晶体恆流源的概念与应用【转帖】

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电晶体恆流源的概念与应用【转帖】
发表于 2003年04月24日 由 孙恩宏

摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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电晶体恆流源的概念与应用【转帖】
孙恩宏/Steve Sun

1. 缘起
恆流源 (Constant Current Source/Sink, CCS)自真空管时代就是一个非常重要的工具. 但是, 恆流源在扩大机的电路中并不太常见. 这实在是音响玩家的一大损失。

您如果手边有 Valley, Wallman 的书, 您可以翻阅\一下. 书中所有的结果都有严密的理论根据, 实验验证。真空管扩大机设计原理也远远超过 “负载线” 的应用，Valley, Wallman 在他们 Vacuum Tube Amplifiers 一书的第十一章中, 明确的指出恆流源的优点以及应用的要点。如果 Valley 与 Wallman 说恆流源非常重要, 小弟绝对不怀疑, 一定是很重要! 对了, 您有没有听过 “串叠” (cascode) 这个东西? 串叠也是 Wallman 先生的大作!

这篇文章是要介绍电晶体恆流源. 希望藉由这篇文章开启恆流源一系列的应用: 阴极随耦器 (cathode followers), 共阴极放大器 (common cathode amplifiers), … 将来谈这些东西的时候, 有了恆流源的概念也比较能更深入的探讨。




图说：如果您以为真空管电路比较简单、晶体电路比较复杂，那就错了！事实上，许\多复杂的晶体架构，如电流镜、串叠Cascode等，都是在真空管时代就已经存在的设计，当年为了发展通讯、雷达侦测技术，科学家已经在真空管上挤出无穷的潜能，而要贯彻真空管的威力，除了可以从晶体电路切入学习，也需要学习者更充分的阅\读。

在写这篇文章之前, 我一直想找个时间学学电晶体电路，于是花了整整一个星期的苦读, 终于对电晶体电路有了一个非常粗略的认识......在此与各位网友一同分享。

2.电晶体的简化 Ebers-Moll 模型
如果您把电晶体分开来看, 您可以把他们想成有两个二极体:


我们可以把一个 NPN 电晶体看成一个三端的被动元件, 而且工作时有下面几个性质:

1.集极 (collector) 的电位, Vc, 远高于射极 (emitter) 电位, Ve。
2.基极-射极 (base-emitter), 基极-集极 (base-collector) 的行为 “基本上” 是两个二极体。
3.每个电晶体有最大容许\集极电流, Ic 基极电流, Ib CE 压差, Vce。
4. Ic 基本上” 与 Ib成正比:



以上的性质称为电晶体的简化 Ebers-Moll 模型 (Simplified Ebers-Moll model, SEM model)。

在开始使用电晶体建构恆流源之前, 需要仔细讨论一下 SEM模型:

● Ic 与 Ib都流经射极, 但是 Ic远大于 Ib。
● Ib 是因为基极电位高于射极电位 0.6 伏特, BE 二极体处于导通状态。
● Ic不是因为 BC二极体处于导通状态, 千万不要认为 Ic的形成是因为 BC半导体处于导通状态. 把 Ic当成是电晶体的本性, 当 BE 导通时, 除了 Ib 以外, 另有一股电流自集极流向射极。
● 特性4 告诉我们: 小电流 Ib可以控制大电流 Ic. 更准确的说法是: 基极-射极的电位差, Vbe 控制电流 Ic, 而且基极-射极之间有内在电阻. 如果使用这种 “Vbe控制电流 Ic” 的看法, 这个电晶体模型称为 Ebers-Moll 模型 (Ebers-Moll model, EM model). Ic与 Vbe的关系称为 Ebers-Moll 方程式 (Ebers-Moll equation)。
● Ic 并不会因为集极电位, Vc改变而剧烈变化. 您可以想成是 BC 间的二极体是处于逆向偏压的状态。
● 特性 2 告诉我们: 对 NPN 电晶体来说, Vb 大约是Ve + 0.6伏特 对 PNP 电晶体来说, 则是 Ve大约是Vb + 0.6伏特. 所以, 如果您在 BE 两端加上 0.6 到 0.8 伏特以上的电压时, 会有巨大电流由基极流向射极, 呈现短路的现象。

3.电晶体恆流源
现在让我们来看如何利用 NPN 电晶体来构造一个恆流源, 用来吸收稳定的电流:


如果在基极上加上电压 Vb > 0.6 V, BE 将会导通. 而且 Ve = Vb – 0.6 V。

所以流经射极电阻 RE, 的电流:


您可以看到: Ic 只与 Vb, RE有关. 不论 Vc是什么, Ic都不会改变! 所以只要 Vb, RE不变 就会有一定的电流流经负载。

4.电晶体射极偏压
上一节的基极电压, Vb 称为这个电晶体在工作时的偏压 (bias). 在实做时, 要如何供应偏压呢? 最简单的办法是:

范例 1:


从左边看起: 基极偏压。


再来看另一个例子。

范例 2.






范例 3.


这个例子有一点不同: 利用 PNP 电晶体供应电流给负载电路. 首先, 利用二极体 0.6 V 的压降, 提供 8.2 V 基极偏压 (10 – 3 x 0.6 = 8.2). 4.7 K 电阻只是用来形成通路, 而且不希望 (也不会) 有很多电流流经这个电阻。PNP晶体的




晶体恆流源应用注意事项
如果只用一个电晶体不能满足需求, 可以用两个电晶体架成:


或是


也可以是


请您注意: 恆流源是一个二端子的零件. 市面上也有 “稳流二极体” (current regulating diode, CRD) 供小电流应用. 大电流应用时, 可以用 IC 稳压器串联电阻, 或是使用 MOSFET 的方法。

参考资料:
1. Hill, Horowitz: The Art of Electronics, 2nd edition.




图说：电路分析初看很乏味，但融会贯通之后，却能处处发现乐趣！这是HV后级驱动稳压的一部份（完整电路请至首页下载），您找一找，恆流源在哪里？这个恆流源，他的目的又在何处？