Складовий транзистор (схема Дарлінгтона та Шиклаї). Складовий транзистор

Складовий транзистор (транзистор Дарлінгтона) - об'єднання двох або більше біполярних транзисторів з метою збільшення коефіцієнта посилення струму. Такий транзистор використовується у схемах, що працюють з великими струмами (наприклад, схемах стабілізаторів напруги, вихідних каскадів підсилювачів потужності) і у вхідних каскадах підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс.

Умовне позначення складеного транзистора

Складовий транзистор має три висновки (база, емітер та колектор), які еквівалентні висновкам звичайного одиночного транзистора. Коефіцієнт посилення по струму типового складеного транзистора (іноді помилково званого «супербету»), у потужних транзисторів ≈ 1000 і малопотужних транзисторів ≈ 50000. Це означає, що невеликого струму бази достатньо для того, щоб складовий транзистор відкрився.

На відміну від біполярних, польові транзистори не використовують у складовому включенні. Об'єднувати польові транзистори немає необхідності, оскільки вони і без того мають надзвичайно малий вхідний струм. Однак існують схеми (наприклад, біполярний транзистор із ізольованим затвором), де спільно застосовуються польові та біполярні транзистори. У певному сенсі, такі схеми можна вважати складовими транзисторами. Також для складеного транзистораДосягти підвищення значення коефіцієнта посилення можна, зменшивши товщину бази, але це становить певні технологічні труднощі.

прикладом супербета (супер-β)транзисторів може бути серія КТ3102, КТ3107. Однак їх також можна поєднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм зміщення можна зробити рівним лише 50 пкА (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу LM111 і LM316).

Фото типового підсилювача на складових транзисторах

Схема Дарлінгтона

Один із видів такого транзистора винайшов інженер-електрик Сідні Дарлінгтон (Sidney Darlington).

Принципова схема складеного транзистора

Складовий транзистор є каскадним з'єднанням кількох транзисторів, включених таким чином, що навантаженням в емітері попереднього каскаду є перехід база-емітер транзистора наступного каскаду, тобто транзистори з'єднуються колекторами, а вхідний емітер вихідного транзистора з'єднується. Крім того, у складі схеми для прискорення закривання може використовуватися резистивне навантаження першого транзистора. Таке з'єднання в цілому розглядають як один транзистор, коефіцієнт посилення струму якого при роботі транзисторів в активному режимі приблизно дорівнює добутку коефіцієнтів посилення першого і другого транзисторів:

β с = β 1 ∙ β 2

Покажемо, що складовий транзистор справді має коефіцієнтβ значно більший, ніж у його обох компонентів. Задаючи прирістdlб= dlб1, отримуємо:

dlе1 = (1 + β 1) ∙ dlб= dlб2

dlдо= dlк1+ dlк2= β 1 ∙ dlб+ β 2 ∙ ((1 + β 1) ∙ dlб)

Ділячи dl дона dlб, знаходимо результуючий диференціальний коефіцієнт передачі:

β Σ = β 1 + β 2 + β 1 ∙ β 2

Оскільки завждиβ >1 , можна вважати:

β Σ = β 1 ∙ β 1

Слід наголосити, що коефіцієнтиβ 1 і β 1 можуть відрізнятися навіть у разі однотипних транзисторів, оскільки струм емітераI е2в 1 + β 2разів більше струму емітераI е1(це випливає з очевидної рівностіI б2 = I е1).

Схема Шиклаї

Парі Дарлінгтона подібно до з'єднання транзисторів за схемою Шиклаї, назване так на честь його винахідника Джорджа Шиклаї, також іноді зване комплементарним транзистором Дарлінгтона. На відміну від схеми Дарлінгтона, що складається з двох транзистори одного типу провідності, схема Шиклаї містить транзистори різної полярності ( p - n - p і n - p - n ). Пара Шиклаї поводиться як n – p – n -Транзистор з великим коефіцієнтом посилення Вхідна напруга - це напруга між базою і емітером транзистора Q1, а напруга насичення дорівнює принаймні падіння напруги на діоді. Між базою та емітером транзистора Q2 рекомендується включати резистор з невеликим опором. Така схема застосовується у потужних двотактних вихідних каскадах під час використання вихідних транзисторів однієї полярності.

