【導讀】預偏置晶體管是在製造過程中集成了偏置電阻的晶體管。這種設計具有成本效益
，集成的元件節省了印刷電路板（pcb）的成本
，並減少了物料清單（BOM）中的項目數量。一個典型的產品是 Diodes 的 DDTD113ZC-7-F NPN 晶體管，采用 SOT - 23 - 3 封裝
，如圖 1 所示。這種預偏置晶體管包括一個 1 千歐的串聯限流電阻，以及一個與基極 - 發射極結並聯的 10 千歐關斷電阻。

本文總結了預偏置晶體管的定義、作用、電路分析及設計要點，強調其在減小PCB尺寸、降低元件數量方麵的優勢，並提醒合理選擇以匹配微控製器與負載。

預偏置晶體管是在製造過程中集成了偏置電阻的晶體管。這種設計具有成本效益
，集成的元件節省了印刷電路板（pcb）的成本，並減少了物料清單（BOM）中的項目數量。一個典型的產品是 Diodes 的 DDTD113ZC-7-F NPN 晶體管
，采用 SOT - 23 - 3 封裝
，如圖 1 所示。這種預偏置晶體管包括一個 1 千歐的串聯限流電阻，以及一個與基極 - 發射極結並聯的 10 千歐關斷電阻。

預偏置晶體管在電路中如何使用？

預偏置晶體管設計用於與微控製器等數字邏輯直接連接，從而無需額外的輔助電阻。這樣可以實現緊湊的 PCB設計，並減少元件數量
，因為三個傳統元件被集成到了單個封裝中。

預偏置晶體管中每個電阻的作用是什麼？

• 串聯限流電阻 ：與 LED電路中的串聯電阻類似
  ，該串聯電阻用於限製基極電流。

• 關斷（分流）電阻 ：與晶體管基極 - 發射極結並聯的這個電阻有助於晶體管關斷。當輸入串聯電阻斷開時，例如微控製器 I/O在啟動時設置為高阻抗或處於超低功耗（ULP）模式時，它提供一個泄漏路徑
  ，使基極保持在零伏。這個關斷電阻還有助於降低ICE（集電極 - 發射極）間的泄漏電流。

市場上有多種預偏置的 NPN 和 PNP 晶體管可供選擇。設計人員可以選擇具有最合適的串聯電阻和關斷電阻的產品
，以匹配其應用需求。

數字（開關）電路中強製 β 操作的必備晶體管理論

晶體管的特性之一是其直流電流增益（β），它被定義為集電極電流與基極電流之比。對於在其線性區域工作的晶體管
，這是模擬設計中的一個重要指標。

在數字（開關）設計中應避免線性操作。相反，我們將重點關注強製 β。通過這種設計技術
，我們有意使晶體管過驅動，以確保其完全飽和，從而特意避開線性區域。作為初步估計
，我們假設強製 β 為 10，但要注意，強製 β 明顯低於線性 β。

預偏置晶體管電路的電路分析

圖 2 展示了Diodes DDTD113ZC - 7 - F 的電路分析。該晶體管的 R1 值為 1 千歐，R2 值為 10 千歐，並且具有高增益。

• R1 串聯電阻將輸入電流限製在 2.7 毫hao安an。這zhe是shi一yi個ge相xiang對dui較jiao低di的de驅qu動dong電dian平ping，大da多duo數shu微wei控kong製zhi器qi都dou能neng輕qing鬆song提ti供gong。然ran而er，正zheng如ru在zai下xia一yi個ge技ji術shu小xiao貼tie士shi中zhong所suo探tan討tao的de，這zhe個ge值zhi可ke能neng仍reng然ran過guo高gao。
• 關斷電阻消耗一小部分輸入電流。根據所選預偏置晶體管的 R1 與 R2的比率，這對電路計算可能重要
  ，也可能不重要。
• 基極電流計算為輸入電流減去關斷電阻電流。
• 假設處於強製 β 條(tiao)件(jian)下(xia)，最(zui)大(da)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)計(ji)算(suan)為(wei)基(ji)極(ji)電(dian)流(liu)的(de)十(shi)倍(bei)。請(qing)注(zhu)意(yi)，這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)保(bao)守(shou)估(gu)計(ji)
  ，用(yong)於(yu)確(que)保(bao)晶(jing)體(ti)管(guan)進(jin)入(ru)飽(bao)和(he)狀(zhuang)態(tai)。您(nin)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)極(ji)端(duan)情(qing)況(kuang)來(lai)改(gai)善(shan)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)。
  
