双极结型晶体管展现实力

经典 BJT 的最新改进表明，经典晶体管还有很长的使用寿命，可以在某些功率应用中挑战 SiC 和 GaN 器件。

在 CMOS 和宽带隙半导体技术的进步中，您很容易忘记 William Shockley 于 1949 年发明的第一个晶体管是双极结型晶体管 (BJT)。尽管它们已经不再流行，但这些不起眼的设备仍然在各种类型的电子设备中大量高效可靠地运行。事实上，在某些应用中，BJT 的性能可以超越更杰出的 CMOS 同类产品。 BJT 技术的最新改进将使它们成为半导体技术领域的重要组成部分。

低饱和电压

与 MOSFET 相比，BJT 的一些固有缺点包括需要连续的基极电流和集电极-发射极端子之间更高的饱和电压。然而， “低 VCEsat”BJT 的高电流增益 (hFE) 和低饱和电压 (VCEsat)降低了基极电流驱动和功耗，从而使其成为以下应用中 MOSFET 的可行替代品。

负载开关

图 1显示了负载开关的常见版本，其中负载接地，并且正电源电压打开和关闭。 BJT 的固有特性可阻止从输出到输入的反向电流。如果您在充电器应用中使用负载开关，这是一个重要的功能;例如，连接到输出端子的电池在关闭时不得将电流馈入输入电源。如果负载晶体管是 p 沟道 MOSFET(而不是 BJT)，体二极管可能会传导反向电流以防止这种情况发生。您将需要一个额外的二极管或第二个 FET，这会增加额外的成本。因为二极管的正向电压会增加 FET 的R DSon损失，这种类型的负载开关的效率降低。

图 1. 典型负载开关电路在负载路径 (T1) 中使用低 VCEsat PNP BJT 和通用控制晶体管 (T2)。

使用 BJT 的另一个优点是它只需要很小的控制电压。 BJT 的基极-发射极二极管正向电压约为 0.7V，只有很小的差异。另一方面，MOSFET 的栅源阈值可以具有更广泛的值。这意味着您需要更大的控制电压。

为了完全导通，MOSFET 还必须施加比栅源阈值更高的驱动电压。如果您需要切换小电压，则 p 沟道 MOSFET 可能会在负载路径中产生问题。在此应用中使用低V CEsat BJT 的另一个优点是其卓越的 ESD 稳健性。

低压差稳压器

线性稳压器系列中存在一个称为低压差稳压器 (LDO) 的子组。虽然基于 NPN BJT 的标准线性稳压器要求其输入和输出电压之间至少有V CEsat + V BE的余量，但使用 PNP BJT 实现的 LDO 所需的余量仅为V CEsat。使用低V CEsat BJT 有助于将这个净空保持在非常小的水平。图 2 (a) 显示在负载路径中使用 NPN BJT 的 LDO，而图 2 (b) 使用 PNP BJT。这些线性稳压器效率高，是电池供电应用的最佳选择。低V CEsat的高正向增益BJT 提高了效率，因为它们需要低驱动电流。

图 2. 这些 LDO 示例展示了如何使用 (a) 低 VCEsat NPN-BJT 和 (b) VCEsat PNP-BJT 作为传输晶体管。

设备匹配仍然重要

在许多电子电路中，如果 BJT 器件参数的精确值位于指定范围内，则它们的精确值并不特别重要。然而，许多应用需要参数彼此紧密匹配的 BJT。虽然许多半导体制造商提供参数具有严格公差的单独 BJT，但它们可能仍然无法提供必要的匹配水平，尤其是当应用的工作温度升高时。因此，您可能需要配对。

用于偏置的电流镜

如图 3所示，电流镜电路通常用作电流源来“偏置”(设置工作点)其他应用电路(例如放大器或比较器)。假设两个晶体管相同且 R1 = R2，I OUT将精确复制 I IN。这在数学上表示为：

图 3. 该电流镜电路使用分立 BJT Q1 和 Q2。

对于完美匹配的对，R1 和 R2 的选定值之间的比率设置k1的值。 I OUT还应在设计所需的输入电流值范围内跟踪 I IN 。然而，BJT 物理特性的微小差异可能会导致不必要的偏差，从而使精确定义镜像电路偏置的应用行为变得更加困难。

电流检测

电动汽车 (EV) 或轻度混合动力汽车 (HEV) 等较新的应用要求在靠近电池的地方感测从电池汲取的负载电流。感测电流必须转换为模数转换器 (ADC) 或微控制器 (MCU) 输入范围内的电压。因此，它必须很小，并且必须提供相对于地的电压。这可以使用电流检测电路来完成，如图4 所示，其中 V1 代表 48 V 电池电压，I1 是从中汲取的负载电流。该电路基于两个电流镜——一对 NPN BJT 和另一对 PNP。负载通过 50 mΩ 电流检测电阻连接到电池。对于 10 A 的最大负载电流，检测电路的输入电压将为 0.5 V。每个电流镜对中的 BJT 应尽可能紧密匹配，以防止输出电压发生偏移。您可能需要进行微调以确保电压保持在 ADC 的输入范围内以实现匹配。

