三极管接成二极管的特点与用途

三极管接成二极管的特点与用途在电子电路中，常见到晶体三极管接成二极管的形式使用，特别是在集成电路中，这种情况更为普遍。 在图1的分立元件组成的差动式放大电路中，T4三极管的基极和集电极是短接在一起的，构成了一个二极管，在电路中起温度补偿作用。T4三极管的材料和类型与T3完全相同，这是因为同类型三极管的温度系数更为接近和一致，所以温度补偿的效果更好。其补偿原理是：未加入T4、R2之前，T3、R1、R3构成一个恒流源。I3=(Ec-Ube3)R3+(R1B)，其特点是动态电阻大，静态电阻小，作为T1、T2的射极有源负载，抑制共模放大。由于T3的Ube3易受温度影响，使I3也易受温度影响而发生变化。加入了T4、B2之后，I3=Ec-Ube3-R1I4R3+(R1)，当温度变化引起Ube3时，由于T3与T4完全相同，Ubet也，I4=Ec-Ube4(R1+R2)，使得I4从而使I3=Ec-Ube3-R1I4R3+(R1)基本保持恒定，补偿了温度变化引起的电流变化，从而起到了温度补偿的作用。就是说，在分立元件电路中，若三极管接成二极管使用，大都是作为温度补偿使用的。转载请注明转自“维修吧-” 在集成电路内使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路，一般也是采用三极管构成。三极管接成的二极管形式，大都采用集电极和基极短接的方式，这与集成电路的制造工艺有关。这样接成的二极管正向压降，接近于同类型三极管的Ube值，其温度系数亦与Ube的温度系数接近，故能较好地补偿三极管发射结的温度特性。这是模拟集成电路的一个重要特点。在集成电路中，根据用途的不同，所使用的二极管相当于三极管的发射极一基极结或集电极一基极结组合而成。由于集成电路采用硅材料作衬底，所以正向电压为06-09V，反向击穿电压，用发射极-基极结时为79V；用集电极-基极结时为30-50V。在集成电路中，三极管接成二极管使用有多种组合方式，它的特性参数如附表所示。利用温度补偿原理和半导体三极管PN结的非线性伏安特性，再和集成运算放大器配合，可以对输入信号实现对数运算和反对数运算。组成电路如图2、3所示。转载请注明转自“维修吧-” 在上述电路中，三极管被接成二极管的形式，可以称为对数晶体管或对数元件，即把对数元件接于集成运算放大器的反馈回路中，就构成了对数放大器。如把对数元件接于运算放大器的反相输入回路中，就可组成简单的反对数放大器。在对数放大器和反对数放大器的基础上还可构成乘法运算放大器和除法运算放大器等，此处不再介绍。 由此看来，由三极管连接而成的二极管，有与众不同的特点和奇妙的用途，这对我们使用已有的电子元件开发新的应用电路，给予了一个很好的启示。 集成直流对数放大器摘要：在对数放大器应用中，直流对数放大器在压缩传感器信号动态范围的应用中仍然占据主导地位，是一种高性价比的解决方案。本文推导了直流对数放大器的传输函数，从双极型晶体管的VBE到IC特性。讨论了目前集成直流对数放大器的电路结构以及各种误差对对数性能的影响，并给出了MAX4206设计范例。最后，还给出了通过校准改善对数放大器性能的方法以及设计细节。本文还发表于Maxim工程期刊，第56期(PDF, 950kB)。半个多世纪以来，工程师一直采用对数放大器来压缩信号和进行计算。尽管在计算应用中，数字IC几乎全部取代了对数放大器，工程师还是采用对数放大器进行信号压缩。因此，对数放大器仍旧是许多视频、光纤、医疗、测试以及无线系统中的关键元件。顾名思义，对数放大器的输出和输入之间为对数函数关系(由于对应不同的底，对数函数之间仅差一个常数系数，因此对数的底并不重要)。