如何缓冲运算放大器输出以获得更高电流，第 2 部分

在本文中，我们将探讨基本BJT电流缓冲电路的两种变体。

如果你的运放输出级无法承受压力

在之前的文章中讨论的基本BJT缓冲电路适用于许多应用，但它存在两个需要解决的问题：首先，高负载电流可能需要运放提供过多的输出电流；其次，它不兼容负负载电压。我们将从第一个问题开始讨论。

正如之前的文章所述，运放所需的输出电流大约等于负载电流除以晶体管的活性区电流增益（也称为beta或hFE）。在某些情况下，将如此多的输出电流能力纳入设计可能会成为问题。一种可能是：你正在使用的运放元件包含在一个封装中的多个放大器。如果你已经有一个输出电流较低的元件，它正好适合你的系统，并且你正在使用该封装中的三个放大器，那么你可能会决定让第四个放大器也投入工作。或者，假设你的板上集成了运放的微控制器。该运放可能无法提供太多的输出电流，但你不希望仅仅因为需要从集成运放中额外获得20或30mA的电流就引入外部元件。解决此类情况的方法是通过BJT增加额外的电流增益。首先要做的是寻找具有更高hFE的晶体管，但如果你需要更多的电流增益——因为你的负载电流太高或你的运放太弱，或者两者兼而有之——那么就该使用达林顿管了。

达林顿管对

电路符号已经说明了大部分内容。达林顿管对是两个BJT共用一个集电极，集成在一个封装中。结果是一个功能非常类似于普通BJT的器件，但其hFE（电流增益）极高——整体电流增益大约等于第一个晶体管的hFE乘以第二个晶体管的hFE。此时，你可能会想：“我地下室里有很多2N2222晶体管，我只需将它们以达林顿方式连接起来就可以了。”然而，事情并没有那么简单。让我们看看Fairchild的TIP142T达林顿晶体管的等效电路（PDF）：

除了BJT之外，我们还有一个保护二极管和两个电阻。这两个电阻通过为右侧晶体管的基极-发射极结电容提供放电路径来改善关断时间，并确保右侧晶体管的基极节点处于确定状态，否则当达林顿管对截止时，该节点将处于浮动状态。此外，它们还会导致hFE降低，因为部分基极电流被分流到基极-发射极结周围。在许多情况下，增益的这种降低实际上是有益的，因为它减少了漏电流的影响——而事实上，你确实不需要完整的电流增益，如果我们假设每个BJT的hFE为100，那么电流增益可能会达到10000左右。因此，要点是，购买现成的达林顿器件可能比用两个离散的BJT自己制作要好。

下面是一个LTspice原理图，其中使用达林顿管对代替了单个BJT。

LTspice不自带达林顿晶体管部分，但您可以在这里下载TIP142的子电路和符号文件。

以下是一个包含VIN、VOUT以及施加到达林顿晶体管基极的电压的图表。

与单个BJT电路一样，输出电压跟踪输入电压（VIN轨迹隐藏在VOUT轨迹下方）。请注意，VBASE比负载电压高约1.3-1.4V；这是因为现在我们有两个基极-发射极电压降，而不是一个。因此，您必须格外小心，以确保您的达林顿和运放电源电压足够高，以允许您的全负载电压范围（有关此方面的更多详细信息，请参阅上一篇文章末尾的“简单，但不万无一失”部分）。

下面的图表显示了负载电流和流入达林顿基极的电流。

因此，在负载电流为360mA的情况下，基极电流为169µA，对应的hFE约为2130。数据表显示，电流增益应更接近1000；也许这个特定的SPICE模型没有它可能达到的那么准确。无论如何，我们已经成功地大大降低了运放所需的输出电流。

处理运放无法提供足够输出电流的另一种方法是使用MOSFET代替BJT。我们将在下一篇文章中介绍MOSFET的实现。

低于地电位
运放经常用于产生负输出电压。一个明显的例子是正弦波信号，如我们在音频、视频和射频应用中所见。当运放产生正输出电压时，输出电流从运放“流出”，通过负载“流入”地节点。因此，当输出为正时，运放提供电流。对于负输出电压，电流从地节点“流出”，通过负载“流入”运放，这样运放现在就在吸收电流。因此，为了支持高于和低于地电位的信号，我们需要一个能够同时吸收和提供电流的输出电流缓冲器。瞧：

基本原理是相同的：BJT提供了更高的电流容量，而反馈配置使运放以任何必要的方式修改其输出，以确保负载电压VOUT等于VIN。不同之处在于增加了一个PNP晶体管，它在负负载电压下完成NPN晶体管在正负载电压下所完成的工作。换句话说，当输入电压为正时，运放的输出会变为正向以打开NPN晶体管，电流从NPN流向负载；当输入电压为负时，运放的输出会变为负向以打开PNP，PNP会吸收负载电流。以下是一个LTspice原理图：

请注意，我已经选择了在2SCR293P的数据表中推荐的互补设备作为PNP的零件号：

以下是一个包含VIN和VOUT的图表。和往常一样，输入电压隐藏在输出电压下方。

以下是放大的图表，其中包括运放的输出电压。请注意，负反馈作用如何使运放自动绕过“死区”，即两个晶体管都处于截止状态的电压范围（从大约-0.7V到0.7V）。

这是音频放大器吗？

现在您可能想知道是否可以将此电路用作音频信号的功率放大器。您当然可以，但音质不会是最好的。实际上，此电路中的NPN加PNP排列被称为B类推挽输出级，将B类推挽级与运放和一些负反馈结合使用，可以制作出一种具有最小交越失真的功率放大器（B类推挽级本身具有由大死区引起的主要失真问题）。但是，即使使用负反馈，NPN和PNP晶体管的交替开关仍会稍微降低音质。这就是为什么音频中首选的电路是AB类推挽放大器，在该放大器中，晶体管被偏置，以便在交叉点上方或下方的小输入电压下都能导通。

结论

我们已经介绍了三种简单且低成本的电路，它们可以极大地放大运放的输出电流。这三种配置涵盖了大多数需要高输出电流放大器的情况——只是别忘了再次检查您的电源电压、电流限制和功耗。