主动元件的特性与应用(下)

主動元件的特性與應用（下）宇量低噪訊定電壓電源接著要介紹由電晶體與定電壓二極體組合構成的簡易式定電壓電源，雖然簡易式定電壓電源的輸出電壓精度或變動率等特性都不如三端子比較器(Regulator)，不過電路結構單純而且輸出噪訊很低，所以廣泛應用在要求低噪訊特性的類比電路簡易電源。 圖30是正電壓簡易定電壓電源電路，它是把定電壓二極體連接到波動濾波電路。圖中與定電壓二極體並聯連接的C2，可以吸收定電壓二極體產生的噪訊(Noise)；圖31是圖30定電壓電路各部位的電壓動作波形，過渡分析的設定與上述圖24相同，由圖31可知Q1的基準電位VB(Q1)變成5.5V直流一定值，它是定電壓二極體D2的兩端產生的電壓。輸出電壓Vout設定成比VB(Q1)更低的VBE，本電路成為4.97V直流一定值。圖30 正電壓的簡易定電壓電源電路圖31 圖30的定電壓電路各部位電壓波形圖32是圖30整流電路的輸入電壓V1變成9Vpeak時，各部位的電壓動作波形，由圖顯示隨著V1變高，電路的輸入電壓Vin(=整流電路的輸出)也會提高，不過Vout = 4.8V與V1 = 8Vpeak時，輸入電壓幾乎沒有任何變化。Vin一旦變高施加於R1兩端的電壓( Vin - VB(Q1) )也隨著提高，D2內的電流則變大，然而定電壓二極體兩端產生的電壓，幾乎與流動電流無關成為一定值，因此基準電位VB(Q1)與Vout幾乎沒有任何變化。圖32 提高圖30輸入電壓V1的模擬分析圖33是圖30Vout波形的時間軸與電壓軸放大圖，圖中的Vout殘留21.8mVP-P的波動，造成波動主要原因是D2內流動的D2ID2波動成份所致。圖33 圖30輸出電壓的波動波形圖34是 負極設置Marker觀察ID2獲得的動作波形，圖中的ID2是R1內流動的電流IR1扣除Q1基準電流的結果，R1兩端的電壓變成 Vin - VB(Q1) ，由於Vin的波動呈直接加入狀，因此IR1出現波動，ID2也跟著出現類似圖34的波動波形。雖然理想定電壓二極體兩端的電壓與流動電流無關成為一定值，然而實際上元件兩端的電壓卻與流動電流成比例作mV等級變化，所以VB(Q1)(D2的兩端電壓)會產生與Vin波動成比例作mV等級的電壓變化，最後該電壓變化直接出現在Vout，此時Low Pass Filter插入Q1的Base，由於它的動作特性與波動濾波電路一樣，所以可以有效抑制Vout的波動。圖35是將C2設定成330F同時加大R1與C2，依此構成Low Pass Filter的時定數。圖34 Zener二極體的電流波形圖35 低波動的定電壓電路圖36是C2 = 330F時Vout的波動成份，如圖所示殘留波動降至4.8mVP-P，證實加大C2可以同時獲得定電壓與低波動特性，此處必需注意的是加大C2後C2的充電時間相對變長(圖37)。圖36 提高圖30C2時的輸出電壓波動電壓波形圖37 提高C2時的起動特性模擬分析定電流電路吸入型定電流電路定電流電路與連接負載的阻抗無關，它可以輸出一定的電流，因此廣泛應用在LED點燈電路與OP增幅IC等領域。 圖38是由電晶體構成可以輸出吸入方向電流的定電流電路，電路結構屬於無輸入端子Emitter共通增幅電路。本電路的輸出端子Q1為Collector，負載則連接至比Q1的Emitter更高電位，亦即電源與輸出端子之間。圖38 吸入型定電流電路圖39是決定輸出電流的方法，由圖可知電晶體的基準電位VB由VCC ,R1 ,R2 決定，它會變成直流一定值，Emitter的電位流VE則設定成流VB - VBE，因此VE也成成一定值，Emitter的電流IE可用下式表示:由式(4)可知IE同樣也會變成直流一定值，如果忽略基準電流的話，Collector電流等同於Emitter電流，由於輸出電流Iout = IE，因此Iout與RL值或是VLOAD值無關成為直流一定值。圖39 Collector電流Iout變成一定的動作機制Iout (= IE)由VE ,RE決定，RE為阻抗值不會變化，因此VE與VBE ,VB都是屬於定電源的差分圖40是將連接負載的電源VLOAD，利用DC分析210V範圍內變化時各部位的電壓與電流動作波形( RL = 100 )，由圖可知輸出電流與VLOAD值無關，Iout成為0.95mA(0.96V/1k)一定值，輸出電流完全不受連接負載的影響。圖41是利用DC分析使負載阻抗 在101k範圍內變化時的各部位的輸出電流特性，如圖顯示即使負載值改變，Iout幾乎是一定值完全不受連接負載的影響。圖40 改變圖38的負載電壓時各部位的電壓與電流圖41 改變圖38的負載電壓時各部位的輸出電流特性吐出型定電流電路圖42是由電晶體構成可以輸出吐出方向電流的定電流電路，由於電流的流動方向與吸入型相反所以使用PNP型電晶體，負載連接於比電晶體的Emitter更低電位，亦即電源與輸出端子之間。圖42 電流Source型定電流電路圖43是利用DC分析VLOAD在210V範圍內變化時各輸出電流的動作特性，由圖可知輸出電流完全不受連接負載的影響，可以幾乎輸出一定值的電流，輸出電流為2.1mA它是與VLOAD值無關，Iout成為0.94mA一定值，證實圖42的電路可以達成預期的定電流特性。