硬件必會(huì)之三極管實(shí)用解析

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本文你可以獲得什么?

1、學(xué)會(huì)實(shí)際工程應(yīng)用中常用的三極管電路(以英特爾公司經(jīng)典電路為例);

2、學(xué)到推挽電路，并且了解非常重要的拉電流和灌電流的來(lái)源及概念;

3、數(shù)字集成電路暢行的年代，為什么還需要學(xué)習(xí)模擬知識(shí)，背后的邏輯又是什么?

晶體管或許可以說(shuō)是整個(gè)電子信息系統(tǒng)以及集成電路的基石。三極管電路也是最為常見(jiàn)的電路模塊，其應(yīng)用也極為靈活。我記得前幾年看過(guò)晶體管設(shè)計(jì)一書中，有一段話我一直印象很深刻，大致意思是說(shuō)，如果想制作一個(gè)電路，只需要將幾個(gè)IC組合起來(lái)，起振復(fù)位上電源大體就可以簡(jiǎn)單地完成了。

但是，如果掌握了晶體管和MOS管的相關(guān)知識(shí)后，對(duì)于電路系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)將會(huì)大為不同。因?yàn)?，以IC為單位作為黑盒子來(lái)考慮，此時(shí)IC被一定程度上認(rèn)為是理想器件，但是，以單個(gè)晶體管放大電路為例，電壓增益是有限的，輸入電流是以基極電流的形式存在并不是理想放大器的0電流，但是我們懂得晶體管后，我們可以知道其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們結(jié)合外部電路，能夠幫助我們更好的理解分析，調(diào)試電路。

1. 三極管的開(kāi)關(guān)電路

開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用的普遍性就不用我多講了。輸入電壓Vin控制三極管開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟

(open) 與閉合(closed) 動(dòng)作，當(dāng)三極管呈開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。詳細(xì)的說(shuō)，當(dāng)Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒(méi)有電流，因此集電極亦無(wú)電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒(méi)有電流，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，此時(shí)三極管工作在截止(cut off)區(qū)。

同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過(guò)更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合，此時(shí)三極管工作在飽和區(qū)(saturation)。

圖1 基本三極管開(kāi)關(guān)

一般而言，可以假設(shè)當(dāng)三極管開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其基極與射極之間是完全短路的。

應(yīng)用實(shí)例：

下圖是英特爾公司某塊主板中電路圖的一部分，就是一個(gè)典型的三極管應(yīng)用電路。

圖2 三極管開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用實(shí)例

電路分析：

當(dāng)A為高電平時(shí)，三極管1導(dǎo)通，所以輸出B點(diǎn)跟發(fā)射極電平相同，為低電平;因?yàn)锽為低電平，所以三極管2截止，輸出C為高電平。

當(dāng)A為低電平時(shí)，三極管1截止，所以輸出B點(diǎn)為高電平;因?yàn)锽為高電平，所以三極管2導(dǎo)通，輸出C為低電平。

2. 三極管的推挽型射極跟隨器

由于射極帶負(fù)載電阻的射極跟隨器，在輸出很大電流時(shí)也就是阻抗較低情況時(shí)，輸出波形的負(fù)半軸會(huì)被截去，不能得到完整的輸出最大電壓而失真。為提升性能并改善這個(gè)缺點(diǎn)將發(fā)射極負(fù)載電阻換成PNP管的射極跟隨器電路稱之為推挽射極跟隨器。

【電路分析】

由于上邊的NPN晶體管將電流“吐出來(lái)”給負(fù)載(對(duì)應(yīng)推，source current)，PNP晶體管從負(fù)載將電流“吸進(jìn)來(lái)”(對(duì)應(yīng)挽，sink current)，所以稱為推挽(push-pull)。但是此電路的缺點(diǎn)是在0V附近晶體管都截止，會(huì)產(chǎn)生交越失真。推挽電路以及拉電流、灌電流是實(shí)際工程系統(tǒng)中非常重要的概念，通過(guò)此電路學(xué)習(xí)理解此概念非常易懂。

交越失真是指正弦波的上下側(cè)沒(méi)有連接上的那部分，此失真的原因在于晶體管的基極都是連在一起的，所以基極電位是一樣的。當(dāng)輸入信號(hào)在0V附近時(shí)，基極-發(fā)射極間沒(méi)有電位差，因此沒(méi)有基極電流的流動(dòng)。也就是，此時(shí)兩個(gè)晶體管都是截止的，并沒(méi)有工作。

另外，即便是基極上加上了輸入信號(hào)，對(duì)上側(cè)在基極電位比發(fā)射極電位高0.6V以前，也不會(huì)工作。反之，對(duì)于下側(cè)晶體管的基極只有比發(fā)射極低0.6V以后才能工作。所以，體現(xiàn)在波形上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交越失真的盲區(qū)。

不過(guò)，此電流稍加修改就是一個(gè)很好用的電路了，思路很簡(jiǎn)單，用兩個(gè)二極管在每個(gè)晶體管的基極上加上大概0.6V的二極管的正向壓降--補(bǔ)償電壓，就可以抵消晶體管的盲區(qū)了。如下圖所示：

此電路用兩個(gè)二極管的壓降抵消晶體管的基極-發(fā)射極間的電壓Vbe，可以認(rèn)為晶體管的空載電流幾乎為0。所以當(dāng)不存在信號(hào)時(shí)，就也沒(méi)有晶體管的發(fā)熱問(wèn)題。順便提一下，這個(gè)電路中在輸出狀態(tài)總有一個(gè)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的電路稱之為B類放大器，舉一反三的，如果只有一個(gè)管子且晶體管常進(jìn)行工作的電路稱之為A類放大器。

這樣一來(lái)，射極跟隨器-推挽電路-拉電流，灌電流-A類放大器，B類放大器，這些知識(shí)就可以串起來(lái)了，那么有沒(méi)有想過(guò)同樣非常常用的D類放大器?又有什么樣的特點(diǎn)呢?