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          一文詳解數(shù)字晶體管的原理

          作者: 時間:2022-08-24 來源:羅姆 收藏

          數(shù)字晶體管(Digital Transistor),英文名為Bias Resistor Transistor,是帶電阻的晶體管,有的僅在基極上串聯(lián)一只電阻,一般稱為R1,有的在基極與發(fā)射極之間還并聯(lián)一只電阻R2。電阻R1有多種電阻,類似標準電阻系列配制,電阻R2情況類似R1。電阻R1與電阻R2可按多種方式搭配,因此數(shù)字晶體管的品種很多。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202208/437660.htm


          選定方法


          7.png


          ①使TR達到飽和的IC/IB的比率是IC/IB=20/1

          ②輸入電阻:R1是±30% E-B間的電阻:R2/R1=±20%

          ③VBE是0.55~0.75V


          數(shù)字晶體管具有下面的關(guān)系式。


          ■數(shù)字晶體管直流電流增益率的關(guān)系式


          8.png


          GI:數(shù)字晶體管的直流電流增益率

          GI=IO/Iin

          hFE=IC/IB

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

          電壓關(guān)系式 VIN=VR1+VBE


          ■集電極電流關(guān)系式


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


          ※這里所說的hFE是VCE=5V、IC=1mA時的值,不是飽和狀態(tài)。


          作為開關(guān)使用時,需要飽和狀態(tài)的電流比率IC/IB=20/1


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


          將式子①的hFE替換成20/1。


          而且,如果在考慮偏差的基礎(chǔ)上計算


          將R1的最大值+30% R2的最小值-20% VBE的最大值0.75V這一組最差數(shù)值代入式子②計算。


          根據(jù)下面的式子選擇數(shù)字晶體管的電阻R1、R2,使數(shù)字晶體管的IC比使用設(shè)備上的最大輸出電流Iomax大。


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


          數(shù)字晶體管的型號說明


          10.png


          IO和IC的區(qū)別


             ○ IC: 能夠通過晶體管的電流的最大理論值

             ○ IO: 能夠作為數(shù)字晶體管使用的電流的最大值


          11.png


          解說


          DTA/C系列為例,構(gòu)成數(shù)字晶體管的個別晶體管能流過100mA電流。


          用IC=100mA定義。個別晶體管連接電阻R1、R2,則成為數(shù)字晶體管。


          此數(shù)字晶體管流過IC=100mA時,基極電流IB需要相對應(yīng)的電流値,其結(jié)果需要高的輸入電壓VIN。


          根據(jù)絕對最大額定值限制,由輸入電阻R1的功率許容值(封裝功率)決定輸入電壓VIN(max)。電流IC=100mA流過時,可能超過這個額定值,在不超過VIN(max)條件下,數(shù)字晶體管中流過的電流值定義為IO。


          如您所知,絕對最大額定值被定義為"不能同時提供2項以上",僅用IC標記沒有問題,但結(jié)合客戶實際使用狀態(tài),合并標記為IO。


          因此電路設(shè)計探討中此IO即為絕對最大額定值。


          GI和hFE的區(qū)別


             ○ hFE: 作為晶體管的直流電流增幅率

             ○ GI: 作為數(shù)字晶體管的直流電流增幅率


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          解說


          GI和hFE都表示發(fā)射極接地直流電流放大率。


          數(shù)字晶體管是指普通晶體管上連接2個電阻器的晶體管。


          直流電流放大率為 輸出電流/輸入電流 ,因此不因輸入電阻R1,放大率下降。僅有輸入電阻R1的類型 放大率表示為hFE,與個別晶體管hFE相等。


          如果在E-B間附加電阻R2,輸入電流則分為流過個別晶體管的電流和流過E-B間電阻R2的電流。


          因此放大率比單體時下降。此值稱為GI,用以區(qū)分。


          關(guān)于VI(on)和VI(off)的區(qū)別


             ○ VI(on)、VI(off)容易被混淆

             ○ VI(on): 數(shù)字晶體管為保持ON狀態(tài)的最低電壓、定義VI(on)為min


          錯誤觀點


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          1:由0開始依次加入輸入電壓。

          2:達到1.8V時,數(shù)字晶體管啟動。

          3:因在規(guī)格書規(guī)定的3V(min) 以下,故判斷為不合格。


          正確觀點


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          A:首先為了啟動數(shù)字晶體管,加入足夠的輸入電壓Vin(如10V)

          B:漸漸降低電壓,到規(guī)格書規(guī)定的3V時停止。

                因仍保持ON狀態(tài),故該產(chǎn)品為合格。

          C:如果繼續(xù)降低基極電壓,不能完全保持ON狀態(tài),而向OFF狀態(tài)變化。

                因這一變化點在3V以下,故產(chǎn)品為合格。

                

