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双极结型三极管(Bipolar Junction Transistor, BJT)的开关用法

时间:2024-08-02 21:26:02浏览次数:18  
标签:Junction 双极 Transistor 三极管 基极 Ic Ib 电流 饱和

        像下面这种点亮LED的电路十分简单。然而对于初学者来说,可能仍有许多细节不甚清楚。许多电路需要根据经验设计,而初学者没有经验。例如,各种三极管b-e之间导通压降一律取0.7V真的没问题吗?限流电阻R1、R2要大,到底是多大?c-e之间的电压降是多少?LED工作在什么样的环境下?b-e间到底要不要加其它阻容元件?

        本文致力于清楚说明这些问题,将先介绍双极结型三极管(以下简称为BJT或三极管、“管子”)的工作原理,尤其关注它的输入、输出特性;随后一步步选取实际元件搭起这个电路,并指出一些细节问题。

        由于笔者能力有限,本文略长,还请耐心。推荐csdn网页端阅读。


 一、BJT的电流分配

1.1 结构

        下面是一些BJT的外观。功率越大(能通过的电流越大),为了增大散热面积,尺寸会越大。图片展示的三极管功率从几百毫瓦到数百瓦不等。最右边的金属壳封装在过去流行,如今中间的塑料模压封装表现更好,更常见。

        BJT和MOSFET都可以作为开关使用。MOSFET和BJT长得很像,它们的区别可以参考下面的链接。MOSFET比起BJT有着诸多优点,目前有取代的趋势;在低功耗时,二者差异不大,BJT略便宜些。BJT随处可见,很适合作为放大器、振荡器、恒流电路开关,在MOSFET的冲击下仍具有生命力。一文搞懂MOSFET和BJT的18点区别_华秋华哥icon-default.png?t=N7T8https://baijiahao.baidu.com/s?id=1734241866055821973&wfr=spider&for=pc

        双极结型三极管分为NPN和PNP型,均包含三个区:发射区、基区、集电区,并引出三个电极:发射极e(emitter)、基极b(base)、集电极c(collector)。两个区之间形成一个P-N结,如图1.1所示。从制造上来看有这些特点:

  • 发射区高掺杂,即发射区载流子(电子或空穴)浓度很高。
  • 基区很薄(微米级),低掺杂。
  • 集电区与基区接触面积大,正常掺杂。

纯硅在室温下导电性能不强。掺杂是指往4价硅晶体中掺入5价或3价的元素,这些“卧底”混入其中与硅形成共价键结合时,会多一个电子或缺一个电子(多出一个空穴)。掺杂5价元素的是N半导体,含有更多的自由电子;掺3价的是P半导体,有许多位置急需被电子填补。“高掺杂”指掺杂元素的含量高。

        电流分配是三极管的重要特征,三极管的电流是载流子在三个区之间移动形成的。图1.1最右侧的图片是外加电源使b-e发射结正偏,b-c集电结反偏的情况,这种工作状态很重要,需要熟悉。此时集电极电位最高,基极次之,发射极最低,而且两个电源的负极和发射极连在一起,作为参考平面(地)。b-e之间有电流流过,因为它们之间的P-N结正偏;而跨过集电结的电流,是由电子扩散形成的。

图1.1 NPN三极管的几种示意图

1.2 初步认识各极电流大小

        本节内容说明BJT有哪些电流需要注意,对这些电流的大小有初步概念。

        发射极电流I_{E}:电流大。

        基极电流I_{B}:相比发射极和集电极电流而言,基极电流较小。基极电流分为两个部分,一是发射结正偏流出基极的部分,另一个是集电结反偏流入基极的部分——因为c极电位更高。前一个占绝大部分,后一个称反向饱和电流Icbo,下面还会提到。