利用对数函数，您可以压缩系统信号的动态范围。将宽动态范围的信号进行压缩有多种优点。组合应用对数放大器和低分辨率ADC通常可以节省电路板空间，并降低系统成本。否则，可能需要采用高分辨率ADC。而且，通常当前系统中已经包含低分辨率ADC，或者微控制器已内置这种ADC。转换成对数参数也有利于很多实际应用，例如以分贝表示测量结果的应用，或者转换特性为指数或近似指数的传感器应用。上世纪90年代，光纤通信领域开始采用对数放大器电路来测量某些光学应用中的光信号强度。在这之前，精密对数放大器IC不但成本高，而且体积也较大；只有少数电子系统能承担这种高昂的成本。这些IC解决方案的唯一替代方案是采用分立元件构建对数放大器。由分立元件构建对数放大器不但电路板面积更大，而且通常对温度变化敏感，必须仔细进行设计和布板。还需要各构成元件之间高度匹配，以便在较宽的输入信号范围内保证良好的性能。从那以后，半导体制造商开发出了体积更小、价格更低的集成对数放大器产品，其温度特性较好并且也增加了更多功能。对数放大器的分类对数放大器主要分为3类。第一类是直流对数放大器，一般处理变化较慢的直流信号，带宽可达到1MHz。毫无疑问，最普遍的实现方法是利用pn结固有的对数 I-V传输特性。这些直流对数放大器采用单极性输入(电流或者电压)，通常是指二极管、跨二级管、线性跨导和跨阻对数放大器等。由于采用电流输入，直流对数放大器通常用于监视宽动态范围的单极性光电二极管电流值或者比例值。不但光纤通信设备需要光电二极管电流监视功能，化学和生物样品处理设备中也可以找到这种电路。也有其它类型的直流对数放大器，例如基于RC电路时间-电压对数关系的对数放大器。但是这种电路一般比较复杂，彼此差异较大，分辨率和转换时间与信号有关，并且对温度变化比较敏感。第二类对数放大器是基带对数放大器。这类电路处理快速变化的基带信号，适用于需要对交流信号进行压缩的应用(通常是某些音频和视频电路)。放大器输出与瞬时输入信号的对数成正比。一种特殊的基带对数放大器是“真对数放大器”，其输入双极性信号，并输出与输入极性一致的压缩电压信号。真对数放大器可用于动态范围压缩，例如射频IF级和医疗超声波接收器电路等。最后一类对数放大器是解调对数放大器，或连续检波对数放大器。这类对数放大器对RF信号进行压缩和解调，输出整流信号包络的对数值。RF收发器普遍采用解调对数放大器，通过测量接收到的RF信号强度来控制发射器输出功率。经典的直流对数放大器在典型的基于pn结的直流对数放大器中，采用双极型晶体管来产生对数I-V关系。如图1所示，运算放大器的反馈通路采用了晶体管(BJT)。根据所选的不同晶体管类型(npn或者pnp)，对数放大器分别是电流吸收或者电流源出型(图1a和 1b)。采用负反馈，运算放大器能够为BJT的基-射结提供足够的输出电压，可确保所有输入电流由器件的集电极吸入。注意，悬浮二极管方案会使运放输出电压中包含等效输入失调；基极接地的方法则不会出现这一问题。图1a. 直流对数放大器的基本BJT实现方案，具有电流吸收输入，产生负输出电压图1a. 直流对数放大器的基本BJT实现方案，具有电流吸收输入，产生负输出电压图1b. 将BJT由npn型改为pnp型，对数放大器变为电流源出电路，输出为正极性。图1b. 将BJT由npn型改为pnp型，对数放大器变为电流源出电路，输出为正极性。增加输入串联电阻后，直流对数放大器也可以采用电压输入。采用运算放大器的虚地作为参考端，输入电压通过电阻转换为成比例的电流。显然，运算放大器输入失调必须尽可能小，才能实现精确的电压-电流转换。