硬件工程师必会电路模块之三极管实用电路

原创 启芯硬件 2024-05-15 00:00

三极管是电子电路中常见且十分重要的元件,它在各种电路中扮演着关键的角色,包括放大、开关、稳压、调节等。

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)。         
         
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。         
         
                         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。         

【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。         
         
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:         
         
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。         

总结:

三极管的开关电路是其最常见和基础的应用之一。它利用三极管的放大特性和截止特性,在输入信号满足一定条件下,控制输出电路的开关状态。
1. 基本原理: 通过控制基极电压,即输入信号,可以控制三极管的工作状态,从而实现对输出电路的开关控制。
三极管作为开关:在开关电路中,三极管处于饱和和截止两种状态之间。当输入信号足够大时,三极管进入饱和状态,输出电路导通;当输入信号较小或不存在时,三极管进入截止状态,输出电路断开。
2. 案例总结
数字逻辑电路:在数字电路中,三极管常用于构建开关电路,用于逻辑门、触发器等元件的实现。例如,三极管可用于构建与门、或门等逻辑门电路,实现数字信号的处理和控制。
开关电源:三极管可用于开关电源中的开关管,用于控制电源的输出。开关电源具有高效、稳定的特点,在电子设备中得到广泛应用。
LED驱动电路:三极管可用于LED驱动电路中的开关控制,实现LED的亮灭控制。通过PWM调节三极管的导通时间比例,可以实现LED的亮度调节。
电机驱动:三极管可用于电机驱动电路中的开关控制,实现电机的启停和转向控制。通过控制三极管的导通状态,可以实现电机的正反转和速度控制。
3. 分析要点总结:
饱和与截止:在设计开关电路时,需要确保三极管在饱和和截止状态之间切换,以实现准确的开关控制。
输入信号:输入信号的幅值和频率对于控制三极管的开关状态至关重要,需要根据具体情况进行合理设计。
负载特性:要考虑负载电路的特性,确保三极管能够承受负载电流和电压的要求。
4. 案例应用:
智能家居:在智能家居系统中,三极管开关电路可用于控制灯光、电器等设备的开关状态,实现远程控制和自动化管理。
工业控制:在工业控制系统中,三极管开关电路可用于控制机械设备的启停、方向等,实现自动化生产和精准控制。
电源管理:在电源管理系统中,三极管开关电路可用于构建高效稳定的开关电源,提高能源利用率和系统稳定性。
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三极管的推挽电路是一种常见的放大电路,通常用于驱动负载,如扬声器或电机。它利用了两个三极管的互补工作方式,一个用于推动负载,另一个用于拉低负载。
1. 原理分析总结:
互补工作原理:三极管的推挽电路中使用两个互补的三极管。一个三极管用于增强电路的正半周,而另一个用于增强负半周。这样可以实现信号的全波放大,同时使输出信号能够跟随输入信号的变化。
2. 案例总结:
音频放大器:三极管的推挽电路常用于音频放大器中,用于驱动扬声器或耳机。它能够提供足够的功率输出,并具有较低的失真。
电机驱动:在电机控制中,推挽电路可以用于控制直流电机的转向和速度。通过改变输入信号的极性和幅值,可以控制电机的运动方向和速度。
3. 分析要点:
功率输出:三极管推挽电路可以提供较高的功率输出,适用于驱动各种负载,如扬声器、电机等。
失真和效率:在设计推挽电路时,需要考虑输出信号的失真和电路的效率。合适的偏置和工作状态可以降低失真并提高效率。
4. 案例应用:
汽车音响系统:在汽车音响系统中,三极管推挽电路常用于驱动车载扬声器,提供高质量的音频输出。
工业控制:在工业控制系统中,推挽电路可以用于控制各种电机和执行器,实现自动化生产和精准控制。
电源放大器:在电源放大器中,推挽电路可以用于提高输出功率和效率,满足大功率负载的需求。          

 

启芯硬件 资深硬件工程师,聚焦电路设计,SIPI仿真,芯片设计等~
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