图 4. 该电流检测电路同时使用 NPN 和 BJT 电流镜。

对于这些应用中的每一个，您都应该使用双 BJT，它们是组装在单个封装中的两个芯片。两个芯片的接近度确保了它们的温度被几乎相同地跟踪。此外，使用从同一晶圆区域采集的匹配器件可以最大限度地减少制造过程中可能导致电气参数出现重大差异的偏差的可能性。这意味着它们的参数具有几乎相同的值，确保几乎完全对称的行为。匹配对晶体管消除了电流镜和差分放大器应用中昂贵的调整的要求，与标准双晶体管相比，它们确保了精确的基极-发射极电压和电流增益匹配，并且内部完全隔离。

电压和电流源

稳定的电压或电流源是大多数电子应用的关键要求，虽然许多集成解决方案提供这些功能，但它们可能很昂贵。值得庆幸的是，您仍然可以使用分立 BJT 快速且经济地实现这些功能。

电压调节

开关稳压器广泛用作电源，但应用中仍需要线性调节以减少电磁干扰 (EMI) 和电压纹波。例如，为专用芯片 (ASIC)、微控制器 (MCU)、应用处理器和传感器供电时。这就是为什么在电源模块中，线性稳压器通常位于开关稳压器之后。与开关稳压器不同，输入和输出功率之间的差异在 BJT 等传输晶体管中消散，如图5所示. 为了减少这些功率损失，线性调压器主要用于输入和输出电压差很小或只需要小输出电流的应用。图5显示了一个具有反馈调节的基本线性调节器，其中PNP BJT驱动NPN通过晶体管。

图5.基本线性调节器通常使用NPNBJT将电流传递给负载。

整个BJT输出级的最小电压降是PNP晶体管的发射极-集电极饱和电压和NPN的基极-发射极结的电压降之和：

误差放大器使用电阻分压器跟踪输出电压并对其进行调节。误差放大器将此反馈电压与参考电压 (VREF) 进行比较，并相应地调整 PNP-BJT 基极驱动，进而调整传输晶体管的驱动。这样，如果反馈电压超过参考电压，误差放大器就会降低基极电流，反之亦然。

电流稳定

LED灯串等负载不能直接连接到恒压源——它们需要稳定的电流。出现这种情况的原因是 LED 的正向电压与温度相关且具有负热系数。因此，电流将由于自加热和/或环境温度升高而持续增加。这最终可能导致热失控，从而可能损坏灯串中的 LED。图 6显示了如何使用 NPN 实现简单的电流吸收器或使用 PNP BJT 实现电流源：

图 6. 基于 BJT 的电流吸收器和电流源，可产生稳定电流并消除热失控。

这里，输出电流由下式给出：

不幸的是，输出电流的稳定性受到V BE负温度系数的影响，该系数约为 -2 mV/K，这意味着输出电流随温度的变化为：

您可以通过使用 PN 或齐纳二极管来替换基极偏置电路中的接地电阻来部分补偿这一点。使用齐纳二极管的好处是 I OUT独立于 VCC，从而提高了其对电源电压纹波的抗扰度。通过将 BJT 与基极驱动控制器(并联稳压器)相结合，提供精确的热补偿控制环路，可以实现非常精确的电流稳定。

通过热模型获得额外洞察

预测分立 BJT 及其封装的热行为对于某些应用至关重要，这可以使用Foster 和 Cauer RC 模型的热阻抗来实现。

福斯特模型

BJT 的 Foster 热模型是通过半经验拟合Z th曲线得出的，从而形成如图 7所示的一维 RC 网络。请注意，Foster 模型的 R 和 C 值与物理设备上的实际位置无关。模型参数 R i和 C i是热阻和电容值，用于创建热模型以计算设备的热阻抗。制造商通常为其 BJT 提供热模型，您可以使用软件仿真工具来验证器件行为。

图 7. BJT 的 Foster RC 热模型。

考尔模型

图 8. BJT 的 Cauer RC 热模型，其中接地符号表示环境温度。

RC 网络也代表 Cauer 模型，但与 Foster 模型不同，热电容连接到热地(环境温度位置)，如图 8所示，并且它们也具有物理意义，这使得它们可以用于确定温度半导体结构内的内层。使用 Cauer 模型的一个优点是，它可以将外部组件添加到器件模型中，例如 PCB、散热器等的热模型，这是使用 Foster 模型不可能实现的。

结论

虽然 CMOS 和宽带隙半导体技术已经成为众人瞩目的焦点，但双极结型晶体管在许多电子应用中仍然是无名英雄。在一些关键应用中，它们甚至优于更杰出的同行。本文回顾了其中一些用例。它展示了 BJT 技术的进步如何确保这些多功能设备不太可能很快从电子领域消失。