三極管之恒流源

設(shè)計(jì)電路時(shí)，有的地方需要我們控制穩(wěn)定的輸出電流，這時(shí)我們可以選擇設(shè)計(jì)一款恒流源電路，下面先介紹一下N型三極管恒流源。

N型三極管恒流源

假設(shè)我們要控制Ic電流為1mA，β=100如下圖一所示，怎么確定R38和R39的值呢？

圖一

圖二

要想滿足Ic=1mA電流，需要有一個(gè)前提：需要三極管在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下Ic可以輸出1mA電流，（這句話的意思是需要Ic飽和時(shí)輸出電流大于等于1mA，如果Ic無論如何都輸出不了1mA，那恒流1mA也就無從談起）此時(shí)可以算出R38的最大值，三極管飽和導(dǎo)通狀態(tài)下Vce=0.3V,則R38=(12V-Vce)/Ic=（12V-0.3V）/1mA=11.7K,那么R38 max=11.7K，選擇一個(gè)標(biāo)稱電阻值R38=10K，此時(shí)三極管工作在放大狀態(tài)，因?yàn)镮c還會(huì)受到Ib的控制，上圖二中Q17的基級(jí)B點(diǎn)對(duì)地壓降0.7V，那么R39兩端的壓降為4V3,又因?yàn)镮b=Ic/β=1mA/100=0.01mA，可得R39=4V3/Ib=4V3/0.01mA=430K,故可以得到如下圖三所示的電路。

圖三

上圖三電路在理想狀態(tài)下是沒有問題的，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中肯定會(huì)出問題的，問什么呢？

因?yàn)樯蠄D三電路中三極管處于放大狀態(tài)，而放大倍數(shù)β會(huì)隨著溫度的上升而增大，隨著溫度的降低而減小，那這樣最終結(jié)果就不是我們想要的了，那怎么才能解決這個(gè)問題呢，控制器件溫度顯然不太靠譜，大家都知道想要一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定需要引入負(fù)反饋，那怎么才能在這個(gè)電路中引入負(fù)反饋呢？

假設(shè)我在射集放置一個(gè)2k電阻，此時(shí)Ie=Ic+Ib=1.01mA，為了計(jì)算方便我們就認(rèn)為Ie=Ic=1mA,這樣圖四中E點(diǎn)的電位為2V，B點(diǎn)電位等于E點(diǎn)電位加上Vbe等于2V7，先假設(shè)此時(shí)B點(diǎn)有一個(gè)2V7的源。

當(dāng)溫度升高，三極管放大倍數(shù)β也隨之升高，Ic也隨之升高，繼而Ie也隨之升高，致使E點(diǎn)電位增加，“B點(diǎn)電位也跟著升高”，注意B點(diǎn)電位是電源電壓2V7是定死的，那么最終的結(jié)果只能是Vbe降低，來彌補(bǔ)這個(gè)變化，舉個(gè)例子，此時(shí)E點(diǎn)電位上升到2V1，由射集跟隨電路特性的知E極電位跟隨B極電位，且基級(jí)電位是固定的，那此時(shí)的Vbe=0.6V，根據(jù)伏安特性得知Ib電流也會(huì)降低，Ib降低Ic也會(huì)隨之降低，進(jìn)而Ie也會(huì)降低，E點(diǎn)電位也會(huì)下降，由射集跟隨電路特性的知E極電位跟隨B極電位，且基級(jí)電位是固定的，則Vbe增加，Ib增大，這個(gè)過程循環(huán)往復(fù)

圖四

圖五

當(dāng)溫度降低，三極管放大倍數(shù)β也隨之降低，Ic也隨之降低,繼而Ie也隨之降低，導(dǎo)致E點(diǎn)電位降低，因B點(diǎn)電位固定，則Vbe增大，根據(jù)伏安特性得知Ib電流也會(huì)隨之升高，進(jìn)而引起Ic增加，如此循環(huán)往復(fù)最終Ie電流會(huì)穩(wěn)定到1mA，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。

那么如何得到B點(diǎn)的2V7呢？如上圖五示可以使用電阻分壓的方法得到2V7電壓，分壓電阻的阻值如何確定呢？

I1=I2+Ib,Ib=0.01mA，要想Ib上的分流不影響分壓電阻上的電壓值，需要分壓電阻上的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ib,而為了分壓電阻上不受到外接干擾且功耗不能過大，暫定分壓電阻上的電流為1mA，即I1=1mA,已知B點(diǎn)電位2V7，I1=1mA,

R39=(5V-2V7)/I1=2.3V/1mA=2.3k,R41=2V7/1mA=2.7K

Ib與分壓電阻上的電流相差100倍，所以相對(duì)來說可以忽略Ib對(duì)分壓電阻的影響，Ib=0.01mA,實(shí)際上I2=I1-Ib=1mA-0.01mA=0.99mA,B點(diǎn)電位Vb=I2*R41=0.99mA*2.7k=2.673V，近似等于2V7,最終效果圖如圖六所示，所有電阻的阻值精度至少為1%精度，封裝0805

圖六

總結(jié)：這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程其實(shí)就是負(fù)反饋調(diào)節(jié)，把變化的輸出結(jié)果反饋給輸入端進(jìn)而改變輸出端的結(jié)果。

P型三極管恒流源

需要設(shè)計(jì)一款恒流為1mA的電流源要求使用P型三極管，那具體怎么實(shí)現(xiàn)的呢？如圖七示。

對(duì)比N型恒流源來看，需要在射集接一個(gè)電阻，而且需要滿足Ic≥Ie=1mA,那E點(diǎn)電位需要為10V，根據(jù)射集跟隨得出B點(diǎn)跟隨E點(diǎn)電位等于9V3，可以看出R42也是一個(gè)反饋電阻，暫時(shí)先在集電極接一個(gè)9V3的電源如圖八示，已知Ie=Ib+Ic,Ic=Ib*β

圖七

圖八

溫度升高，β也隨之升高，Ic隨之增大，導(dǎo)致Ie增大，E點(diǎn)電位降低，影響Veb降低，Veb降低進(jìn)而影響Ib降低，Ib降低控制Ic下降，進(jìn)而影響Ie下降，E點(diǎn)電位升高，Veb增大Ib慢慢升高，影響Ic、Ie增加，循環(huán)往復(fù)最終趨于穩(wěn)定。

溫度降低，β也隨之降低，Ic隨之降低，導(dǎo)致Ie減小，E點(diǎn)電位升高，影響Veb升高，Veb升高進(jìn)而影響Ib增加，Ib增加控制Ic升高，進(jìn)而影響Ie升高，E點(diǎn)電位下降，Veb下降Ib慢慢降低，影響Ic、Ie降低，循環(huán)往復(fù)最終趨于穩(wěn)定。

此時(shí)需要得到9V3的電源電壓，可以對(duì)比N型恒流源,B點(diǎn)電位9V3，Ib=0.01mA,I1=1.35mA，I總=I1+Ib，R47=Vb/(I1+Ib)=9V3/(0.01+1.35)mA=6K8，P型恒流電路最終電路圖效果如圖九示。

圖九

總結(jié)：不管N型還是P型三極管組成的恒流源電路，都是一種動(dòng)態(tài)平衡，并不是一成不變的，電阻精度的選擇最低是1%精度。