          關(guān)于數(shù)字晶體管的溫度特性


          根據(jù)環(huán)境溫度、VBE、hFE、R1、R2變化。

          hFE的溫度變化率約為0.5%/oC

          VBE的溫度系數(shù)約為-2mV/oC(-1.8 to -2.4mV/oC的范圍有偏差)


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          R1的溫度變化率,如下圖表。


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          關(guān)于輸出電壓 - 輸出電流特性的低電流領(lǐng)域(數(shù)字晶體管的情況)


          數(shù)字晶體管的輸出電壓-輸出電流特性,按以下測定方法測定。


          IO(低電流區(qū)域)條件下,個別晶體管基極沒有電流流過。


          因此低電流區(qū)域輸出電壓 (VO)[VCE(sat)]上升。


          17.png


          測定方法 DTC114EKA 的場合 用IO/Ii=20/1測定。


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


          IB=Ii-IR2=Ii-65μA 即Ii在65μA以下時,IB沒有電流流過,VO [VCE(sat)]上升。


          因此,在低電流區(qū)域不能測定VO。


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          關(guān)于數(shù)字晶體管的開關(guān)動作


          ①晶體管的動作


          19.png

          圖1


          如圖1,輸入電壓,啟動NPN晶體管。


          在這個電路中,基極(B)-發(fā)射極(E)之間輸入順向電壓,注入基極電流。


          就是說,在基極(B)領(lǐng)域注入+空穴。


          如果在基極(B)領(lǐng)域注入+電子,發(fā)射極(E)的載流子-會被吸引至基極(B),但是正極(B)領(lǐng)域非常薄,因此通過加入集電極電壓,載流子可以穿越基極(B)流向集電極(C)。


          借此,電流可以由集電極(C)→發(fā)射極(E)流動。


          ②開關(guān)動作


          20.png

          圖2


          晶體管的動作有增幅作用和開關(guān)作用。


          在增幅作用中,通過注入基極電流IB,能夠通過增幅hFE倍的集電極IC。


          在活性領(lǐng)域中,通過輸入信號持續(xù)控制集電極電流,可以得到輸出電流。


          在開關(guān)作用中,在ON時電氣性飽和狀態(tài)(降低集電極-發(fā)射極間的飽和電壓)下使用。


          關(guān)于數(shù)字晶體管的用語


          ●  VI(on)Min.:輸入電壓 (INPUT ON VOLTAGE)


             ○ 向OUT引腳、GND引腳間施加正向電壓 (VO),并得到規(guī)定的輸出電流時需要的最小輸入電壓,即數(shù)字晶體管導(dǎo)通區(qū)域的最小輸入電壓值。


          因此,如果要從ON狀態(tài)變?yōu)镺FF狀態(tài),需要進一步降低該最小輸入電壓值,所以正常產(chǎn)品的電壓值低于這個數(shù)值。


          ●  VI(off)Max.:輸入電壓 (INPUT OFF VOLTAGE)


             ○ 在向OUT引腳、GND引腳間施加電源電壓 (VCC)、輸出電流 (IO) 的狀態(tài)下,IN引腳、GND引腳間得到的最大輸入電壓,即可以保持數(shù)字晶體管OFF狀態(tài)區(qū)域的最大輸入電壓值。


          因此,如果要從OFF狀態(tài)變?yōu)镺N狀態(tài),需要進一步升高該最大輸入電壓值,所以正常產(chǎn)品的電壓值高于這個數(shù)值。


          ●  VO(on):輸出電壓 (OUTPUT VOLTAGE)


             ○ 在任意輸入條件下不超過絕對最大額定值的輸出引腳電壓。GND接地放大電路流過充足的輸入電流時,輸出電壓降低,IN、OUT接合也變?yōu)檎珘籂顟B(tài)。在規(guī)定的VO、IO下將II設(shè)定為整數(shù)(通常10~20)分之一進行測定。


          ●  II(Max.):輸入電流 (INPUT CURRENT)


             ○ 向IN引腳、GND引腳間施加正向電壓 (VI) 時,IN引腳連續(xù)流過電流的最大輸入容許值。


          ●  GI:GND接地直流電流增益 (DC CURRENT GAIN)


             ○ 在規(guī)定的VO、IO條件下的IO/II的比值。


          ●  R1:輸入電阻 (INPUT RESISTANCE)


             ○ 在IN引腳、晶體管基極之間內(nèi)置的電阻。R1的公差設(shè)定為±30%。另外,還會隨著溫度的變化而變化。


          ●  R2/R1:電阻比率(RESISTANCE RATIO)


             ○ 晶體管的基極?發(fā)射極之間的電阻與內(nèi)置輸入電阻的比率。




          關(guān)鍵詞: 羅姆

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