
Während CMOS- und Wide-Bandgap Halbleitertechnologien den BJTs in letzter Zeit vermehrt die Show gestohlen haben, sind diese Bauteile in vielen elektronischen Anwendungen weiterhin die heimlichen Helden. (Bild: KPixMining - stock.adobe.com)
Angesichts der scheinbar unaufhörlichen technologischen Fortschritte bei CMOS und Halbleitern mit großer Bandlücke vergisst man leicht, dass schon der erste Transistor, der 1949 von William Shockley erfunden wurde, ein Bipolartransistor (bipolar junction transistor – BJT) war. Auch wenn sie in letzter Zeit etwas aus der Mode gekommen sind, funktionieren diese unscheinbaren Elemente weiterhin effizient und zuverlässig in enormen Stückzahlen in verschiedenen Arten von elektronischen Geräten. Tatsächlich sind BJTs in einigen Anwendungen aufgrund ihrer Eigenschaften sogar den bekannteren CMOS-Pendants überlegen. In diesem Artikel werden einige dieser Anwendungen sowie einige aktuelle Verbesserungen in der BJT-Technologie erörtert, die dazu beitragen, dass sie auch weiterhin ein wichtiger Bestandteil der Halbleitertechnologie bleiben werden.
Wo BJTs MOSFETs überlegen sind
Im Vergleich zu MOSFETs haben herkömmliche Bipolartransistoren (BJT) einige Nachteile, wie beispielsweise, dass sie einen kontinuierlichen Basisstrom benötigen und eine höhere Sättigungsspannung an den Kollektor-Emitter-Anschlüssen aufweisen . Die hohe Stromverstärkung (hFE) und die niedrige Sättigungsspannung (VCEsat) von „Low VCEsat“-BJTs reduzieren jedoch den Basisstrom und die Verlustleistung, was sie in den folgenden Anwendungen zu einer brauchbaren Alternative gegenüber MOSFETs macht.
Der Lastschalter
Eine gängige Version des Lastschalters, bei dem die Last mit Masse verbunden ist und die positive Versorgungsspannung ein- und ausgeschaltet wird, ist in Bild 1 dargestellt.

Rückströme vom Ausgang zum Eingang werden durch die inhärente Eigenschaft des BJT blockiert. Dies ist ein wichtiges Merkmal, wenn ein Lastschalter beispielsweise in einer Ladeanwendung verwendet wird, bei der eine an den Ausgangsanschluss angeschlossene Batterie im ausgeschalteten Zustand keinen Strom in die Eingangsstromversorgung zurückspeisen darf. Wenn der Lasttransistor mit einem p-Kanal-MOSFET (anstelle eines BJT) ausgeführt wäre, könnte die Body-Diode einen Rückstrom leiten. Um dies zu verhindern, wäre eine zusätzliche Diode oder ein zweiter FET erforderlich, was jedoch zusätzliche Kosten verursacht.
Da die Durchlassspannung der Diode zu den RDSon-Verlusten des FET hinzukommt, würde dies zu einer verringerten Effizienz dieses Lastschaltertyps führen. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz eines BJT besteht darin, dass nur eine geringe Steuerspannung erforderlich ist, da die Durchlassspannung der Basis-Emitter-Diode etwa 0,7 V bei nur geringer Streuung beträgt, während die Gate-Source-Schwelle eines MOSFETs eine größere Streuung aufweist, sodass eine höhere Steuerspannung erforderlich ist. Für ein vollständiges Einschalten eines MOSFETs muss zudem eine höhere Ansteuerspannung als die Gate-Source-Schwelle angelegt werden. Das bedeutet, dass ein P-Kanal-MOSFET im Lastpfad problematisch werden könnte, wenn kleine Spannungen geschaltet werden sollen. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz eines BJT mit niedrigem VCEsat in dieser Anwendung ist seine überlegene Robustheit im Hinblick auf ESD.
Der Niederspannungsregler
Innerhalb der Familie der Linearregler gibt es eine Untergruppe, die bis nahe an die Eingangsspannungs (VIN) heranregeln kann und daher üblicherweise als LDO low-voltage dropout regulators) bezeichnet wird. Während NPN-basierte Linearregler einen Headroom zwischen ihrer Eingangs- und Ausgangsspannung von mindestens VCEsat + VBE benötigen, ist der einzige Headroom, den ein PNP-basierter LDO benötigt, VCEsat. Durch den Einsatz eines Bipolartransistors mit niedrigem VCEsat kann dieser Headroom sehr klein gehalten werden. Bild 2(links) zeigt einen LDO mit einem NPN-BJT im Lastpfad, während in Bild 2(rechts) ein PNP-BJT verwendet wird. Diese Arten von Linearreglern sind optimal für batteriebetriebene Anwendungen geeignet, da sie sehr effizient sind. Die hohe Vorwärtsverstärkung von Bipolartransistoren mit niedrigem VCEsat erhöht die Effizienz, da niedrigere Treiberströme verwendet werden können.

