一文详解数字晶体管的原理

【导读】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。

选定方法

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

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

∴ 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

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

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

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

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

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)

R1的温度变化率，如下图表。

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。

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。

关于数字晶体管的开关动作

①晶体管的动作

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

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。

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