Was ist der ideale Widerstand für einen 2N3904-Basiswiderstandswert bei Verwendung der RTL-Logik?

Ich habe eine Tonne 2N3904-Transistoren und möchte sie für mein RTL-Logikprojekt verwenden. Basierend auf dem, was ich im Web herausfinden konnte, und den Teilen, die ich hatte, habe ich Logikgatter erhalten, die mit den folgenden Werten recht gut funktionieren:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Obwohl dies gut funktioniert, bin ich etwas besorgt darüber, was ich auf dem Datenblatt für den 2N3904 gelesen habe. Es besagt, dass die Basis-Emitter-Sättigungsspannung die folgenden Spezifikationen aufweist:

Ic = 10 mA Ib = 1,0 mA Ic = 50 mA Ib = 5,0 mA

Es fällt mir schwer zu verstehen, was das genau bedeutet. Wenn Sie den Strom für den Basiseingang mit dem Ohmschen Gesetz berechnen, erhalten wir I = 5/10000 = 0,0005. Bin ich richtig, dass dies 5mA ist? Ich habe R2 durch einen 5K-Widerstand ersetzt und er hat den gleichen geschaltet, was 0,001 oder 10 mA wäre.

Wie ich schon sagte, es funktioniert im Moment. Ich möchte nur sicherstellen, dass ich die richtigen Widerstände für den Job kaufe. Ich weiß, dass das Ziel darin besteht, dass der Transistor vollständig gesättigt ist, aber ich weiß nicht, ob dies so gemacht wird oder nicht.

Vielen Dank,

transistors digital-logic rtl

— JohnnyStarr
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wäre ein miliAmp nicht 1 / 1000A oder 1e-3A? Wenn ja, dann sind es nicht 10 mA, wie Sie geschrieben haben, sondern 1 mA. und ist auch nicht 5mA sondern 0,5mA oder 500uA. zustimmen?

— Cristiano

Jeder Transistor hat eine Stromverstärkung, normalerweise oder im Datenblatt. Typische Werte liegen in der Größenordnung von 100. Wenn der Transistor nicht gesättigt ist, hängen der Basisstrom und der Kollektorstrom durch diesen Faktor zusammen: $\beta$ $h_{fe}$

I_{c} = h_{f e} I_{b}

$I_c = h_{fe} I_b$

Wenn der Basisstrom bis zu dem Punkt ansteigt, an dem der Kollektorstrom nicht mehr ansteigen kann, wird der Transistor als gesättigt bezeichnet . Der Kollektorstrom kann nicht mehr ansteigen, da er keinen Strom mehr zulässt - der Strom ist in Ihrem Diagramm vollständig durch R1 begrenzt, und die Spannung vom Emitter zum Kollektor ist minimal.

Wenn wir digitale Logik entwerfen, wollen wir die Transistoren nicht nur knapp sättigen. Wir wollen sie sehr sättigen. Dies bietet einen zusätzlichen Spielraum gegen Variationen in und berücksichtigt auch, dass für höhere Frequenzen (die für schnelle Übergänge zwischen hoch und niedrig erforderlich sind) effektiv reduziert wird. $h_{fe}$ $h_{fe}$

Faustregel: Entwerfen Sie in der digitalen Logik einen Kollektorstrom, der 15-mal größer als der Basisstrom ist.

Hier haben Sie also einen Kollektorwiderstand von 1 kΩ ausgewählt. Bei Sättigung ist die Emitter-Kollektor-Spannung viel geringer als die Versorgungsspannung, so dass wir den Kollektorstrom wie folgt schätzen können:

I_{c} = \frac{5 V}{1 k Ω} = 5 m A

$I_c = \frac{5\mathrm V}{1\mathrm k\Omega} = 5\mathrm{mA}$

Wir wollen, dass der Basisstrom 1/15 des (0,33 mA) beträgt und die Spannung am Basiswiderstand die Versorgungsspannung ist, weniger als etwa 0,65 V vom Basis-Emitter-Übergang von Q1. Damit:

R_{2} = \frac{5 V - 0.65 V}{0.33 m A} = 13 k Ω

$R_2 = \frac{5\mathrm V - 0.65 \mathrm V}{0.33\mathrm{mA}} = 13 \mathrm k \Omega$

Ihre Auswahl von 10 kΩ ist nah genug.

Sie können die Widerstandswerte auch vergrößern, indem Sie das Verhältnis von Basis- zu Kollektorstrom beibehalten, aber den Strom insgesamt reduzieren. Dies reduziert Ihren Stromverbrauch, verringert aber auch die Logikgeschwindigkeit, da die kleineren Ströme die parasitären Kapazitäten weniger schnell aufladen können. Dies ist ein Kompromiss zwischen Leistung und Stromverbrauch, den Sie als Ingenieur eingehen müssen.

— Phil Frost
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Die Fähigkeit, den Transistor vollständig zu sättigen, basiert also mehr auf dem Verhältnis von Kollektor- / Basisströmen als auf den tatsächlichen Werten des Transistors? Mit anderen Worten, ich könnte wahrscheinlich mehrere Arten von Transistoren mit einem 1K (Kollektor) 13K (Basis) Verhältnis verwenden?

— JohnnyStarr

Wie garantiert dieser Ansatz, dass der Transistor in Sättigung ist, wenn Sie nur für eine Verstärkung von 15 entwerfen?

— Sherlellbc

@ Sherellbc, weil die Verstärkung eines Transistors, den Sie wahrscheinlich verwenden, eine Verstärkung von viel mehr als 15 haben wird.

— Phil Frost

@JohnnyStarr hängt von der Verstärkung des Transistors ab, aber ein typischer Allzweck-Kleinsignal-BJT (wie 2N3904, BC547, 2N2222 usw.) hat eine Stromverstärkung in der Größenordnung von 100. Er variiert tatsächlich um Selbst zwischen Proben mit derselben Teilenummer besteht ein großer Spielraum. Daher besteht der Ansatz darin, eine Verstärkung zu antizipieren, die sicherlich geringer ist als die Verstärkung, die Sie erhalten, damit Sie nicht einmal auf ein Problem stoßen, bei dem Ihre Logik den Transistor nicht sättigt .

— Phil Frost

Da die Verstärkung also wahrscheinlich viel höher ist, würden Sie erwarten, dass der Transistor viel früher sättigt als bei einem Basisstrom von 330 uA? Die Idee scheint solide zu sein, aber dieser Basisstrom scheint wirklich klein zu sein. Wenn wir annehmen, dass der Transistor bei 1 mA Kollektorstrom sättigen kann , würde eine grobe Schätzung aber den zugehörigen Basisstrom bei 10 uA (~ Verstärkung von 100)? Und da wir für einen Basisstrom von 330 uA ausgelegt sind, ist die Sättigung garantiert.

— Sherlellbc