Схема составного транзистора. Составной транзистор Дарлингтона: принцип работы, преимущества и применение

Что такое составной транзистор Дарлингтона. Как работает пара Дарлингтона. Каковы основные преимущества и недостатки составных транзисторов. Где применяются транзисторы Дарлингтона в электронике. В чем отличие схемы Шиклаи от пары Дарлингтона.

Содержание

Что такое составной транзистор Дарлингтона

Составной транзистор Дарлингтона представляет собой объединение двух или более биполярных транзисторов для значительного увеличения коэффициента усиления по току. Эта схема была изобретена инженером Сидни Дарлингтоном в 1953 году.

Основная идея заключается в каскадном соединении транзисторов, при котором эмиттер первого транзистора подключается к базе второго. Такое включение позволяет получить очень высокий общий коэффициент усиления, близкий к произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов.

Принцип работы пары Дарлингтона

Как работает составной транзистор Дарлингтона? Принцип его работы основан на каскадном усилении тока:

Небольшой входной ток поступает на базу первого транзистора
Усиленный ток эмиттера первого транзистора подается на базу второго
Второй транзистор еще больше усиливает ток
В результате получается очень высокий коэффициент усиления

Коэффициент усиления по току составного транзистора Дарлингтона можно приблизительно рассчитать по формуле:

β_общ ≈ β₁ * β₂

где β₁ и β₂ — коэффициенты усиления отдельных транзисторов.

Основные преимущества составных транзисторов

Почему составные транзисторы Дарлингтона получили широкое распространение? Их ключевые преимущества:

Сверхвысокий коэффициент усиления по току (до 1000-50000)
Высокий входной импеданс
Малый входной ток управления
Возможность работы с большими токами нагрузки
Простота реализации в интегральном исполнении

Благодаря этим свойствам, составные транзисторы позволяют создавать высокочувствительные входные каскады и мощные выходные каскады усилителей.

Недостатки пары Дарлингтона

Несмотря на явные преимущества, у составных транзисторов Дарлингтона есть и некоторые недостатки:

Низкое быстродействие, особенно при переходе из открытого состояния в закрытое
Увеличенное падение напряжения база-эмиттер (около 1.2-1.4 В для кремниевых транзисторов)
Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер (около 0.9 В для маломощных и 2 В для мощных транзисторов)
Сложность температурной стабилизации режима

Эти ограничения необходимо учитывать при проектировании схем на составных транзисторах.

Применение транзисторов Дарлингтона в электронике

Где используются составные транзисторы Дарлингтона? Основные области их применения:

Входные каскады операционных усилителей

Выходные каскады усилителей мощности
Схемы стабилизаторов напряжения
Ключевые и коммутационные схемы
Драйверы управления мощными нагрузками
Компараторы с высоким входным импедансом

Составные транзисторы особенно эффективны в низкочастотных схемах, где не критично их пониженное быстродействие.

Схема Шиклаи как альтернатива паре Дарлингтона

Помимо классической пары Дарлингтона существует схема Шиклаи (Sziklai pair), названная в честь изобретателя Джорджа Шиклаи. В чем ее особенности?

Содержит транзисторы разной структуры (n-p-n и p-n-p)
Имеет меньшее падение напряжения база-эмиттер
Обеспечивает более высокое быстродействие
Лучше подходит для работы на высоких частотах

Схема Шиклаи часто применяется в выходных каскадах двухтактных усилителей мощности.

Особенности расчета и проектирования схем на составных транзисторах

При разработке устройств на основе составных транзисторов следует учитывать ряд важных моментов:

Выбор рабочей точки с учетом большого падения напряжения на переходе база-эмиттер
Обеспечение температурной стабилизации режима
Учет повышенного напряжения насыщения при расчете выходного каскада
Оптимизация быстродействия с помощью дополнительных цепей
Выбор транзисторов с согласованными параметрами для лучшей линейности

Правильный учет этих факторов позволяет максимально эффективно использовать преимущества составных транзисторов.

Современные интегральные составные транзисторы

Развитие технологий привело к появлению интегральных составных транзисторов, выполненных в едином корпусе. Каковы их особенности?

Улучшенное согласование параметров транзисторов
Меньшие паразитные емкости и индуктивности

Лучшие частотные характеристики
Повышенная надежность
Компактность и удобство применения

Современные интегральные составные транзисторы позволяют создавать более эффективные и миниатюрные электронные устройства.

Пара Дарлингтона | это… Что такое Пара Дарлингтона?

ТолкованиеПеревод

Пара Дарлингтона

Условное обозначение составного транзистора

Принципиальная схема составного транзистора

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) — объединение двух или более биполярных транзисторов с целью увеличения коэффициента усиления по току.

