基于三極管的放大電路設(shè)計

原毓

摘要：我們在模擬量電路設(shè)計過程中，通常需要為模擬量電路提供高精度的基準(zhǔn)電源，為了能夠得到較大驅(qū)動能力的基準(zhǔn)電源，需要對電流進(jìn)行放大，一般通過三級管和高精密基準(zhǔn)電源結(jié)合，來實現(xiàn)其電流放大功能。

關(guān)鍵詞：三極管;放大電路

引言

在模擬量信號采集電路中，為了能夠使采集到的信號精度更高，往往需要為模擬量電路提供一個高精度的基準(zhǔn)電源，通常情況下，根據(jù)需要輸出的電源的電流能力大小，基準(zhǔn)電源的獲得有以下三種方式：1）使用專用精密基準(zhǔn)電源芯片;2）專用精密基準(zhǔn)電源芯片和運(yùn)算放大器相結(jié)合;3）專用精密基準(zhǔn)電源芯片和三極管相結(jié)合，下面，分別對三種方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 專用精密基準(zhǔn)電源芯片

一般情況下，在需要輸出的電源電壓的電流要求不高的情況下，我們使用專用的集成精密基準(zhǔn)電源芯片即可實現(xiàn)，目前常用的專用精密基準(zhǔn)電源芯片包括AD580、AD581、AD688等芯片。它們的區(qū)別在于輸出的電壓伏值不同，其中AD580輸出的電壓為2.5V，AD581輸出的電壓為+10V，而AD688輸出的電壓為±10V;使用中，根據(jù)所設(shè)計的電路所需要提供的電源電壓進(jìn)行選擇。該類專用精密基準(zhǔn)電源芯片輸出電壓精度高、體積小、重量輕，外圍電路一般搭配濾波電容即可使用，設(shè)計簡單。但其缺點也很明顯，其輸出的電源驅(qū)動能力較低，一般其輸出電流僅僅有5mA或10mA，一般情況下，5mA的電流即可滿足設(shè)計電路的供電要求，但有時，電路需要的高精度基準(zhǔn)電源的驅(qū)動電流較大，則需要下面兩種電路實現(xiàn)。

2 專用精密基準(zhǔn)電源芯片和運(yùn)算放大器相結(jié)合的高精密電源電路

該電路適用于對高精密電源輸出的電流范圍在10mA～20mA范圍內(nèi)的設(shè)計場景，其實現(xiàn)原理是在專用精密基準(zhǔn)電源的輸出端連接OP400、OP200等運(yùn)算放大器，其輸出的基準(zhǔn)電壓通過運(yùn)算放大器進(jìn)行跟隨后再對外輸出。其利用了運(yùn)算放大器組成的跟隨電路輸出電壓與輸入電壓相同的特點，由于運(yùn)算放大器跟隨電路的電壓誤差僅為uV級別，因此，其輸出的電壓精度與前端的專用精密基準(zhǔn)電源芯片的精度基本相同，同時，由于最終的電源電壓由運(yùn)算放大器輸出，而OP400、OP200等運(yùn)算放大器的輸出電流最大可達(dá)20mA，因此，通過專用精密基準(zhǔn)電源芯片和運(yùn)算放大器相結(jié)合的設(shè)計，可實現(xiàn)將電源芯片的驅(qū)動能力擴(kuò)大2～4倍的目的，實現(xiàn)部分電路的供電需求。

3 專用精密基準(zhǔn)電源芯片和三極管相結(jié)合的高精密電源電路

有時候，模擬量電路需要的高精度基準(zhǔn)電源的驅(qū)動電流很大，20mA遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，其需達(dá)到100mA甚至1A以上。這時，單個基準(zhǔn)電源芯片或?qū)Ｓ镁芑鶞?zhǔn)電源芯片和運(yùn)算放大器相結(jié)合的高精密電源電路無法滿足要求，下面介紹一種專用精密基準(zhǔn)電源芯片和三級管結(jié)合的高精密電源電路，其根據(jù)三級管的選擇，在保證電源精度的前提下，最大輸出電流可達(dá)到幾安培。

3.1 三極管介紹

三級管的全稱為半導(dǎo)體三極管，是一種電路設(shè)計中使用非常多的一種分立元器件，其由三個電極組成：基級、發(fā)射級和集電極?；売梅朆表示，發(fā)射級由符號E表示，集電極由符號C表示。