        集电极电流Ic:与发射极电流接近,差值是基极电流。

        如图1.2(a)展示了合科泰S8050NPN三极管的输出特性曲线,关注电流数量级大小即可。基极电流均是几十到数百微安级别,远小于Ic的毫安级。在规格书中能找到的最大值是50mA,见图1.3中倒数第二、三行最后一栏中的测试条件。安森美KSC5027的规格书中则明确Ib最大1.5A,但工作在放大区时是毫安级别,远小于Ic的安级。因此工程上经常认为,集电极电流 = 发射极电流I_{C}=I_{E}其中有基极电流的误差。贴出售卖链接,页面下方可以找到技术规格书:

合科泰S8050icon-default.png?t=N7T8https://item.szlcsc.com/192555.html?fromZone=s
安森美KSC5027icon-default.png?t=N7T8https://item.szlcsc.com/965011.html?fromZone=s

图1.2 (a)S8050不同基极电流下的输出特性(b)KSC5027不同基极电流下的输出特性

        还有几个不那么重要的电流参数,它们表示,就算P-N结在反偏时,也不可能完全绝缘,会有电流流过。I_{CBO}:给c-b两极(c极高电位)加上电压、发射极开路时流过的电流,此时集电结反偏。类似地,将基极开路,外部电源加在c-e(c极高电位)也会产生电流,称作I_{CEO},此时集电结反偏;将集电极开路则是I_{EBO},此时发射结反偏。这三个漂移电流易受温度影响,但它们也不会大到哪儿去。还是上面的S8050,下图1.3可看出,这些电流比基极电流还要小几个数量级,常常忽略,只有在严格控制待机功耗时才会关注。

图1.3 S8050室温下的一些参数测试

这些电流称作反向饱和电流。像图1.1右图那样,当b-e正偏,b-c反偏时,基极电流 = 流向发射极的电流 - 来自集电极的Icbo。因为太小常常忽略。

漂移电流是指载流子在电场的作用下运动形成的电流,扩散电流则是指载流子作热运动扩散时形成的电流。

1.3 BJT的“放大” 

        本节说明BJT工作的过程。

        为什么三极管能放大电流?能量还守恒吗?问题需要从微观层面解释,“放大”的描述很有迷惑性,让人联想到拿放大镜看东西,要观察的东西被放大了。而实际上输入的Ib没有变大,它只起了带动作用。

        假设给NPN型管的b-e间加正偏电压,c-e用导线连接形成回路。在b-e正偏电压下,发射区电子闻风而动,被电场推着漂移进基区,发射区掺杂度越高,b-e正偏电压越高,这个漂移电流(Ie)越大。如果基区很厚而且有很多空穴,那大部分电子都可以按部就班地与这些空穴复合、从基极流出去(Ib),基极电流会很大。然而基区情况相反,大部分电子进入基区时发现没有“停车位”迟迟落不住脚,还不断有新的电子涌入,这些挤在一起的电子很快扩散到集电区——基区越薄,集电区与基区接触的面积越大,这个扩散电流(Ic)就越大(当然,扩散也与浓度、温度有关,但这里不是主要原因)。但是,由于此时b-c间也是正偏,电场会阻碍电子继续向集电极运动。如果将c-e间的导线换成能使b-c反偏的电源,就像图1.1那样,电子将由受电场阻碍的热扩散转为受电场推动的漂移运动,Ic将迅速增大。

        对于同一个三极管来说,它的内部结构在制造出来时就已经确定了,当加在c-e上的电压固定后,三极管就是受b-e电压控制的电流源,Ube为输入,Ic为输出。所以三极管的经典用法是发射结正偏,集电结反偏,负载串联在b-e所在回路,获得大电流并能被控制。在下一章分析输入特性时会解释,为什么实际设计时,输入不是去调整Ube而是盯住Ib,从而衍生出“放大”的说法。

        为帮助理解,贴一个b站视频的链接,里面有相关动画过程:终于有人讲了,凭什么三极管能放大?_华秋商城_哔哩哔哩icon-default.png?t=N7T8https://www.bilibili.com/video/BV1fB4y147Gn/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click

