了解靜態(tài)電流

2022-05-19

了解靜態(tài)電流   

IC 處于靜態(tài)狀態(tài)時(shí)使用的電流量稱(chēng)為靜態(tài)電流。靜止狀態(tài)是指 IC 處于無(wú)負載或非開(kāi)關(guān)狀態(tài)但仍處于開(kāi)啟狀態(tài)的任何時(shí)間段。當外部負載電流為零時(shí)，靜態(tài)電流也是為低壓差 (LDO) IC 的內部電路供電所需的電流。 

靜態(tài)電流有時(shí)會(huì )被誤認為是關(guān)機電流，這是在電池仍連接到系統時(shí)關(guān)閉設備時(shí)汲取的電流。 

靜態(tài)電流量受器件設計、輸入電壓和溫度的影響。 

無(wú)負載時(shí)，IQ = IIN。IQ是指電源在待機模式下的功耗，也稱(chēng)為電路的安靜狀態(tài)。當輸入沒(méi)有循環(huán)并且電源本身沒(méi)有驅動(dòng)負載時(shí)，電路會(huì )處于完全狀態(tài)。在輕負載運行期間，標稱(chēng)靜態(tài)電流會(huì )對系統的功率傳輸效率產(chǎn)生相當大的影響。重要的是要保證在放大器晶體管的直流偏置期間，晶體管在傳遞給它的整個(gè)輸入信號范圍內保持在有源區。在 V(ce)-I(c) 負載線(xiàn)曲線(xiàn)上放置一個(gè)固定的靜止點(diǎn)，以獲取從輸入開(kāi)始的整個(gè)放大信號。靜態(tài)電流和電壓用于描述電流 I C（集電極電流）和電壓 V CE（集電極到發(fā)射極電壓）。

圖 1：放大器的負載線(xiàn) 

具有靜態(tài)電流的放大器 

飽和電流 (I S ) 對于決定靜態(tài)電流非常重要，因為對于任何類(lèi)型的放大器，它都應該是 I S的一半。中途被定義為飽和和截止之間的點(diǎn)。有些放大器的靜態(tài)電流為零，因為它們被設計為在沒(méi)有提供信號時(shí)被切斷，例如 B 類(lèi)和 C 類(lèi)。有些放大器的靜態(tài)電流非常低，例如 AB 類(lèi)。靜態(tài)電流值剛好高于截止區域。為了突出一類(lèi)放大器的功能范圍，在晶體管的特性曲線(xiàn)上繪制了一條負載線(xiàn)，這一切都是在晶體管耦合到特定負載電阻的狀態(tài)下完成的。這種情況的典型曲線(xiàn)如下圖所示：

圖 2：示例負載線(xiàn)顯示在晶體管特性曲線(xiàn)上

使用集電極電流和晶體管集電極和發(fā)射極端子兩端的電壓繪制典型的負載線(xiàn)。截止是一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，端子上現在有電壓，在這種情況下電流為零。線(xiàn)路飽和是因為電壓為零并且左上角的電流最大。所述基極電流的實(shí)際操作場(chǎng)景由負載線(xiàn)和不同晶體管曲線(xiàn)交叉處的點(diǎn)表示。 

此圖上負載線(xiàn)上的一個(gè)點(diǎn)可能表示安靜的操作條件。負載線(xiàn)的中間代表靜止點(diǎn)（Q點(diǎn)），如下圖所示。

圖 3：A 類(lèi)靜止點(diǎn)（點(diǎn)）

當基極電流為 40 A 時(shí)，此圖中的靜態(tài)點(diǎn)位于曲線(xiàn)上。負載電阻的變化也會(huì )影響負載線(xiàn)的斜率。較高的負載電阻對集電極和發(fā)射極的截止電壓沒(méi)有任何影響，而只會(huì )影響飽和時(shí)的最大集電極電流。當繪制負載線(xiàn)以增加電阻時(shí)，它對右下點(diǎn)沒(méi)有任何影響，而左上點(diǎn)會(huì )根據負載而移動(dòng)。

注意新的負載線(xiàn)如何不像之前的那樣在其平坦點(diǎn)接觸 75 A 曲線(xiàn)。重要的是要知道，在特性曲線(xiàn)中，飽和條件由非水平線(xiàn)表示。如果負載線(xiàn)在其水平范圍之外與 75 A 曲線(xiàn)相交，則放大器將在該水平的基極電流處飽和。改變負載電阻值后，負載線(xiàn)在這個(gè)新位置與 75 A 曲線(xiàn)相交，這意味著(zhù)在比以前更低的基極電流值下會(huì )發(fā)生飽和。 

