一文詳解數字晶體管的原理

數字晶體管（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一只電阻，一般稱為R1，有的在基極與發射極之間還并聯一只電阻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，因此數字晶體管的品種很多。

選定方法

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

數字晶體管具有下面的關系式。

■數字晶體管直流電流增益率的關系式

GI：數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

電壓關系式 VIN=VR1+VBE

■集電極電流關系式

∴ 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。

作為開關使用時，需要飽和狀態的電流比率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這一組最差數值代入式子②計算。

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

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

數字晶體管的型號說明

IO和IC的區別

   ○ IC: 能夠通過晶體管的電流的最大理論值

   ○ IO: 能夠作為數字晶體管使用的電流的最大值

解說

DTA/C系列為例，構成數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，則成為數字晶體管。

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

根據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，但結合客戶實際使用狀態，合并標記為IO。

因此電路設計探討中此IO即為絕對最大額定值。

GI和hFE的區別

   ○ hFE: 作為晶體管的直流電流增幅率

   ○ GI: 作為數字晶體管的直流電流增幅率

解說

GI和hFE都表示發射極接地直流電流放大率。

數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，用以區分。

關于VI(on)和VI(off)的區別

   ○ VI(on)、VI(off)容易被混淆

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

錯誤觀點

1：由0開始依次加入輸入電壓。

2：達到1.8V時，數字晶體管啟動。

3：因在規格書規定的3V(min) 以下，故判斷為不合格。

正確觀點

A：首先為了啟動數字晶體管，加入足夠的輸入電壓Vin(如10V)

B：漸漸降低電壓，到規格書規定的3V時停止。

      因仍保持ON狀態，故該產品為合格。

C：如果繼續降低基極電壓，不能完全保持ON狀態，而向OFF狀態變化。

      因這一變化點在3V以下，故產品為合格。

關于數字晶體管的溫度特性

根據環境溫度、VBE、hFE、R1、R2變化。

hFE的溫度變化率約為0.5％/oC

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

R1的溫度變化率，如下圖表。

關于輸出電壓 - 輸出電流特性的低電流領域(數字晶體管的情況)

數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（低電流區域）條件下，個別晶體管基極沒有電流流過。

因此低電流區域輸出電壓 (VO)[VCE(sat)]上升。

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，在低電流區域不能測定VO。

關于數字晶體管的開關動作

①晶體管的動作

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)領域注入+空穴。

如果在基極(B)領域注入+電子，發射極(E)的載流子-會被吸引至基極(B)，但是正極(B)領域非常薄，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)→發射極(E)流動。

②開關動作

圖2

晶體管的動作有增幅作用和開關作用。

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。

在活性領域中，通過輸入信號持續控制集電極電流，可以得到輸出電流。

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

關于數字晶體管的用語

●  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)，并得到規定的輸出電流時需要的最小輸入電壓，即數字晶體管導通區域的最小輸入電壓值。

因此，如果要從ON狀態變為OFF狀態，需要進一步降低該最小輸入電壓值，所以正常產品的電壓值低于這個數值。

●  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) 的狀態下，IN引腳、GND引腳間得到的最大輸入電壓，即可以保持數字晶體管OFF狀態區域的最大輸入電壓值。

因此，如果要從OFF狀態變為ON狀態，需要進一步升高該最大輸入電壓值，所以正常產品的電壓值高于這個數值。

●  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接合也變為正偏壓狀態。在規定的VO、IO下將II設定為整數（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、晶體管基極之間內置的電阻。R1的公差設定為±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?發射極之間的電阻與內置輸入電阻的比率。