        实验测试表明,当三极管工作在放大区时,Ic和Ib能按照一定比例变化,共射极接法时用共射直流电流放大系数——β描述这个比例,理论推导可以移步杨素行《模拟电子技术基础简明教程第三版》(下简称《模电》)13页。笔者认为大致了解即可,不用过于抠细节,因为实际器件不是算出来的。计算只能起到总结规律的作用,我们需要在实验测量和应用中掌握它。上面的分析表明,β与发射区掺杂度、b-c结面积密切相关。β在技术规格书中记作h_{FE},其中的E指common emitter共发射极,全称“共发射极低频小信号输出交流短路电流放大系数”,见图1.3的DC current gain(直流电流增益,或称直流放大倍数)一栏。需注意hFE并不是一个恒定不变的参数,它会随着温度、Ic、信号频率的变化而变化,在电路设计时要小心。

二、BJT的特性曲线

        BJT的输入、输出特性曲线可以较全面地描述各极间电压与电流的关系,是它的“个人简历”。

2.1 输入特性

        本节通过BJT的输入特性,描述文章开头LED电路工作时,b-e间的情况。

        三极管的输入特性指,当c-e电压不变时,Ib和b-e间电压的关系,可理解为b-e间的伏安特性。

        各家给出的输入特性曲线大同小异。如下图2.1是某NPN硅管的输入特性。详细了解特性曲线可移步《模电》14页,书本从微观角度简单说明了:1)为什么Uce = 0时的曲线就是二极管的特性曲线。2)为什么随着Uce的增大,曲线会右移。3)为什么曲线的这种右移会变得越来越“艰难”,以至于在Uce大于某一值时,几乎完全重叠在一起。图中可以看到:

图2.1 某硅管的输入特性

1、当Ube在0.6-0.7V范围时(尤其Uce=0时),即使Ib大范围变化,Ube也稳如老狗地呆在这个区间中。

2、当Ube大于某个值(图中约为0.5V)时,基极电流迅速增大。然而基区很薄,基极电流Ib的大小必须控制在允许值以内,否则将导致管子损坏。当基极电流很小时,从基极看进去的输入电阻很大。比如,当Vce = 0,Vbe = 0.6V时,Ib约为50μA,此时可以看成一个约为0.6V / 50μA = 12kΩ的电阻。

3、b-e间是一个P-N结。不同管子的输入特性不同,但大体规律相同。

        回到文章最开头的单片机点亮LED电路,假设三极管的输入特性是图2.1中Vce = 0.3V的那条曲线。如果不加限流电阻R2,那Ube = 3.3V,曲线会飙上天去,大电流损坏单片机和三极管。如果加一个小电阻R2 = 10Ω,曲线往上飙时,逐渐增大的电流会在R2上产生压降,这个压降不可能超过3.3V使基极电位变成负数。这样电流就被限制住了,退一万步说,回路中的电流不会超过0.33A。当然电流肯定达不到这么大,Ube会分压。也许能隐约感觉到,电阻还不够大,Ube分的电压肯定要比0.7V大不少,最后结果还是坏掉。所以合适的限流电阻R2很有必要。如果把R2加在了发射极,b-e限流的效果是相同的。但若c-e间有电流,也会受到限制,往往不希望这样,因为负载接在其中;除非负载需要的电流真的只有基极电流大小,而且对电压有要求,GPIO的3.3V不够用。

        假设想要Ib = 100μA,由2.1的特性曲线,目测Ube实际上在0.66V左右,限流电阻要达到千欧级别。如果按0.7V来算,差了0.04V。要知道单片机I/O口的电压也不是准确的3.3V,相比起来,这个误差并不大。正是因为正常工作时b-e间电压的稳定,才近似将它看成0.7V。不过,基极电流仍可能会有较大偏移,比如曲线上看0.7V时,基极电流偏大到了180μA左右(类似地,也有可能偏小)。所以在设计使管子饱和的基极电流时,会留出偏移的裕量。如果Ib = 100μA时管子饱和,将其翻倍,按Ib = 200μA来选择限流电阻R2。这种手法在下面的实例中还会看到。

图2.3 2N2222饱和导通时的b-e电压为0.7V左右

实际上BJT的基极电流比较复杂。如果对《模电》14页关于输入特性的解释仍不满意,推荐文献:

[1]张治国.双极型晶体管输入特性曲线解释补略[J].大学物理,1996,15(09):42-43.

