7.7.3. Составные транзисторы

В интегральных схемах и дискретной электронике большое распространение получили два вида составных транзисторов: по схеме Дарлингтона и Шиклаи. В микромощных схемах, например, входные каскады операционных усилителей, составные транзисторы обеспечивают большое входное сопротивление и малые входные токи. В устройствах, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) для повышения КПД необходимо обеспечить высокий коэффициент усиления по току мощных транзисторов.

Схема Шиклаи реализует мощный p-n-p транзистор с большим коэффициентом усиления с помощью маломощного p-n-p транзистора с малым В и мощного n-p-n транзистора (рисунок 7.51). В интегральных схемах это включение реализует высокобетный p-n-p транзистор на основе горизонтальных p-n-p транзистора и вертикального n-p-n транзистора. Также эта схема применяется в мощных двухтактных выходных каскадах, когда используются выходные транзисторы одной полярности (n-p-n).

Рисунок 7.51 - Составной p-n-p транзистор Рисунок 7.52 - Составной n-p-n по схеме Шиклаи транзистор по схеме Дарлингтона

Схема Шиклаи или комплементарный транзистор Дарлингтона ведет себя, как транзистор p-n-p типа (рисунок 7.51) с большим коэффициентом усиления по току,

.

Входное напряжение идентично одиночному транзистору. Напряжение насыщения выше, чем у одиночного транзистора на величину падения напряжения на эмиттерном переходе n-p-n транзистора. Для кремниевых транзисторов это напряжение составляет порядка одного вольта в отличие от долей вольта одиночного транзистора. Между базой и эмиттером n-p-n транзистора (VT2) рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением для подавления неуправляемого тока и повышения термоустойчивости.

Транзистор Дарлингтона реализуется на однополярных транзисторах (рисунок 7.52). Коэффициент усиления по току определяется произведением коэффициентов составляющих транзисторов.

.

Входное напряжение транзистора по схеме Дарлингтона в два раза больше, чем у одиночного транзистора. Напряжение насыщения превышает выходного транзистора. Входное сопротивление операционного усилителя при

,

.

Схема Дарлингтона используется в дискретных монолитных импульсных транзисторах. На одном кристалле формируются два транзистора, два шунтирующих резистора и защитный диод (рисунок 7.53). Резисторы R1 и R2 подавляют коэффициент усиления в режиме малых токов, (рисунок 7.38), что обеспечивает малое значение неуправляемого тока и повышение рабочего напряжения закрытого транзистора,

.

Р

Рисунок 7.54 - Фрагмент структуры транзистора с технологическим шунтом в переходе база-эмиттер

исунок 7.53 - Электрическая схема монолитного импульсного транзистора Дарлингтона

Резистор R2 (порядка 100 Ом) формируется в виде технологического шунта, подобно шунтам катодного перехода тиристоров. С этой целью при формировании - эмиттера с помощью фотолитографии в определенных локальных областях оставляют окисную маску в виде круга. Эти локальные маски не позволяют диффундировать донорной примеси, и под ними остаются p-столбики (рисунок 7.54). После металлизации по всей площади эмиттера эти столбики представляют собой распределенное сопротивление R2 и защитный диод D (рисунок 7.53). Защитный диод предохраняет от пробоя эмиттерные переходы при переполюсовке коллекторного напряжения. Входная мощность потребления транзистора по схеме Дарлингтона на полтора два порядка ниже, чем у одиночного транзистора. Максимальная частота переключений зависит от предельного напряжения и тока коллектора. Транзисторы на токи успешно работают в импульсных преобразователях до частот порядка 100 кГц. Отличительной особенностью монолитного транзистора Дарлингтона является квадратичная передаточная характеристика, так как В-амперная характеристика линейно возрастает с ростом тока коллектора до максимального значения,

.

П адение коэффициента усиления на БУИ более резкое, чем у одиночного транзистора. Поэтому применение этих транзисторов в схемах аналогового усиления весьма ограничено.

Рисунок 7.55 - Электрическая схема (а) и структура (б) аналогового ключа

К разновидностям биполярных транзисторов относятся также двунаправленный аналоговый ключ из двух инверсно включенных последовательных транзисторов (рисунок 7.55).

Транзисторы Т1 и Т2 имеют идентичные параметры и одинаковое паразитное сопротивление тела коллектора. Результирующее напряжение насыщения между эмиттерами транзистора,

,

где – ток сигнала;

– омические сопротивления эмиттеров;

– омические сопротивления тела коллектора.

У идентичных транзисторов разность составляет единицы мкВ, поэтому эти ключи используются в усилителях постоянного тока типа МДМ (модуляция-демодуляция), а также в амплитудных и балансных модуляторах.