硬件必會之三極管實用解析

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本文你可以獲得什么?

1、學(xué)會實際工程應(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，背后的邏輯又是什么?

晶體管或許可以說是整個電子信息系統(tǒng)以及集成電路的基石。三極管電路也是最為常見的電路模塊，其應(yīng)用也極為靈活。我記得前幾年看過晶體管設(shè)計一書中，有一段話我一直印象很深刻，大致意思是說，如果想制作一個電路，只需要將幾個IC組合起來，起振復(fù)位上電源大體就可以簡單地完成了。

但是，如果掌握了晶體管和MOS管的相關(guān)知識后，對于電路系統(tǒng)的認識將會大為不同。因為，以IC為單位作為黑盒子來考慮，此時IC被一定程度上認為是理想器件，但是，以單個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. 三極管的開關(guān)電路

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

(open) 與閉合(closed) 動作，當(dāng)三極管呈開啟狀態(tài)時，負載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時，電流便可以流通。詳細的說，當(dāng)Vin為低電壓時，由于基極沒有電流，因此集電極亦無電流，致使連接于集電極端的負載亦沒有電流，而相當(dāng)于開關(guān)的開啟，此時三極管工作在截止(cut off)區(qū)。

同理，當(dāng)Vin為高電壓時，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合，此時三極管工作在飽和區(qū)(saturation)。

圖1 基本三極管開關(guān)

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

應(yīng)用實例：

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

圖2 三極管開關(guān)電路應(yīng)用實例

電路分析：

當(dāng)A為高電平時，三極管1導(dǎo)通，所以輸出B點跟發(fā)射極電平相同，為低電平;因為B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，三極管1截止，所以輸出B點為高電平;因為B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

由于射極帶負載電阻的射極跟隨器，在輸出很大電流時也就是阻抗較低情況時，輸出波形的負半軸會被截去，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缺點將發(fā)射極負載電阻換成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”給負載(對應(yīng)推，source current)，PNP晶體管從負載將電流“吸進來”(對應(yīng)挽，sink current)，所以稱為推挽(push-pull)。但是此電路的缺點是在0V附近晶體管都截止，會產(chǎn)生交越失真。推挽電路以及拉電流、灌電流是實際工程系統(tǒng)中非常重要的概念，通過此電路學(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)輸入信號在0V附近時，基極-發(fā)射極間沒有電位差，因此沒有基極電流的流動。也就是，此時兩個晶體管都是截止的，并沒有工作。

另外，即便是基極上加上了輸入信號，對上側(cè)在基極電位比發(fā)射極電位高0.6V以前，也不會工作。反之，對于下側(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)在波形上就會產(chǎn)生一個交越失真的盲區(qū)。

不過，此電流稍加修改就是一個很好用的電路了，思路很簡單，用兩個二極管在每個晶體管的基極上加上大概0.6V的二極管的正向壓降--補償電壓，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，可以認為晶體管的空載電流幾乎為0。所以當(dāng)不存在信號時，就也沒有晶體管的發(fā)熱問題。順便提一下，這個電路中在輸出狀態(tài)總有一個晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的電路稱之為B類放大器，舉一反三的，如果只有一個管子且晶體管常進行工作的電路稱之為A類放大器。

這樣一來，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，這些知識就可以串起來了，那么有沒有想過同樣非常常用的D類放大器?又有什么樣的特點呢?