達靈頓電晶體

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NPN電晶體構成的達靈頓電晶體Cir

達靈頓電晶體英語Darlington transistor),或稱達靈頓對Darlington pair)是電子學中由兩個(甚至多個)雙極性電晶體(或者其他類似的積體電路或分立元件)組成的複合結構,通過這樣的結構,經第一個雙極性電晶體放大的電流可以進一步被放大。[1]這樣的結構可以提供一個比其中任意一個雙極性電晶體高得多的電流增益。在使用集成電流晶片的情況里,達靈頓電晶體可以使得晶片比使用兩個分立電晶體元件佔用更少的空間,因為兩個電晶體可以共用一個集極。達靈頓電晶體通常被封裝在單一的晶片里,從外面看就像一個雙極性電晶體。有時,積體電路晶片中會包含8個這樣的結構方便使用。

達靈頓結構是由貝爾實驗室的工程師雪梨·達靈頓Sidney Darlington)在1953年發明的。他後來將這種兩三個晶體接在一起、共同接在一個集極的創意申報了專利。[2]

另一種看起來與之相似的結構是將兩個半導體類型電晶體連接起來(例如NPN-PNP),這種結構被稱作是西克對管Sziklai pair)。

特性[編輯]

一個達靈頓電晶體看起來就像是具有很高電流增益(大約是所使用的兩個雙極性電晶體的電流增益的乘積)的雙極性電晶體。事實上,整個積體電路具有三個引腳(B-基極,C-集極,E-射極),這些概念都可以通過標準電晶體的類似概念進行理解。

複合結構的電流增益\beta_\mathrm{Darlington}和兩個單一電晶體的電流增益\beta_1, \beta_2之間的關係可以表示為:

\beta_\mathrm{Darlington} = \beta_1 \cdot \beta_2 + \beta_1 + \beta_2

如果β1β2足夠高(達到上百),那麼以上關係可以簡化為:

\beta_\mathrm{Darlington} \approx \beta_1 \cdot \beta_2

現在,達靈頓電晶體產品的典型電流增益可以達到1000甚至更高,[3]因此只需要很小的基極電流就可以讓電晶體導通。然而,這樣高的電流增益也帶來了一些缺點。

缺點[編輯]

達靈頓電晶體的一個缺點是它的基極-射極電壓被加倍了。由於整個達靈頓結構的基極和射極之間有兩個結,因此等效的基極-射極電壓是各個電晶體的基極-射極電壓之和:

V_{BE} = V_{BE1} + V_{BE2} \approx 2V_{BE1}\!

對於矽半導體電晶體,當其處處於工作區或飽和狀態,其基極-射極電壓VBEi大約為0.65伏特,因此它們組成的達靈頓電晶體結構總的基極-射極電壓大約就是1.3伏特。

達靈頓電晶體的另外一個缺點是其飽和電壓更大。輸出級電晶體不能飽和(也就是說其基極-集極的結必須維持逆向偏壓),因為當第一級電晶體處於飽和狀態時,它將在輸出級電晶體的集極和基極之間施加滿幅負回饋。[4]由於輸出級電晶體的集極-射極電壓等於其自身基極-射極電壓和前一級電晶體的集極-射極電壓之和,兩個電壓在正常工作狀態時都具有正數值,因此它總是超過了基極-射極電壓(即總有\mathrm{V_{CE2} = V_{BE2} + V_{CE1}},因此\mathrm{V_{C2} > V_{B2}})。因此,達靈頓電晶體的飽和電壓是一個基極-射極電壓(矽管的情況大約是0.65伏特),比電晶體本身的飽和電壓(約0.1到0.2伏特之間)要大得多。假設都具有相等的集極電流,這個缺點會表現為達靈頓電晶體的耗散功率比單一電晶體要大。此外,更高的集極-射極電壓在電晶體-電晶體邏輯電路Transistor-transistor logic, TTL)電路中可能會引起邏輯錯誤。

達靈頓結構導致的另一個問題是,其開關速度不得不降低,因為第一級電晶體不能夠主動抑制第二級電晶體的基極電流,因此開關響應比單一的電晶體更慢。為了緩解這一缺點,第二級電晶體的基極和射極之間常常會連接一個幾百歐姆的電阻。[1]這個電阻在基極和射極之間為積累在基極-射極接面上的電荷提供了一條阻抗較低的釋放路徑,由此使得達靈頓電晶體的開關速度更快。[5]

在高頻率的情況里,達靈頓對將具有比單一電晶體更大的相位移動,因此它在負回饋的情況下會變得不穩定。

達靈頓電晶體常把兩個分立的電晶體做成集成晶片的形式。在上圖中,左邊的電晶體Q1可以是低功率類型的,右邊的Q2則需要高功率類型的。整個達靈頓結構的最大集極電流IC(max)大約等於Q2的集極電流。2N6282是一種典型的達靈頓結構集成晶片,內部包含了一個上文提到過的關斷電阻,在IC等於10安培時具有2400的電流增益。

實際上,達靈頓結構可以對安全電壓以下皮膚產生的接觸電流進行足夠敏感的響應,因此它常被用來構成觸控開關的訊號輸入級。

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 Horowitz, Paul; Winfield Hill. The Art of Electronics. Cambridge University Press. 1989. ISBN 0-521-37095-7. 
  2. ^ Darlington』s Contributions to Transistor Circuit Design
  3. ^ 童詩白、華成英 主編. 模擬電子技術基礎(第四版). 高等教育出版社. ISBN 978-7-04-018922-3. 
  4. ^ 相似的,一個射極隨耦器不能達到飽和,因為類似的100%串聯負回饋。
  5. ^ 章亞明. 嵌入式控制系統應用設計. 北京: 北京郵電大學出版社. 2010年. ISBN 9787563523597.