Составной транзистор (схема Дарлингтона и Шиклаи). Составной транзистор

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) - объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току. Такой транзистор используется в схемах, работающих с большими токами (например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадов усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Условное обозначение составного транзистора

Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора (иногда ошибочно называемого «супербета»), у мощных транзисторов ≈ 1000 и у маломощных транзисторов ≈ 50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.

В отличие от биполярных, полевые транзисторы не используются в составном включении. Объединять полевые транзисторы нет необходимости, так как они и без того обладают чрезвычайно малым входным током. Однако существуют схемы (например, биполярный транзистор с изолированным затвором), где совместно применяются полевые и биполярные транзисторы. В некотором смысле, такие схемы также можно считать составными транзисторами. Так же для составного транзистора достигнуть повышения значения коэффициента усиления можно, уменьшив толщину базы, но это представляет определенные технологические трудности.

Примером супербета (супер-β) транзисторов может служить серия КТ3102, КТ3107. Однако их также можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316).

Фото типичного усилителя на составных транзисторах

Схема Дарлингтона

Один из видов такого транзистора изобрёл инженер-электрик Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington).

Принципиальная схема составного транзистора

Составной транзистор является каскадным соединением нескольких транзисторов, включенных таким образом, что нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, в составе схемы для ускорения закрывания может использоваться резистивная нагрузка первого транзистора. Такое соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов:

β с = β 1 ∙ β 2

Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β , значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение d l б = d l б1 , получаем:

d l э1 = (1 + β 1) ∙ d l б = d l б2

d l к = d l к1 + d l к2 = β 1 ∙ d l б + β 2 ∙ ((1 + β 1) ∙ d l б )

Деля d l к на dl б , находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

β Σ = β 1 + β 2 + β 1 ∙ β 2

Поскольку всегда β >1 , можно считать:

β Σ = β 1 ∙ β 1

Следует подчеркнуть, что коэффициенты β 1 и β 1 могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера I э2 в 1 + β 2 раз больше тока эмиттера I э1 (это вытекает из очевидного равенства I б2 = I э1 ).

Схема Шиклаи

Паре Дарлингтона подобно соединение транзисторов по схеме Шиклаи, названное так в честь его изобретателя Джорджа Шиклаи, также иногда называемое комплементарным транзистором Дарлингтона. В отличие от схемы Дарлингтона, состоящей из двух транзисторов одного типа проводимости, схема Шиклаи содержит транзисторы разной полярности (p – n – p и n – p – n ). Пара Шиклаи ведет себя как n – p – n -транзистор c большим коэффициентом усиления. Входное напряжение - это напряжение между базой и эмиттером транзистора Q1, а напряжение насыщения равно, по крайней мере, падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Q2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Такая схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах при использовании выходных транзисторов одной полярности.

Каскад Шиклаи, подобный транзистору с n – p – n переходом

Каскодная схема

Составной транзистор, выполненный по так называемой каскодной схеме, характеризуется тем, что транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, а транзистор VT2 - по схеме с общей базой. Такой составной транзистор эквивалентен одиночному транзистору, включенному по схеме с общим эмиттером, но при этом он имеет гораздо лучшие частотные свойства и большую неискаженную мощность в нагрузке, а также позволяет значительно уменьшить эффект Миллера (увеличение эквивалентной ёмкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход данного элемента при его выключении).

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ - граничная частота усиления по току и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2.

Достоинства:

а) Высокий коэффициент усиления по току.

б) Cхема Дарлингтона изготавливается в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.

Недостатки:

а) Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, на высоких частотах их параметры хуже, чем у одиночного транзистора.

б) Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем в обычном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 - 1,4 В (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).

в) Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В (по сравнению с 0,2 В у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше чем падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчётом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии создавал на резисторе падение напряжения, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии. Кроме того, применение резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счёт форсирования закрытия транзистора VT2. Обычно сопротивление R1 составляет сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в малосигнальном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы с эмиттерным резистором служит мощный n-p-n - транзистор Дарлингтона типа кт825, его коэффициент усиления по току равен 10000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Дарлингтона), часто являются составным элементов радиолюбительских конструкций. Как известно, при таком включении коэффициент усиления по току, как правило, увеличивается в десятки раз. Однако добиться значительного запаса работоспособности по напряжению, воздействующему на каскад, удается не всегда. Усилители по , состоящие из двух биполярных транзисторов (Рис. 1.23), часто выходят из строя при воздействии импульсного напряжения, даже если оно не превышает значение электрических параметров, указанных в справочной литературе.

С этим неприятным эффектом можно бороться разными способами. Одним из них - самым простым - является наличие в паре транзистора с большим (в несколько раз) запасом ресурса по напряжению коллектор-эмиттер. Относительно высокая стоимость таких «высоковольтных» транзисторов приводит к увеличению себестоимости конструкции. Можно, конечно, приобрести специальные составные кремниевые в одном корпусе, например: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 и др. Этот список включает мощные и средней мощности приборы, разработанные практически для всего спектра радиотехнических устройств. А можно воспользоваться классической - с двумя параллельно включенными полевыми транзисторами типа КП501В - или использовать приборы КП501А…В, КП540 и другие с аналогичными электрическими характеристиками (Рис. 1.24). При этом вывод затвора подключают вместо базы VT1, а вывод истока - вместо эмиттера VT2, вывод стока - вместо объединенных коллекторов VT1, VT2.

Рис. 1.24. Замена полевыми транзисторами составного транзистора по

После такой несложной доработки, т.е. замены узлов в электрических схемах, универсального применения, тока на транзисторах VT1, VT2 не выходит из строя даже при 10-кратной и более перегрузке по напряжению. Причем ограничительного резистора в цепи затвора VT1 также увеличивается в несколько раз. Это приводит к тому, что имеют более высокое входное и, как следствие, выдерживают перегрузки при импульсном характере управления данным электронным узлом.

Коэффициент усиления по току полученного каскада не менее 50. Увеличивается прямо пропорционально увеличению напряжения питания узла.

VT1, VT2. При отсутствии дискретных транзисторов типа КП501А…В можно без потери качества работы устройства использовать микросхему 1014КТ1В. В отличие, например, от 1014КТ1А и 1014КТ1Б эта выдерживает более высокие перегрузки по приложенному напряжению импульсного характера - до 200 В постоянного напряжения. Цоколевка включения транзисторов микросхемы 1014КТ1А…1014К1В показана на Рис. 1.25.

Так же как и в предыдущем варианте (Рис. 1.24), включают параллельно.

Цоколевка полевых транзисторов в микросхеме 1014КТ1А…В

Автор опробовал десятки электронных узлов, включенных по . Такие узлы используются в радиолюбительских конструкциях в качестве токовых ключей аналогично составным транзисторам, включенным по . К перечисленным выше особенностям полевых транзисторов можно добавить их энергоэкономичность, так как в закрытом состоянии из-за высокого входного они практически не потребляют тока. Что касается стоимости таких транзисторов, то сегодня она практически такая же, как и стоимость среднемощных транзисторов типа , (и аналогичным им), которые принято использовать в качестве усилителя тока для управления устройствами нагрузки.

Если соединить транзисторы, как показано на рис. 2.60, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент β будет равен произведению коэффициентов β составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Рис. 2.60. Составной транзистор Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора Т 1 должен превышать потенциал эмиттера транзистора Т 2 , на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор T 1 не может быстро выключить транзистор Т 2 . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора Т 2 включают резистор (рис. 2.61). Резистор R предотвращает смешение транзистора Т 2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов Т 1 и Т 2 . Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток. малый по сравнению с базовым током транзистора Т 2 . Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Рис. 2.61. Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный n-p-n - транзистор Дарлингтона типа 2N6282, его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai). Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той. которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента β. Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.62). Схема ведет себя как транзистор n-p-n - типа, обладающий большим коэффициентом β. В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Т 2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис. 2.63. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор транзистора T 1 Транзистор Дарлингтона, образованный транзисторами Т 2 и Т 3 . ведет себя как один транзистор n-p-n - типа. с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы Т 4 и Т 5 , соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор p-n-p - типа. с большим коэффициентом усиления. Как и прежде, резисторы R 3 и R 4 имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повторителем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы Т 4 и Т 5 , были бы соединены по схеме Дарлингтона.