Составной транзистор является каскадным соединением нескольких транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором. Нагрузкой предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора соединяется с базой выходного. Кроме того, может использоваться нагрузка в виде резистора. Такое соединение рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов:

Составной транзистор имеет три вывода (база, эммитер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора у мощных транзисторов равен ~1000 и у маломощных транзисторов ~50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.

Достоинства составного транзистора:

Высокий коэффициент усиления по току.

Недостатками составного транзистора:

Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах.

Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер 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).
Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0.9 В (по сравнению с 0.2 у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше, падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

VT1 в закрытом состоянии создавал на резисторе падение напряжение, 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.

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

Пассивные твердотельные	Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Индуктивность · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные	Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор Интегральная схема · Цифровая интегральная схема · Аналоговая интегральная схема Тиристор · Симистор · Динистор
Пассивные вакуумные	Бареттер
Активные вакуумные и газоразрядные	Электронная лампа · Электровакуумный диод · Триод · Тетрод · Пентод · Механотрон · Клистрон · Магнетрон · Амплитрон · Платинотрон · Электронно-лучевая трубка · Лампа бегущей волны
Устройства отображения	Электронно-лучевая трубка · ЖК монитор · Светодиод · Газоразрядный индикатор · Флажковый индикатор · Семисегментный индикатор
Акустические устройства и датчики	Микрофон · Динамик · Тензорезистор · Пьезокерамический излучатель
Термоэлектрические устройства	Термистор · Термопара · Элемент Пельтье

Составной транзистор | это.

.. Что такое Составной транзистор?

Условное обозначение составного транзистора

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) — объединение двух или более биполярных транзисторов^[1] с целью увеличения коэффициента усиления по току^[2]. 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.

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»

[3], у мощных транзисторов (например — КТ825) ≈1000 и у маломощных транзисторов (типа КТ3102 и т. п.) ≈50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.

Содержание

1 Схема Дарлингтона
2 Схема Шиклаи
3 Каскодная схема
4 Достоинства и недостатки составных транзисторов
5 Примечания

Схема Дарлингтона

Принципиальная схема составного транзистора

Изобретение одного из видов такого транзистора является делом рук инженера-электрика Сидни Дарлингтона (Sidney Darlington).

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:

Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β, значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение dI_б=dI_б1, получаем:

dI_э1=(1+β₁)dI_б=dI_б2;

dI_к=dI_к1+dI_к2=β₁dI_б+β₂[(1+β₁)dI_б].

Деля dI_r на dI_б, находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

β_Σ=β₁+β₂+β₁β₂

Поскольку всегда , можно считать:

β_Σ≈β₁β₂.

Следует подчеркнуть, что коэффициенты и могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера I_э2 в 1+β₂ раз больше тока эмиттера I_э1 (это вытекает из очевидного равенства I_б2=I_э1)^[4].

Схема Шиклаи

Каскад Шиклаи, эквивалентный n-p-n транзистору

Паре Дарлингтона подобно соединение транзисторов по схеме Шиклаи (Sziklai pair), названное так в честь его изобретателя Джорджа К. Шиклаи также иногда называемое комплементарным транзистором Дарлингтона^[5]. 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. В схеме действует одно напряжение между базой и эмиттером, 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.

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.

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 составного транзистора:

Высокий коэффициент усиления по току.
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 составного транзистора:

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.
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).
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 2N6282, его коэффициент усиления по току равен 4000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

Примечания

↑ 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, IGBT), где совместно применяются полевые и биполярные транзисторы. В некотором смысле, такие схемы также можно считать составными транзисторами.
↑ Достигнуть повышения значения коэффициента усиления можно также уменьшив толщину базы, но это представляет определенные технологические трудности.
↑ Супербе́та (супер-β) транзисторами называют транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, полученным за счёт малой толщины базы, а не за счёт составного включения. Примером таких 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).
↑ Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1977. — С. 233, 234. — 672 с.
↑ Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с. англ. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Мир, 1993. — Т. 1. — С. 104, 105. — 413 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-03-002337-2

Sziklai Transistor Pair Tutorial

Sziklai Transistor Pair была впервые разработана Джорджем Сиклаем для преодоления некоторых проблем, связанных с эффективностью пары Дарлингтона, которые будут обсуждаться далее в этой статье. Он также известен как соединение или пара псевдо-Дарлингтона . Эта пара транзисторов состоит из двух пар биполярных транзисторов, одна из которых — NPN, а другая — PNP. Пара Шиклаи похожа на пару Дарлингтона.

Пара транзисторов Шиклаи и их конфигурация

И Дарлингтон, и Шиклай имеют два типа конфигурации. Но конфигурации Шиклаи имеют такое же падение напряжения база-эмиттер, как и у обычного транзистора. В то время как падение напряжения база-эмиттер у Дарлингтона в два раза больше. Пара Шиклаи обычно используется на выходных каскадах двухтактных и аудиоусилителей класса AB.