Wo BJTs nach wie vor relevant sind
In vielen elektronischen Schaltungen sind die genauen Werte der BJT-Bauelementparameter nicht besonders wichtig, solange sie innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Viele ältere und neuere Anwendungen erfordern jedoch BJTs, deren Parameter präzise aufeinander abgestimmt sind. Nun bieten viele Halbleiterhersteller einzelne BJTs an, deren Parameter auf enge Toleranzen begrenzt sind. Insofern kann es mit diesen schwierig werden, das erforderliche Maß an Abstimmung zu erreichen, insbesondere wenn die Betriebstemperatur einer Anwendung steigt.
Stromspiegel als Stromquelle
Die Stromspiegelschaltung, wie in Bild 3 dargestellt, wird häufig als Stromquelle verwendet, um andere Anwendungsschaltungen wie z. B. bei Verstärkern oder Komparatoren den Arbeitspunkt festzulegen. Davon ausgehend, dass beide Transistoren identisch sind und R1 = R2 ist, entspricht IOUT exakt IIN.
Bei einem perfekt abgestimmten Paar wird der Wert von k1 durch das Verhältnis zwischen den ausgewählten Werten für R1 und R2 bestimmt. IOUT sollte auch über den gesamten Bereich den angelegten Eingangsstromwerte IIN entsprechen, jedoch können selbst kleine Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der BJTs eine unerwünschte Abweichung vom Idealverhalten eines Stromspiegels verursachen, was dann natürlich Auswirkungen auf die Gesamtschaltung hat, in der der Stromspiegel eingesetzt wird.

Strommessung mit Bipolartransistoren
Bei neueren Anwendungen wie Elektrofahrzeugen (EV) oder Mild-Hybrid-Fahrzeugen (HEV) muss der von einer Batterie entnommene Laststrom idealerweise auf der positiven Spannungsseite gemessen werden. Der Messstrom muss in eine Spannung umgewandelt werden, die innerhalb des Eingangsbereichs eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) oder eines Mikrocontrollers (MCU) liegt, sie muss also klein sein und relativ zur Fahrzeugmasse bereitgestellt werden. Dies kann mithilfe einer Strommessschaltung erfolgen, wie in Bild 4 gezeigt, wobei V1 die 48-V-Batteriespannung und I1 den daraus entnommenen Laststrom darstellt.
Diese Schaltung basiert eindeutig auf zwei Stromspiegeln – einem Paar NPN-BJTs und einem weiteren Paar PNP-BJTs. Eine Last ist über einen 50-mΩ-Strommesswiderstand mit der Batterie verbunden, was bedeutet, dass bei einem maximalen Laststrom von 10 A die Eingangsspannung zum Messkreis 0,5 V beträgt. Die BJTs in jedem Stromspiegelpaar sollten so gut wie möglich aufeinander abgestimmt sein, um Abweichungen in der Ausgangsspannung zu vermeiden. Letztere muss möglicherweise angepasst werden, um sicherzustellen, dass sie innerhalb des Eingangsbereichs des ADC bleibt.

