设计电路时,有的地方需要我们控制稳定的输出电流,这时我们可以选择设计一款恒流源电路,下面先来介绍一下N型三极管恒流源。
假设我们要控制Ic电流为1mA,β=100,如图1所示,那么如何确定R38和R39的值呢?
图1
图2
要想满足Ic=1mA电流,需要有一个前提:需要三极管在饱和导通状态下Ic可以输出1mA电流(这句话的意思是,需要Ic饱和时输出电流大于等于1mA,如果Ic无论如何都输出不了1mA,那恒流1mA也就无从谈起)。
此时可以算出R38的最大值,三极管饱和导通状态下Vce=0.3V,则R38=(12V-Vce)/Ic=(12V-0.3V)/1mA=11.7K,那么R38max=11.7K。
选择一个标称电阻值R38=10K,此时三极管工作在放大状态。因为Ic还会受到Ib的控制,图2中Q17的基级B点对地压降0.7V,那么R39两端的压降为4V3。
又因为Ib=Ic/β=1mA/100=0.01mA,可得R39=4V3/Ib=4V3/0.01mA=430K,故可以得到如图3所示的电路。
图3
图3电路在理想状态下是没有问题的,但在实际应用过程中肯定会出问题的。因为图3电路中三极管处于放大状态,而放大倍数β会随着温度的上升而增大,随着温度的降低而减小,这样最终结果就不是我们想要的了。
怎样才能解决这个问题呢?控制器件温度显然不太靠谱,大家都知道,想要一个系统稳定需要引入负反馈。那么,怎么才能在这个电路中引入负反馈呢?
假设我在射集放置一个2k电阻,此时Ie=Ic+Ib=1.01mA。为了计算方便,我们就认为Ie=Ic=1mA,这样图4中E点的电位为2V,B点电位等于E点电位加上Vbe等于2V7,先假设此时B点有一个2V7的源。
当温度升高,三极管放大倍数β也随之升高,Ic也随之升高,继而Ie也随之升高,致使E点电位增加,“B点电位也跟着升高”。注意B点电位是电源电压2V7是定死的,那么最终的结果只能是Vbe降低来弥补这个变化。
举个例子,此时E点电位上升到2V1,由射集跟随电路特性的知E极电位跟随B极电位,且基级电位是固定的,那么Vbe=0.6V。根据伏安特性得知Ib电流也会降低,Ib降低Ic也会随之降低,进而Ie也会降低,E点电位也会下降。由射集跟随电路特性的知E极电位跟随B极电位,且基级电位是固定的,则Vbe增加,Ib增大,这个过程循环往复。
图4
图5
当温度降低,三极管放大倍数β也随之降低,Ic也随之降低,继而Ie也随之降低,导致E点电位降低,因B点电位固定,则Vbe增大。根据伏安特性得知Ib电流也会随之升高,进而引起Ic增加,如此循环往复最终Ie电流会稳定到1mA,这是一个动态平衡的过程。
如何得到B点的2V7呢?如图5所示,可以使用电阻分压的方法得到2V7电压。那么,分压电阻的阻值又该如何确定呢?
I1=I2+Ib,Ib=0.01mA,要想Ib上的分流不影响分压电阻上的电压值,需要分压电阻上的电流远远大于Ib,而为了分压电阻上不受到外接干扰且功耗不能过大,暂定分压电阻上的电流为1mA,即I1=1mA,已知B点电位2V7,I1=1mA,R39=(5V-2V7)/I1=2.3V/1mA=2.3k,R41=2V7/1mA=2.7K。
Ib与分压电阻上的电流相差100倍,所以相对来说,可以忽略Ib对分压电阻的影响,Ib=0.01mA,实际上I2=I1-Ib=1mA-0.01mA=0.99mA,B点电位Vb=I2*R41=0.99mA*2.7k=2.673V,近似等于2V7,最终效果如图6所示,所有电阻的阻值精度至少为1%精度,封装0805。
图6
总结:这个动态平衡的过程其实就是负反馈调节,把变化的输出结果反馈给输入端进而改变输出端的结果。
P型三极管恒流源
需要设计一款恒流为1mA的电流源,要求使用P型三极管,具体怎么实现的呢?
如图7所示,对比N型恒流源来看,需要在射集接一个电阻,而且需要满足Ic≥Ie=1mA,那么E点电位需要为10V。根据射集跟随得出B点跟随E点电位等于9V3,可以看出R42也是一个反馈电阻,暂时先在集电极接一个9V3的电源如图8所示,已知Ie=Ib+Ic,Ic=Ib*β。
图7
图8
温度升高,β也随之升高,Ic随之增大,导致Ie增大,E点电位降低,影响Veb降低,Veb降低进而影响Ib降低,Ib降低控制Ic下降,进而影响Ie下降,E点电位升高,Veb增大Ib慢慢升高,影响Ic、Ie增加,循环往复最终趋于稳定。
温度降低,β也随之降低,Ic随之降低,导致Ie减小,E点电位升高,影响Veb升高,Veb升高进而影响Ib增加,Ib增加控制Ic升高,进而影响Ie升高,E点电位下降,Veb下降Ib慢慢降低,影响Ic、Ie降低,循环往复最终趋于稳定。
此时需要得到9V3的电源电压,可以对比N型恒流源,B点电位9V3,Ib=0.01mA,I1=1.35mA,那么I总=I1+Ib,R47=Vb/(I1+Ib)=9V3/(0.01+1.35)mA=6K8,P型恒流电路最终电路图效果如图9示。
图9
总结:不管N型,还是P型,三极管组成的恒流源电路都是一种动态平衡,并不是一成不变的,电阻精度的选择最低是1%精度。