了解静态电流

2022-05-19

了解静态电流   

IC 处于静态状态时使用的电流量称为静态电流。静止状态是指 IC 处于无负载或非开关状态但仍处于开启状态的任何时间段。当外部负载电流为零时，静态电流也是为低压差 (LDO) IC 的内部电路供电所需的电流。 

静态电流有时会被误认为是关机电流，这是在电池仍连接到系统时关闭设备时汲取的电流。 

静态电流量受器件设计、输入电压和温度的影响。 

无负载时，IQ = IIN。IQ是指电源在待机模式下的功耗，也称为电路的安静状态。当输入没有循环并且电源本身没有驱动负载时，电路会处于完全状态。在轻负载运行期间，标称静态电流会对系统的功率传输效率产生相当大的影响。重要的是要保证在放大器晶体管的直流偏置期间，晶体管在传递给它的整个输入信号范围内保持在有源区。在 V(ce)-I(c) 负载线曲线上放置一个固定的静止点，以获取从输入开始的整个放大信号。静态电流和电压用于描述电流 I C（集电极电流）和电压 V CE（集电极到发射极电压）。

图 1：放大器的负载线 

具有静态电流的放大器 

饱和电流 (I S ) 对于决定静态电流非常重要，因为对于任何类型的放大器，它都应该是 I S的一半。中途被定义为饱和和截止之间的点。有些放大器的静态电流为零，因为它们被设计为在没有提供信号时被切断，例如 B 类和 C 类。有些放大器的静态电流非常低，例如 AB 类。静态电流值刚好高于截止区域。为了突出一类放大器的功能范围，在晶体管的特性曲线上绘制了一条负载线，这一切都是在晶体管耦合到特定负载电阻的状态下完成的。这种情况的典型曲线如下图所示：

图 2：示例负载线显示在晶体管特性曲线上

使用集电极电流和晶体管集电极和发射极端子两端的电压绘制典型的负载线。截止是一种状态，在这种状态下，端子上现在有电压，在这种情况下电流为零。线路饱和是因为电压为零并且左上角的电流最大。所述基极电流的实际操作场景由负载线和不同晶体管曲线交叉处的点表示。 

此图上负载线上的一个点可能表示安静的操作条件。负载线的中间代表静止点（Q点），如下图所示。

图 3：A 类静止点（点）

当基极电流为 40 A 时，此图中的静态点位于曲线上。负载电阻的变化也会影响负载线的斜率。较高的负载电阻对集电极和发射极的截止电压没有任何影响，而只会影响饱和时的最大集电极电流。当绘制负载线以增加电阻时，它对右下点没有任何影响，而左上点会根据负载而移动。

注意新的负载线如何不像之前的那样在其平坦点接触 75 A 曲线。重要的是要知道，在特性曲线中，饱和条件由非水平线表示。如果负载线在其水平范围之外与 75 A 曲线相交，则放大器将在该水平的基极电流处饱和。改变负载电阻值后，负载线在这个新位置与 75 A 曲线相交，这意味着在比以前更低的基极电流值下会发生饱和。 

75 A 的基极电流将导致与电路中旧的低值负载电阻器相似的集电极电流（基极电流乘以）。正如比率所预测的那样，75 A 的基极电流产生的集电极电流几乎是第一个负载线图中 40 A 时产生的电流的两倍。由于晶体管损失了足够的集电极-发射极电压来调节 75 A 和 40 A 基极电流之间的集电极电流，因此集电极电流几乎没有上升。

为了确保线性（无失真）功能，晶体管放大器不应用于晶体管会饱和的区域，即负载线理论上不位于集电极电流曲线的水平部分上的位置。下图中的图表中添加了几条附加曲线，以确定该晶体管在饱和前在较高基极电流下可以工作多远。

图 4：更多基极电流曲线揭示饱和信息

负载线上落在该曲线直线段上的最高电流点似乎是 50 A 曲线上的点。这个新点应被视为 A 类操作的最高允许输入信号电平。此外，对于 A 类操作，应修改偏差，使静止点位于截止点和新的最大值点的中间，如下图所示。

图 5：新的静止点完全避开了饱和区 

是时候看看一些实用的偏置方法了。为了将放大器偏置到所选的操作类别，直流（电池）和交流电源都以交流信号与直流电压源串联的方式连接。实际上，很难将完美调谐的电池连接到放大器的输入端。即使可以定制电池以针对每种特定的偏置需求提供准确的电压量，它也无法持续保持该水平。当放大器开始耗尽并且输出电压下降时，它开始以 B 类模式运行。

智商的后果 

用于调节的 LDO 稳压器的 IQ 对电池寿命至关重要。由于电池寿命在很大程度上取决于运行时的负载条件，因此具有低 IQ 的 LDO 提供了一种简单的方法来延长电池供电设备的寿命。这些微型设备不仅适用于消费电子产品。它们还可用于工业应用，例如智能电表、楼宇和工厂自动化。即使设计人员有时会忽略静态电流，将其运行几秒钟、几天甚至几年也可能对设计产生重大影响。 

放大器的类型及其操作 

A 类：A类操作是指放大器在波形周期的持续时间内被偏置以在活动模式下运行，真实地再现整个波形。

B 类：在 B 类模式下，放大器被偏置，以便它可以复制输入波形的负半部分或正半部分。在这类放大器中，晶体管一半时间处于活动模式，另一半时间处于截止模式。每当音频信号系统需要大功率放大时，就会使用互补的 B 类晶体管对。如前所述，晶体管成对工作，因此每个晶体管处理一半的波形。在输出功率相同的情况下，B 类放大器的功率效率高于相同输出功率的 A 类放大器。

AB类：说到AB类放大器的操作，它们位于Class和B放大器的中间。

C 类： C 类放大器只能放大一小部分波形。晶体管大部分时间都处于截止模式。谐振回路电路被广泛用作“飞轮”，以在放大器每次“启动”后将振荡延长几个周期，以便在输出端产生完整的波形。在 C 类放大器中，功率效率很高，因为晶体管大部分时间都不导通。

D 类：用高频方波的占空比表示瞬时输入信号幅度的概念支持 D 类操作，这需要复杂的电路设计。输出晶体管只有两种工作模式：截止和饱和。当热能分散较少时，能源效率会提高。

为了在输入信号上提供某些类型的操作所需的直流偏置电压，可以使用分压器和耦合电容器来代替与交流信号源（特别是 A 类和 C 类）串联的电池。