Kompozitní tranzistor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 25. května 2021; kontroly vyžadují 6 úprav .

Složený tranzistor je elektrické spojení dvou (nebo více) bipolárních tranzistorů , tranzistorů s efektem pole nebo tranzistorů IGBT za účelem zlepšení jejich elektrických charakteristik. Mezi tyto obvody patří tzv. Darlingtonův pár, Shiklaiův pár, kaskádový tranzistorový spínací obvod, tzv. proudový zrcadlový obvod atd.

Pár Darlingtonů

Kompozitní Darlington tranzistor (nebo obvod) (často Darlingtonův pár) byl navržen v roce 1953 inženýrem Bell Laboratories Sidney Darlingtonem . Obvod je kaskádové zapojení dvou (výjimečně tří a více) bipolárních [1] tranzistorů, zapojených tak, že zátěž v obvodu emitoru předchozího stupně je přechod báze-emitor tranzistoru následujícího stupně ( to znamená, že emitor předchozího tranzistoru je spojen s bází následujícího), přičemž kolektory tranzistorů jsou spojeny. V tomto obvodu je proud emitoru předchozího tranzistoru základním proudem následujícího tranzistoru.

Proudové zesílení Darlingtonova páru je velmi vysoké a přibližně se rovná součinu proudových zesílení tranzistorů, které takový pár tvoří. Výkonné tranzistory zapojené podle Darlingtonova párového obvodu, konstrukčně vyráběné v jednom pouzdru (například tranzistor KT825), mají garantovaný proudový zisk za normálních provozních podmínek minimálně 750 [2] .

U Darlingtonových párů sestavených na nízkovýkonových tranzistorech může tento koeficient dosáhnout 50 000 .

Vysoké proudové zesílení zajišťuje řízení malého proudu aplikovaného na řídicí vstup kompozitního tranzistoru, přičemž výstupní proudy převyšují vstupní proud o několik řádů.

Zvýšení proudového zesílení je také možné dosáhnout snížením tloušťky báze při výrobě tranzistoru, takové tranzistory jsou průmyslově vyráběny a nazývají se „superbeta tranzistory“, ale proces jejich výroby představuje určité technologické potíže a takové tranzistory mají velmi nízké provozní napětí kolektoru, nepřesahující několik voltů. Příklady superbeta tranzistorů jsou série jednoduchých tranzistorů KT3102, KT3107. Takové tranzistory jsou však někdy kombinovány v Darlingtonově obvodu. Proto se v relativně silnoproudých a vysokonapěťových obvodech, kde je potřeba snížit řídicí proud, používají Darlingtonovy páry nebo Shiklaiovy páry.

Někdy se také Darlingtonův obvod nesprávně nazývá „tranzistor superbeta“ [3] .

Kompozitní Darlingtonovy tranzistory se používají v obvodech s vysokým proudem, jako jsou obvody lineárních regulátorů napětí , výstupní stupně výkonového zesilovače ) a ve vstupních stupních zesilovače, pokud je požadována vysoká vstupní impedance a nízké vstupní proudy.

Kompozitní tranzistor má tři elektrické vývody, které jsou ekvivalentní vývodům báze, emitoru a kolektoru běžného jednoduchého tranzistoru. Někdy obvod používá odporovou zátěž na emitoru vstupního tranzistoru k urychlení vypnutí výstupního tranzistoru a snížení vlivu počátečního proudu vstupního tranzistoru, jak je znázorněno na obrázku.

Darlingtonův pár je elektricky obecně považován za jeden tranzistor, jehož proudové zesílení, když tranzistory pracují v lineárním režimu, je přibližně stejné jako součin zesílení všech tranzistorů, například dvou:

\beta _{D}\cca \beta _{1}\cdot \beta _{2},

kde je aktuální zisk Darlingtonova páru, jsou aktuální zesílení tranzistorů páru. $\beta _{D}$ $\beta _{1},$ $\beta _{2}$

Ukažme, že složený tranzistor má skutečně koeficient , který je mnohem větší než koeficient obou jeho dvou tranzistorů. Analýza byla provedena pro obvod bez emitorového rezistoru (viz obrázek). $\beta$ $R_{1}$

Proud emitoru libovolného tranzistoru proudem báze je statický koeficient přenosu proudu báze a z 1. Kirchhoffova pravidla je vyjádřen vzorcem $I_{\text{E))$ $I_{\text{B)),$ $\beta$

I_{\text{E}}=I_{\text{B}}+I_{\text{C}}=I_{\text{B}}+I_{\text{B}}\cdot \ beta =I_{\text{B}}\cdot (1+\beta),

kde je kolektorový proud.