根據(jù)PN結(jié)排列方式的不同，三級管可分為NPN型三極管和PNP型三極管，其區(qū)別在于基級和發(fā)射級之間的導(dǎo)通電壓VBEset極性相反，其中NPN型三級管VBEset為正值，PNP型三極管的VBEset為負(fù)值。

根據(jù)三級管使用的材料不同，三級管可分為鍺管和硅管，其區(qū)別在于基級和發(fā)射級之間的導(dǎo)通電壓VBEset伏值不同，鍺管一般為0.3V，而硅管一般為0.7V，現(xiàn)在市場硅管較為常見。

三級管是一種電流放大器件，其能夠?qū)⒒夒娏鱥 b放大為集電極電流i c，放大倍數(shù)為β，即i c=β·i b。具體的放大倍數(shù)與三級管的型號以及工作狀態(tài)有關(guān)。三極管工作電流會影響到三極管線性性能和功耗，電流越大則放大狀態(tài)的線性度越好，但同時功耗也越大。

根據(jù)三級管的特點，一般的設(shè)計電路中，三級管主要有兩個作用：1）開關(guān)作用，即通過控制三級管基級和發(fā)射級的導(dǎo)通狀態(tài)，控制其他電路的通斷，例如控制其他電壓信號的通斷等;2）電流放大作用，利用其電流放大器件的特性，實現(xiàn)電流放大的功能。本文中三級管和專用精密基準(zhǔn)電源芯片結(jié)合的高精密電源電路即利用了該特性。

3.2? 基于三級管的高精密電源電流放大電路設(shè)計

基于三級管的高精密電源電流放大電路的設(shè)計，即利用了三極管集電極電流i c等于β倍i b的特點。選擇合適的功率三極管，將三級管與精密基準(zhǔn)電源芯片連接，同時在三級管的集電極連接普通的大功率電源，然后通過控制三極管基級的電流大小，從而在三極管的發(fā)射級輸出與前端連接的精密基準(zhǔn)電源芯片電壓相同，但電流是原來的n倍的高精度基準(zhǔn)電源，實現(xiàn)高精度電源電流放大的功能，其電路示意圖見圖1所示。

圖1中的基準(zhǔn)電源即為AD580、AD581和AD688等精密基準(zhǔn)電源芯片，通過運(yùn)算三級管對其進(jìn)行電流放大，圖中的標(biāo)號“電流放大后電源”即為擴(kuò)流后的輸出，接外部需要大功率基準(zhǔn)電源的負(fù)載。

圖中通過運(yùn)算放大器跟隨電路的特點，保證輸出的擴(kuò)流后電源的電壓值與基準(zhǔn)電源的電壓值基本相同，避免電流放大后電壓精度降低。

“VCC”為外接的普通電源，使用常用的電源模塊即可，要求其電壓值應(yīng)大于基準(zhǔn)電源的電壓值，“VCC”與三極管集電極之間串聯(lián)電阻，其作用為分壓和限流。阻值不能過大，否則會導(dǎo)致發(fā)射級輸出的電流驅(qū)動能力不足，同時電阻阻值也不能太小，否則會導(dǎo)致該電路的功耗過大。

該電路可將原基準(zhǔn)電源的5mA～10mA電流放大10倍至數(shù)百倍。實際運(yùn)用中，根據(jù)要求輸出的驅(qū)動電流的大小，選擇合適放大倍數(shù)和功率的三級管，并選擇合適的電阻，保證驅(qū)動能力足夠。并建議通過電路仿真軟件進(jìn)行仿真，確保涉及電路的正確性。

2.4.結(jié)語

本文介紹了三種高精度基準(zhǔn)電源輸出電路的設(shè)計方法，其中，第一種方法最簡單，但其輸出的電源驅(qū)動能力最小，第三種方法基于三極管的電流放大電路設(shè)計最為復(fù)雜，使用元器件最多，但其輸出的電源驅(qū)動能力最高，實際使用中，根據(jù)使用的場景不同，選擇最為合適的方法。其中基于三級管的電流放大電路在硬件電路中使用非常廣泛，其設(shè)計過程需要理論結(jié)合實際，為了保證設(shè)計電路的合理性和正確性，具體參數(shù)的確定有時需要在合理的范圍內(nèi)先進(jìn)行假設(shè)，再進(jìn)行仿真等手段進(jìn)行驗證，通過適當(dāng)調(diào)整達(dá)到最終理想的工作狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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