推挽輸出理解


推挽電路的工作原理是將信號的正半周和負半周分別有兩個功放管來完成,當正半周到來時,由甲功放管完成放大,當負半周到來時,又乙功放管完成放大。放大完后,最后合成一個完整的信號。

推挽電路適用於:低電壓大電流的場合,廣泛應用於功放電路和開關電源中。
優點:
   結構簡單,開關變壓器磁芯利用率高,推挽電路工作時,兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通,所以導通損耗小。
缺點

    變壓器帶有中心抽頭,而且開關管的承受電壓較高;由於變壓器原邊漏感的存在,功率開關管關斷的瞬間,漏源極會產生較大的電壓尖峰,另外輸入電流的紋波較大,因而輸入濾波器的體積較大。

 

按功放輸出級放大元件的數量,可以分為單端放大器和推挽放大器。
   
    單端放大器的輸出級由一只放大元件(或多只元件但並聯成一組)完成對信號正負兩個半周的放大。單端放大機器只能采取甲類工作狀態。 
    推挽放大器的輸出級有兩個“臂”(兩組放大元件),一個“臂”的電流增加時,另一個“臂”的電流則減小,二者的狀態輪流轉換。對負載而言,好象是一個“臂”在推,一個“臂”在拉,共同完成電流輸出任務。盡管甲類放大器可以采用推挽式放大,但更常見的是用推挽放大構成乙類或甲乙類放大器。

推挽式,灌電流,拉電流,扇出系數,線驅動

下圖所示為基本的互補推挽輸出電路。VT1為共射放大器,VT1,VT3組成互補射隨器電路,VT2為VT3的有源集電極負載。

推挽式,灌電流,拉電流,扇出系數,線驅動

 

 

灌電流當邏輯門輸出端是低電平時,灌入邏輯門的電流稱為灌電流,灌電流越大,輸出端的低電平就越高。由三極管輸出特性曲線也可以看出,灌電流越大,飽和壓降越大,低電平越大。邏輯門的低電平是有一定限制的,它有一個最大值UOLMAX。在邏輯門工作時,不允許超過這個數值,TTL邏輯門的規范規定UOLMAX ≤0.4~0.5V

拉電流:當邏輯門輸出端是高電平時,邏輯門輸出端的電流是從邏輯門中流出,這個電流稱為拉電流。拉電流越大,輸出端的高電平就越低。這是因為輸出級三極管是有內阻的,內阻上的電壓降會使輸出電壓下降。拉電流越大,高電平越低。邏輯門的高電平是有一定限制的,它有一個最小值UOHMIN。在邏輯門工作時,不允許超過這個數值,TTL邏輯門的規范規定UOHMIN ≥2.4V

扇出系數:由於高電平輸入電流很小,在微安級,一般可以不必考慮,低電平電流較大,在毫安級。所以,往往低電平的灌電流不超標就不會有問題,用扇出系數來說明邏輯門來同類門的能力。扇出系數No是低電平最大輸出電流和低電平最大輸入電流的比值

 

 

 

對於標准TTL門,NO10;對於低功耗肖特基系列的TTL門,NO20

 

集電極開路輸出的結構:

推挽式,灌電流,拉電流,扇出系數,線驅動

    集電極開路輸出的結構如圖1所示,右邊的那個三極管集電極什么都不接,所以叫做集電極開路(左邊的三極管為反相之用,使輸入為“0”時,輸出也為“0”)。對於圖1,當左端的輸入為“0”時,前面的三極管截止(即集電極c跟發射極e之間相當於斷開),所以5v電源通過1k電阻加到右邊的三極管上,右邊的三極管導通(即相當於一個開關閉合);當左端的輸入為“1”時,前面的三極管導通,而后面的三極管截止(相當於開關斷開)。