Каскад Шиклаї, подібний до транзистора з n – p – n переходом

Каскодна схема

Складовий транзистор, виконаний за так званою каскодною схемою, характеризується тим, що транзистор VT1 включений за схемою із загальним емітером, а транзистор VT2 - за схемою із загальною базою. Такий складовий транзистор еквівалентний одиночному транзистору, включеному за схемою із загальним емітером, але при цьому він має набагато кращі частотні властивості і велику неспотворену потужність у навантаженні, а також дозволяє значно зменшити ефект Міллера (збільшення еквівалентної ємності інвертуючого на вхід даного елемента при вимкненні).

Переваги та недоліки складених транзисторів

Високі значення коефіцієнта посилення у складових транзисторах реалізуються лише статичному режимі, тому складові транзистори знайшли широке застосування у вхідних каскадах операційних підсилювачів. У схемах на високих частотах складові транзистори вже не мають таких переваг - гранична частота посилення струму і швидкодія складових транзисторів менше, ніж ці параметри для кожного з транзисторів VT1 і VT2.

Переваги:

а)Високий коефіцієнт посилення струму.

б)Cхема Дарлінгтона виготовляється як інтегральних схем і за однаковому струмі робоча поверхня кремнію менше, ніж в біполярних транзисторів. Дані схеми становлять великий інтерес при високих напругах.

Недоліки:

а)Низька швидкодія, особливо переходу з відкритого стану до закритого. Тому складові транзистори використовуються переважно в низькочастотних ключових і підсилювальних схемах, на високих частотах їх параметри гірші, ніж у одиночного транзистора.

б)Пряме падіння напруги на переході база-емітер у схемі Дарлінгтона майже вдвічі більше, ніж у звичайному транзисторі, і становить для кремнієвих транзисторів близько 1,2 - 1,4 (не може бути менше, ніж подвоєне падіння напруги на p-n переході) .

в)Велика напруга насичення колектор-емітер для кремнієвого транзистора близько 0,9 В (порівняно з 0,2 В у звичайних транзисторів) для малопотужних транзисторів і близько 2 В для транзисторів великої потужності (не може бути менше ніж падіння напруги на p-n переході плюс падіння напруги на насиченому вхідному транзисторі).

Застосування резистора навантаження R1 дозволяє поліпшити деякі характеристики складеного транзистора. Величина резистора вибирається з таким розрахунком, щоб струм колектор-емітер транзистора VT1 у закритому стані створював на резисторі падіння напруги, недостатнє для відкриття транзистора VT2. Таким чином, струм витоку транзистора VT1 не посилюється транзистором VT2, тим самим зменшується загальний струм колектор-емітер складеного транзистора в закритому стані. Крім того, застосування резистора R1 сприяє збільшенню швидкодії складеного транзистора рахунок форсування закриття транзистора VT2. Зазвичай опір R1 становить сотні Ом у потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька ком в малосигнальному транзисторі Дарлінгтона. Прикладом схеми з емітерним резистором служить потужний n-p-n - транзистор Дарлінгтон типу кт825, його коефіцієнт посилення по струму дорівнює 10000 (типове значення) для колекторного струму, що дорівнює 10 А.

Дарлінгтона), часто є складовим елементів радіоаматорських конструкцій. Як відомо, при такому включенні коефіцієнт посилення струму, як правило, збільшується в десятки разів. Однак домогтися значного запасу працездатності з напруги, що впливає на каскад, не завжди вдається. Підсилювачі, що складаються з двох біполярних транзисторів (Рис. 1.23), часто виходять з ладу при впливі імпульсної напруги, навіть якщо вона не перевищує значення електричних параметрів, зазначених у довідковій літературі.

