什么是内置偏置电阻型晶体管?

科技   2024-09-01 09:02   广东  


偏置电阻内置晶体管(BRT)是指通用小信号双极晶体管,它具有由串联基极电阻和基极发射极电阻组成的偏置网络。将偏置电阻内置于晶体管,BRT有助于减少所需外部组件的数量,简化分立电路配置。BRT通常用于开关应用。

由于MOSFET具有高速开关、低电流消耗和导通电压、低驱动电压等特点,因此出现了用MOSFET代替内置电阻晶体管。


NPN偏置电阻内置晶体管示例


电阻内置型晶体管的基本

电阻内置型晶体管是在双极晶体管上添加电阻,又叫做数字晶体管。

(1) 关于电阻R1

电阻R1的作用:把输入电压转变为电流使晶体管的工作稳定。在IC和基极端口间加入电阻(输入电阻)作为电流控制工作,可以使(双极晶体管的)工作稳定。这是因为输出电流对于输入电压呈指数级变化,而对于输入电流成线性变化。内置这个输入电阻的R1的就是电阻内置型晶体管。


工作不稳定

在输入电压下工作不稳定(输出电流对于输入电压呈指数级变化)


工作稳定


(通过)增加输入电阻变为输入电流(基极电流:IB)使工作稳定(输出电流对于输入电流呈线性变化)

(以下)比较输入电压、电流的情况下晶体管的工作


观察输入-输出特性,可知对于右侧的电流控制下输出对输入呈线性变化,左侧的电压控制下输出对输入呈指数级变化。也就是,在电压控制下输入的极小变化会导致输出电流的很大变化,工作变不稳定。例如在右图中,输入电流从40μA 到80μA变为2倍时输出电流从9mA到18mA也变为2倍,可是左图中输入电压从0.7V到0.8V仅变化14%输出电流却从10mA到70mA变为7倍。在此,在输入电压中即使只产生极小的噪音输入电流也会大幅变化,不适合实际使用。

像这样,因为双极晶体管在电流控制下相对稳定,要把从IC输出的电压变为基极电流需要(加入)输入电阻R1。因为数字晶体管内置有R1,所以适合于节省部件个数和空间。

(2) 关于R2

电阻R2的作用:吸收漏电流,防止误动作。电阻R2通过使从输入一侧进入的漏电流和噪音接地从而防止晶体管的误动作。



如果是微弱电流可以把输入电流全部接地,如果输入电流变大,部分输入电流回开始流入晶体管的基极,晶体管打开。



像这样,依靠电阻R2实现了稳定的工作,可是因为要使晶体管变为“开”,需要一定以上的电压。

电阻内置晶体管的计算方法

(1)基极电流的计算

用电阻内置晶体管的实例说明基极电流的计算。

电阻内置型晶体管工作时有沿着内置晶体管的发射极-基极间(EB间)正向流过的基极电流,EB间施加有正向电压(25℃で约0.7V)。因为电阻内置型晶体管中内置晶体管的EB间和电阻R2是并联连接,所以R2也同样被施加有0.7V(电压)。因此,可知R2中有电流流过。

输入电压Vin为5V的情况下,IN端口的电位是5V,因为内置晶体管的EB间电位差是0.7V,可知R1两端施加有电压。因此可知R1中有电流流过。

因此,可知内置晶体管的基极中有电流流过。

通过这样的计算可以算出流入内置晶体管的基极电流。要把电阻内置型晶体管充分打开(=减小输出电压Vo(on))需要输出电流Io到流入内置晶体管的基极电流的约10~20倍左右以下,请调整输出电流和输入电压。输入电压Vin不足,无法使足够的输入电流流过的情况下,请使用输入电阻R1小的电阻内置型晶体管。

虽然温度为25℃时发射极-基极间的正向电压约为0.7V,温度变化的情况下,每上升1℃正向电压约减少 2.2mV。


例如,在50℃时约为


相反,降到-40℃的情况下约为


像这样,因为根据温度的变化正向电压Vf也变化,所以请注意。另外,在25℃时的正向电压为0.7V只是标准。请注意有±0.1左右的上下浮动。再加上,因为内置电阻R1、R2中有30%左右的偏差,把以上的计算作为标准,请计算和考虑电阻最坏的情况。

(2) 所需最低的输入电压(驱动电压)的计算

用电阻内置型晶体管的实例说明使其为“开”的输入电压(驱动电压)。

因为电阻内置型晶体管工作时在EB间有正向电流流过,所以(EB间电压)=(EB间正向电压:约0.7V)=(R2两端施加的电压)成立

因为电阻内置型晶体管工作时在发射极-基极间(EB间)有正向的基极电流流过,所以EB间施加有正向电压(25℃时约0.7V)。因为在电阻内置型晶体管中内置晶体管的EB间和电阻R2是并联连接,所以R2上也同样施加有0.7V的电压。因此,可知R2中有电流
流过。

R2中流过的70μA,也流过R1。

因此,可知在R1的两端也施加有的电压。把R1的0.7V和内置晶体管的EB间的0.7V相加,可知打开电阻内置型晶体管所需的输入电压合计为1.4V。



根据以上信息,将正向电压作为Vf,使驱动电阻内置型晶体管的电压Vi(on)一般化,就有

。从这个结果可知电阻内置型晶体管的驱动电压是由R1和R2的比决定的。

实际上根据电阻比率和vf的偏差上述的驱动电压有20~30%的偏差以外,由温度变化产生的变动也只是作为标准,实际使用的时候请确保足够的余量进行设计。准确来讲,请按照在25℃下的输出电流为100μA左右的情况下为
左右、输出电流为1mA左右的情况下为左右的标准来计算。

以上计算的电压只是开始驱动的电压。

实际要流过一定程度的输出电流,在上述条件以外要使输出电流的约1/20以上的电流流入内置晶体管的基极,因此需要的输入电压更大。以上的例子是在npn型(半导体)的情况下考虑,因为在pnp型(半导体)vf的值基本相等,所以同样的计算成立。

来源:toshiba、chip1stop官网



 



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