Рис. 2.62. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи («дополняющий транзистор Дарлингтона»).

Рис. 2.63. Мощный двухтактный каскад, в котором использованы выходные транзисторы только n-p-n - типа.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току. Составные транзисторы - транзистор Дарлингтона и ему подобные - не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента h 21э получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа 2N5962. для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 450, при изменении коллекторного тока в диапазоне от 10 мкА до 10 мА; этот транзистор принадлежит к серии элементов 2N5961-2N5963, которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений U кэ от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения C). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента β. Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.18 . Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа LM394 и МАТ-01; они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение U бэ согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до 50 мкВ), а коэффициент h 21э - до 1%. Схема типа МАТ-03 представляет собой согласованную пару p-n-p - транзисторов.

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента β можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь 50 пкА (примерами таких схем служат операционные усилители типа LM111 и LM316.

В интегральных схемах и дискретной электронике большое распространение получили два вида составных транзисторов: по схеме Дарлингтона и Шиклаи. В микромощных схемах, например, входные каскады операционных усилителей, составные транзисторы обеспечивают большое входное сопротивление и малые входные токи. В устройствах, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) для повышения КПД необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления по току мощных транзисторов.

Схема Шиклаи реализует мощный p-n-p транзистор с большим коэффициентом усиления с помощью маломощного p-n-p транзистора с малым В и мощного n-p-n транзистора (рисунок 7.51 ). В интегральных схемах это включение реализует высокобетный p-n-p транзистор на основе горизонтальных p-n-p транзистора и вертикального n-p-n транзистора. Также эта схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах, когда используются выходные транзисторы одной полярности (n-p-n ).

Рисунок 7.51 - Составной p-n-p транзистор Рисунок 7.52 - Составной n-p-n по схеме Шиклаи транзистор по схеме Дарлингтона

Схема Шиклаи или комплементарный транзистор Дарлингтона ведет себя, как транзистор p-n-p типа (рисунок 7.51 ) с большим коэффициентом усиления по току,

Входное напряжение идентично одиночному транзистору. Напряжение насыщения выше, чем у одиночного транзистора на величину падения напряжения на эмиттерном переходе n-p-n транзистора. Для кремниевых транзисторов это напряжение составляет порядка одного вольта в отличие от долей вольта одиночного транзистора. Между базой и эмиттером n-p-n транзистора (VT2) рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением для подавления неуправляемого тока и повышения термоустойчивости.

Транзистор Дарлингтона реализуется на однополярных транзисторах (рисунок 7.52 ). Коэффициент усиления по току определяется произведением коэффициентов составляющих транзисторов.

Входное напряжение транзистора по схеме Дарлингтона в два раза больше, чем у одиночного транзистора. Напряжение насыщения превышает выходного транзистора. Входное сопротивление операционного усилителя при

.

Схема Дарлингтона используется в дискретных монолитных импульсных транзисторах. На одном кристалле формируются два транзистора, два шунтирующих резистора и защитный диод (рисунок 7.53 ). Резисторы R 1 и R 2 подавляют коэффициент усиления в режиме малых токов, (рисунок 7.38 ), что обеспечивает малое значение неуправляемого тока и повышение рабочего напряжения закрытого транзистора,

Рисунок 7.53 - Электрическая схема монолитного импульсного транзистора Дарлингтона

