晶体管-射极跟随器电路

电子电容全能解 2024-07-25 17:11:13

一:射极跟随器搭配共射极放大电路

通常射极跟随器接在共射极放大电路的后面,组合成输出阻抗较小的放大电路。如下图,Q1是共射极放大电路。Q2是射极跟随器电路。本设计中,射极跟随器的耦合输入电容和偏置电路是不需要的。共射极放大电路的集电极电压作为射极跟随器的基极偏置电压。

二:推挽式射极跟随器电路

看上面的仿真结果,不同的负载值并不影响射极跟随器的输出波形。但是实际上,当负载很小,负载值还是会影响输出波形。因为和大负载相比,小负载从射极跟随器输出端抽取更多电流。下图是负载分别为100Ω和1KΩ时,Q1的发射极电压(Ve1)、发射极电流(IR5)、电路输出电压(Vf)的波形。蓝色是负载R4=1KΩ时的波形。绿色是R4=100Ω时的波形。可以看到,负载值不同,发射极输出电流不同。

负载大时,发射极电流小并且以直流点为中心上下变化,输出电压正常。

负载小时,发射极电流大并且也以直流点为中心上下变化,当电流下降到0mA时,不可能出现负电流,导致输出波形被截断。

针对上述负载小时,输出波形被截断的问题。使用下图的推挽射极跟随器电路,可以解决。用一颗PNP晶体管替代原始电路中的R3。

此处提出一个概念:什么是空载电流?

没有交流信号输入,只有直流电源存在时,电路消耗的电流称为空载电流。如上图V1没有信号,V2保持15V时,电路消耗的电流称为空载电流。此电路中在空载状态时,Q1和Q2截止,空载电流为0,没有电流消耗。

不过会出现一个问题:在0V附近,输出波形有中断。它被称为开关失真。

原因在于Q1和Q2的基极是连接在一起的,即Q1和Q2的Vb是同一点电压值,在-0.5V~0.5V区间内,基极和发射极之间没有电压差,晶体管无法导通(上图所示)。

详细说明:如下图更多波形显示

在输入信号的正半周期,当Vin在0~0.5V之间时,Q1无法导通,Q2自然也无法导通。而当Vin>0.5V时,Q1导通,输出端开始有信号,但是Q2仍旧是截止的。

反之,在输入信号的负半周期,当Vin在0~-0.5V之间时,Q2无法导通,Q1自然也无法导通。而当Vin< -0.5V时,Q2导通,输出端开始有信号,但是Q1仍旧是截止的。

继续改进推挽式射极跟随器电路。如下图,在Q1和Q2的基极中添加二极管。

D1在Vin波形的上半周期中,可以抬高Q1的基极电压。这样即使在Vin=0~0.5V的范围内,Vb也比0.5V高,Q1会持续导通。同样的D2在Vin波形的下半周期中,降低Q2的基极电压,即使Vin=0~-0.5V,Vb也比-0.5V低,Q2持续导通。可以看到Q1和Q2的发射极电流无缝的交替导通。

三:推挽式射极跟随器电路的晶体管发热问题

上图虽然解决开关失真的问题,但是在大负载电流下有可能出现温度稳定性问题。

前述D1和D2的作用是:用D1和D2的Vf来抵消Q1和Q2的Vbe(即分别抬升和降低b点和d点的电压),进而消除开关失真。

晶体管的Vbe带有负温度系数特性,即温度越高,Vbe越小。

上图电路有负载电流流动时,Q1和Q2的温度会升高(集电极损耗带来的温升),进而导致Q1和Q2的Vbe会减小。本来D1和D2的Vf,与Q1和Q2的Vbe是都PN结,可以抵消的。

但是随着Q1和Q2温度的升高,Vbe减小(同时流过D1和D2的电流非常小,因此Vf基本不变,即Vb和Vd基本不变),进而导致Q1的Ie增大。

增大原因如此公式:[Ie=(Vb-Vbe)/Re]。Vbe减小,Ie增大。

注此公式中的Re由Q2代替。

Ie按照上述方式增加,进而带来Q1和Q2进一步的温度升高。这种恶性循环反复持续下去,最终有可能导致非常大的电流流过Q1和Q2,将其烧毁,这称为晶体管的热击穿。此种情况通常发生在负载电流很大时的情况下。

下图和上图相比,增加了R4和R5两颗电阻。这两颗电阻可以限制空载电流。只是这两颗电阻本身会带来损耗,也会提高整个电路的输出阻抗,使其无法驱动扬声器等低阻抗负载。

下图,新增晶体管Q3来替代上图中的D1和D2。在此电路中,流过电阻R4和R5的电流I4=Vbe3/R5

Q3的Vce3=(R4+R5)*I4

Vce3=(R4+R5)/R5 * Vbe3

这样修改R4和R5的阻值,可以调整Vce3和Vbe3的关系。

本电路的目的是使Q3的Vce3替代上图中D1和D2的Vf_D1 + Vf_D2。

假设Q1、Q2和Q3的Vbe相同,则需要Vce3=Vf_D1 + Vf_D2=Vbe1+Vbe2=2Vbe3

即取R4=R5,即可实现。

将Q1、Q2和Q3靠近布置,当Q1和Q2因为温度升高导致Vbe1和Vbe2变小时,Vbe3也会随着温度升高变小。因为R4=R5,由温度变化带来的Vce3正好可以补充Vbe1和Vbe2的变化。这样就不会有Q1和Q2的Ic变大的问题,即可以解决热击穿问题。

以上的理论分析有若干假设。现实中Q1、Q2、Q3的参数多多少少有些差异,很难做到Vbe1=Vbe2=Vbe3。不过可以微调R4和R5的值,使Vce3=Vbe1+Vbe2。

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