
BJT的直流参数
要了解一款BJT的参数,最真实且有效的方法无疑是厂家给出的数据规格书(datasheet)。本文以2N4123通用型BJT硅基晶体管为例,来了解一下应该如何阅读BJT的数据规格书,从而获取我们需要的相关参数。点击下载2N4123的数据规格书。
总体性能

打开datasheet后,首先看标题,可以看到,这是2N4123、2N4124共用的一个datasheet,而且标明管子为通用型NPN硅基三极管。然后在在第一页的右侧,厂家给出了管脚识别方法和管体上的文字标记含义。

极限性能
在第一页的主体篇幅部分,数据规格书列出了这个BJT晶体管的所有极限性能,这样做的用处我想应该是让使用者先建立起大体印象,不至于损坏晶体管。

以下是每项参数的详述:
VCEO:基极开路情况下,CE间的击穿电压,在这一栏中,Value一列有两行,上行30V为2N4123的参数;下行25V为2N4124的参数。(后面我们都仅以2N4123的参数为例,不再分2种型号分开罗列描述。)
VCBO:发射极开路情况下,CB间的集电结结的反向击穿电压,为40V。
VEBO:集电极开路情况下,BE间发射结的反偏击穿电压,为5V。
IC-continuous:可承受的最大连续集电极电流,为200mA。
PD(@TA=25℃):环境温度为25℃时的最大损耗功率(TA中A的意思是“Ambient”),典型值为625mW、衰减系数为5mW/℃,这两个是比较重要的参数。
PD(@TC=25℃):管体表面温度为25℃时的最大损耗功率(TC中C的意思是“Surface”),典型值为1.5W,比上面环境温度为25℃时的PD值大了近3倍。这个也很好理解,一般来说温度越高,晶体管的性能越差。在晶体管电流较大时,管体表面温度有可能远高于环境温度,所以限制了最大损耗功率的大小。只有在管体表面加装了面积很大且接触良好的散热片时,才能认为管体表面温度近似等于环境温度,而使用这个1.5W的标称值。
TJ, Tstg:工作温度范围与仓储温度范围,典型值为-55℃ ~ +150℃。
RθJA:内部PN结到环境之间的热阻,为200℃/W。
RθJC:内部PN结到管体表面之间的热阻,为83.3℃/W。
最大损耗功率
由于BJT的CE极间有压降VCE、有电流IC,所以三极管本身也是要消耗功率的,而且还不小。根据“功率=电压x电流”的公式,三极管的主要功耗产生在C、E极间(BE间和BC间由于基极电流IB太小,故可以忽略不记)。
所以在做设计时,除了要保证VCE不能超过上面的VCEO、IC不能超过上面的IC-continuous以外,还要计算损耗功率是否会超限,如下图所示:

在上图中,PD功率曲线下方的绿色区域是安全区域,如果超出这个区域,就会导致晶体管损坏。
衰减系数(Derate above 25℃)5.0mW/℃是指,当温度高于25℃时,每升高1℃,最大损耗功率参数会降低5mW。比如,当环境温度上升到135℃时,本晶体管允许的最大损耗功率PD只有:

当环境温度上升到125℃时,本晶体管允许的最大损耗功率PD更是下降到了:

具体性能参数
从datasheet的第2页开始,就是具体的性能参数表格,下面我们就来一个个表格来看。
截止性能参数

- V(BR)CEO:、V(BR)CBO、V(BR)EBO:这3个参数在前面的总体性能表格中已经出现过,这里只是为了表格完整性再重复罗列一下而已。
- ICBO:指在E极开路,CB间加上20V的反偏电压时,集电结的漏电流,为50nA。一般我们可以通过这个参数计算ICEO,具体算式为:ICEO = β ICBO。
- IEBO:指在C极开路,EB间加上20V的反偏电压时,发射结的漏电流,为50nA。
导通性能参数

- hFE:这个就是直流电流放大系数β(至于为什么要写成hFE,这个我们在BJT的交流分析中会讲)。这里我们在表格中可以看到,在IC的两个不同条件下,测得的放大系数不同。在第一个条件(IC=2mA,VCE=1.0V)时,直流放大系数β的值在50~150都是合格的;在第二个条件(IC=50mA,VCE=1.0V)下,放大系数β只有25。
- VCEsat:这个就是在共射放大电路中常用的CE间饱和电压,这里是0.3V。测试条件为IC=50mA,IB=5mA,可以看到,此时直流放大倍数IC/IB=10,远小于放大系数β正常最小值的50,说明确实是饱和了。
- VBEsat:测试条件和上面相同(晶体管处于饱和状态),此时BE间的电压即为VBEsat饱和电压(一般电路分析计算时不常用)。
小信号性能参数

小信号性能参数基本都为交流参数,这个等我们到BJT放大电路的交流分析时再讲。现在唯一需要看一下的是上图中的hfe参数(下标fe用小写),即交流电流放大系数βac。
特性曲线
数据规格书的第三部分是BJT晶体管的特性曲线,其中Figure1-8为交流特性曲线,Figure9-12为直流特性曲线。关于交流特性,我们放到以后再讲,这里我们仅分析Figue9~12的直流特性曲线。
直流增益

上图为直流增益hFE(即直流β)随IC变化的曲线,测试条件为VCE=1V。从图中我们可以看到,hFE值会受多种因素的影响,hFE不仅会随温变化而变化,还会随集电极电流IC的变化而变化。
这里要说明一下的是纵坐标的表示方式,图中“NORMALIZED”称为“归一化参数”。即:把在+25℃和IC=8mA条件下的hFE作为基准hFE值,其他条件下的hFE值相对于这个基准值的比值。这是个无量纲(即无单位)的参数,常用于表示某值随其他条件的相对变化量。
饱和电流范围

上图为描述饱和区的特性曲线,看上去好像很复杂,其实,只要将其顺时针转90度,就是我们熟悉的图形了。

上图就是我们非常熟悉的共射组态的输出特性曲线了,其中横坐标为VCE,纵坐标是IB(这个与我们先前学过的图形稍稍不同),其中每条曲线对应于一个IC。其实本质是一样的,只不过把我们以前图中的IB和IC互相调换了一下位置而已。图中橙色部分即为大致的饱和区。
导通时的电压特性

上图是进一步描述一些电压-电流特性的。其中VCEsat和VBEsat那两条曲线是描述饱和阈值特性的,测试条件为IC/IB=10,此时的直流放大倍数只有10,远小于正常的hFE值了,所以晶体管一定处于饱和状态。最下面那条曲线为饱和阈值电压VCEsat随IC变化的曲线;最上面那条曲线为饱和阈值电压VBEsat随IC变化的曲线。
中间那条曲线为当VCE恒定保持1V时,VBE和IC的对应关系,此曲线其实和饱和没啥关系,只不过是厂家为了方便,把与IC对应的各种电压描述曲线都放到同一张图里了。
温度系数

先不看图,单讲温度系数的含义。温度系数θ的意思是指,某些参数的值可能会随温度的变化而变化。比如,饱和阈值电压VCEsat,会随环境温度的变化而变化,它的温度系数就定义为:θVC,其在某温度t下的计算式为:

问题在于,θVC这个值本身也不是固定的,它会随着IC的变化而变化。所以,图中上面那组横V字形的曲线组,就用来表示θVC值在25℃以上和25℃以下时θVC与IC的对应关系。同理,下面那组曲线表示θVB和IC的对应关系。
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