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一文详解数字晶体管的原理

作者:时间:2022-08-24来源:罗姆收藏

数字晶体管(Digital Transistor),英文名为Bias Resistor Transistor,是带电阻的晶体管,有的仅在基极上串联一只电阻,一般称为R1,有的在基极与发射极之间还并联一只电阻R2。电阻R1有多种电阻,类似标准电阻系列配制,电阻R2情况类似R1。电阻R1与电阻R2可按多种方式搭配,因此数字晶体管的品种很多。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202208/437660.htm


选定方法


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①使TR达到饱和的IC/IB的比率是IC/IB=20/1

②输入电阻:R1是±30% E-B间的电阻:R2/R1=±20%

③VBE是0.55~0.75V


数字晶体管具有下面的关系式。


■数字晶体管直流电流增益率的关系式


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GI:数字晶体管的直流电流增益率

GI=IO/Iin

hFE=IC/IB

IO=IC , Iin=IB +IR2, IB=IC/hFE , IR2=VBE/R2

电压关系式 VIN=VR1+VBE


■集电极电流关系式


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∴ IC= hFE×((Vin-VBE)/R1 )- (VBE/R2)) ・・・①


※这里所说的hFE是VCE=5V、IC=1mA时的值,不是饱和状态。


作为开关使用时,需要饱和状态的电流比率IC/IB=20/1


∴ IC= 20×((Vin-VBE)/R1 )- (VBE/R2 ))・・・②


将式子①的hFE替换成20/1。


而且,如果在考虑偏差的基础上计算


将R1的最大值+30% R2的最小值-20% VBE的最大值0.75V这一组最差数值代入式子②计算。


根据下面的式子选择数字晶体管的电阻R1、R2,使数字晶体管的IC比使用设备上的最大输出电流Iomax大。


∴ Iomax≦20((Vin-0.75)/(1.3×R1)-0.75/(1.04×R2))


数字晶体管的型号说明


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IO和IC的区别


   ○ IC: 能够通过晶体管的电流的最大理论值

   ○ IO: 能够作为数字晶体管使用的电流的最大值


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解说


DTA/C系列为例,构成数字晶体管的个别晶体管能流过100mA电流。


用IC=100mA定义。个别晶体管连接电阻R1、R2,则成为数字晶体管。


此数字晶体管流过IC=100mA时,基极电流IB需要相对应的电流値,其结果需要高的输入电压VIN。


根据绝对最大额定值限制,由输入电阻R1的功率许容值(封装功率)决定输入电压VIN(max)。电流IC=100mA流过时,可能超过这个额定值,在不超过VIN(max)条件下,数字晶体管中流过的电流值定义为IO。


如您所知,绝对最大额定值被定义为"不能同时提供2项以上",仅用IC标记没有问题,但结合客户实际使用状态,合并标记为IO。


因此电路设计探讨中此IO即为绝对最大额定值。


GI和hFE的区别


   ○ hFE: 作为晶体管的直流电流增幅率

   ○ GI: 作为数字晶体管的直流电流增幅率


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解说


GI和hFE都表示发射极接地直流电流放大率。


数字晶体管是指普通晶体管上连接2个电阻器的晶体管。


直流电流放大率为 输出电流/输入电流 ,因此不因输入电阻R1,放大率下降。仅有输入电阻R1的类型 放大率表示为hFE,与个别晶体管hFE相等。


如果在E-B间附加电阻R2,输入电流则分为流过个别晶体管的电流和流过E-B间电阻R2的电流。


因此放大率比单体时下降。此值称为GI,用以区分。


关于VI(on)和VI(off)的区别


   ○ VI(on)、VI(off)容易被混淆

   ○ VI(on): 数字晶体管为保持ON状态的最低电压、定义VI(on)为min


错误观点


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1:由0开始依次加入输入电压。

2:达到1.8V时,数字晶体管启动。

3:因在规格书规定的3V(min) 以下,故判断为不合格。


正确观点


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A:首先为了启动数字晶体管,加入足够的输入电压Vin(如10V)