  

圖 2：由 3.3 伏直流邏輯驅動的 Diodes DDTD113ZC - 7 - F 的電路分析

技術小貼士： 

典型的微控製器有兩個電流規格，包括每個引腳的規格和所有引腳電流的總和。例如
，瑞薩電子 Renesas 的 R7FA4M1AB3CFM#AA0，用於最新的 Arduino UNO R4 開發板。大多數端口能夠吸收和輸出 4 毫安電流，少數引腳能夠承受 20 毫安電流，但所有輸出引腳的總電流限製為 60 毫安。因此，需要進行仔細的電路分析
，以確保不超出產品的限製。

請注意，這裏展示的 Diodes 的 DDTD113ZC-7-F 預偏置晶體管因其 R1 電阻值較低而被選用。對於低電流微控製器，具有較高輸入電阻的晶體管可能是更好的匹配。

務必逐個案例（逐個負載）進行評估。

預偏置晶體管的速度有多快
？

晶體管的開啟和關斷速度由負載特性、米勒電容和飽和深度等因素決定。以下是一些與本工程簡述直接相關的設計考慮因素：

• 深度飽和的晶體管關斷速度會很慢。根據定義，強製 β 偏置會使晶體管深度飽和，以避開線性區域。這是一個重要的考慮因素，因為在載流子從其矽結構中清除之前，晶體管不會關斷。
• 基極電流取決於微控製器的 I/O 電壓以及預偏置晶體管的 R1 / R2 比率。飽和深度也取決於負載。例如，當負載接近 26 毫安的限製時，所示電路的速度比輕載 5 毫安時更快。換句話說，要仔細選擇預偏置晶體管以匹配負載，避免過度飽和。

• 與yu微wei控kong製zhi器qi的de直zhi接jie連lian接jie排pai除chu了le施shi加jia負fu脈mai衝chong以yi提ti高gao關guan斷duan速su度du的de可ke能neng性xing。此ci外wai，由you於yu沒mei有you暴bao露lu的de基ji極ji連lian接jie，無wu法fa實shi現xian諸zhu如ru貝bei克ke鉗qian位wei等deng加jia速su電dian路lu。

綜(zong)合(he)來(lai)看(kan)，這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)限(xian)製(zhi)表(biao)明(ming)預(yu)偏(pian)置(zhi)晶(jing)體(ti)管(guan)以(yi)中(zhong)等(deng)速(su)度(du)運(yun)行(xing)。然(ran)而(er)
，有(you)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)的(de)負(fu)載(zai)和(he)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)應(ying)用(yong)可(ke)以(yi)從(cong)預(yu)偏(pian)置(zhi)晶(jing)體(ti)管(guan)中(zhong)受(shou)益(yi)。在(zai)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)都(dou)應(ying)選(xuan)擇(ze)最(zui)合(he)適(shi)的(de)預(yu)偏(pian)置(zhi)晶(jing)體(ti)管(guan)

，以(yi)使(shi)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)與(yu)負(fu)載(zai)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)匹(pi)配(pei)。

技術小貼士： 

請(qing)記(ji)住(zhu)，傳(chuan)統(tong)上(shang)匹(pi)配(pei)過(guo)程(cheng)是(shi)通(tong)過(guo)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)電(dian)阻(zu)來(lai)完(wan)成(cheng)的(de)。現(xian)在(zai)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)選(xuan)擇(ze)具(ju)有(you)適(shi)合(he)手(shou)頭(tou)任(ren)務(wu)的(de)內(nei)部(bu)電(dian)阻(zu)的(de)預(yu)偏(pian)置(zhi)晶(jing)體(ti)管(guan)。例(li)如(ru)，R1 為 4.7 千歐甚至 10 千歐的晶體管可能更適合您的設計。

最後

預偏置晶體管是一種方便的方法，可以減小 PCB 尺寸並減少設計中使用的元件總數。務必通過選擇具有適當內部電阻的預偏置晶體管，使微控製器與負載相匹配。

本文轉載自：DigiKey電子技術台

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