本文短小精悍。介绍了基极电流组成;b-e正偏时,c-e用导线直连(Uce = 0)加电源使集电结反偏(Uce ≥ 1V)时基极电流的变化;以及在此基础上说明为什么输入特性会随Uce增大右移。

2.2 输出特性

        本节介绍BJT的三个工作区及特点,说明文章开头的LED电路里的三极管为什么要工作在饱和区、如何饱和。

        三极管的输出特性是指,当基极电流不变时,Ic和Uce之间的关系,可以理解为固定b-e电流时,c-e两端的伏安特性。前面的图1.2就是两个实际元件的输出特性曲线。初看输出特性时可能有些别扭,由于认为Ib是输入、Ic是输出,我们需要抓住这俩的关系,而不是坐标轴上的Uce和Ic。

图2.4 某BJT的输出特性

        为方便,用图2.4分析。有五条曲线,对应不同的基极电流;三个区域——饱和区、放大区、截止区。三极管正常工作时,总能在其中一个区域找到它的位置。

        首先看看截止区,它说明三极管得有Ib,才能得到想要的的Ic,否则只有穿透电流Iceo。

        再看看范围宽广的放大区。假设现在一个三极管,已经有了Ib,Uce也蛮大的,工作在放大区。在放大区,Ic的大小几乎不随Uce变化,只与Ib有关——这呼应了1.3节的结论,某些时候,Ic和Ib确实存在比例关系。可看出图2.4中管子的hFE为50左右:Ib为20μA时,Ic约1mA;40μA时,Ic约2mA······

        在饱和区,这种比例关系不再存在。饱和区简直是另一个世界,不管三极管工作在放大区时Ib是多少,当Uce下降到一定程度时,Ic统统骤降——毕竟,这本质上是c-e的伏安特性,电压没有了,电流自然会消失。

        如图2.5电路,从Ib是否变化的角度分析Ic变化情况,看看三极管是如何从放大走向饱和的。

图2.5

        Ib不变,R增大:假设三极管最开始工作在放大区。电阻R遵从欧姆定律,上面的电压降落逐渐增大,集电极电位不断降低。根据输出特性,最开始Ic几乎没有变化,与Ib保持着比例关系。当集电极c的电位下降到一定程度时,c-e间建立的电场,终于无力维持先前工作在放大区时载流子的运动,Ic随R的增大剧烈下降,来到饱和区。此时如果R作相反的变化,三极管会从饱和区又回到放大区。

        Ib增大,R不变:假设三极管最开始工作在放大区。Ic跟随Ib增大,R的压降逐渐增大,导致集电极电位降低,结果一样,最终来到饱和区。到达饱和区后,Uce的下降对Ic的减益和Ib的增加对Ic的增益互相抵消,Ic变为恒定值,Ib失去对Ic的控制。此时如果Ib作相反的变化,三极管会从饱和区又回到放大区。

        当三极管工作在饱和区时,Ic变得恒定、足够且不随Ib变化;当Ib减小到0,三极管工作在截止区时,Ic变为穿透电流,几乎为0。这不就是开关吗,Ib是闸刀,b、e是接线端子。

        从输出特性可以看到,当三极管以饱和状态工作时,c-e间电压降很小,甚至可以将它们看作用导线直连在一起,故有饱和导通一说。另外,不仅是因为放大区的Ic不稳定,只看c-e的话,根据功率定义P = UI,三极管工作在放大区时的功率比饱和区大得多即使在饱和区,也是越饱和功率越低。因此当把三极管作为开关使用时,应使其工作在饱和区,而且充分饱和,一来降低功耗,二来不让它轻易回到放大区。

