Составной транзистор: схемы Дарлингтона и Шиклаи, принцип работы

Составной транзистор — это электрическое соединение двух или более биполярных, полевых или IGBT-транзисторов, созданное для улучшения электрических характеристик. К таким топологиям относятся пара Дарлингтона, пара Шиклаи, каскодная схема и токовое зеркало. Если вам нужно разобраться в структуре биполярного элемента, ознакомьтесь с методами определения цоколевки транзистора.

Условное обозначение составного транзистора

Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), эквивалентные выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора (часто ошибочно называемого «супербета») у мощных моделей составляет ≈ 1000, а у маломощных может достигать ≈ 50000. Это означает, что для открытия составного транзистора требуется ничтожно малый ток базы.

В отличие от биполярных, полевые транзисторы в составное включение объединяют редко — в этом нет необходимости из-за их малого входного тока. Однако существуют гибридные схемы (например, IGBT), где совместно применяются полевые и биполярные элементы, что также можно считать составным транзистором. Повышение коэффициента усиления также возможно за счет уменьшения толщины базы, но это технологически сложно.

Примерами транзисторов с высоким «супербетой» служат серии КТ3102 и КТ3107. Однако их можно объединять по схеме Дарлингтона, снижая базовый ток смещения до 50 пкА (как в операционных усилителях LM111 и LM316).

Фото типичного усилителя на составных транзисторах

Схема Дарлингтона

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

Принципиальная схема составного транзистора

Составной транзистор представляет собой каскадное соединение нескольких транзисторов, где нагрузкой в эмиттере предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора следующего. Транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер входного транзистора подключается к базе выходного. Для ускорения закрывания часто используется резистивная нагрузка первого транзистора.

β_с = β₁ ∙ β₂

Коэффициент усиления по току составного транзистора значительно превышает параметры его компонентов. Приращение базового тока dl_б = dl_б1 приводит к следующему:

dlэ1 = (1 + β₁) ∙ dl_б = dl_б2

dl_к = dl_к1 + dl_к2 = β₁ ∙ dl_б + β₂ ∙ ((1 + β₁) ∙ dl_б)

Деля l_к на dl_б, находим результирующий дифференциальный коэффициент передачи:

β_Σ = β₁ + β₂ + β₁ ∙ β₂

Поскольку всегда >1, можно считать: = ₁ ∙ ₂. Обратите внимание, что коэффициенты ₁ и ₂ могут различаться даже у однотипных транзисторов, так как ток эмиттера I_э2 в 1 + β₂ раз больше тока I_э1.

Схема Шиклаи

Пара Шиклаи, названная в честь Джорджа Шиклаи (иногда называемая комплементарным транзистором Дарлингтона), в отличие от классической схемы Дарлингтона, содержит транзисторы разной полярности (p-n-p и n-p-n). Пара Шиклаи ведет себя как n-p-n-транзистор с большим коэффициентом усиления. Входное напряжение — разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора Q1.

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

Напряжение насыщения составляет не менее падения напряжения на диоде. Между базой и эмиттером транзистора Q2 рекомендуется включать резистор малого сопротивления. Такая схема востребована в мощных двухтактных выходных каскадах, особенно при использовании транзисторов одной полярности.

Каскодная схема

В каскодной схеме транзистор VT1 включен по схеме с общим эмиттером, а VT2 — с общей базой. Такой составной транзистор имеет лучшие частотные свойства и большую неискаженную мощность в нагрузке по сравнению с одиночным элементом. Также это решение позволяет значительно уменьшить эффект Миллера (увеличение эквивалентной емкости инвертирующего усилительного элемента).

Достоинства и недостатки составных транзисторов

Высокий коэффициент усиления в составных транзисторах реализуется только в статическом режиме, поэтому они широко применяются во входных каскадах операционных усилителей. В высокочастотных схемах преимущества теряются: граничная частота и быстродействие составных транзисторов ниже, чем у отдельных элементов VT1 и VT2.

Достоинства:

а) Высокий коэффициент усиления по току.

б) Схема Дарлингтона производится в виде интегральных схем. При одинаковом токе площадь кремния меньше, чем у биполярных аналогов, что делает эти схемы интересными для высоких напряжений.

Недостатки:

а) Низкое быстродействие при переходе из открытого состояния в закрытое. Поэтому составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключах и усилителях.

б) Прямое падение напряжения база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем у обычного транзистора (около 1,2 — 1,4 В для кремния).

в) Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер (около 0,9 В для маломощных и 2 В для мощных транзисторов, против 0,2 В у обычных).

Применение нагрузочного резистора R1 улучшает характеристики. Его величина подбирается так, чтобы ток утечки VT1 в закрытом состоянии не открывал VT2. Это уменьшает общий ток коллектор-эмиттер в закрытом состоянии и увеличивает быстродействие за счет форсирования закрытия VT2. Сопротивление R1 обычно составляет сотни Ом в мощных транзисторах (например, КТ825 с коэффициентом усиления 10000 при токе 10 А) и несколько кОм в малосигнальных.

Для более глубокого понимания применения таких элементов в аудиотехнике рекомендуем изучить проект Широкополосный УМЗЧ.