在本文中，我們將探討基本BJT電流緩沖電路的兩種變體。

如果你的運(yùn)放輸出級(jí)無法承受壓力

在之前的文章中討論的基本BJT緩沖電路適用于許多應(yīng)用，但它存在兩個(gè)需要解決的問題：首先，高負(fù)載電流可能需要運(yùn)放提供過多的輸出電流；其次，它不兼容負(fù)負(fù)載電壓。我們將從第一個(gè)問題開始討論。

正如之前的文章所述，運(yùn)放所需的輸出電流大約等于負(fù)載電流除以晶體管的活性區(qū)電流增益（也稱為beta或hFE）。在某些情況下，將如此多的輸出電流能力納入設(shè)計(jì)可能會(huì)成為問題。一種可能是：你正在使用的運(yùn)放元件包含在一個(gè)封裝中的多個(gè)放大器。如果你已經(jīng)有一個(gè)輸出電流較低的元件，它正好適合你的系統(tǒng)，并且你正在使用該封裝中的三個(gè)放大器，那么你可能會(huì)決定讓第四個(gè)放大器也投入工作?；蛘?，假設(shè)你的板上集成了運(yùn)放的微控制器。該運(yùn)放可能無法提供太多的輸出電流，但你不希望僅僅因?yàn)樾枰獜募蛇\(yùn)放中額外獲得20或30mA的電流就引入外部元件。解決此類情況的方法是通過BJT增加額外的電流增益。首先要做的是尋找具有更高h(yuǎn)FE的晶體管，但如果你需要更多的電流增益——因?yàn)槟愕呢?fù)載電流太高或你的運(yùn)放太弱，或者兩者兼而有之——那么就該使用達(dá)林頓管了。

達(dá)林頓管對(duì)

電路符號(hào)已經(jīng)說明了大部分內(nèi)容。達(dá)林頓管對(duì)是兩個(gè)BJT共用一個(gè)集電極，集成在一個(gè)封裝中。結(jié)果是一個(gè)功能非常類似于普通BJT的器件，但其hFE（電流增益）極高——整體電流增益大約等于第一個(gè)晶體管的hFE乘以第二個(gè)晶體管的hFE。此時(shí)，你可能會(huì)想：“我地下室里有很多2N2222晶體管，我只需將它們以達(dá)林頓方式連接起來就可以了?！比欢虑椴]有那么簡(jiǎn)單。讓我們看看Fairchild的TIP142T達(dá)林頓晶體管的等效電路（PDF）：

除了BJT之外，我們還有一個(gè)保護(hù)二極管和兩個(gè)電阻。這兩個(gè)電阻通過為右側(cè)晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)電容提供放電路徑來改善關(guān)斷時(shí)間，并確保右側(cè)晶體管的基極節(jié)點(diǎn)處于確定狀態(tài)，否則當(dāng)達(dá)林頓管對(duì)截止時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將處于浮動(dòng)狀態(tài)。此外，它們還會(huì)導(dǎo)致hFE降低，因?yàn)椴糠只鶚O電流被分流到基極-發(fā)射極結(jié)周圍。在許多情況下，增益的這種降低實(shí)際上是有益的，因?yàn)樗鼫p少了漏電流的影響——而事實(shí)上，你確實(shí)不需要完整的電流增益，如果我們假設(shè)每個(gè)BJT的hFE為100，那么電流增益可能會(huì)達(dá)到10000左右。因此，要點(diǎn)是，購(gòu)買現(xiàn)成的達(dá)林頓器件可能比用兩個(gè)離散的BJT自己制作要好。

下面是一個(gè)LTspice原理圖，其中使用達(dá)林頓管對(duì)代替了單個(gè)BJT。

LTspice不自帶達(dá)林頓晶體管部分，但您可以在這里下載TIP142的子電路和符號(hào)文件。

以下是一個(gè)包含VIN、VOUT以及施加到達(dá)林頓晶體管基極的電壓的圖表。

與單個(gè)BJT電路一樣，輸出電壓跟蹤輸入電壓（VIN軌跡隱藏在VOUT軌跡下方）。請(qǐng)注意，VBASE比負(fù)載電壓高約1.3-1.4V；這是因?yàn)楝F(xiàn)在我們有兩個(gè)基極-發(fā)射極電壓降，而不是一個(gè)。因此，您必須格外小心，以確保您的達(dá)林頓和運(yùn)放電源電壓足夠高，以允許您的全負(fù)載電壓范圍（有關(guān)此方面的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱上一篇文章末尾的“簡(jiǎn)單，但不萬無一失”部分）。

