性Curve上VGS = 0V的Point IDSS决定，必需注意的是同等级的JFET它的IDSS分佈非常大，所以图44定电流电路的输出电流精度比电晶体型定电流电路差。
　

图44 使用JFET的电流Sink型定电流电路
　

图45是利用DC分析VLOAD在2~10V范围内变化时，输出电流Iout的动作特性，由图可知它与连接负载的电源电压值无关，可以输出一定值的电流。输出电流为2.1mA它是根据经过模拟分析的JFET特性设定。

图46是利用DC分析负载阻抗RL在10~1kΩ范围内变化时，输出电流Iout的动作特性，由图可知它Iout同样与RL无关可以输出一定值的电流。
　

图45 改变图44的负载电压时时的输出电流特性
　

图46 改变图44的负载阻抗时的输出电流特性
　

如图47所示若将串联电阻RS插入Source，可以使输出电流从朝IDSS朝低方向调整；图48是利用DC分析VLOAD变化时的输出电流Iout动作特性，由图可知若插入RS可以将Iout设定成1.06mA，至于RS值则可用JFET传达特性座标决定，具体步骤首先读取座标上欲设定Drain电流ID时的Gate-Source之间电压值VGS接着根据设定RS :

图47的电路希望设定成Iout1mA，根据图49的JFET传达特性座标决定RS为390Ω(=0.4V/1mA)，由于JFET的传达特性本身分佈非常大，因此从定电流电路流入电阻的的输出电流分佈也很大。
　

图47 可以调整输出电流的JFET定电流电路
　

图48 改变图47的负载阻抗时的输出电流特性
　

图49 根据JFET传达特性座标求取
插入的Source电阻RS值
　

电流Source型定电流电路
电晶体构成的定电流电路必需固定基准电位，所以电流Sink型与电流Source型定电流电路通常都会使用NPN与PNP型。

由于图44与图47的电路只要针对Source固定Gate电位即可，不需要针对GND、电源固定，所以可以利用N通道JFET制作电流Source型定电流电路。

图50是典型N通道JFET构成的电流Source型定电流电路，图中的Drain连接电源，Source设有串联电阻RS，连接Gate的点当作输出端子；图51是改变VLOAD时的Iout DC分析结果，由图可知本电路具备定电流电路动作特性。
　

图50 使用JFET的电流Source型定电流电路
　

图51 改变负载阻电压时的输出电流特性
　  Limiter电路
图52的电路可以保护OP增幅IC内部的输入端子；图53 Limiter电路可以限制超过±0.6V范围的振幅信号，输出端子与GND之间2个二极体逆向并联连接是本电路主要特徵；图54是利用DC法分析0～2ms范围内变化时的动作波形，输入电压Vinput超过＋0.6V时D2变成ON，输出电压Voutput固定成≒＋0.6V，输入电压Vinput低于－0.6V时D1变成ON，输出电压Voutput固定成≒－0.6V，其结果使得＋0.6V范围的输入信号直接输出，超过该范围的信号则被去除。
　

图52 OP增幅IC输入单元使用的Limiter电路
　

图53 ±0.6V Limiter电路
　

图54 图53电路的动作波形
　

图55的电路可以保护数位IC内部的输入端子，如图56所示本Limiter电路只让某范围的信号通过窗口，如果输入电压Vinput超过＋0.6V时D1变成ON，输出电压Voutput固定VP + 0.6V；输入电压Vinput低于VN - 0.6V是D2变成ON，Voutput固定成VN - 0.6V。

图57是利用DC法分析0～2ms范围内变化时的动作波形，由于图56电路的VP = 1V ,VN = -0.5V，因此正端被固定成1.6V (=1V + 0.6V)，负端被固定成-1.1V (=-0.5 - 0.6V0.6V)，换句话说本电路直接输出VN - 0.6V ~ VP + 0.6V范围的信号，去除超过该范围的信号。
　

图55 数位IC输出单元使用的Limiter电路
　

图56 Window Limiter电路
　

图57 图56电路各部位的电压波形
　  结语
以上介绍二极体、电晶体、FET等主动电子元件的动作特性与应用电路。FET与电晶体同样拥有古老的歷史，两者最大差异是FET的消费电力比一般电晶体更低，目前FET大多应用在微处理器数字IC/LSI、无线系统的Front-end、Switching电源控制器，以及马达驱动控制器等领域。

电晶体与二极体则是近代消费性电子产品不可或缺的电子元件，因此本文利用模拟分析法深入探讨常用主动电子元件的动作特性应用。