上節(jié)內(nèi)容我們討論了如何分析一個(gè)三極管的放大電路，這些電路現(xiàn)在已經(jīng)很少以分立電路的形式出現(xiàn)在產(chǎn)品中了。甚至對(duì)于集成電路而言也已經(jīng)很少采用BJT工藝，絕大部分的集成電路采用功耗更低，速度更快的CMOS工藝。但是，分析的方法論對(duì)于進(jìn)一步學(xué)習(xí)模擬電路或者集成電路是有益的。引用筆者的一句校訓(xùn)來說就是：“越基礎(chǔ)的越有生命力，越基礎(chǔ)的越有遷移力”。那么這一節(jié)我們將探討下現(xiàn)在依然活躍在分立電路中幾種典型的三極管應(yīng)用電路。

1、功率放大電路

如圖1.1所示，功率放大電路可以劃分為以下幾種電路的形式：

這幾類功率放大電路的主要區(qū)別在于三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)的位置不同，從而導(dǎo)致放大的特性和效果的差異。

圖1.1 功率放大電路的類型

1.1甲類放大

如圖1.2所示，甲類放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)在三極管的中間區(qū)域，可以保證放大電路始終保持在三極管的線性區(qū)域進(jìn)行工作，導(dǎo)通角寬度為360°，上節(jié)所講的“射極跟隨器”即是為甲類放大器。甲類放大器的信號(hào)失真小，但是效率低，需要大量的散熱設(shè)備進(jìn)行散熱，成本高!

圖1.2 甲類放大器

1.2乙類和甲乙類放大

如圖1.3所示，乙類放大器為推挽結(jié)構(gòu)，上管T1和下管T2交替工作，每個(gè)管子的導(dǎo)通腳寬度為180°，轉(zhuǎn)換效率高。由于Q點(diǎn)的位置在其實(shí)導(dǎo)通閾值電壓處，因此輸出波形存在“交越失真”，在兩個(gè)管子交替導(dǎo)通中間存在一段兩個(gè)管子都截止的狀態(tài)。

圖1.3 乙類放大器

如圖1.4所示，通過通過增加二極管D1和D2 使電路的Q點(diǎn)上移，從而補(bǔ)償交越失真，甲乙類放大電路兼顧了甲類放大的線性放大工作區(qū)和乙類放大的推挽結(jié)構(gòu)，是應(yīng)用最為廣泛的電流型功率放大電路。

圖1.4 甲乙類放大器

1.3丙類及其他

丙類放大電路Q點(diǎn)在截止點(diǎn)以下，導(dǎo)通角小于90°，導(dǎo)通范圍小于180°，一般應(yīng)用在高頻功率放大電路中。如圖1.5所示，丙類放大器其實(shí)質(zhì)是共基極放大電路，上節(jié)內(nèi)容我們了解到共基極放大電路具有極高的帶寬。因此，在高頻通信電路中常常用于拾取微弱的廣播信號(hào)，放大電路配合LC選頻網(wǎng)絡(luò)將拾取特定頻率的廣播信號(hào)。這里需要注意的是，共基極放大電路的電流放大能力很弱(~0.9)，利用的是其高增益的電壓放大能力，因此該電路一般應(yīng)用在前端的信號(hào)調(diào)理。

圖1.5 丙類放大電路

2、驅(qū)動(dòng)電路

在驅(qū)動(dòng)功率器件的驅(qū)動(dòng)電路中，功率器件的開關(guān)速度取決于驅(qū)動(dòng)電路對(duì)功率器件的驅(qū)動(dòng)速度，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)功率半導(dǎo)體的高效控制，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的能力往往具有很高的要求。驅(qū)動(dòng)能力過小將增加功率半導(dǎo)體的開關(guān)損耗，進(jìn)一步影響半導(dǎo)體的散熱和可靠性。

2.1 推挽電路

推挽電路也被人們俗稱為“圖騰柱電路”，圖騰柱電路能夠極大的增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力，從結(jié)構(gòu)上看圖騰柱電路了結(jié)構(gòu)和乙類放大器的結(jié)構(gòu)是一樣的。但是和乙類放大器不同，應(yīng)用在功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路中的三極管主要工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。如圖2.1所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，上管NPN導(dǎo)通，下管PNP截止，從而形成VCC->GATE 拉電流(Pull Current);當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，上管NPN截止，下管PNP導(dǎo)通，從而形成GATE->GND 拉電流(Sink Current)。該電流能夠?qū)⑿‰娏鱅b 放大成幾十上百倍的大電流Ic，以此增強(qiáng)對(duì)功率器件的驅(qū)動(dòng)能力。

圖2.1 圖騰柱電路結(jié)構(gòu)

除了圖2.1所示的典型圖騰柱結(jié)構(gòu)，還有輸出節(jié)點(diǎn)拆分的圖騰柱結(jié)構(gòu)，這樣可以設(shè)置不同的開通驅(qū)動(dòng)電阻Rgon和關(guān)斷電阻Rgoff，以此優(yōu)化對(duì)功率半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)性能。如圖2.2所示，設(shè)置Rgon=2.2Ohm，Rgoff=5Ohm，Cgate 模擬功率半導(dǎo)體門級(jí)電容，Rgate模擬功率半導(dǎo)體門級(jí)電阻。仿真結(jié)果如圖2.3所示，可以看出開啟的速度和關(guān)斷的速度存在明顯的差異，另外從驅(qū)動(dòng)電流的波形可以看出，只需要一個(gè)很小的基極電流，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)門級(jí)電容的大電流充電，增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力。