双极型晶体管实现方案对温度变化敏感，但采用基准电流和片内温度补偿能够显著降低这种敏感性，下文将对此进行讨论。基本对数放大器电路基本对数放大器在IC设计中使用了跨导线性电路，因此也称做跨导线性（Translinear）对数放大器。跨导线性电路是电流模电路的主要组成部分，是许多线性和非线性模拟集成电路的理论基础。跨导线性的概念在1975年由Barrie Gillbert创立，跨导线性对数放大器就是基于双极性（BJT）三极管的对数特性。如图1 图1 三极管的对数特性 若将ic视为激励信号电流，UBE看作响应信号电压，将输入偏流为零的隔离放大器接在集电极C与基极B之间以隔离iB的影响。可以看出，理想BJT的UBE与其ic是理想的对数关系。等式中，Is是BJT的饱和电流，它与温度密切相关。此外热电压UT也依赖于温度。在集成的跨导线性对数放大器中这种受温度影响的缺点已被一个具有同样温度变化特性的三极管修正，而且可以确保对数斜率的稳定性。信号压缩 在现实世界中,一些信号往往具有很宽的动态范围。比如雷达、声纳等无线电系统中,接收机前端信号动态范围可达120dB以上;光纤接收器前端的电流也可从“pA”级到“mA”级。宽动态范围往往给应用设计带来很多问题。一方面,线性放大器无法处理这样宽的动态范围。另一方面,DA变换中,在保证分辨率的情况下,模数转换器的位数会随动态范围的增大而增大。因此,在处理宽动态范围的信号时,常常将其动态范围压缩到一个可以处理的程度。如果一个系统中阻抗是线性的,信号的功率与电压的平方成正比,信号的动态范围既可以用电压表示也可以用功率来表示。 在工程应用中,动态范围的压缩分为“线性压缩”和“非线性压缩”。线性压缩是指放大器的增益与信号的大小无关,输出基本保持恒定。线性压缩的特点使谐波失真小,其本质是一种“压控放大器”（VCA）。非线性压缩方面最好的例子就是对数放大器。它是输入输出信号成对数关系的器件,它对信号动态范围的压缩不需要像AGC系统那样提取输入信号的电平来控制增益,其增益与信号的大小成反比,在通信、雷达、电子对抗、电子测量中有着广泛的应用。 对数放大器的实质 多年来,人们对对数放大器本质的认识有一些模糊。通常人们把它看作是一种放大器,反而淡化了其非线性的特性,把它们看作特殊类型的放大器更是不对。尽管这些电路提供一些放大功能,如在RF和IF放大器中,它对小信号呈现出高增益等等,但它们真正的用途是实现精确的对数变换,严格地说,这些电路应该叫做“对数变换器”。但多年来人们已经习惯了“对数放大器”的叫法。IC厂商也不愿因为改名而使用户对他们的产品性质和用途造成误解。因此,本文也将沿用“对数放大器”这一名称。 对数放大器的分类 在许多文献中,对数放大器的分类也是相当混乱的,根据实现对数函数依据的不同,有的将其分为二极管、三极管对数放大器和级联对数放大器,有的将其分为真对数放大器和似对数放大器等等。但几十年来,随着半导体理论、工艺和模拟集成电路的发展,许多对数放大器实现的方法已经被淘汰,其分类方法也未尽科学。目前根据市场上现有的对数放大器结构和应用领域的不同,可将对数放大器分为三类：基本对数放大器、基带对数放大器和解调对数放大器。 基本对数放大器也称跨导线性（Translinear）对数放大器,它基于双极性三极管（BJT）的对数特性来实现信号的对数变换。这类对数放大器可以响应缓慢变化的输入信号,其特点是具有优良的直流精度和非常宽的动态范围（高达180dB）,缺点是交流特性差。 基带对数放大器也称视频对数放大器（虽然很少用于视频显示相关的应用）,它克服了基本对数放大器的缺点,能够响应快速变化的输入。其原理是采用了一种 “逐级压缩”的技术,交流特性好,但动态范围较小。 解调对数放大器也称逐级检波对数放大器,它具有分段线性近似性质,形成对数级联后,可以得到很好的对数传递函数,在整个动态范围内对数精度高,同基带对数放大器相似,也采用多个级联线性放大器,动态范围大。 对数放大器原理 针对上述的三种对数放大器,我们分别来讲述其实现信号对数变换的原理。 基本对数放大器 基本对数放大器在IC设计中使用了跨导线性电路,因此也称做跨导线性（Translinear）对数放大器。跨导线性电路是电流模电路的主要组成部分,是许多线性和非线性模拟集成电路的理论基础。跨导线性的概念在1975年由Barrie Gillbert创立,跨导线性对数放大器就是基于双极性（BJT）三极管的对数特性。如图1 图1 三极管的对数特性 若将ic视为激励信号电流,UBE看作响应信号电压,将输入偏流为零的隔离放大器接在集电极C与基极B之间以隔离iB的影响。 可以看出,理想BJT的UBE与其ic是理想的对数关系。等式中,Is是BJT的饱和电流,它与温度密切相关。此外热电压UT也依赖于温度。在集成的跨导线性对数放大器中这种受温度影响的缺点已被一个具有同样温度变化特性的三极管修正,而且可以确保对数斜率的稳定性。 UY叫做对数斜率,固定电流IZ叫做对数截距（有关对数放大器的一些名词将在后面予以说明）。 基带对数放大器与解调对数放大器 对于高频应用,常常选择基带对数放大器或解调对数放大器。尽管这两种放大器在细节上有些不同,但原理是相同的,它不是采用一个放大器的对数特性而是用多个相同的线性放大器级联来分段线性逼近对数函数。如图2所示,这里只是一个理想的通用模型,其核心为一个限幅放大器,每个放大单元的传递函数如图3所示,对于N个级联限幅放大器构成的对数放大器, EK为限幅放大器的饱和电压,A为放大倍,当输入信号电压小于临界值EK/AN-1时,限幅放大器的每一级都不会饱和,因此,小于EK/AN-1的输入信号可以得到充分的放大,此时输出信号幅度是输入信号幅度的AN-1倍。当输入电压大于EK/AN-1小于EK时,由于各级限幅的原因,输入信号越大,饱和的级数越多。当输入大于EK时,输出则为NAEK。输入信号幅度在EK/AN-1和EK之间的信号,其总的输出电压与输入电压的幅度可用下式表示： VIN= EK/AN-M ,VOUT=,其中M为饱和的级数（MN） 实际的电路结构是：对于小信号采用增益为A的放大器,而大信号则采用单位增益放大器,称之为A/1放大器,如图4所示,限幅增益放大器和单位增益缓冲器并联,输出送加法器。解调对数放大器与基带对数放大器虽然都采用上述的级联限幅放大器,解调对数放大器不是将输出直接累加,而是先检波然后输出累加,用级联限幅放大器构成的对数放大器有两种输出：对数输出和限幅输出。许多应用中限幅输出并不需要,但有些应用中,两种输出都是必须的。解调对数放大器的对数输出一般包括幅度信息,而相位和频率信息则被丢失。如果采用半波检波器和延时补偿,相位和频率信息也可被保留。 图2 线性放大器级联点击看原图 图3 限幅放大器 对数放大器的技术指标 这里我们有必要对对数放大器的相关指标做进一步的说明,因为他们与工程实践密切相关。也是在使用对数放大器中必须考虑的问题。 噪声 所有信号处理系统都受到随机噪声的限制,这便对最小信号设置了可被检测或识别的门限。随机噪声和信号输入端的带宽密切相关,随机噪声常用“噪声频谱密度（SND）”来定义,总的噪声功率与系统的噪声带宽BN（用Hz来表示）成正比。在线性系统中,输出噪声功率N与系统的带宽有关,这里的带宽通常是指3dB带宽,对于理想低通系统而言,3dB带宽就是系统的等效噪声带宽。而在非线性系统中例如对数放大器,情况