Резистор R2 (порядка 100 Ом) формируется в виде технологического шунта, подобно шунтам катодного перехода тиристоров. С этой целью при формировании - эмиттера с помощью фотолитографии в определенных локальных областях оставляют окисную маску в виде круга. Эти локальные маски не позволяют диффундировать донорной примеси, и под ними остаются p- столбики (рисунок 7.54 ). После металлизации по всей площади эмиттера эти столбики представляют собой распределенное сопротивление R2 и защитный диод D (рисунок 7.53 ). Защитный диод предохраняет от пробоя эмиттерные переходы при переполюсовке коллекторного напряжения. Входная мощность потребления транзистора по схеме Дарлингтона на полтора два порядка ниже, чем у одиночного транзистора. Максимальная частота переключений зависит от предельного напряжения и тока коллектора. Транзисторы на токи успешно работают в импульсных преобразователях до частот порядка 100 кГц. Отличительной особенностью монолитного транзистора Дарлингтона является квадратичная передаточная характеристика, так как В- амперная характеристика линейно возрастает с ростом тока коллектора до максимального значения,

Если соединить транзисторы, как показано на рис. 2.60, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент (3 будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Рис. 2.60. Составной транзистор Дарлингтона.

Рис. 2.61. Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона.

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор (рис. 2.61). Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов и . Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора . Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Промышленность выпускает транзисторы Дарлингтона в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерный резистор. Примером такой стандартной схемы служит мощный п-р-п-транзистор Дарлингтона типа , его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Рис. 2.62. Соединение транзисторов по схеме Шиклаи («дополняющий транзистор Дарлингтона»).

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai).

Соединение транзисторов по схеме Шиклаи представляет собой схему, подобную той, которую мы только что рассмотрели. Она также обеспечивает увеличение коэффициента . Иногда такое соединение называют комплементарным транзистором Дарлингтона (рис. 2.62). Схема ведет себя как транзистор п-р-п-типа, обладающий большим коэффициентом . В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, а напряжение насыщения, как и в предыдущей схеме, равно по крайней мере падению напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением. Разработчики применяют эту схему в мощных двухтактных выходных каскадах, когда хотят использовать выходные транзисторы только одной полярности. Пример такой схемы показан на рис. 2.63. Как и прежде, резистор представляет собой коллекторный резистор транзистора Транзистор Дарлингтона, образованный транзисторами , ведет себя как один транзистор п-р-п-типа с большим коэффициентом усиления по току. Транзисторы , соединенные по схеме Шиклаи, ведут себя как мощный транзистор р-п-р-тииа с большим коэффициентом усиления.

Рис. 2.63. Мощный двухтактный каскад, в котором использованы выходные транзисторы только .

Как и прежде, резисторы и имеют небольшое сопротивление. Эту схему иногда называют двухтактным повторителем с квазидополнительной симметрией. В настоящем каскаде с дополнительной симметрией (комплементарном) транзисторы были бы соединены по схеме Дарлингтона.

Транзистор со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току.

Составные транзисторы - транзистор Дарлингтона и ему подобные не следует путать с транзисторами со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, в которых очень большое значение коэффициента получают в ходе технологического процесса изготовления элемента. Примером такого элемента служит транзистор типа , для которого гарантируется минимальный коэффициент усиления по току, равный 450, при изменении коллекторного тока в диапазоне от до этот транзистор принадлежит к серии элементов , которая характеризуется диапазоном максимальных напряжений от 30 до 60 В (если коллекторное напряжение должно быть больше, то следует пойти на уменьшение значения ). Промышленность выпускает согласованные пары транзисторов со сверхбольшим значением коэффициента . Их используют в усилителях с низким уровнем сигнала, для которых транзисторы должны иметь согласованные характеристики; этому вопросу посвящен разд. 2.18. Примерами подобных стандартных схем служат схемы типа они представляют собой транзисторные пары с большим коэффициентом усиления, в которых напряжение согласовано до долей милливольта (в самых хороших схемах обеспечивается согласование до , а коэффициент Схема типа представляет собой согласованную пару .

Транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента можно объединять по схеме Дарлингтона. При этом базовый ток смещения можно сделать равным всего лишь (примерами таких схем служат операционные усилители типа .