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三极管在直流电源电路设计中的重要性分析

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

但是,如果掌握了直流电源中晶体管和MOS管的相关知识后,对于直流电源电路设计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,以单个直流电源中晶体管放大直流电源电路设计为例,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,但是我们懂得直流电源中晶体管后,我们可以知道其内部结构,通过内部结构,我们结合外部直流电源电路设计,能够帮助我们更好的理解分析,调试直流电源电路设计。


1. 三极管的开关直流电源电路设计

开关直流电源电路设计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)。

图1 基本直流电源三极管开关电路设计图

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直流电源电路设计图的一部分,就是一个典型的三极管应用直流电源电路设计。

三极管开关直流电源电路设计应用实例

图2 三极管开关直流电源电路设计应用实例


直流电源电路设计分析:

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管的射极跟随器直流电源电路设计称之为推挽射极跟随器。

直流电源电路设计分析

【直流电源电路设计分析】

由于上边的NPN直流电源中晶体管将电流“吐出来”给负载(对应推,source current),PNP直流电源中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)。但是此直流电源电路设计的缺点是在0V附近直流电源中晶体管都截止,会产生交越失真。推挽直流电源电路设计以及拉电流、灌电流是实际工程系统中非常重要的概念,通过此直流电源电路设计学习理解此概念非常易懂。

直流电源交越失真波形图


交越失真是指正弦波的上下侧没有连接上的那部分,此失真的原因在于直流电源中晶体管的基极都是连在一起的,所以基极电位是一样的。当输入直流电源信号在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,此时两个直流电源中晶体管都是截止的,并没有工作。


另外,即便是基极上加上了输入直流电源信号,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,对于下侧直流电源中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直流电源电路设计了,思路很简单,用两个二极管在每个直流电源中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,就可以抵消直流电源中晶体管的盲区了。如下图所示:

直流电源中晶体管的盲区


此直流电源电路设计用两个二极管的压降抵消直流电源中晶体管的基极-发射极间的电压Vbe,可以认为直流电源中晶体管的空载电流几乎为0。所以当不存在直流电源信号时,就也没有直流电源中晶体管的发热问题。顺便提一下,这个直流电源电路设计中在输出状态总有一个直流电源中晶体管处于截止状态的直流电源电路设计称之为B类放大器,举一反三的,如果只有一个管子且直流电源中晶体管常进行工作的直流电源电路设计称之为A类放大器。

通过阅读本文,您您知道了以下问题的解决办法:

学会实际工程应用中常用的三极管直流稳压电源电路设计(以英特尔公司经典直流电源电路设计为例);

学到推挽直流电源电路设计,并且了解非常重要的拉电流和灌电流的来源及概念;

数字集成直流电源电路设计畅行的年代,为什么还需要学习模拟知识,背后的逻辑又是什么?


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