电晶体恒流源的概念与应用.doc

電晶體恆流源的概念與應用孫恩宏/Steve Sun1. 緣起恆流源 (Constant Current Source/Sink, CCS)自真空管時代就是一個非常重要的工具. 但是, 恆流源在擴大機的電路中並不太常見. 這實在是音響玩家的一大損失。 您如果手邊有 Valley, Wallman 的書, 您可以翻閱一下. 書中所有的結果都有嚴密的理論根據, 實驗驗證。真空管擴大機設計原理也遠遠超過 “負載線” 的應用，Valley, Wallman 在他們 Vacuum Tube Amplifiers 一書的第十一章中, 明確的指出恆流源的優點以及應用的要點。如果 Valley 與 Wallman 說恆流源非常重要, 小弟絕對不懷疑, 一定是很重要! 對了, 您有沒有聽過 “串疊” (cascode) 這個東西? 串疊也是 Wallman 先生的大作! 這篇文章是要介紹電晶體恆流源. 希望藉由這篇文章開啟恆流源一系列的應用: 陰極隨耦器 (cathode followers), 共陰極放大器 (common cathode amplifiers), 將來談這些東西的時候, 有了恆流源的概念也比較能更深入的探討。圖說：如果您以為真空管電路比較簡單、晶體電路比較複雜，那就錯了！事實上，許多複雜的晶體架構，如電流鏡、串疊Cascode等，都是在真空管時代就已經存在的設計，當年為了發展通訊、雷達偵測技術，科學家已經在真空管上擠出無窮的潛能，而要貫徹真空管的威力，除了可以從晶體電路切入學習，也需要學習者更充分的閱讀。在寫這篇文章之前, 我一直想找個時間學學電晶體電路，於是花了整整一個星期的苦讀, 終於對電晶體電路有了一個非常粗略的認識.在此與各位網友一同分享。2.電晶體的簡化 Ebers-Moll 模型如果您把電晶體分開來看, 您可以把他們想成有兩個二極體: 我們可以把一個 NPN 電晶體看成一個三端的被動元件, 而且工作時有下面幾個性質:1.集極 (collector) 的電位, Vc, 遠高於射極 (emitter) 電位, Ve。2.基極-射極 (base-emitter), 基極-集極 (base-collector) 的行為 “基本上” 是兩個二極體。3.每個電晶體有最大容許集極電流, Ic 基極電流, Ib CE 壓差, Vce。4. Ic 基本上” 與 Ib成正比: 以上的性質稱為電晶體的簡化 Ebers-Moll 模型 (Simplified Ebers-Moll model, SEM model)。在開始使用電晶體建構恆流源之前, 需要仔細討論一下 SEM模型: Ic 與 Ib都流經射極, 但是 Ic遠大於 Ib。 Ib 是因為基極電位高於射極電位 0.6 伏特, BE 二極體處於導通狀態。 Ic不是因為 BC二極體處於導通狀態, 千萬不要認為 Ic的形成是因為 BC半導體處於導通狀態. 把 Ic當成是電晶體的本性, 當 BE 導通時, 除了 Ib 以外, 另有一股電流自集極流向射極。 特性4 告訴我們: 小電流 Ib可以控制大電流 Ic. 更準確的說法是: 基極-射極的電位差, Vbe 控制電流 Ic, 而且基極-射極之間有內在電阻. 如果使用這種 “Vbe控制電流 Ic” 的看法, 這個電晶體模型稱為 Ebers-Moll 模型 (Ebers-Moll model, EM model). Ic與 Vbe的關係稱為 Ebers-Moll 方程式 (Ebers-Moll equation)。 Ic 並不會因為集極電位, Vc改變而劇烈變化. 您可以想成是 BC 間的二極體是處於逆向偏壓的狀態。 特性 2 告訴我們: 對 NPN 電晶體來說, Vb 大約是Ve + 0.6伏特 對 PNP 電晶體來說, 則是 Ve大約是Vb + 0.6伏特. 所以, 如果您在 BE 兩端加上 0.6 到 0.8 伏特以上的電壓時, 會有巨大電流由基極流向射極, 呈現短路的現象。3.電晶體恆流源現在讓我們來看如何利用 NPN 電晶體來構造一個恆流源, 用來吸收穩定的電流: 如果在基極上加上電壓 Vb 0.6 V, BE 將會導通. 而且 Ve = Vb 0.6 V。所以流經射極電阻 RE, 的電流: 您可以看到: Ic 只與 Vb, RE有關. 不論 Vc是什麼, Ic都不會改變! 所以只要 Vb, RE不變 就會有一定的電流流經負載。4.電晶體射極偏壓上一節的基極電壓, Vb 稱為這個電晶體在工作時的偏壓 (bias). 在實做時, 要如何供應偏壓呢? 最簡單的辦法是:範例 1: 從左邊看起: 基極偏壓。 再來看另一個例子。範例 2. 範例 3. 這個例子有一點不同: 利用 PNP 電晶體供應電流給負載電路. 首先, 利用二極體 0.6 V 的壓降, 提供 8.2 V 基極偏壓 (10 3 x 0.6 = 8.2). 4.7 K 電阻只是用來形成通路, 而且不希望 (也不會) 有很多電流流經這個電阻。PNP晶體的 晶體恆流源應用注意事項如果只用一個電晶體不能滿足需求, 可以用兩個電晶體架成: 或是 也可以是 請您注意: 恆流源是一個二端子的零件. 市面上也有 “穩流二極體” (current regulating diode, CRD) 供小電流應用. 大電流應用時, 可以用 IC 穩壓器串聯電阻, 或是使用 MOSFET 的方法。參考資料:1. Hill, Horowitz: T