З цим неприємним ефектом можна боротися різними способами. Одним з них – найпростішим – є наявність у парі транзистора з великим (у кілька разів) запасом ресурсу за напругою колектор-емітер. Відносно висока вартість таких високовольтних транзисторів призводить до збільшення собівартості конструкції. Можна, звичайно, придбати спеціальні складові кремнієві в одному корпусі, наприклад: КТ712, КТ829, КТ834, КТ848, КТ852, КТ853, КТ894, КТ897, КТ898, КТ973 та ін. Цей список включає потужні і середньої потужності при радіотехнічних пристроїв. А можна скористатися класичною – з двома паралельно включеними польовими транзисторами типу КП501В – або використовувати прилади КП501А…В, КП540 та інші з аналогічними електричними характеристиками (Рис. 1.24). При цьому виведення затвора підключають замість бази VT1, а висновок витоку замість емітера VT2, виведення стоку замість об'єднаних колекторів VT1, VT2.

Мал. 1.24. Заміна польовими транзисторами складеного транзистора по

Після такого нескладного доопрацювання, тобто. заміни вузлів в електричних схемах, універсального застосування, струму на транзисторах VT1, VT2 не виходить з ладу навіть за 10-кратного і більше перевантаження по напрузі. Причому обмежувального резистора ланцюга затвора VT1 також збільшується в кілька разів. Це призводить до того, що мають вищу вхідну і, як наслідок, витримують навантаження при імпульсному характері управління цим електронним вузлом.

Коефіцієнт посилення струму отриманого каскаду щонайменше 50. Збільшується прямо пропорційно збільшення напруги живлення вузла.

VT1, VT2. За відсутності дискретних транзисторів типу КП501А ... можна без втрати якості роботи пристрою використовувати мікросхему 1014КТ1В. На відміну, наприклад, від 1014КТ1А і 1014КТ1Б ця витримує вищі перевантаження за прикладеним напругою імпульсного характеру - до 200 В постійної напруги. Цоколівка включення транзисторів мікросхеми 1014КТ1А ... 1014К1В показано на Мал. 1.25.

Так само, як і в попередньому варіанті (Рис. 1.24), включають паралельно.

Цоколівка польових транзисторів у мікросхемі 1014КТ1А…В

Автор випробував десятки електронних вузлів, включених за . Такі вузли використовуються в радіоаматорських конструкціях як струмові ключі аналогічно складовим транзисторам, включеним по . До перелічених вище особливостей польових транзисторів можна додати їх енергоекономічність, тому що в закритому стані через високий вхідний вони практично не споживають струму. Що стосується вартості таких транзисторів, то сьогодні вона практично така ж, як і вартість середньопотужних транзисторів типу (і аналогічним їм), які прийнято використовувати як підсилювач струму для управління пристроями навантаження.

Якщо з'єднати транзистори, як показано на рис. 2.60, то отримана схема буде працювати як один транзистор, причому його коефіцієнт буде дорівнювати добутку коефіцієнтів складових транзисторів. Цей прийом корисний для схем, що працюють із великими струмами (наприклад, для стабілізаторів напруги або вихідних каскадів підсилювачів потужності) або для вхідних каскадів підсилювачів, якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс.

Мал. 2.60. Складовий транзистор Дарлінгтон.

У транзисторі Дарлінгтона падіння напруги між базою і емітером вдвічі більше звичайного, а напруга насичення дорівнює принаймні падіння напруги на діоді (оскільки потенціал емітера транзистора Т 1 повинен перевищувати потенціал емітера транзистора Т 2 на величину падіння напруги на діоді). Крім того, з'єднані таким чином транзистори поводяться як один транзистор з досить малою швидкодією, так як транзистор T 1 не може швидко вимкнути транзистор Т 2 . З урахуванням цієї властивості зазвичай між базою та емітером транзистора Т 2 включають резистор (рис. 2.61). Резистор R запобігає змішанню транзистора Т 2 область провідності за рахунок струмів витоку транзисторів Т 1 і Т 2 . Опір резистора вибирають так, щоб струми витоку (вимірювані в наноамперах для малосигнальних транзисторів і сотнях мікроампер для потужних транзисторів) створювали на ньому падіння напруги, не перевищує падіння напруги на діоді, і разом з тим щоб через нього протікав струм. малий проти базовим струмом транзистора Т 2 . Зазвичай опір R становить кілька сотень в потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька тисяч в малосигнальному транзисторі Дарлінгтона.

Мал. 2.61. Підвищення швидкості вимикання у складовому транзисторі Дарлінгтона.

