原创 硬件工程师必会电路模块之三极管实用电路

2017-5-28 10:28 5325 30 6 分类: 模拟

**本文你可以获得什么?



  1. 学会实际工程应用中常用的三极管电路(以英特尔公司经典电路为例);

  2. 学到推挽电路,并且了解非常重要的拉电流和灌电流的来源及概念;

  3. 数字集成电路畅行的年代,为什么还需要学习模拟知识,背后的逻辑又是什么?**



晶体管或许可以说是整个电子信息系统以及集成电路的基石。三极管电路也是最为常见的电路模块,其应用也极为灵活。我记得前几年看过晶体管设计一书中,有一段话我一直印象很深刻,大致意思是说,如果想制作一个电路,只需要将几个IC组合起来,起振复位上电源大体就可以简单地完成了。

但是,如果掌握了晶体管和MOS管的相关知识后,对于电路系统的认识将会大为不同。因为,以IC为单位作为黑盒子来考虑,此时IC被一定程度上认为是理想器件,但是,以单个晶体管放大电路为例,电压增益是有限的,输入电流是以基极电流的形式存在并不是理想放大器的0电流,但是我们懂得晶体管后,我们可以知道其内部结构,通过内部结构,我们结合外部电路,能够帮助我们更好的理解分析,调试电路。



1. 三极管的开关电路

开关电路应用的普遍性就不用我多讲了。输入电压Vin控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作,当三极管呈开启状态时,负载电流便被阻断,反之,当三极管呈闭合状态时,电流便可以流通。详细的说,当Vin为低电压时,由于基极没有电流,因此集电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦没有电流,而相当于开关的开启,此时三极管工作在截止(cut off)区。

同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动,因此使集电极流过更大的放大电流,因此负载回路便被导通,而相当于开关的闭合,此时三极管工作在饱和区(saturation)。

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图1 基本三极管开关

一般而言,可以假设当三极管开关导通时,其基极与射极之间是完全短路的。

应用实例:

下图是英特尔公司某块主板中电路图的一部分,就是一个典型的三极管应用电路。

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图2 三极管开关电路应用实例

电路分析:

当A为高电平时,三极管1导通,所以输出B点跟发射极电平相同,为低电平;因为B为低电平,所以三极管2截止,输出C为高电平。

当A为低电平时,三极管1截止,所以输出B点为高电平;因为B为高电平,所以三极管2导通,输出C为低电平。


2. 三极管的推挽型射极跟随器

由于射极带负载电阻的射极跟随器,在输出很大电流时也就是阻抗较低情况时,输出波形的负半轴会被截去,不能得到完整的输出最大电压而失真。为提升性能并改善这个缺点将发射极负载电阻换成PNP管的射极跟随器电路称之为推挽射极跟随器。

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【电路分析】

由于上边的NPN晶体管将电流“吐出来”给负载(对应推,source current),PNP晶体管从负载将电流“吸进来”(对应挽,sink current),所以称为推挽(push-pull)。但是此电路的缺点是在0V附近晶体管都截止,会产生交越失真。推挽电路以及拉电流、灌电流是实际工程系统中非常重要的概念,通过此电路学习理解此概念非常易懂。

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交越失真是指正弦波的上下侧没有连接上的那部分,此失真的原因在于晶体管的基极都是连在一起的,所以基极电位是一样的。当输入信号在0V附近时,基极-发射极间没有电位差,因此没有基极电流的流动。也就是,此时两个晶体管都是截止的,并没有工作。

另外,即便是基极上加上了输入信号,对上侧在基极电位比发射极电位高0.6V以前,也不会工作。反之,对于下侧晶体管的基极只有比发射极低0.6V以后才能工作。所以,体现在波形上就会产生一个交越失真的盲区。

不过,此电流稍加修改就是一个很好用的电路了,思路很简单,用两个二极管在每个晶体管的基极上加上大概0.6V的二极管的正向压降--补偿电压,就可以抵消晶体管的盲区了。如下图所示:

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此电路用两个二极管的压降抵消晶体管的基极-发射极间的电压Vbe,可以认为晶体管的空载电流几乎为0。所以当不存在信号时,就也没有晶体管的发热问题。顺便提一下,这个电路中在输出状态总有一个晶体管处于截止状态的电路称之为B类放大器,举一反三的,如果只有一个管子且晶体管常进行工作的电路称之为A类放大器。

这样一来,射极跟随器-推挽电路-拉电流,灌电流-A类放大器,B类放大器,这些知识就可以串起来了,那么有没有想过同样非常常用的D类放大器?又有什么样的特点呢?


文章评论2条评论)

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用户616270 2018-10-11 10:11

感谢分享!!!

MOVIT 2018-10-10 00:06

讲的太棒了,get新技能,基础知识重中之重。

keendawn_745908826 2017-6-15 01:42

这才是技术文章该有的样子

启芯 2017-6-2 11:05

希望能有所收获!

启芯 2017-6-2 11:04

努力写出一些不仅实用,而且尽量思路清晰,容易看明白,有所收获的文章。

724791548_274370249 2017-6-2 06:41

总算有个让我看起来不迷糊的三极管电路分析了!:grinning:

罗十 2017-6-1 02:09

行文流畅,看得舒服

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