今天详细分析一下推挽电路。
推挽电路(push-pull)就是两个不同极性晶体管间连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流,也可以从负载抽取电流。
一、组成结构
如果输出级的有两个三极管,始终处于一个导通、一个截止的状态,也就是两个三极管推挽相连,这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱(Totem-pole)输出电路。
当输出低电平时,也就是下级负载门输入低电平时,输出端的电流将是下级门灌入T4;当输出高电平时,也就是下级负载门输入高电平时,输出端的电流将是下级门从本级电源经 T3、D1 拉出。这样一来,输出高低电平时,T3 一路和 T4 一路将交替工作,从而减低了功耗,提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路,管子导通电阻都很小,使 RC 常数很小,转变速度很快。
因此,推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。要实现线与需要用 OC(open collector)门电路。
二、主要特点
推挽电路适用于低电压高电流的场合,广泛应用于功放电路和开关电源中。
推挽输出的最大特点是可以真正能真正的输出高电平和低电平,在两种电平下都具有驱动能力。
补充说明:所谓的驱动能力,就是指输出电流的能力。对于驱动大负载(即负载内阻越小,负载越大)时,例如IO输出为5V,驱动的负载内阻为10ohm,于是根据欧姆定律可以正常情况下负载上的电流为0.5A(推算出功率为2.5W)。显然一般的IO不可能有这么大的驱动能力,也就是没有办法输出这么大的电流。
于是造成的结果就是输出电压会被拉下来,达不到标称的5V。当然如果只是数字信号的传递,下一级的输入阻抗理论上最好是高阻,也就是只需要传电压,基本没有电流,也就没有功率,于是就不需要很大的驱动能力。
优点是结构简单,开关变压器磁芯利用率高,推挽电路工作时,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小。
缺点是变压器带有中心抽头,而且开关管的承受电压较高;由于变压器原边漏感的存在,功率开关管关断的瞬间,漏源极会产生较大的电压尖峰,另外输入电流的纹波较大,因而输入滤波器的体积较大。
做信号控制以及驱动时,为了加快控制速度,经常要使用推挽电路。推挽电路可以由两种结构组成:分别是上P下N,以及上N下P。其原理图如下所示;
在实际中,我们使用的推挽电路一般都是上N下P型。
但是“为什么不使用上P下N型?“
因为在使用三极管时,一般N管的发射极是接地,P管的发射极是接电源。以上两种类型,明显上P下N型是符合习惯的。
对于这个问题确实是电子设计初学者几乎都会考虑的问题。所以今天就来捋一捋这两种电路结构的区别。
先从上N下P型说起,其原理图如下:
由上图可知道,其输出信号与输入信号的相位是相同的。即输入为高电平,输出也是高电平。
但是根据N管的工作特点,其输出电压幅值会比输入信号的幅值低0.7V。所以上N下P型的输出幅值会受到输入信号的限制。
输入电平直接影响输出电平
这也就说明该电路对输入信号的幅值具有一定的要求,否则可能会因为输入信号的幅值过低而导致后级的电平信号幅值不足。
除此之外,当输入信号的电平过低时,如果推挽电路的输出电流过大,会导致上N管发热,严重时还可能导致其损坏。如下图所示:
N管发热的原因
这个结论是存在一定的道理的,但实际中,当推挽电路在做信号控制时,其中流过的电流并不会很大,所以这种情况下,上管也不容易坏。
但如果推挽电路用于驱动负载时,此时的管子可能会流过较大电流,此时若输入信号幅度较低,则上管的发热量真的会很严重。当然,下P管同样也存在发热的隐患。所以在设计推挽电路时,必须要注意信号、电源及负载。
对于上P下N的模型,从原理图可以知道,该模型的输出与输出是反相的。即当输入为高时,输出则为低。
上P下N型原理图
该电路相对于“上N下P”来说,该电路多了两个电阻,从成本上,上P下N型不具有优势。
那这两个电阻能不能去掉呢?
答案肯定是不能! 如下图:
去掉基极电阻会导致串通现象
从上图可以看到,当将两个基极电阻去掉时,上下两个管子容易发生串通现象。这会导致管子发热而损坏。所以这两个电阻是不能够省略的。
同时,千万不要以为加了两个电阻之后就万事大吉了,其实并不是。尽管加了电阻,我们还要严格保证输入端要一直有信号且其信号的幅值不能够导致两个管子出现同时导通的情况。这也说明,在控制上,上P下N型不具备优势。
综上所述,下表总结了两种模型的特点供大家参考:
总结
从以上的对比,即可知道为什么“上N下P型”推挽电路会受到人们的“偏爱”。
上P下N模型只是在栅极型(即三极管模型)中才会存在如此多的缺点。
如果把三极管换成是mos管,那其中的很多缺点都会得到很好的改善,具体原因大家可以根据自己的兴趣去了解。