Промисловість випускає транзистори Дарлінгтона як закінчених модулів, які включають, зазвичай, і емітерний резистор. Прикладом такої стандартної схеми служить потужний n-p-n - транзистор Дарлінгтона типу 2N6282, його коефіцієнт посилення струмом дорівнює 4000 (типове значення) для колекторного струму, рівного 10 А.

З'єднання транзисторів за схемою Шіклаї (Sziklai).З'єднання транзисторів за схемою Шиклаї є схемою, подібною до тієї. яку ми щойно розглянули. Вона також забезпечує збільшення коефіцієнта β. Іноді таку сполуку називають комплементарним транзистором Дарлінгтона (рис. 2.62). Схема поводиться як транзистор n-p-n - типу, що має великий коефіцієнт β. У схемі діє одна напруга між базою і емітером, а напруга насичення, як і в попередній схемі, дорівнює принаймні падіння напруги на діоді. Між базою та емітером транзистора Т 2 рекомендується включати резистор з невеликим опором. Розробники застосовують цю схему у потужних двотактних вихідних каскадах, коли хочуть використовувати вихідні транзистори лише однієї полярності. Приклад такої схеми показано на рис. 2.63. Як і раніше, резистор являє собою колекторний резистор транзистора Т 1 Транзистор Дарлінгтон, утворений транзисторами Т 2 і Т 3 . поводиться як один транзистор n-p-n - типу. з великим коефіцієнтом посилення струму. Транзистори Т 4 і Т 5 з'єднані за схемою Шиклаї поводяться як потужний транзистор p-n-p - типу. з більшим коефіцієнтом посилення. Як і раніше, резистори R 3 і R 4 мають невеликий опір. Цю схему іноді називають двотактним повторювачем із квазідодатковою симетрією. У цьому каскаді з додатковою симетрією (комплементарним) транзистори Т 4 і Т 5 були з'єднані за схемою Дарлінгтона.

Мал. 2.62. З'єднання транзисторів за схемою Шиклаї («додатковий транзистор Дарлінгтона»).

Мал. 2.63. Потужний двотактний каскад, у якому використані вихідні транзистори лише n-p-n - типу.

Транзистор з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму.Складові транзистори - транзистор Дарлінгтона і йому подібні - не слід плутати з транзисторами з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму, в яких дуже велике значення коефіцієнта h 21е отримують в ході технологічного процесу виготовлення елемента. Приклад такого елемента служить транзистор типу 2N5962. для якого гарантується мінімальний коефіцієнт посилення струму, рівний 450, при зміні колекторного струму в діапазоні від 10 мкА до 10 мА; цей транзистор належить до серії елементів 2N5961-2N5963, яка характеризується діапазоном максимальної напруги U ке від 30 до 60 В (якщо колекторна напруга має бути більшою, то слід піти на зменшення значення C). Промисловість випускає узгоджені пари транзисторів із надвеликим значенням коефіцієнта β. Їх використовують у підсилювачах з низьким рівнем сигналу, для яких транзистори повинні мати узгоджені характеристики; цьому питанню присвячений розд. 2.18. Прикладами подібних стандартних схем є схеми типу LM394 і МАТ-01; вони являють собою транзисторні пари з великим коефіцієнтом посилення, в яких напруга U бе узгоджено до часток мілівольта (в найкращих схемах забезпечується узгодження до 50 мкВ), а коефіцієнт h 21е - до 1%. Схема типу МАТ-03 є узгодженою парою p-n-p - транзисторів.

Транзистори з надвеликим значенням коефіцієнта можна об'єднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм зсуву можна зробити рівним лише 50 пкА (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу LM111 і LM316).

В інтегральних схемах та дискретній електроніці велике поширення набули два види складових транзисторів: за схемою Дарлінгтона та Шиклаї. У мікропотужних схемах, наприклад, вхідні каскади операційних підсилювачів, складові транзистори забезпечують великий вхідний опір та малі вхідні струми. У пристроях, що працюють з великими струмами (наприклад, для стабілізаторів напруги або вихідних каскадів підсилювачів потужності) для підвищення ККД необхідно забезпечити високий коефіцієнт посилення струму потужних транзисторів.