        根据上面的分析,充分饱和有两种方法:增大R或Ib。然而增大R会限制Ic,Ic是提供给负载的电流;或者R本身就是负载,不能变动。所以一般会设法增大Ib。2.1结尾处翻倍Ib留出偏移裕量的做法即是如此——大的Ib更容易饱和,能允许更多误差。

图2.6 2N2222饱和导通时的c-e电压降在8mV左右

文章开头的LED电路里(或见下面的图3.3),在三极管关断时,c-e电压就是5V吗?LED用小帽子形状的直插发光二级管时,阳极的电压测得是稳稳的5V,与集电极相连的阴极却比阳极低了约1.2V(它的导通压降约1.8V)——因为二极管是非线性元件,这说明,有些型号的二极管,即使在通过微安级别很小的电流时,也能产生不可忽略的压降。技术规格书上的这段曲线基本上看不出什么信息,如图3.5右侧图片,从0开始到约1.7V很长一段曲线,电流似乎都是0——实际上并不是,而是很小很小。

三、BJT的使用

3.1 要关注的数据

        在实际应用时,需要关注管子的极限参数和一些特性曲线。

3.1.1 极限参数

图3.1 S8050的极限参数​​​​​

        如图3.1是一款三极管的极限参数。从上到下依次展示了它c-b间能施加的最大反向电压、c-e间能施加的最大反向电压、e-b间能施加的最大反向电压、最大集电极电流Ic、最大允许耗散功率、结到空气的热阻系数、最大结温、存储温度。前面四个参数很好理解。最大允许耗散功率是指器件的工作功率不能过大,即Uce与Ic的乘积不能超过这个值,否则器件温度将过高,严重影响性能甚至损坏。详细了解最大耗散功率请移步《模电》18页。见图3.2输出特性曲线,规格书中的Vceo对应过压区界线,Ic对应过流区界线,Pc对应过损耗区界线。这三个边界与横轴围成的区域是安全工作区。

图3.2

        如果器件应用在恶劣环境,就要关注温度参数,这里贴上哈哈哈士奇的博客《芯片热阻系数学习 芯片温度》作为参考:

芯片热阻系数学习 芯片温度icon-default.png?t=N7T8https://blog.csdn.net/m0_37571330/article/details/90454100

3.1.2 特性曲线

        特性曲线直观易懂,具体的模样可以在技术规格书里找到。这里介绍一些英文的含义。

  • DC current gain h_{FE}:直流电流增益 ,或称直流放大倍数,表示Ic与Ib之间的比例关系。
  • Collector-Emitter Saturation Voltage V_{CE(sat)}:c-e极饱和状态下的压降。下标中的“(sat)”指saturation [ˌsætʃəˈreɪʃn] n.饱和;饱和状态
  • Base-Emitter Saturation Voltage V_{BE(sat)}:b-e极在饱和状态下压降。
  • Transition Frequency f_{T} :截止频率,BJT从放大状态转变为截止状态的信号频率点。这个参数在设计管子工作在放大区时会用到。

3.2 电路实例

3.2.1 NPN型BJT的开关用法

        三极管“要么饱和导通,要么截止关断”的开关工作方式在数字电路中常见。它工作在饱和区还是截止区,输入的基极电流是关键。

图3.3 单片机点亮LED电路

        如图3.3是一个单片机驱动BJT点亮LED灯电路。由于单片机IO口驱动能力十分有限,一般不用它直接驱动LED。图3.4是STM32F103C8T6单片机IO口电流的Absolute maximum ratings(绝对最大额定参数,即极限参数),相关参数不应超过这个值。可看到单个IO口的输出电流不能超过25mA,且全部的IO口加起来不能超过150mA。ESP32系列芯片单口输出最大40mA,全部IO输出最大1.1A,要强一些。图3.5展示了某款贴片LED的工作特性,这款LED如果直接用单片机驱动,电流会超出允许值,器件很可能损坏。贴片LED的工作电流一般在1mA-20mA,用I/O直接驱动,实在奢侈,相比之下,用BJT驱动时,仅消耗微安大小的基极电流。