Как вы можете видеть на изображении выше, пара Шиклаи имеет две конфигурации. Первая — это пара транзисторов типа NPN, в которой транзистор Q1 является NPN, а Q2 — PNP. И второй — это пара циклов типа PNP, в которой транзистор Q1 — PNP, а транзистор Q2 — NPN.

Усиления Шиклая и Дарлингтона примерно равны друг другу.

Соединение пары Sziklai: β = β _Q1 x β _Q2 + β _Q1

ПАРТА ПАРЧИНА β _Q2

Практически общий выигрыш для обеих пар примерно равен:

  β = β _Q1  x  β _Q2

Испытание напряжения переключения пары Шиклаи с парой Дарлингтона

. Обычный транзистор требует 0,3-0,7 В базового эмиттера для полного насыщения транзистора, но для пары Дарлингтона требуется прибл. Падение напряжения между базой и эмиттером 1,2 В для полной проводимости. Это приводит к большему рассеиванию тепла и более медленному времени отклика. Узнайте больше о Darlington Pair здесь.

Эти проблемы решаются с помощью пары транзисторов Шиклаи, поскольку они имеют меньшее напряжение включения, чем пара транзисторов Дарлингтона. Для этого требуется половина или даже меньше половины напряжения включения по сравнению с парой Дарлингтона. Это легко понять с помощью симуляции в Proteus коммутационных напряжений пары Шиклаи и пары Дарлингтона.

Хотя время выключения пары Шиклаи больше, чем у пары Дарлингтона, это время выключения можно уменьшить, уменьшив сопротивление базового резистора.

Принципиальная схема пары транзисторов Шиклаи

Необходимые компоненты

5 2NPNistor

2N2905 — ПНП-транзистор
Резистор – (100, 1к, 10к)
Макет
Соединительные провода

Работа пары транзисторов Шиклаи

Здесь мы демонстрируем испытание на переключение пары транзисторов Шиклаи, подав на нее напряжение включения 0,7 В. При этом напряжении пара Шиклаи начинает проводить и светодиод включается, это означает, что напряжение включения база-эмиттер для пары Шиклаи равно напряжению нормального транзистора, т. е. 0,7В. Это правильно продемонстрировано в видео дано в конце.

Если подать импульсное входное напряжение на вывод базы NPN-транзистора Q1, чтобы включить его, PNP-транзистор Q2 уже находится в состоянии прямого смещения. Следовательно, ток проходит через эмиттер транзистора Q2 к коллектору и эмиттеру транзистора Q1.

Что лучше: пара Шиклая или пара Дарлингтона?

Поскольку пара Шиклая решает проблемы с парой Дарлингтона, поэтому в основном выгодно использовать пару Шиклая, но это зависит от приложения. Вот несколько преимуществ пары Шиклаи:

Пара Шиклаи имеет меньший ток покоя для лучшей линейной работы.
Термическая стабильность пары Шиклаи превосходит пару Дарлингтона.
Время отклика меньше, чем у пары Дарлингтона.
Напряжение включения пары Шиклаи равно нормальному транзистору, а Дарлингтон принимает входное напряжение в два раза больше.

Однако есть несколько недостатков, например, выигрыш пары Шиклаи меньше, чем у пары Дарлингтона.

[PDF] Новая схема модели усилителя пары Sziklai Sziklai

. Предложен и впервые качественно проанализирован усилитель с тремя идентичными JFET в топологии Triple Darlington. В отличие от усилителей CS-JFET напряжение…

Новая система усиления слабого сигнала на парах Шиклаи в трехтранзисторной топологии

С. Шукла
Машиностроение
Международная конференция по достижениям в области электротехники, электроники и системотехники (ICAEES) 2016 г.
2016 г. и качественно проанализированы впервые. Предлагаемая конструкция усилителя может быть использована в качестве предусилителя…
Построение пары Шиклаи с использованием смешанных компонентов
- Ramendra Singh, Ankit Tripathi, V. Anand
- Физика
- 2017
Для разработки топологии пары Шиклаи для схемы усилителя слабого сигнала с RC-связанным делителем напряжения смещения используются как BJT, так и JFET. Схема усилителя такой конструкции может быть настроена на частоту…
Разработка усилителя слабого сигнала низкой частоты с использованием BJT-JFET в паре Шиклаи Топология
- С. Шукла, П. Сони, Нареш К. Чаудхари, Гитика Шривастава
- Инженерное дело
- 2020
Предлагается новая модель PSpice BJT и JFET, и ее гибридная комбинация используется в парной топологии Шиклаи для разработки усилителя малых сигналов. Предлагаемый усилитель с максимальным коэффициентом усиления по напряжению 30,41,…
Исследование по отладке и моделированию схемы усилителя слабого сигнала низкой частоты
- Jingxin Wang
- Физика
- 2020