基于NPN和PNP三極管的互補(bǔ)推挽電路設(shè)計(jì)

推挽電路的應(yīng)用非常廣泛，比如單片機(jī)的推挽模式輸出，PWM控制器輸出，橋式驅(qū)動(dòng)電路等。推挽的英文單詞：Push-Pull，顧名思義就是推-拉的意思。所以推挽電路又叫推拉式電路。

推挽電路有很多種，根據(jù)用法的不同有所差異，但其本質(zhì)都是功率放大，增大輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，且具有兩個(gè)特點(diǎn)：

①很強(qiáng)的灌電流，即向負(fù)載注入大電流；

②很強(qiáng)的拉電流，即從負(fù)載抽取大電流。

如圖3由NPN+PNP三極管組成的推挽電路，這就是我們常用的互補(bǔ)推挽電路。特點(diǎn)是輸出阻抗很小，驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)。

圖3：互補(bǔ)推挽電路

如圖4，輸入信號(hào)由低電平跳變到高電平，上管導(dǎo)通。

圖4：上管導(dǎo)通

如圖5，輸入信號(hào)由高電平跳變到低電平，下管導(dǎo)通。

圖5：下管導(dǎo)通

如圖6，NPN+PNP構(gòu)成的互補(bǔ)推挽電路是共射極輸出，在任意時(shí)刻，有且只有其中一個(gè)管子導(dǎo)通有輸出。

圖6：共射極輸出

有朋友覺得三極管不都是集電極（C）作為輸出嗎？怎么畫風(fēng)變了。按常規(guī)思路應(yīng)該是如圖7所示的電路圖；如果單獨(dú)輸入是0V或12V，那么該電路看似沒有毛病，但是輸入信號(hào)是變化的，電壓信號(hào)高低電平的跳變有過渡的過程，所以在某個(gè)中間電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的情況，這是要炸管的，切記！

圖7：錯(cuò)誤的推挽電路

如圖8為推挽驅(qū)動(dòng)MOS管的電機(jī)調(diào)速電路，MOS管的G極灌電流及拉電流都很大，于是MOS管的開通和關(guān)斷時(shí)間都非常短，平臺(tái)電壓也非常窄，可有效降低開關(guān)損耗。

圖8：電機(jī)調(diào)速電路

關(guān)于三極管和MOS管的特性，前面的文章有詳細(xì)講解，有不明白的朋友可以翻一翻。

當(dāng)然，如圖9把三極管替換成MOS管也是完全可以的，驅(qū)動(dòng)能力會(huì)更強(qiáng)勁。

圖9：MOS管結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)推挽

以上互補(bǔ)推挽電路的輸入信號(hào)幅值必須和推挽供電電壓一致，比如推挽供電電壓為12V，那么輸入的PWM信號(hào)的幅值也必須是12V。如果輸入低于12V，輸出也也會(huì)低于12V，參考圖6所示，那么在管子上形成的壓降會(huì)導(dǎo)致管子發(fā)熱嚴(yán)重。

那么有沒有小電壓驅(qū)動(dòng)大電壓的推挽結(jié)構(gòu)呢，當(dāng)然有，在很多驅(qū)動(dòng)芯片里非常常見，我們管TA叫圖騰柱；如圖10所示。

圖10

如圖11的紅框內(nèi)，圖騰柱由NPN+NPN構(gòu)成，上管前級(jí)有個(gè)非門。（實(shí)際上，芯片框圖對有些功能只以模塊化展示，涉及的細(xì)節(jié)屬于絕密是不可能呈現(xiàn)出來的）

為什么芯片采用圖騰柱而不是互補(bǔ)推挽呢？原因是芯片內(nèi)部的工作電壓為5V（VCC經(jīng)過芯片內(nèi)部的線性電源得到5V），由前面對互補(bǔ)推挽的分析得知該結(jié)構(gòu)并不適用于小電壓驅(qū)動(dòng)大電壓；于是圖騰柱結(jié)構(gòu)的推挽孕育而生。

圖11：圖騰柱

如圖12為圖騰柱仿真電路，信號(hào)源為5V/1k的方波，二極管D1的作用是防止Q3、Q4同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致炸管。

圖12：圖騰柱仿真電路

如圖13為圖騰柱仿真波形，輸出與輸入相位相反，黃色表示Ui輸入波形，藍(lán)色表示Uo輸出波形，實(shí)現(xiàn)了小電壓驅(qū)動(dòng)大電壓的推挽輸出。

圖13：圖騰柱仿真波形

如圖14為互補(bǔ)推挽仿真電路，信號(hào)源為12V/1k的方波。

圖14：互補(bǔ)推挽仿真電路

如圖15為互補(bǔ)推挽仿真波形，輸出與輸入相位一致，黃色表示Ui輸入波形，藍(lán)色表示Uo輸出波形。

圖15：互補(bǔ)推挽仿真波形

然而，我們常用的運(yùn)放也是推挽輸出，運(yùn)放的一個(gè)特性就是輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，輸出如圖16紅框所示，輸出阻抗不到200Ω。

圖16：運(yùn)放的推挽輸出

如圖17，運(yùn)放輸出端與反相輸入端直接相連就構(gòu)成了常用的跟隨器，輸出電壓等于輸入電壓，驅(qū)動(dòng)能力大大增強(qiáng)。

圖17：跟隨器

要點(diǎn)：

①圖騰柱是NPN+NPN結(jié)構(gòu)，互補(bǔ)推挽是NPN+PNP結(jié)構(gòu)；

②圖騰柱有非線性特征，只能用于PWM輸出，而互補(bǔ)推挽有線性特征，除了用于PWM輸出外，還可用于模擬信號(hào)輸出；

③圖騰柱多見于PWM芯片驅(qū)動(dòng)，用于直接驅(qū)動(dòng)功率MOS管；互補(bǔ)推挽多見于搭建的電路以及MCU（單片機(jī)）、運(yùn)放等芯片；

④PWM控制時(shí)，圖騰柱輸入電壓可小于驅(qū)動(dòng)電壓，而互補(bǔ)推挽必須是輸入電壓與驅(qū)動(dòng)電壓相等。

關(guān)于圖騰柱和互補(bǔ)推挽，很多時(shí)候都被認(rèn)定是同一個(gè)電路（且存在爭議），其實(shí)不然，正確認(rèn)識(shí)以及了解它們的區(qū)別后，相信讀者對它們有個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。

審核編輯：湯梓紅