75 A 的基極電流將導致與電路中舊的低值負載電阻器相似的集電極電流（基極電流乘以）。正如比率所預測的那樣，75 A 的基極電流產(chǎn)生的集電極電流幾乎是第一個(gè)負載線(xiàn)圖中 40 A 時(shí)產(chǎn)生的電流的兩倍。由于晶體管損失了足夠的集電極-發(fā)射極電壓來(lái)調節 75 A 和 40 A 基極電流之間的集電極電流，因此集電極電流幾乎沒(méi)有上升。

為了確保線(xiàn)性（無(wú)失真）功能，晶體管放大器不應用于晶體管會(huì )飽和的區域，即負載線(xiàn)理論上不位于集電極電流曲線(xiàn)的水平部分上的位置。下圖中的圖表中添加了幾條附加曲線(xiàn)，以確定該晶體管在飽和前在較高基極電流下可以工作多遠。

圖 4：更多基極電流曲線(xiàn)揭示飽和信息

負載線(xiàn)上落在該曲線(xiàn)直線(xiàn)段上的最高電流點(diǎn)似乎是 50 A 曲線(xiàn)上的點(diǎn)。這個(gè)新點(diǎn)應被視為 A 類(lèi)操作的最高允許輸入信號電平。此外，對于 A 類(lèi)操作，應修改偏差，使靜止點(diǎn)位于截止點(diǎn)和新的最大值點(diǎn)的中間，如下圖所示。

圖 5：新的靜止點(diǎn)完全避開(kāi)了飽和區 

是時(shí)候看看一些實(shí)用的偏置方法了。為了將放大器偏置到所選的操作類(lèi)別，直流（電池）和交流電源都以交流信號與直流電壓源串聯(lián)的方式連接。實(shí)際上，很難將完美調諧的電池連接到放大器的輸入端。即使可以定制電池以針對每種特定的偏置需求提供準確的電壓量，它也無(wú)法持續保持該水平。當放大器開(kāi)始耗盡并且輸出電壓下降時(shí)，它開(kāi)始以 B 類(lèi)模式運行。

智商的后果 

用于調節的 LDO 穩壓器的 IQ 對電池壽命至關(guān)重要。由于電池壽命在很大程度上取決于運行時(shí)的負載條件，因此具有低 IQ 的 LDO 提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)延長(cháng)電池供電設備的壽命。這些微型設備不僅適用于消費電子產(chǎn)品。它們還可用于工業(yè)應用，例如智能電表、樓宇和工廠(chǎng)自動(dòng)化。即使設計人員有時(shí)會(huì )忽略靜態(tài)電流，將其運行幾秒鐘、幾天甚至幾年也可能對設計產(chǎn)生重大影響。 

放大器的類(lèi)型及其操作 

A 類(lèi)：A類(lèi)操作是指放大器在波形周期的持續時(shí)間內被偏置以在活動(dòng)模式下運行，真實(shí)地再現整個(gè)波形。

B 類(lèi)：在 B 類(lèi)模式下，放大器被偏置，以便它可以復制輸入波形的負半部分或正半部分。在這類(lèi)放大器中，晶體管一半時(shí)間處于活動(dòng)模式，另一半時(shí)間處于截止模式。每當音頻信號系統需要大功率放大時(shí)，就會(huì )使用互補的 B 類(lèi)晶體管對。如前所述，晶體管成對工作，因此每個(gè)晶體管處理一半的波形。在輸出功率相同的情況下，B 類(lèi)放大器的功率效率高于相同輸出功率的 A 類(lèi)放大器。

AB類(lèi)：說(shuō)到AB類(lèi)放大器的操作，它們位于Class和B放大器的中間。

C 類(lèi)： C 類(lèi)放大器只能放大一小部分波形。晶體管大部分時(shí)間都處于截止模式。諧振回路電路被廣泛用作“飛輪”，以在放大器每次“啟動(dòng)”后將振蕩延長(cháng)幾個(gè)周期，以便在輸出端產(chǎn)生完整的波形。在 C 類(lèi)放大器中，功率效率很高，因為晶體管大部分時(shí)間都不導通。

D 類(lèi)：用高頻方波的占空比表示瞬時(shí)輸入信號幅度的概念支持 D 類(lèi)操作，這需要復雜的電路設計。輸出晶體管只有兩種工作模式：截止和飽和。當熱能分散較少時(shí)，能源效率會(huì )提高。

為了在輸入信號上提供某些類(lèi)型的操作所需的直流偏置電壓，可以使用分壓器和耦合電容器來(lái)代替與交流信號源（特別是 A 類(lèi)和 C 類(lèi)）串聯(lián)的電池。