Für jede dieser Anwendungen werden Dual-BJTs (zwei Chips in einem Gehäuse kombiniert) empfohlen. Die unmittelbare Nähe der beiden Chips stellt sicher, dass ihre Temperatur stets nahezu identisch ist. Außerdem wird durch die Verwendung von aufeinander abgestimmten Bauelementen, die aus demselben Waferbereich stammen, die Möglichkeit von Abweichungen im Herstellungsprozess minimiert, die zu großen Unterschieden bei ihren elektrischen Parametern führen könnten. Das bedeutet, dass ihre Parameter nahezu identische Werte aufweisen, was ein nahezu perfekt symmetrisches Verhalten gewährleistet. Aufeinander abgestimmte Transistorpaare machen ein aufwendiges Trimmen in Stromspiegel- und Differenzverstärkeranwendungen überflüssig und gewährleisten im Vergleich zu Standard-Doppeltransistoren eine präzise Anpassung der Basis-Emitter-Spannung und Stromverstärkung. Außerdem sind sie auch vollständig intern isoliert.
Realisierung stabiler Spannungs- und Stromquellen
Stabile Spannungs- oder Stromquellen sind für die meisten elektronischen Anwendungen eine wichtige Voraussetzung. Es gibt zwar viele integrierte Lösungen, die diese Funktionen bieten, doch sie können kostspielig sein. Glücklicherweise können diese durch den Einsatz diskreter BJTs kostengünstig implementiert werden.
Spannungsregelung mit BJTs
Heutzutage werden Schaltregler häufig als Stromversorgungen verwendet, aber eine lineare Regelung ist auch für Anwendungen erforderlich, bei denen elektromagnetische Störungen (EMI) und Spannungswelligkeit problematisch sein können, wie z. B. anwendungsspezifische Chips (ASICs), Mikrocontroller (MCU), Anwendungsprozessoren und Sensoren. Aus diesem Grund sind in vielen Stromversorgungsblöcken nach den Schaltreglern auch Linearregler enthalten. Im Gegensatz zu Schaltreglern wird die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom in einem Durchlasselement – wie einem BJT – abgeführt, wie in Bild 5 dargestellt. Um diese Leistungsverluste zu minimieren, werden Linearregler hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung gering ist oder bei denen nur geringe Ausgangsströme erforderlich sind. Abbildung 5 zeigt einen einfachen Linearregler, der eine Rückkopplungsregelung verwendet und bei dem der NPN-Durchgangstransistor von einem PNP-BJT angesteuert wird.

Der minimale Spannungsabfall an der BJT-Ausgangsstufe ist die Summe aus der Emitter-Kollektor-Sättigungsspannung des PNP-Transistors und dem Spannungsabfall am Basis-Emitter-Übergang des NPN: VDropout(min) = VCEsat + VBE.
Die Ausgangsspannung wird durch einen Regelverstärker reguliert, der sie mithilfe eines Widerstandsteilers verfolgt. Diese Rückkopplungsspannung wird mit einer Referenzspannung (VREF) verglichen und die Basissteuerung des PNP-BJT wird entsprechend angepasst, wodurch wiederum die Steuerung des Durchgangstransistors angepasst wird. Auf diese Weise senkt der Fehlerverstärker den Basisstrom, wenn die Rückkopplungsspannung über der Referenzspannung liegt, und umgekehrt.
Stromstabilisierung
Einige Lasten, wie eine LED-Kette, können nicht direkt an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen werden, sondern benötigen einen stabilen Strom. Das liegt daran, dass die Durchlassspannung einer LED temperaturabhängig ist und einen negativen Wärmekoeffizienten aufweist, was bedeutet, dass der Strom aufgrund der Eigenerwärmung und/oder steigenden Umgebungstemperatur kontinuierlich ansteigen würde. Dies bedeutet, dass der Arbeitspunkt thermisch wegläuft, was dazu führt, dass die LEDs in der Kette möglicherweise zerstört werden. Bild 6 zeigt, wie eine einfache Stromsenke mit einem NPN- oder eine Stromquelle mit einem PNP-BJT implementiert werden kann.

Diese simplen Basisschaltungen haben jedoch den Nachteil, dass die Stabilität des Ausgangsstroms durch den negativen Temperaturkoeffizienten von VBE beeinträchtigt wird, der bei etwa –2 mV/K liegt, was bedeutet, dass die Änderung des Ausgangsstroms im Verlauf der Temperatur so aussieht: ΔIOUT/ΔT = −2 mV/RE.
Dies kann teilweise durch die Verwendung einer P-N- oder Zener-Diode als Ersatz für den mit Masse verbundenen Widerstand im Basisvorspannungskreis ausgeglichen werden. Der Vorteil der Verwendung einer Zener-Diode besteht darin, dass IOUT unabhängig von VCC ist, wodurch die Immunität gegenüber Spannungsschwankungen erhöht wird. Eine sehr präzise Stromstabilisierung kann durch die Kombination eines BJT mit einem Basis-Treiber-Controller (Shunt-Regler) erreicht werden, um einen genauen und thermisch kompensierten Regelkreis zu schaffen. (na)