圖2.2 分級(jí)驅(qū)動(dòng)的圖騰柱電路

圖2.3 仿真波形

2.2 半橋電路

如圖2.4所示，基于三極管的半橋驅(qū)動(dòng)電路，該電路常用于H橋或者三相橋結(jié)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)一些小功率的有刷直流電機(jī)或者無刷電機(jī)。和推挽電路相比，該電路可以由小電壓控制大電壓，適用于功率驅(qū)動(dòng)。D1，D2，D3，D4為續(xù)流二極管，防止三極管產(chǎn)生過電壓。圖2.5所示，仿真結(jié)果可以看出在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，存在明顯的二極管續(xù)流。

現(xiàn)在基于三極管的半橋電路基本上已經(jīng)被MOSFET所取代。和MOSFET相比，三極管的半橋電路器件損耗更大;另外，MOSFET自帶的體二極管能夠?qū)Ψ较螂娏鬟M(jìn)行續(xù)流，三極管半橋必須配合續(xù)流二極管才能保證驅(qū)動(dòng)橋的正常使用。

盡管如此，筆者認(rèn)為三極管半橋驅(qū)動(dòng)電路還是有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的要求不高。因?yàn)槭请娏餍推骷刂迫龢O管的開關(guān)速度在于控制三極管的電流速度，極小的BE結(jié)電容能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基極電流的快速控制。通過控制R15，R16，R18，R19能夠?qū)︱?qū)動(dòng)電流進(jìn)行快速的控制，不需要MOSFET復(fù)雜的自舉電路已實(shí)現(xiàn)對(duì)上管驅(qū)動(dòng)。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)一些小功率驅(qū)動(dòng)電路，還是可以使用三極管驅(qū)動(dòng)，降低電路成本。

圖2.4 半橋驅(qū)動(dòng)電路

圖2.5 半橋驅(qū)動(dòng)電路仿真結(jié)果

3、線性穩(wěn)壓電源

線性電源是將晶體管工作在線性區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整，線性穩(wěn)壓器的輸出電壓只能小于輸入電壓。因此，我們經(jīng)常將線性穩(wěn)壓電源稱為：LDO。其實(shí)這里面有一定的誤解，LDO只是線性穩(wěn)壓電源的一種形式，直接翻譯LDO(Low Dropout Regulator)應(yīng)該為“低壓差電源調(diào)整器”。線性穩(wěn)壓器作為單獨(dú)的門類，各大芯片廠商推出了各種各樣滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的線性穩(wěn)壓器，其中絕大部分屬于LDO類型。

3.1 NPN型線性穩(wěn)壓器

如圖3.1所示，NPN型線性穩(wěn)壓器通過穩(wěn)壓管D1和三極管Q1構(gòu)成射極跟隨器，R1為D1提供靜態(tài)工作電流，電路依靠穩(wěn)壓管D1的反向電流進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)：當(dāng)負(fù)載變小 -> 輸出電流上升(微弱) -> Vout電壓下降 -> Q1基極電壓下降 -> D1的反向電流減小 -> Q1基極電流增加 -> Q1導(dǎo)通深度增加CE壓降降低 -> Vout電壓上升。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，射極跟隨能力強(qiáng)，但是由于R1電阻不能太大，負(fù)載能力調(diào)節(jié)范圍有限，靜態(tài)損耗較大。

圖3.1 NPN型線性穩(wěn)壓器

如圖3.2所示，是NPN型線性電源的負(fù)載特性曲線，當(dāng)負(fù)載電流較大情況下，需要提高輸入電壓才能將將輸出電壓穩(wěn)定在需要的范圍內(nèi)，電壓過低，輸出驅(qū)動(dòng)能力也隨之下降。該電路為了滿足需要的輸出功率，需要一個(gè)較高的壓差。

圖3.2 NPN型線性穩(wěn)壓器仿真結(jié)果

3.2 PNP型線性穩(wěn)壓器

如圖3.3所示，PNP型線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，反饋的深度更深，具有更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)能力。調(diào)節(jié)的最大深度可以讓Q2進(jìn)入飽和導(dǎo)通，Vin和Vout之間的壓差可以做到很小(等于飽和壓降)，因此該電路也被稱為“低壓差線性穩(wěn)壓器”。電路通過調(diào)節(jié)R3，R4分壓電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。如圖3.4所示，該電路具有優(yōu)秀的輸入調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。

圖3.3 PNP型線性穩(wěn)壓器

圖3.4 PNP型線性穩(wěn)壓器仿真結(jié)果

小結(jié)

通過兩節(jié)內(nèi)容的梳理，我們基本熟悉了大部分的基于三極管的應(yīng)用電路的原理，這些電路盡管在現(xiàn)在電子線路中已經(jīng)很少見。但是，對(duì)于我們理解三極管，以及流控型半導(dǎo)體器件還是具有一定的幫助，深刻理解這些典型的電路結(jié)構(gòu)，在真正遇到電路問題的時(shí)候才能夠從容面對(duì)，硬件設(shè)計(jì)也可以很“高級(jí)”。