图3.4 STM32F103x8系列单片机的IO口电流参数
图3.5 XINGLIGHT XL-1608SURC-06贴片发光LED参数(0603封装)

         现假设Q1使用图1.2(a)中的S8050;LED1使用上图3.5中的贴片发光二极管,不考虑环境温度,让灯发出1流明的光线,那么它的工作电流是20mA,电压降2.3V。需要设置R1、R2。

        由1.2(a)中S8050的输出特性能看到,当三极管饱和导通、Ic = 20mA时,Ib > 100μA即可保证工作在饱和区。无论Ib多大,c-e间的压降都非常小,而且基极电流越大,压降越小。从输出特性曲线目测不到0.1V,从Vce(sat) - Ic曲线来参考为20mV(见图3.6左)。因此计算R1时,c-e间压降忽略不计。当然,如果管子的功率更大,c-e间的压降也可能会更大,比如1.2(b)中的安森美KSC5027,在Ib = 60mA、Ic = 0.8A时,处于刚刚饱和的状态,c-e间压降达0.5v左右。

图3.6 S8050饱和压降Vce(sat)和Vbe(sat)的参考曲线

        R1 = (Vcc - LED在20mA电流下的压降 - Vce(sat)) / 电流 = (5 - 2.3 - 0)V / 0.02A =135Ω

        商店里只能找到130Ω的电阻,选取之。从1.2(a)中可以看到,Ib = 100μA就可以让BJT饱和,为了使其充分饱和、留出裕量,使用翻倍Ib的经验方法控制R2使Ib = 200μA。更大一些也可以,不过会稍稍增加单片机I/O口的负担。Vbe的饱和导通电压可以根据经验取值0.6-0.8V,也可以参考规格书中的曲线(见图3.6右),目测接近0.7V。

并不是所有阻值的电阻都能买到。5%和1%不同精度的电阻,能买到的阻值范围也不同。

        R2 = (I/O口高电平 - Vbe(sat)) / Ib = (3.3 - 0.7)V / 200μA = 13kΩ

        也有简便但不那么精确的经验公式:Ib > Ic / hFE 。由于hFE是一个根据条件变化的值,查阅参数后,只能根据经验选取。如此例中的S8050器件,规格书中给出的hFE是120到400,而且有附加条件(Vce = 1V,Ic = 50mA)。随便取一个中间比较平均的数值,比如中位数260。根据公式,Ib需大于77μA,再取Vbe = 0.7V计算R2最大为33.8kΩ。实际上,根据特性曲线,此时的Ib太小,并不能使三极管饱和。如果采用翻倍法,哪怕非常极端地取了最大的hFE值(这里是400),最后得到Ib为100μA,根据曲线,器件也是可以工作在饱和区的。可见,使计算出的Ib翻倍的手法很有必要,甚至有时觉得翻一倍还不够稳妥。它可以解决0.7V误差、解决hFE误差、使三极管更加饱和。

3.2.2 PNP型BJT的开关用法

        PNP型BJT与NPN型工作原理相同,只是构造不同,导致电流流向不同,仅此而已。如图3.7所示,对比图1.3.4中NPN型管的电流,PNP型管的电流是由发射级流入高掺杂的发射区,经过P-N结流入基区,再从基级流出,形成基极电流,这个基极电流撬动更大的电流从发射级流入、集电极流出。当然,就像NPN型管一样,两两极之间会有很小的穿透电流;b-e之间可以看作一个二极管,箭头的方向是它的导通方向;Ie近似等于Ic。

3.7 PNP三极管的结构

        NPN型管作开关用法时,c、b极是高电势位,e极是低电势位,如同两条支流汇合。PNP型管则相反,只有一个高电势位,如同一条干流分流。作为开关使用时,当要求基极为低电平时三极管饱和导通,用PNP型管。见下面图3.8的电路。

图3.8 PNP管的LED电路

        这两个电路都存在问题。左边的电路基极限流电阻是R1+R2,负载(LED)限流电阻是R1。当GPIO输出低电平时,eb间压降足够,三极管导通。然而一导通,e点电位变为ec的导通压降,2.2节中提到过,这个压降很小。于是eb间压降不够,管子关断。最后会达到一个不正常工作的平衡点。右边的电路在于三极管无法关断,要把负载电源由5V换成3.3V才行。

3.2.3 固定基极电位

        如图3.9,在b-e间添加一个下拉电阻,效果是显著的。如果不加这个电阻,电路可以正常工作,但是会有一些“小毛病”。比如,有些单片机(比如上面的那款stm32)上电或重新启动程序时,基极会出来一个脉冲,可以看到LED闪一下。或者当单片机开启而不执行程序时,LED也在发出暗淡的光,此时你用手去触摸一下连接到基极的引脚(人体相当于一个大天线),甚至可以看到灯亮。推荐大家去动手实验,这样才能感受到这个电阻的意义。它没法靠计算得到。

        仅需一个下拉电阻就可以抹除这些现象,实在诱人。除非你故意要实现上面那些指示。当GPIO输出高电平时,它与基极限流电阻的分压能保证基极电位足够,而且消耗的功率很小。当GPIO输出低电平时,多余的能量能通过它泄放,而不是在基极积聚直到be导通。

图3.9 b-e间的下拉电阻

        笔者用手头的电阻在面包板上试了一下,这个电阻用20kΩ时依然不错,50kΩ时就有点差强人意了。试来试去,10kΩ最让人满意。这意味着,如果你要严格控制LED亮灭,在3.2.1中计算出来的电阻值全都太大不适用而变为参考值,它们会使分压出问题。因此只能降低基极限流电阻,使三极管更加过饱和。

        b-e间可以添加电容,暂时吸收瞬态能量,但电容只能防住误闪问题,而且可能对开、关有影响,比如I/O口输出PWM时。因此不建议添加,欢迎大家提出意见。

3.2.4 开关频率

        BJT更加过饱和不仅会稍稍提升I/O的负担,增加一点功耗,还会影响开关频率。典型的例子是PWM呼吸灯。下图3.10是单片机程序中将占空比调整为50%,不断提升开关频率,LED阳极电压的变化。其中三极管的型号是2N2222,LED是直插型、像一顶小帽子的那种常见发光二极管(导通压降约1.8V)。供电3.3V,和GPIO的高电平一致。

图3.10 不同开关频率下的占空比波形变化

        可以看到,开关关断的时间随开关频率的增加不断下降,似乎随着开关频率的增加,三极管越来越难关断。这是因为三级管关断需要时间——追根究底,是因为基极少子分布的建立或撤消需要时间,从而引起开关状态的延迟,当三极管过饱和时,这种延迟状态更明显。你可以认为截止区是跑道的起点,饱和区是没有终点的前方。往饱和区走得越远,回到截止区所需的时间就越长。

推荐文献:

[2]钱 敏,李文石,黄秋萍.双极型开关晶体管延时模型和带负载能力研究.[J]苏州大学学报(自然科学版),2003,19(3):48-49

“······TTL电路的输出级一般工作在超饱和状态,其带负载能力受到饱和程度的限制。饱和深度越大,允许的负载电流就越大,所带灌电流负载能力越强。但饱和深度太大会使延迟时间加大。器件或集成电路设计时,应当选取一合理的饱和深度。”

        显然MOSFET不存在这个问题,因为它没有这种“基极电流”。因此,BJT不适合高频开关,如果要用PWM做呼吸灯,参考上面的测试结果,频率在10kHz内还是挺准确的。这个开关频率在大部分日常场景中已经足够用了。在过饱和设计时,要留意这种需求。


        笔者作为初学者,总结分享了这些杂碎的笔记,为抛砖引玉与同志们共同交流进步,也恳请前辈们不吝赐教。希望本文能对你有所帮助。

标签:Junction,双极,Transistor,三极管,基极,Ic,Ib,电流,饱和
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