三極管典型的放大應用電路分析(二)

上節內容我們討論了如何分析一個三極管的放大電路，這些電路現在已經很少以分立電路的形式出現在產品中了。甚至對于集成電路而言也已經很少采用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，分析的方法論對于進一步學習模擬電路或者集成電路是有益的。引用筆者的一句校訓來說就是：“越基礎的越有生命力，越基礎的越有遷移力”。那么這一節我們將探討下現在依然活躍在分立電路中幾種典型的三極管應用電路。

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別在于三極管的靜態工作點的位置不同，從而導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，甲類放大器的靜態工作點在三極管的中間區域，可以保證放大電路始終保持在三極管的線性區域進行工作，導通角寬度為360°，上節所講的“射極跟隨器”即是為甲類放大器。甲類放大器的信號失真小，但是效率低，需要大量的散熱設備進行散熱，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構，上管T1和下管T2交替工作，每個管子的導通腳寬度為180°，轉換效率高。由于Q點的位置在其實導通閾值電壓處，因此輸出波形存在“交越失真”，在兩個管子交替導通中間存在一段兩個管子都截止的狀態。

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點上移，從而補償交越失真，甲乙類放大電路兼顧了甲類放大的線性放大工作區和乙類放大的推挽結構，是應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點在截止點以下，導通角小于90°，導通范圍小于180°，一般應用在高頻功率放大電路中。如圖1.5所示，丙類放大器其實質是共基極放大電路，上節內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，放大電路配合LC選頻網絡將拾取特定頻率的廣播信號。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，因此該電路一般應用在前端的信號調理。

圖1.5 丙類放大電路

2、驅動電路

在驅動功率器件的驅動電路中，功率器件的開關速度取決于驅動電路對功率器件的驅動速度，為了實現對功率半導體的高效控制，對驅動電路的能力往往具有很高的要求。驅動能力過小將增加功率半導體的開關損耗，進一步影響半導體的散熱和可靠性。

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電路的驅動能力，從結構上看圖騰柱電路了結構和乙類放大器的結構是一樣的。但是和乙類放大器不同，應用在功率半導體驅動電路中的三極管主要工作在飽和區和截止區。如圖2.1所示，當驅動信號為高電平，上管NPN導通，下管PNP截止，從而形成VCC->GATE 拉電流(Pull Current);當驅動信號為低電平，上管NPN截止，下管PNP導通，從而形成GATE->GND 拉電流(Sink Current)。該電流能夠將小電流Ib 放大成幾十上百倍的大電流Ic，以此增強對功率器件的驅動能力。

圖2.1 圖騰柱電路結構

除了圖2.1所示的典型圖騰柱結構，還有輸出節點拆分的圖騰柱結構，這樣可以設置不同的開通驅動電阻Rgon和關斷電阻Rgoff，以此優化對功率半導體的驅動性能。如圖2.2所示，設置Rgon=2.2Ohm，Rgoff=5Ohm，Cgate 模擬功率半導體門級電容，Rgate模擬功率半導體門級電阻。仿真結果如圖2.3所示，可以看出開啟的速度和關斷的速度存在明顯的差異，另外從驅動電流的波形可以看出，只需要一個很小的基極電流，就能實現對門級電容的大電流充電，增強電路的驅動能力。

圖2.2 分級驅動的圖騰柱電路

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動電路，該電路常用于H橋或者三相橋結構，用于驅動一些小功率的有刷直流電機或者無刷電機。和推挽電路相比，該電路可以由小電壓控制大電壓，適用于功率驅動。D1，D2，D3，D4為續流二極管，防止三極管產生過電壓。圖2.5所示，仿真結果可以看出在死區時間內，存在明顯的二極管續流。

現在基于三極管的半橋電路基本上已經被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對方向電流進行續流，三極管半橋必須配合續流二極管才能保證驅動橋的正常使用。

盡管如此，筆者認為三極管半橋驅動電路還是有一個優點，就是對驅動電壓的要求不高。因為是電流型器件，控制三極管的開關速度在于控制三極管的電流速度，極小的BE結電容能夠實現對基極電流的快速控制。通過控制R15，R16，R18，R19能夠對驅動電流進行快速的控制，不需要MOSFET復雜的自舉電路已實現對上管驅動。因此，我們在設計一些小功率驅動電路，還是可以使用三極管驅動，降低電路成本。

圖2.4 半橋驅動電路

圖2.5 半橋驅動電路仿真結果

3、線性穩壓電源

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

3.1 NPN型線性穩壓器

如圖3.1所示，NPN型線性穩壓器通過穩壓管D1和三極管Q1構成射極跟隨器，R1為D1提供靜態工作電流，電路依靠穩壓管D1的反向電流進行負反饋調節：當負載變小 -> 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導通深度增加CE壓降降低 -> Vout電壓上升。該電路結構簡單，射極跟隨能力強，但是由于R1電阻不能太大，負載能力調節范圍有限，靜態損耗較大。

圖3.1 NPN型線性穩壓器

如圖3.2所示，是NPN型線性電源的負載特性曲線，當負載電流較大情況下，需要提高輸入電壓才能將將輸出電壓穩定在需要的范圍內，電壓過低，輸出驅動能力也隨之下降。該電路為了滿足需要的輸出功率，需要一個較高的壓差。

圖3.2 NPN型線性穩壓器仿真結果

3.2 PNP型線性穩壓器

如圖3.3所示，PNP型線性穩壓器結構上更為復雜，反饋的深度更深，具有更強的動態的調節能力。調節的最大深度可以讓Q2進入飽和導通，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“低壓差線性穩壓器”。電路通過調節R3，R4分壓電阻實現對輸出電壓的調節。如圖3.4所示，該電路具有優秀的輸入調整率和負載調整率。

圖3.3 PNP型線性穩壓器

圖3.4 PNP型線性穩壓器仿真結果

小結

通過兩節內容的梳理，我們基本熟悉了大部分的基于三極管的應用電路的原理，這些電路盡管在現在電子線路中已經很少見。但是，對于我們理解三極管，以及流控型半導體器件還是具有一定的幫助，深刻理解這些典型的電路結構，在真正遇到電路問題的時候才能夠從容面對，硬件設計也可以很“高級”。