    我們將圖1簡化成圖2的樣子。圖2中的開關受軟件控制,“1”時斷開,“0”時閉合。很明顯可以看出,當開關閉合時,輸出直接接地,所以輸出電平為0。而當開關斷開時,則輸出端懸空了,即高阻態。這時電平狀態未知,如果后面一個電阻負載(即使很輕的負載)到地,那么輸出端的電平就被這個負載拉到低電平了,所以這個電路是不能輸出高電平的。
    再看圖三。圖三中那個1k的電阻即是上拉電阻。如果開關閉合,則有電流從1k電阻及開關上流過,但由於開關閉和時電阻為0(方便我們的討論,實際情況中開關電阻不為0,另外對於三極管還存在飽和壓降),所以在開關上的電壓為0,即輸出電平為0。如果開關斷開,則由於開關電阻為無窮大(同上,不考慮實際中的漏電流),所以流過的電流為0,因此在1k電阻上的壓降也為0,所以輸出端的電壓就是5v了,這樣就能輸出高電平了。但是這個輸出的內阻是比較大的(即1kω),如果接一個電阻為r的負載,通過分壓計算,就可以算得最后的輸出電壓為5*r/(r+1000)伏,即5/(1+1000/r)伏。所以,如果要達到一定的電壓的話,r就不能太小。如果r真的太小,而導致輸出電壓不夠的話,那我們只有通過減小那個1k的上拉電阻來增加驅動能力。但是,上拉電阻又不能取得太小,因為當開關閉合時,將產生電流,由於開關能流過的電流是有限的,因此限制了上拉電阻的取值,另外還需要考慮到,當輸出低電平時,負載可能還會給提供一部分電流從開關流過,因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。
如果我們將一個讀數據用的輸入端接在輸出端,這樣就是一個io口了(51的io口就是這樣的結構,其中p0口內部不帶上拉,而其它三個口帶內部上拉),當我們要使用輸入功能時,只要將輸出口設置為1即可,這樣就相當於那個開關斷開,而對於p0口來說,就是高阻態了。
對於漏極開路(od)輸出,跟集電極開路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場效應管即可。這樣集電極就變成了漏極,oc就變成了od,原理分析是一樣的。 
另一種輸出結構是推挽輸出。推挽輸出的結構就是把上面的上拉電阻也換成一個開關,當要輸出高電平時,上面的開關通,下面的開關斷;而要輸出低電平時,則剛好相反。比起oc或者od來說,這樣的推挽結構高、低電平驅動能力都很強。如果兩個輸出不同電平的輸出口接在一起的話,就會產生很大的電流,有可能將輸出口燒壞。而上面說的oc或od輸出則不會有這樣的情況,因為上拉電阻提供的電流比較小。如果是推挽輸出的要設置為高阻態時,則兩個開關必須同時斷開(或者在輸出口上使用一個傳輸門),這樣可作為輸入狀態,avr單片機的一些io口就是這種結構。

 

 

線驅動(差動輸出)
線驅動器是一個源電流輸出器件。在導通狀態時,線驅動器輸出為電源(vcc);在關斷狀態時,輸出懸空。因此,線驅動器需要一個灌電流輸入接口。下面表格中給出了一個簡單的線驅動器的原理圖。差動輸出(歐姆龍稱為線性驅動輸出)線性驅動輸出就是根據rs-422a的數據輸送回路。可通過雙股攪合線電纜進行長距離輸送
 
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集電極開路
集電極開路電路是灌電流輸出器件。在關斷狀態時,集電極開路輸出連到地;在導通狀態時,集電極開路輸出懸空。因此,集電極開路輸出需要一個源電流輸入接口。下面表格中給出了一個簡單的集電極開路輸出電路的原理圖。
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 推挽式
推挽式輸出結合了線驅動與集電極開路輸出,在關斷狀態時,推挽式輸出接地;在導通狀態時,推挽式輸出連到電源(vcc)。推挽輸出(歐姆龍稱為互補輸出)輸出回路有2種,即npn與pnp2種晶體管輸出。根據輸出信號h或l,2種晶體管輸出互相交叉進行on或off動作,使用時,正電源,0v分別為吸合,拉下互補輸出是輸出電流流出或流入2種動作,特征是信號的上升、下降速度快,可進行導線的長距離延長。可與開路集電極輸入機器(npn/pnp)連接,另外還可以連接到電壓輸入機器上。但是為了能更好的發揮未來的性能,一般推薦在電壓輸入機器上使用電壓輸入的編碼器。
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