【技术专辑】如何缓冲运算放大器输出以获得更高电流,第2部分

在本文中,我们将介绍基本BJT电流缓冲电路的两种变体。

 

支持信息

 

•运算放大器简介

 

•B类音频放大器

 

如果您的运算放大器输出级无法处理压力

 

前一篇文章中讨论的基本BJT缓冲电路非常适合许多应用,但它有两个需要解决的限制:首先,高负载电流可能需要来自运算放大器的过多输出电流; 第二,它与负载电压不兼容。我们将从第一个问题开始。

 

如前一篇文章所述,运算放大器所需的输出电流约等于负载电流除以晶体管的有源区电流增益(也称为β或h FE))。在某些情况下,将这么多输出电流容量合并到您的设计中可能会有问题。一种可能性如下:您使用的运算放大器部件在一个封装中包含多个放大器。如果您已经有一个适合您系统的低输出电流部件,并且您正在使用封装中的四个放大器中的三个,那么您可能决定将第四个放大器用于工作。或者假设您将运算放大器集成到电路板的微控制器中。该运算放大器不太可能提供输出电流,但您不想仅仅因为集成运算放大器需要20或30 mA电流而引入外部元件。这些情况的解决方案是来自BJT的额外电流增益。首先要做的只是寻找具有更高h的晶体管FE,但如果你需要多少更多的电流增益,因为你的负载电流是如此之高,或您的运算放大器是如此的微不足道,或两者,它的时间为达林顿。

 

达林顿对

 

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电路符号讲述了大部分故事。达林顿对是两个共享一个共同收集器的BJT,集成在一个包中。其结果是一个设备,其功能非常像普通BJT,但具有非常高的ħ FE -the总电流增益近似等于H FE第一晶体管乘以H的FE第二晶体管的。在这一点上你可能会想,“我在地下室里放了很多2N2222晶体管,我只是将它们连接成Darlington风格并称之为好。”嗯,这并不是那么简单。让我们来看看从费尔柴尔德(PDF)得到的TIP142T达灵顿晶体管的等效电路: 

 

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除了BJT之外,我们还有一个保护二极管和两个电阻。电阻器通过为右侧晶体管的基极 - 发射极结电容提供放电路径来改善关断时间,并且它们确保右侧晶体管基极节点的定义状态,否则当达林顿对存在时,它将浮动。隔断。它们还导致较低的h FE,因为一些基极电流在基极 - 发射极结点周围分流。这种增益的降低实际上在许多情况下是有益的,因为它可以减少漏电流的影响 - 事实上你真的不应该需要全电流增益,如果我们假设每个BJT都有h FE,这将是10,000 因此,重点是,购买达林顿设备可能更好,而不是用两个独立的BJT制造自己的设备。

 

这是一个带有达林顿对而不是单个BJT的LTspice原理图。

 

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LTspice没有Darlington部件,但你可以到这里下载TIP142的子电路和符号文件。

 

这是一个V IN,V OUT和施加在达林顿基地的电压的图。

 

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与单BJT电路一样,输出电压跟踪输入电压(V IN走线隐藏在V OUT走线下方)。注意,V BASE比负载电压高约1.3-1.4 V; 这是因为现在我们有两个基极 - 发射极电压降而不是一个。因此,您必须特别小心,确保您的达林顿和运算放大器电源电压足够高,以满足您的整个负载电压范围(有关详细信息,请参阅“简单但非万无一失”部分)上一篇文章的结尾)。

 

下一个图显示了负载电流和流入达林顿基极的电流。

 

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所以360毫安的负载电流,该基极电流为169μA,对应到h FE ≈2130数据表表示当前增益应接近1000; 也许这个特定的SPICE模型并不尽可能准确。无论如何,我们成功地大大降低了运算放大器所需的输出电流。

 

处理无法提供足够输出电流的运算放大器的另一种方法是使用MOSFET而不是BJT。我们将在下一篇文章中介绍MOSFET实现。

 

低于地电压

 

运算放大器通常用于负输出电压。一个明显的例子是正弦信号,例如我们在音频,视频和RF应用中找到的信号。当运算放大器产生正输出电压时,输出电流从运算放大器“流出”并通过负载“流入”接地节点。因此,当输出为正时,运算放大器源电流。在负输出电压的情况下,电流“流出”接地节点,通过负载,并“流入”运算放大器,这样运算放大器现在正在吸收电流。因此,为了支持在地上和地下延伸的信号,我们需要一个可以吸收和提供电流的输出电流缓冲器。瞧:

 

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一般的想法是相同的:BJT提供更高的电流容量,反馈配置使运算放大器以任何需要的方式修改其输出,以确保负载电压V OUT等于V IN。不同之处在于增加了一个PNP晶体管,可以实现NPN晶体管在正负载电压下完成的负载电压。换句话说,当输入电压为正时,运算放大器输出摆动为正以导通NPN晶体管,电流从NPN输出到负载; 当输入电压为负时,运算放大器输出摆动为负,以打开PNP,PNP吸收负载电流。这是一个LTspice原理图:

 

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请注意,我在2SCR293P的数据表中选择了推荐作为补充器件的PNP部件号:

 

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这是一个V IN和V OUT的图。像往常一样,输入电压隐藏在输出电压之下。

 

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下一个放大图包括运算放大器的输出电压。注意负反馈动作如何使运算放大器自动绕过“死区”,即两个晶体管都处于截止状态的电压范围(从大约-0.7 V到0.7 V)。

 

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这是一个音频放大器吗?

 

此时您可能想知道是否可以将此电路用作音频信号的功率放大器。你当然可以,但声音质量不会是最好的。实际上,该电路中的NPN-plus-PNP布置被称为B类输出级,并且将B级级与运算放大器和一些负反馈相结合,产生具有最小交越失真的功率放大器(B级级)本身就有大死区造成的严重失真问题。然而,即使有负反馈,NPN和PNP晶体管的交替开启和关闭仍然会使音质有所降低。这就是用于音频的优选电路是AB类放大器的原因,其中晶体管被偏置为两者 在交叉点之上或之下的小输入电压导通。

 

结论

 

我们已经介绍了三种简单,低成本的电路,可以大大放大运算放大器的输出电流。这三种配置涵盖了大多数需要高输出电流放大器的情况 - 请不要忘记仔细检查电源电压,电流限制和功耗。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计