圖43 改變圖42的負載電壓時各部位的電壓、電流特性JFET型定電流電路上述由電晶體構成的定電流電路，Base偏壓(Bias)時必需使用電源或是電阻，如果是JFET型定電流電路就可以省略這些元件，電路變得非常簡潔。圖44是N通道(Channel)JFET構成的電流Sink Type定電流電路，本電路只需將JFET的Gate連接至Source，再將負載連接至比Source電位更高的電源即可。由於電路的輸出電路取決於JFET特性，如果對Drain-Source之間施加某種程度大電壓的話，JFET的Drain電流ID就可用Drain-Source之間電壓決定。如上所述由於本電路的Gate連接至Source，由於VGS = 0V因此此ID是由傳達特性Curve上VGS = 0V的Point IDSS決定，必需注意的是同等級的JFET它的IDSS分佈非常大，所以圖44定電流電路的輸出電流精度比電晶體型定電流電路差。圖44 使用JFET的電流Sink型定電流電路圖45是利用DC分析VLOAD在210V範圍內變化時，輸出電流Iout的動作特性，由圖可知它與連接負載的電源電壓值無關，可以輸出一定值的電流。輸出電流為2.1mA它是根據經過模擬分析的JFET特性設定。圖46是利用DC分析負載阻抗RL在101k範圍內變化時，輸出電流Iout的動作特性，由圖可知它Iout同樣與RL無關可以輸出一定值的電流。圖45 改變圖44的負載電壓時時的輸出電流特性圖46 改變圖44的負載阻抗時的輸出電流特性如圖47所示若將串聯電阻RS插入Source，可以使輸出電流從朝IDSS朝低方向調整；圖48是利用DC分析VLOAD變化時的輸出電流Iout動作特性，由圖可知若插入RS可以將Iout設定成1.06mA，至於RS值則可用JFET傳達特性座標決定，具體步驟首先讀取座標上欲設定Drain電流ID時的Gate-Source之間電壓值VGS接著根據設定RS :圖47的電路希望設定成Iout 1mA，根據圖49的JFET傳達特性座標決定RS為390(=0.4V/1mA)，由於JFET的傳達特性本身分佈非常大，因此從定電流電路流入電阻的的輸出電流分佈也很大。圖47 可以調整輸出電流的JFET定電流電路圖48 改變圖47的負載阻抗時的輸出電流特性圖49 根據JFET傳達特性座標求取插入的Source電阻RS值電流Source型定電流電路電晶體構成的定電流電路必需固定基準電位，所以電流Sink型與電流Source型定電流電路通常都會使用NPN與PNP型。由於圖44與圖47的電路只要針對Source固定Gate電位即可，不需要針對GND、電源固定，所以可以利用N通道JFET製作電流Source型定電流電路。圖50是典型N通道JFET構成的電流Source型定電流電路，圖中的Drain連接電源，Source設有串聯電阻RS，連接Gate的點當作輸出端子；圖51是改變VLOAD時的Iout DC分析結果，由圖可知本電路具備定電流電路動作特性。圖50 使用JFET的電流Source型定電流電路圖51 改變負載阻電壓時的輸出電流特性Limiter電路圖52的電路可以保護OP增幅IC內部的輸入端子；圖53 Limiter電路可以限制超過0.6V範圍的振幅信號，輸出端子與GND之間2個二極體逆向並聯連接是本電路主要特徵；圖54是利用DC法分析02ms範圍內變化時的動作波形，輸入電壓Vinput超過0.6V時D2變成ON，輸出電壓Voutput固定成0.6V，輸入電壓Vinput低於0.6V時D1變成ON，輸出電壓Voutput固定成0.6V，其結果使得0.6V範圍的輸入信號直接輸出，超過該範圍的信號則被去除。 圖52 OP增幅IC輸入單元使用的Limiter電路圖53 0.6V Limiter電路圖54 圖53電路的動作波形圖55的電路可以保護數位IC內部的輸入端子，如圖56所示本Limiter電路只讓某範圍的信號通過窗口，如果輸入電壓Vinput超過0.6V時D1變成ON，輸出電壓Voutput固定VP + 0.6V；輸入電壓Vinput低於VN - 0.6V是D2變成ON，Voutput固定成VN - 0.6V。圖57是利用DC法分析02ms範圍內變化時的動作波形，由於圖56電路的VP = 1V ,VN = -0.5V，因此正端被固定成1.6V (=1V + 0.6V)，負端被固定成-1.1V (=-0.5 - 0.6V0.6V)，換句話說本電路直接輸出VN - 0.6V VP + 0.6V範圍的信號，去除超過該範圍的信號。圖55 數位IC輸出單元使用的Limiter電路圖56 Window Limiter電路圖57 圖56電路各部位的電壓波形結語以上介紹二極體、電晶體、FET等主動電子元件的動作特性與應用電路。FET與電晶體同樣擁有古老的歷史，兩者最大差異是FET的消費電力比一般電晶體更低，目前FET大多應用在微處理器數位IC/LSI、無線系統的Front-end、Switching電源控制器，以及馬達驅動控制器等領域。 電晶體與二極體則是近代消費性電子產品不可或缺的電子元件，因此本文利用模擬分析法深入探討常用主動電子元件的動作特性應用。