Составной транзистор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема составного транзистора Дарлингтона.

Составно́й транзи́стор — электрическое соединение двух или более биполярных транзисторов или полевых транзисторов, либо комбинации тех и других (например, IGBT, где совместно применяются полевые и биполярные транзисторы) с целью улучшения тех или иных электрических параметров по сравнению с одиночными транзисторами. К этим схемам относятся составной транзистор Дарлингтона, пара Шиклаи, каскодная схема, токовое зеркало и др.

Наиболее часто под термином «составной транзистор» подразумевается составной транзистор Дарлингтона.

Схема Дарлингтона[править | править вики-текст]

Принципиальная схема составного транзистора Дарлингтона с базовым резистором.

Эту схему в 1953 году изобрёл инженер-электрик, сотрудник Bell Laboratories Сидни Дарлингтон (Sidney Darlington).

Составной транзистор Дарлингтона (иногда называют пара Дарлингтона, схема Дарлингтона) является каскадным соединением 2 или, редко, более двух биполярных транзисторов[1], включённых 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.

Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора Дарлингтона очень высок и приблизительно равен произведению коэффициентов усиления по току составляющих транзисторов, у мощных транзисторов (у схемы Дарлингтона, конструктивно выпускаемой в одном корпусе, например, транзистор КТ825 ≈1000) и у пар маломощных транзисторов ≈50000. Это означает, что небольшим входным током составного транзистора можно управлять выходными токами, на несколько порядков превышающими входной ток управления.

Достигнуть повышения коэффициента усиления по току можно также уменьшив толщину базы при изготовлении транзистора, но это представляет определенные технологические трудности и такие транзисторы имеют очень низкие коллекторные рабочие напряжения, не превышающие нескольких вольт. Поэтому в относительно сильноточных и высоковольтных схемах используются пара Дарлингтона или пара Шиклаи.

Иногда схему Дарлингтона не совсем корректно называют «супербета транзистор»[2]. Примерами супербета транзисторов могут служить серии одиночных транзисторов КТ3102, КТ3107. Однако и такие транзисторы иногда объединяют в схеме Дарлингтона.

Составные транзисторы Дарлингтона используются в сильноточных схемах, например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадах усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс и малые входные токи.

Составной транзистор имеет три электрических вывода, которые эквивалентны выводам базы, эмиттера и коллектора обычного одиночного транзистора. Иногда в схеме для ускорения закрывания и снижения влияния начального тока входного транзистора используется резистивная нагрузка эмиттера входного транзистора. Описанное соединение в целом рассматривают как один транзистор, коэффициент усиления по току которого, при работе транзисторов в активном режиме, приблизительно равен произведению коэффициентов усиления всех транзисторов, например, двух:

\beta_\mathrm{c} = \beta_1 \times \beta_2

Покажем, что составной транзистор действительно имеет коэффициент β, значительно больший, чем у его обоих компонентов. Задавая приращение dIб=dIб1, получаем:

dIэ1=(1+β1)dIб=dIб2;

dIк=dIк1+dIк21dIб2((1+β1)dIб).

Деля dIк на dIб, находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

βΣ121β2

Поскольку всегда \beta\gg1, можно считать:

βΣ≈β1β2.

Следует подчеркнуть, что коэффициенты \beta_1 и \beta_2 могут различаться даже в случае однотипных транзисторов, поскольку ток эмиттера Iэ2 в 1+β2 раз больше тока эмиттера Iэ1 (это вытекает из очевидного равенства Iб2=Iэ1)[3].

Схема (пара) Шиклаи[править | править вики-текст]

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[4]. В отличие от схемы Дарлингтона, состоящей из двух транзисторов одного типа проводимости, схема Шиклаи содержит транзисторы разного типа проводимости(p-n-p и n-p-n). Пара Шиклаи электрически эквивалентна n-p-n-транзистору 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 обычно включают резистор с небольшим сопротивлением. Такая схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах при использовании выходных транзисторов одной проводимости.

Каскодная схема[править | править вики-текст]

Основная статья: Каскодный усилитель

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, высокое выходное сопротивление и больший линейный диапазон, т.е. меньше искажает передаваемый сигнал. Так как потенциал коллектора входного транзистора практически не изменяется, это существенно подавляет нежелательное влияние эффекта Миллера и улучшает частотные свойства.

Достоинства и недостатки составных транзисторов[править | править вики-текст]

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 составных пар Дарлингтона и Шиклаи:

  • Высокий коэффициент усиления по току.
  • Схема Дарлингтона изготавливается в составе интегральных схем и при одинаковом токе площадь занимаемая парой на поверхности кристалла кремния меньше, чем у одиночного биполярного транзистора.
  • Применяются при относительно высоких напряжениях.

Недостатки составного транзистора:

  • Низкое быстродействие, особенно в ключевом режиме при переходе из открытого состояния в закрытое. Поэтому составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, работающих в линейном режиме. На высоких частотах их частотные параметры хуже, чем у одиночного транзистора.
  • Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер выходного транзистора в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем в одиночном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 — 1,4 В, так как не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на прямосмещённом 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, так как не может быть меньше чем падение напряжения на прямосмещённом 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 (начальный ток коллектора) 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 , так как неосновные носители, накопленные в базе VT2 при его запирании из режима насыщения не только рассасываются, но и стекают через этот резистор. Обычно сопротивление R1 выбирают величиной сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в маломощном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы Дарлингтона выполненной в одном корпусе со встроенным эмиттерным резистором служит мощный n-p-n транзистор Дарлингтона типа КТ825, его типовой коэффициент усиления по току около 1000 при коллекторном токе 10 А.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. В отличие от биполярных, полевые транзисторы не используются в составном включении, эквивалентном паре Дарлингтона. Объединять полевые транзисторы по схеме Дарлингтона нет смысла, так как они и без того обладают чрезвычайно малым входным током.
  2. Супербе́та (супер-β) транзисторами называют транзисторы со сверхбольшим значением коэффициента усиления по току, полученным за счёт очень малой толщины базы, а не за счёт составного включения. При этом рабочий базовый ток одиночного транзистора можно снизить до десятков пА. Такие транзисторы применены в первом каскаде операционных усилителей со сверхмалыми входными токами, например, типов LM111 и LM316.
  3. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1977. — С. 233, 234. — 672 с.
  4. 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