一文详解数字晶体管的原理

品慧电子讯数字晶体管（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I_C/I_B的比率是I_C/I_B=20/1

②输入电阻：R₁是±30% E-B间的电阻：R₂/R₁=±20%

③V_BE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

G_I：数字晶体管的直流电流增益率

G_I=I_O/I_in

h_FE=I_C/I_B

I_O=I_C , I_in=I_B +I_R2, I_B=I_C/h_FE , I_R2=V_BE/R₂

电压关系式 V_IN=V_R1+V_BE

■集电极电流关系式

∴ I_C= h_FE×((V_in-V_BE)/R₁ )- (V_BE/R₂)) ???①

※这里所说的h_FE是V_CE=5V、I_C=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I_C/I_B=20/1

∴ I_C= 20×((V_in-V_BE)/R₁ )- (V_BE/R₂ ))???②

将式子①的h_FE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% V_BE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I_C比使用设备上的最大输出电流Iomax大。

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

数字晶体管的型号说明

I_O和I_C的区别

○ I_C: 能够通过晶体管的电流的最大理论值

○ I_O: 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I_C=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I_C=100mA时，基极电流I_B需要相对应的电流値，其结果需要高的输入电压V_IN。

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V_IN(max)。电流I_C=100mA流过时，可能超过这个额定值，在不超过V_IN(max)条件下，数字晶体管中流过的电流值定义为I_O。

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I_C标记没有问题，但结合客户实际使用状态，合并标记为I_O。

因此电路设计探讨中此I_O即为绝对最大额定值。

G_I和h_FE的区别

○ h_FE: 作为晶体管的直流电流增幅率

○ G_I: 作为数字晶体管的直流电流增幅率

解说

G_I和h_FE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h_FE，与个别晶体管h_FE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G_I，用以区分。

关于V_I(on)和V_I(off)的区别

○ V_I(on)、V_I(off)容易被混淆

○ V_I(on): 数字晶体管为保持ON状态的最低电压、定义V_I(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V_in(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、V_BE、h_FE、R₁、R₂变化。

h_FE的温度变化率约为0.5％/oC

V_BE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。

I_O（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 (V_O)[V_CE(sat)]上升。

测定方法 DTC114EKA 的场合用I_O/I_i=20/1测定。

I_i=I_B+I_R2、(I_R2=V_BE/10k=0.65V/10k=65μA)

I_B=I_i-I_R2=I_i-65μA 即Ii在65μA以下时，I_B没有电流流过，V_O [V_CE(sat)]上升。

因此，在低电流区域不能测定V_O。

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I_B，能够通过增幅h_FE倍的集电极I_C。

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

● V_I(on)Min.：输入电压 (INPUT ON VOLTAGE)

○ 向OUT引脚、GND引脚间施加正向电压 (V_O)，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。

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

○ 在向OUT引脚、GND引脚间施加电源电压 (V_CC)、输出电流 (I_O) 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。

● V_O(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V_O、I_O下将II设定为整数（通常10~20）分之一进行测定。

● I_I(Max.)：输入电流 (INPUT CURRENT)

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

● G_I：GND接地直流电流增益 (DC CURRENT GAIN)

○ 在规定的V_O、I_O条件下的I_O/I_I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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