B:渐渐降低电压,到规格书规定的3V时停止。

      因仍保持ON状态,故该产品为合格。

C:如果继续降低基极电压,不能完全保持ON状态,而向OFF状态变化。

      因这一变化点在3V以下,故产品为合格。

      

关于数字晶体管的温度特性


根据环境温度、VBE、hFE、R1、R2变化。

hFE的温度变化率约为0.5%/ºC

VBE的温度系数约为-2mV/ºC(-1.8 to -2.4mV/ºC的范围有偏差)


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R1的温度变化率,如下图表。


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关于输出电压 - 输出电流特性的低电流领域(数字晶体管的情况)


数字晶体管的输出电压-输出电流特性,按以下测定方法测定。


IO(低电流区域)条件下,个别晶体管基极没有电流流过。


因此低电流区域输出电压 (VO)[VCE(sat)]上升。


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测定方法 DTC114EKA 的场合 用IO/Ii=20/1测定。


Ii=IB+IR2、(IR2=VBE/10k=0.65V/10k=65μA)


IB=Ii-IR2=Ii-65μA 即Ii在65µA以下时,IB没有电流流过,VO [VCE(sat)]上升。


因此,在低电流区域不能测定VO。


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关于数字晶体管的开关动作


①晶体管的动作


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图1


如图1,输入电压,启动NPN晶体管。


在这个电路中,基极(B)-发射极(E)之间输入顺向电压,注入基极电流。


就是说,在基极(B)领域注入+空穴。


如果在基极(B)领域注入+电子,发射极(E)的载流子-会被吸引至基极(B),但是正极(B)领域非常薄,因此通过加入集电极电压,载流子可以穿越基极(B)流向集电极(C)。


借此,电流可以由集电极(C)→发射极(E)流动。


②开关动作


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图2


晶体管的动作有增幅作用和开关作用。


在增幅作用中,通过注入基极电流IB,能够通过增幅hFE倍的集电极IC。


在活性领域中,通过输入信号持续控制集电极电流,可以得到输出电流。


在开关作用中,在ON时电气性饱和状态(降低集电极-发射极间的饱和电压)下使用。


关于数字晶体管的用语


●  VI(on)Min.:输入电压 (INPUT ON VOLTAGE)


   ○ 向OUT引脚、GND引脚间施加正向电压 (VO),并得到规定的输出电流时需要的最小输入电压,即数字晶体管导通区域的最小输入电压值。


因此,如果要从ON状态变为OFF状态,需要进一步降低该最小输入电压值,所以正常产品的电压值低于这个数值。


●  VI(off)Max.:输入电压 (INPUT OFF VOLTAGE)


   ○ 在向OUT引脚、GND引脚间施加电源电压 (VCC)、输出电流 (IO) 的状态下,IN引脚、GND引脚间得到的最大输入电压,即可以保持数字晶体管OFF状态区域的最大输入电压值。


因此,如果要从OFF状态变为ON状态,需要进一步升高该最大输入电压值,所以正常产品的电压值高于这个数值。


●  VO(on):输出电压 (OUTPUT VOLTAGE)


   ○ 在任意输入条件下不超过绝对最大额定值的输出引脚电压。GND接地放大电路流过充足的输入电流时,输出电压降低,IN、OUT接合也变为正偏压状态。在规定的VO、IO下将II设定为整数(通常10~20)分之一进行测定。


●  II(Max.):输入电流 (INPUT CURRENT)


   ○ 向IN引脚、GND引脚间施加正向电压 (VI) 时,IN引脚连续流过电流的最大输入容许值。


●  GI:GND接地直流电流增益 (DC CURRENT GAIN)


   ○ 在规定的VO、IO条件下的IO/II的比值。


●  R1:输入电阻 (INPUT RESISTANCE)


   ○ 在IN引脚、晶体管基极之间内置的电阻。R1的公差设定为±30%。另外,还会随着温度的变化而变化。


●  R2/R1:电阻比率(RESISTANCE RATIO)


   ○ 晶体管的基极∙发射极之间的电阻与内置输入电阻的比率。




关键词: 罗姆

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