Схема Шиклаї реалізує потужний p-n-pтранзистор з великим коефіцієнтом посилення за допомогою малопотужного p-n-pтранзистора з малим Ута потужного n-p-nтранзистора ( малюнок 7.51). В інтегральних схемах це включення реалізує високобетовий p-n-pтранзистор на основі горизонтальних p-n-pтранзистора та вертикального n-p-nтранзистора. Також ця схема застосовується у потужних двотактних вихідних каскадах, коли використовуються вихідні транзистори однієї полярності ( n-p-n).

Малюнок 7.51 - Складовий p-n-pтранзистор Малюнок 7.52 - Складовий n-p-nза схемою Шиклаї транзистор за схемою Дарлінгтона

Схема Шиклаї або комплементарний транзистор Дарлінгтона поводиться як транзистор p-n-pтипу ( малюнок 7.51) з великим коефіцієнтом посилення по струму,

Вхідна напруга ідентична одиночному транзистору. Напруга насичення вища, ніж у одиночного транзистора на величину падіння напруги на емітерному переході n-p-nтранзистора. Для кремнієвих транзисторів ця напруга становить близько одного вольта на відміну частин вольта одиночного транзистора. Між базою та емітером n-p-nтранзистора (VT2) рекомендується включати резистор з невеликим опором для придушення некерованого струму та підвищення термостійкості.

Транзистор Дарлінгтон реалізується на однополярних транзисторах ( малюнок 7.52). Коефіцієнт посилення струму визначається добутком коефіцієнтів складових транзисторів.

Вхідна напруга транзистора за схемою Дарлінгтона вдвічі більше, ніж одиночного транзистора. Напруга насичення перевищує вихідний транзистор. Вхідний опір операційного підсилювача при

.

Схема Дарлінгтона використовують у дискретних монолітних імпульсних транзисторах. На одному кристалі формуються два транзистори, два шунтуючі резистори і захисний діод ( малюнок 7.53). Резистори R 1 і R 2 пригнічують коефіцієнт посилення в режимі малих струмів ( малюнок 7.38), що забезпечує мале значення некерованого струму та підвищення робочої напруги закритого транзистора,

Малюнок 7.53 - Електрична схема монолітного імпульсного транзистора Дарлінгтон

Резистор R2 (порядку 100 Ом) формується у вигляді технологічного шунта, подібно до шунтів катодного переходу тиристорів. З цією метою при формуванні – емітера за допомогою фотолітографії у певних локальних областях залишають окисну маску у вигляді кола. Ці локальні маски не дозволяють дифундувати донорної домішки і під ними залишаються. p-стовпчики ( малюнок 7.54). Після металізації по всій площі емітера ці стовпчики являють собою розподілений опір R2 та захисний діод D ( малюнок 7.53). Захисний діод захищає від пробою емітерні переходи при переполюсуванні колекторної напруги. Вхідна потужність споживання транзистора за схемою Дарлінгтона на півтора два порядки нижче, ніж одиночний транзистор. Максимальна частота перемикань залежить від граничної напруги та струму колектора. Транзистори на струми успішно працюють у імпульсних перетворювачах до частот близько 100 кГц. Відмінною особливістю монолітного транзистора Дарлінгтона є квадратична передавальна характеристика, оскільки В-амперна характеристика лінійно зростає зі зростанням струму колектора до максимального значення,

Якщо з'єднати транзистори, як показано на рис. 2.60, то отримана схема буде працювати як один транзистор, причому його коефіцієнт (3 дорівнюватиме добутку коефіцієнтів складових транзисторів. Цей прийом корисний для схем, що працюють з великими струмами (наприклад, для стабілізаторів напруги або вихідних каскадів підсилювачів потужності) або для вхідних каскадів підсилювачів якщо необхідно забезпечити великий вхідний імпеданс.

Мал. 2.60. Складовий транзистор Дарлінгтон.

Мал. 2.61. Підвищення швидкості вимикання у складовому транзисторі Дарлінгтона.

