Складовою транзистор (схема Дарлінгтона і шіклаі)

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

Умовне позначення складеного транзистора

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

На відміну від біполярних, польові транзистори не використовуються в складеному включенні. Об'єднувати польові транзистори немає необхідності, так як вони і без того мають надзвичайно малим вхідним струмом. Однак існують схеми (наприклад, біполярний транзистор з ізольованим затвором), де спільно застосовуються польові і біполярні транзистори. У певному сенсі, такі схеми також можна вважати складовими транзисторами. Так само для складеного транзистора досягти підвищення значення коефіцієнта посилення можна, зменшивши товщину бази, але це становить певні технологічні труднощі.

Прикладом супербета (супер-β) транзисторів може служити серія КТ3102, КТ3107. Однак їх також можна об'єднувати за схемою Дарлінгтона. При цьому базовий струм зміщення можна зробити рівним всього лише 50 ПКА (прикладами таких схем служать операційні підсилювачі типу LM111 і LM316).

Фото типового підсилювача на транзисторах

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

Принципова схема складеного транзистора

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

Покажемо, що складовою транзистор дійсно має коефіцієнт β. значно більший, ніж у його обох компонентів. Ставлячи приріст dlб = dlб1. отримуємо:

Ділячи dlк на dlб. знаходимо результуючий диференційний коефіцієнт передачі:

Оскільки завжди β> 1. можна вважати:

Слід підкреслити, що коефіцієнти β1 і β1 можуть відрізнятися навіть в разі однотипних транзисторів, оскільки струм емітера Iе2 в 1 + β2 разів більше струму емітера Iе1 (це випливає з очевидного рівності Iб2 = Iе1).

Паре Дарлінгтона подібно з'єднання транзисторів по схемі Шіклаі, назване так на честь його винахідника Джорджа Шіклаі, також іноді зване комплементарних транзисторів Дарлінгтона. На відміну від схеми Дарлінгтона, що складається з двох транзисторів одного типу провідності, схема Шіклаі містить транзистори різної полярності (p - n - p і n - p - n). Пара Шіклаі поводиться як n - p - n -транзістор c великим коефіцієнтом посилення. Вхідна напруга - це напруга між базою і емітером транзистора Q1, а напруга насичення одно, по крайней мере, падіння напруги на діоді. Між базою і емітером транзистора Q2 рекомендується включати резистор з невеликим опором. Така схема застосовується в потужних двотактних вихідних каскадах при використанні вихідних транзисторів однієї полярності.

Каскад Шіклаі, подібний транзистору з n - p - n переходом

Складовою транзистор, виконаний по так званій каскадної схемою, характеризується тим, що транзистор VT1 включений за схемою з загальним емітером, а транзистор VT2 - за схемою із загальною базою. Такий складовою транзистор еквівалентний одиночному транзистору, включеному за схемою з загальним емітером, але при цьому він має набагато кращі частотні властивості і велику неспотворену потужність в навантаженні, а також дозволяє значно зменшити ефект Міллера (збільшення еквівалентної ємності инвертирующего підсилювального елемента, обумовлене зворотним зв'язком з виходу на вхід даного елемента при його виключенні).

Переваги та недоліки складових транзисторів

Високі значення коефіцієнта посилення в складових транзисторах реалізуються тільки в 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 по току і швидкодія складових транзисторів менше, ніж ці ж параметри для кожного з транзисторів VT1 і VT2.

а) Високий коефіцієнт посилення по току.

б) Схема Дарлінгтона виготовляється у вигляді інтегральних схем і при однаковому струмі робоча поверхня кремнію менше, ніж у біполярних транзисторів. Дані схеми представляють великий інтерес при високій напрузі.

а) Низька швидкодія, особливо переходу з відкритого стану в закрите. З цієї причини складені транзистори використовуються переважно в низькочастотних ключових і підсилювальних схемах, на високих частотах їх параметри гірше, ніж у одиночного транзистора.

б) Пряме падіння напруги на переході база-емітер в схемі Дарлінгтона майже в два рази більше, ніж в звичайному транзисторі, і становить для кремнієвих транзисторів близько 1,2 - 1,4 В (не може бути менше, ніж подвоєне падіння напруги на pn переході).

в) Велика напруга насичення колектор-емітер, для кремнієвого транзистора близько 0,9 В (в порівнянні 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 pn переході плюс падіння напруги на насиченому вхідному транзисторі).

Застосування навантажувального резистора R1 дозволяє поліпшити деякі характеристики складеного транзистора. Величина резистора вибирається з таким розрахунком, щоб струм колектор-емітер транзистора VT1 в закритому стані створював на резисторі падіння напруги, недостатнє для відкриття транзистора VT2. Таким чином, струм витоку транзистора VT1 не підсилюється транзистором VT2, тим самим зменшується загальний струм колектор-емітер складеного транзистора в закритому стані. Крім того, застосування резистора R1 сприяє збільшенню швидкодії складеного транзистора за рахунок форсування закриття транзистора VT2. Зазвичай опір R1 становить сотні Ом в потужному транзисторі Дарлінгтона і кілька кОм в малосигнальний транзисторі Дарлінгтона. Прикладом схеми з емітерний резистором служить потужний n-p-n - транзистор Дарлінгтона типу КТ825, його коефіцієнт посилення по току дорівнює 10000 (типове значення) для колекторного струму, рівного 10 А.