下面的圖表顯示了負(fù)載電流和流入達(dá)林頓基極的電流。

因此，在負(fù)載電流為360mA的情況下，基極電流為169μA，對(duì)應(yīng)的hFE約為2130。數(shù)據(jù)表顯示，電流增益應(yīng)更接近1000；也許這個(gè)特定的SPICE模型沒有它可能達(dá)到的那么準(zhǔn)確。無論如何，我們已經(jīng)成功地大大降低了運(yùn)放所需的輸出電流。

處理運(yùn)放無法提供足夠輸出電流的另一種方法是使用MOSFET代替BJT。我們將在下一篇文章中介紹MOSFET的實(shí)現(xiàn)。

低于地電位
運(yùn)放經(jīng)常用于產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。一個(gè)明顯的例子是正弦波信號(hào)，如我們?cè)谝纛l、視頻和射頻應(yīng)用中所見。當(dāng)運(yùn)放產(chǎn)生正輸出電壓時(shí)，輸出電流從運(yùn)放“流出”，通過負(fù)載“流入”地節(jié)點(diǎn)。因此，當(dāng)輸出為正時(shí)，運(yùn)放提供電流。對(duì)于負(fù)輸出電壓，電流從地節(jié)點(diǎn)“流出”，通過負(fù)載“流入”運(yùn)放，這樣運(yùn)放現(xiàn)在就在吸收電流。因此，為了支持高于和低于地電位的信號(hào)，我們需要一個(gè)能夠同時(shí)吸收和提供電流的輸出電流緩沖器。瞧：

基本原理是相同的：BJT提供了更高的電流容量，而反饋配置使運(yùn)放以任何必要的方式修改其輸出，以確保負(fù)載電壓VOUT等于VIN。不同之處在于增加了一個(gè)PNP晶體管，它在負(fù)負(fù)載電壓下完成NPN晶體管在正負(fù)載電壓下所完成的工作。換句話說，當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，運(yùn)放的輸出會(huì)變?yōu)檎蛞源蜷_NPN晶體管，電流從NPN流向負(fù)載；當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，運(yùn)放的輸出會(huì)變?yōu)樨?fù)向以打開PNP，PNP會(huì)吸收負(fù)載電流。以下是一個(gè)LTspice原理圖：

請(qǐng)注意，我已經(jīng)選擇了在2SCR293P的數(shù)據(jù)表中推薦的互補(bǔ)設(shè)備作為PNP的零件號(hào)：

以下是一個(gè)包含VIN和VOUT的圖表。和往常一樣，輸入電壓隱藏在輸出電壓下方。

以下是放大的圖表，其中包括運(yùn)放的輸出電壓。請(qǐng)注意，負(fù)反饋?zhàn)饔萌绾问惯\(yùn)放自動(dòng)繞過“死區(qū)”，即兩個(gè)晶體管都處于截止?fàn)顟B(tài)的電壓范圍（從大約-0.7V到0.7V）。

這是音頻放大器嗎？

現(xiàn)在您可能想知道是否可以將此電路用作音頻信號(hào)的功率放大器。您當(dāng)然可以，但音質(zhì)不會(huì)是最好的。實(shí)際上，此電路中的NPN加PNP排列被稱為B類推挽輸出級(jí)，將B類推挽級(jí)與運(yùn)放和一些負(fù)反饋結(jié)合使用，可以制作出一種具有最小交越失真的功率放大器（B類推挽級(jí)本身具有由大死區(qū)引起的主要失真問題）。但是，即使使用負(fù)反饋，NPN和PNP晶體管的交替開關(guān)仍會(huì)稍微降低音質(zhì)。這就是為什么音頻中首選的電路是AB類推挽放大器，在該放大器中，晶體管被偏置，以便在交叉點(diǎn)上方或下方的小輸入電壓下都能導(dǎo)通。

結(jié)論

我們已經(jīng)介紹了三種簡(jiǎn)單且低成本的電路，它們可以極大地放大運(yùn)放的輸出電流。這三種配置涵蓋了大多數(shù)需要高輸出電流放大器的情況——只是別忘了再次檢查您的電源電壓、電流限制和功耗。