У транзисторі Дарлінгтона падіння напруги між базою і емітером вдвічі більше звичайного, а напруга насичення дорівнює принаймні падіння напруги на діоді (оскільки потенціал емітера транзистора повинен перевищувати потенціал емітера транзистора на величину падіння напруги на діоді). Крім того, з'єднані таким чином транзистори поводяться як один транзистор з досить малою швидкодією, так як транзистор не може швидко вимкнути транзистор . З урахуванням цієї властивості зазвичай між базою та емітером транзистора включають резистор (рис. 2.61). Резистор R запобігає зсуву транзистора в область провідності за рахунок струмів витоку транзисторів і . Опір резистора вибирають так, щоб струми витоку (вимірювані в наноамперах для малосигнальних транзисторів і в сотнях мікроампер для потужних транзисторів) створювали на ньому падіння напруги, що не перевищує падіння напруги на діоді, і разом з тим щоб через нього протікав струм, малий порівняно з базовим струмом транзистора. Зазвичай опір R становить кілька сотень в потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька тисяч в малосигнальному транзисторі Дарлінгтона.

Промисловість випускає транзистори Дарлінгтона як закінчених модулів, які включають, зазвичай, і емітерний резистор. Прикладом такої стандартної схеми служить потужний п-р-п-транзистор Дарлінгтона типу його коефіцієнт посилення по струму дорівнює 4000 (типове значення) для колекторного струму, рівного 10 А.

Мал. 2.62. З'єднання транзисторів за схемою Шиклаї («додатковий транзистор Дарлінгтона»).

З'єднання транзисторів за схемою Шіклаї (Sziklai).

З'єднання транзисторів за схемою Шиклаї є схемою, подібною до тієї, яку ми щойно розглянули. Вона також забезпечує збільшення коефіцієнта. Іноді таку сполуку називають комплементарним транзистором Дарлінгтона (рис. 2.62). Схема поводиться як транзистор п-р-п-типу, що має великий коефіцієнт. У схемі діє одна напруга між базою і емітером, а напруга насичення, як і в попередній схемі, дорівнює принаймні падіння напруги на діоді. Між базою та емітером транзистора рекомендується включати резистор з невеликим опором. Розробники застосовують цю схему у потужних двотактних вихідних каскадах, коли хочуть використовувати вихідні транзистори лише однієї полярності. Приклад такої схеми показано на рис. 2.63. Як і раніше, резистор є колекторним резистором транзистора Транзистор Дарлінгтона, утворений транзисторами , поводиться як один транзистор п-р-п-типу з великим коефіцієнтом посилення по струму. Транзистори, з'єднані за схемою Шиклаї, поводяться як потужний транзистор р-п-р-тііа з великим коефіцієнтом посилення.

Мал. 2.63. Потужний двотактний каскад, в якому використані вихідні транзистори тільки .

Як і раніше, резистори і мають невеликий опір. Цю схему іноді називають двотактним повторювачем із квазідодатковою симетрією. У цьому каскаді з додатковою симетрією (комплементарним) транзистори були з'єднані за схемою Дарлінгтона.

Транзистор з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму.

Складові транзистори - транзистор Дарлінгтона і подібні йому не слід плутати з транзисторами з надвеликим значенням коефіцієнта посилення струму, у яких дуже велике значення коефіцієнта отримують під час технологічного процесу виготовлення елемента. Прикладом такого елемента служить транзистор типу , для якого гарантується мінімальний коефіцієнт посилення по струму, рівний 450, при зміні колекторного струму в діапазоні від цього транзистор належить до серії елементів , яка характеризується діапазоном максимальних напруг від 30 до 60 В (якщо колекторна напруга більше, слід піти зменшення значення ). Промисловість випускає узгоджені пари транзисторів із надвеликим значенням коефіцієнта. Їх використовують у підсилювачах з низьким рівнем сигналу, для яких транзистори повинні мати узгоджені характеристики; цьому питанню присвячений розд. 2.18. Прикладами подібних стандартних схем служать схеми типу вони є транзисторні пари з великим коефіцієнтом посилення, в яких напруга узгоджена до часток мілівольта (у найкращих схемах забезпечується узгодження до , а коефіцієнт Схема типу являє собою узгоджену пару .

Транзистори з надвеликим значенням коефіцієнта можна поєднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм усунення можна зробити рівним лише (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу ).