雙極結(jié)型晶體管展現(xiàn)實(shí)力

經(jīng)典 BJT 的最新改進(jìn)表明，經(jīng)典晶體管還有很長(zhǎng)的使用壽命，可以在某些功率應(yīng)用中挑戰(zhàn) SiC 和 GaN 器件。

在 CMOS 和寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步中，您很容易忘記 William Shockley 于 1949 年發(fā)明的第一個(gè)晶體管是雙極結(jié)型晶體管 (BJT)。盡管它們已經(jīng)不再流行，但這些不起眼的設(shè)備仍然在各種類型的電子設(shè)備中大量高效可靠地運(yùn)行。事實(shí)上，在某些應(yīng)用中，BJT 的性能可以超越更杰出的 CMOS 同類產(chǎn)品。 BJT 技術(shù)的最新改進(jìn)將使它們成為半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。

低飽和電壓

與 MOSFET 相比，BJT 的一些固有缺點(diǎn)包括需要連續(xù)的基極電流和集電極-發(fā)射極端子之間更高的飽和電壓。然而， “低 VCEsat”BJT 的高電流增益 (hFE) 和低飽和電壓 (VCEsat)降低了基極電流驅(qū)動(dòng)和功耗，從而使其成為以下應(yīng)用中 MOSFET 的可行替代品。

負(fù)載開關(guān)

圖 1顯示了負(fù)載開關(guān)的常見版本，其中負(fù)載接地，并且正電源電壓打開和關(guān)閉。 BJT 的固有特性可阻止從輸出到輸入的反向電流。如果您在充電器應(yīng)用中使用負(fù)載開關(guān)，這是一個(gè)重要的功能;例如，連接到輸出端子的電池在關(guān)閉時(shí)不得將電流饋入輸入電源。如果負(fù)載晶體管是 p 溝道 MOSFET(而不是 BJT)，體二極管可能會(huì)傳導(dǎo)反向電流以防止這種情況發(fā)生。您將需要一個(gè)額外的二極管或第二個(gè) FET，這會(huì)增加額外的成本。因?yàn)槎O管的正向電壓會(huì)增加 FET 的R DSon損失，這種類型的負(fù)載開關(guān)的效率降低。

圖 1. 典型負(fù)載開關(guān)電路在負(fù)載路徑 (T1) 中使用低 VCEsat PNP BJT 和通用控制晶體管 (T2)。

使用 BJT 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它只需要很小的控制電壓。 BJT 的基極-發(fā)射極二極管正向電壓約為 0.7V，只有很小的差異。另一方面，MOSFET 的柵源閾值可以具有更廣泛的值。這意味著您需要更大的控制電壓。

為了完全導(dǎo)通，MOSFET 還必須施加比柵源閾值更高的驅(qū)動(dòng)電壓。如果您需要切換小電壓，則 p 溝道 MOSFET 可能會(huì)在負(fù)載路徑中產(chǎn)生問題。在此應(yīng)用中使用低V CEsat BJT 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其卓越的 ESD 穩(wěn)健性。

低壓差穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器系列中存在一個(gè)稱為低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 的子組。雖然基于 NPN BJT 的標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器要求其輸入和輸出電壓之間至少有V CEsat + V BE的余量，但使用 PNP BJT 實(shí)現(xiàn)的 LDO 所需的余量?jī)H為V CEsat。使用低V CEsat BJT 有助于將這個(gè)凈空保持在非常小的水平。圖 2 (a) 顯示在負(fù)載路徑中使用 NPN BJT 的 LDO，而圖 2 (b) 使用 PNP BJT。這些線性穩(wěn)壓器效率高，是電池供電應(yīng)用的最佳選擇。低V CEsat的高正向增益BJT 提高了效率，因?yàn)樗鼈冃枰万?qū)動(dòng)電流。

圖 2. 這些 LDO 示例展示了如何使用 (a) 低 VCEsat NPN-BJT 和 (b) VCEsat PNP-BJT 作為傳輸晶體管。

設(shè)備匹配仍然重要

在許多電子電路中，如果 BJT 器件參數(shù)的精確值位于指定范圍內(nèi)，則它們的精確值并不特別重要。然而，許多應(yīng)用需要參數(shù)彼此緊密匹配的 BJT。雖然許多半導(dǎo)體制造商提供參數(shù)具有嚴(yán)格公差的單獨(dú) BJT，但它們可能仍然無法提供必要的匹配水平，尤其是當(dāng)應(yīng)用的工作溫度升高時(shí)。因此，您可能需要配對(duì)。

用于偏置的電流鏡

如圖 3所示，電流鏡電路通常用作電流源來“偏置”(設(shè)置工作點(diǎn))其他應(yīng)用電路(例如放大器或比較器)。假設(shè)兩個(gè)晶體管相同且 R1 = R2，I OUT將精確復(fù)制 I IN。這在數(shù)學(xué)上表示為：

圖 3. 該電流鏡電路使用分立 BJT Q1 和 Q2。

對(duì)于完美匹配的對(duì)，R1 和 R2 的選定值之間的比率設(shè)置k1的值。 I OUT還應(yīng)在設(shè)計(jì)所需的輸入電流值范圍內(nèi)跟蹤 I IN 。然而，BJT 物理特性的微小差異可能會(huì)導(dǎo)致不必要的偏差，從而使精確定義鏡像電路偏置的應(yīng)用行為變得更加困難。

電流檢測(cè)

電動(dòng)汽車 (EV) 或輕度混合動(dòng)力汽車 (HEV) 等較新的應(yīng)用要求在靠近電池的地方感測(cè)從電池汲取的負(fù)載電流。感測(cè)電流必須轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或微控制器 (MCU) 輸入范圍內(nèi)的電壓。因此，它必須很小，并且必須提供相對(duì)于地的電壓。這可以使用電流檢測(cè)電路來完成，如圖4 所示，其中 V1 代表 48 V 電池電壓，I1 是從中汲取的負(fù)載電流。該電路基于兩個(gè)電流鏡——一對(duì) NPN BJT 和另一對(duì) PNP。負(fù)載通過 50 mΩ 電流檢測(cè)電阻連接到電池。對(duì)于 10 A 的最大負(fù)載電流，檢測(cè)電路的輸入電壓將為 0.5 V。每個(gè)電流鏡對(duì)中的 BJT 應(yīng)盡可能緊密匹配，以防止輸出電壓發(fā)生偏移。您可能需要進(jìn)行微調(diào)以確保電壓保持在 ADC 的輸入范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)匹配。

圖 4. 該電流檢測(cè)電路同時(shí)使用 NPN 和 BJT 電流鏡。

對(duì)于這些應(yīng)用中的每一個(gè)，您都應(yīng)該使用雙 BJT，它們是組裝在單個(gè)封裝中的兩個(gè)芯片。兩個(gè)芯片的接近度確保了它們的溫度被幾乎相同地跟蹤。此外，使用從同一晶圓區(qū)域采集的匹配器件可以最大限度地減少制造過程中可能導(dǎo)致電氣參數(shù)出現(xiàn)重大差異的偏差的可能性。這意味著它們的參數(shù)具有幾乎相同的值，確保幾乎完全對(duì)稱的行為。匹配對(duì)晶體管消除了電流鏡和差分放大器應(yīng)用中昂貴的調(diào)整的要求，與標(biāo)準(zhǔn)雙晶體管相比，它們確保了精確的基極-發(fā)射極電壓和電流增益匹配，并且內(nèi)部完全隔離。

電壓和電流源

穩(wěn)定的電壓或電流源是大多數(shù)電子應(yīng)用的關(guān)鍵要求，雖然許多集成解決方案提供這些功能，但它們可能很昂貴。值得慶幸的是，您仍然可以使用分立 BJT 快速且經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)這些功能。

電壓調(diào)節(jié)

開關(guān)穩(wěn)壓器廣泛用作電源，但應(yīng)用中仍需要線性調(diào)節(jié)以減少電磁干擾 (EMI) 和電壓紋波。例如，為專用芯片 (ASIC)、微控制器 (MCU)、應(yīng)用處理器和傳感器供電時(shí)。這就是為什么在電源模塊中，線性穩(wěn)壓器通常位于開關(guān)穩(wěn)壓器之后。與開關(guān)穩(wěn)壓器不同，輸入和輸出功率之間的差異在 BJT 等傳輸晶體管中消散，如圖5所示. 為了減少這些功率損失，線性調(diào)壓器主要用于輸入和輸出電壓差很小或只需要小輸出電流的應(yīng)用。圖5顯示了一個(gè)具有反饋調(diào)節(jié)的基本線性調(diào)節(jié)器，其中PNP BJT驅(qū)動(dòng)NPN通過晶體管。

圖5.基本線性調(diào)節(jié)器通常使用NPNBJT將電流傳遞給負(fù)載。

整個(gè)BJT輸出級(jí)的最小電壓降是PNP晶體管的發(fā)射極-集電極飽和電壓和NPN的基極-發(fā)射極結(jié)的電壓降之和：

誤差放大器使用電阻分壓器跟蹤輸出電壓并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。誤差放大器將此反饋電壓與參考電壓 (VREF) 進(jìn)行比較，并相應(yīng)地調(diào)整 PNP-BJT 基極驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整傳輸晶體管的驅(qū)動(dòng)。這樣，如果反饋電壓超過參考電壓，誤差放大器就會(huì)降低基極電流，反之亦然。

電流穩(wěn)定

LED燈串等負(fù)載不能直接連接到恒壓源——它們需要穩(wěn)定的電流。出現(xiàn)這種情況的原因是 LED 的正向電壓與溫度相關(guān)且具有負(fù)熱系數(shù)。因此，電流將由于自加熱和/或環(huán)境溫度升高而持續(xù)增加。這最終可能導(dǎo)致熱失控，從而可能損壞燈串中的 LED。圖 6顯示了如何使用 NPN 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的電流吸收器或使用 PNP BJT 實(shí)現(xiàn)電流源：

圖 6. 基于 BJT 的電流吸收器和電流源，可產(chǎn)生穩(wěn)定電流并消除熱失控。

這里，輸出電流由下式給出：

不幸的是，輸出電流的穩(wěn)定性受到V BE負(fù)溫度系數(shù)的影響，該系數(shù)約為 -2 mV/K，這意味著輸出電流隨溫度的變化為：

您可以通過使用 PN 或齊納二極管來替換基極偏置電路中的接地電阻來部分補(bǔ)償這一點(diǎn)。使用齊納二極管的好處是 I OUT獨(dú)立于 VCC，從而提高了其對(duì)電源電壓紋波的抗擾度。通過將 BJT 與基極驅(qū)動(dòng)控制器(并聯(lián)穩(wěn)壓器)相結(jié)合，提供精確的熱補(bǔ)償控制環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)非常精確的電流穩(wěn)定。

通過熱模型獲得額外洞察

預(yù)測(cè)分立 BJT 及其封裝的熱行為對(duì)于某些應(yīng)用至關(guān)重要，這可以使用Foster 和 Cauer RC 模型的熱阻抗來實(shí)現(xiàn)。

福斯特模型

BJT 的 Foster 熱模型是通過半經(jīng)驗(yàn)擬合Z th曲線得出的，從而形成如圖 7所示的一維 RC 網(wǎng)絡(luò)。請(qǐng)注意，F(xiàn)oster 模型的 R 和 C 值與物理設(shè)備上的實(shí)際位置無關(guān)。模型參數(shù) R i和 C i是熱阻和電容值，用于創(chuàng)建熱模型以計(jì)算設(shè)備的熱阻抗。制造商通常為其 BJT 提供熱模型，您可以使用軟件仿真工具來驗(yàn)證器件行為。

圖 7. BJT 的 Foster RC 熱模型。

考爾模型

圖 8. BJT 的 Cauer RC 熱模型，其中接地符號(hào)表示環(huán)境溫度。

RC 網(wǎng)絡(luò)也代表 Cauer 模型，但與 Foster 模型不同，熱電容連接到熱地(環(huán)境溫度位置)，如圖 8所示，并且它們也具有物理意義，這使得它們可以用于確定溫度半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)層。使用 Cauer 模型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以將外部組件添加到器件模型中，例如 PCB、散熱器等的熱模型，這是使用 Foster 模型不可能實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)論

雖然 CMOS 和寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)成為眾人矚目的焦點(diǎn)，但雙極結(jié)型晶體管在許多電子應(yīng)用中仍然是無名英雄。在一些關(guān)鍵應(yīng)用中，它們甚至優(yōu)于更杰出的同行。本文回顧了其中一些用例。它展示了 BJT 技術(shù)的進(jìn)步如何確保這些多功能設(shè)備不太可能很快從電子領(lǐng)域消失。