I_{\text{C))

Protože emitorový proud druhého tranzistoru , opět z 1. Kirchhoffova pravidla je roven $I_{\text{E2))$

I_{\text{E2}}=I_{\text{B1}}+I_{\text{C1}}+I_{\text{C2}}),

kde je základní proud 1. tranzistoru, jsou kolektorové proudy tranzistorů. $I_{\text{B1))$ $I_{\text{C1)),$ $I_{\text{C2))$

My máme:

\beta _{D}=\beta _{1}+\beta _{2}+\beta _{1}\cdot \beta _{2},

kde jsou koeficienty přenosu statického proudu báze do kolektoru tranzistorů 1 a 2. $\beta _{1},$ $\beta _{2},$

Protože tranzistory mají $\beta \gg 1,$ $\beta _{D}\cca \beta _{1}\cdot \beta _{2}.$

Koeficienty a se liší i v případě použití dvojice tranzistorů, které jsou ve všech parametrech zcela identické, protože emitorový proud je několikanásobně větší než emitorový proud (vyplývá to ze zřejmé rovnosti a statického koeficientu přenosu proudu na tranzistor závisí výrazně na kolektorovém proudu a může se při různých proudech mnohokrát měnit [4] ). $\beta_{1}$ $\beta _{2}$ $I_{\text{E2))$ ${\displaystyle 1+\beta _{2))$ $I_{\text{E1))$ $I_{\text{B2}}=I_{\text{E1)),$

Pár Shiklai

Dvojice Darlingtonů je obdobou zapojení tranzistorů podle schématu Sziklai ( anglicky Sziklai pair ), pojmenované po svém vynálezci George C. Shiklai (takový přepis příjmení byl opraven omylem - podle pravidel maďarského jazyka , příjmení se vyslovuje jako Siklai), někdy také nazývané komplementární Darlingtonův tranzistor [5] . Na rozdíl od Darlingtonova obvodu, který se skládá ze dvou tranzistorů stejného typu vodivosti, Shiklaiův obvod obsahuje tranzistory různých typů vodivosti (pnp a npn).

Shiklaiův pár zobrazený na obrázku je elektricky ekvivalentní tranzistoru npn s vysokým ziskem. Vstupní napětí je napětí mezi bází a emitorem tranzistoru Q1 a saturační napětí se rovná alespoň poklesu napětí na diodě [ specifikujte ] . Mezi bázi a emitor tranzistoru Q2 bývá zapojen rezistor s malým odporem. Takové schéma se používá například v různých verzích zesilovače Lin , v jehož výstupním stupni jsou instalovány tranzistory stejné vodivosti.

Cascode schéma

Kompozitní tranzistor, vyrobený podle tzv. kaskádového obvodu, se vyznačuje tím, že tranzistor T1 je zapojen podle obvodu se společným emitorem a tranzistor T2 - podle obvodu se společnou bází. Takový kompozitní tranzistor je ekvivalentní jednoduchému tranzistoru zapojenému podle obvodu se společným emitorem, ale zároveň má mnohem lepší frekvenční vlastnosti, vysokou výstupní impedanci a větší lineární rozsah, to znamená, že méně zkresluje přenášený signál. Protože kolektorový potenciál vstupního tranzistoru zůstává prakticky nezměněn, výrazně se tím potlačuje nežádoucí vliv Millerova jevu a rozšiřuje se rozsah pracovních frekvencí.

Výhody a nevýhody složených tranzistorů

Vysoké hodnoty zesílení v kompozitních tranzistorech jsou realizovány pouze ve statickém režimu, takže kompozitní tranzistory jsou široce používány ve vstupních stupních operačních zesilovačů. V obvodech na vysokých frekvencích již kompozitní tranzistory nemají takové výhody - mezní frekvence zesílení proudu a rychlost kompozitních tranzistorů jsou menší než stejné parametry pro každý z tranzistorů VT1 a VT2 .

Výhody kompozitních párů Darlington a Shiklai:

Vysoký proudový zisk.
Darlingtonův obvod je vyráběn jako součást integrovaných obvodů a při stejném proudu je plocha, kterou zabírá pár na povrchu křemíkového krystalu, menší než plocha jednoho bipolárního tranzistoru.
Používají se při relativně vysokém napětí.

Nevýhody kompozitního tranzistoru:

Nízký výkon, zejména v režimu klíče při přechodu z otevřeného do zavřeného. Kompozitní tranzistory se proto používají především v nízkofrekvenčních klíčových a zesilovacích obvodech pracujících v lineárním režimu. Při vysokých frekvencích jsou jejich frekvenční parametry horší než u jednoho tranzistoru.
Přímý úbytek napětí Ube kompozitního tranzistoru v Darlingtonově obvodu je téměř dvakrát větší [6] než u jednoduchého tranzistoru a u křemíkových tranzistorů je v rozmezí 0,6 - 1,4 V, protože se rovná součtu poklesů napětí na dopředně zatížených pn přechodech dvou tranzistorů.
Velké saturační napětí kolektor-emitor, pro křemíkový tranzistor, asi 0,9 V (ve srovnání s 0,2 V pro konvenční tranzistory) pro tranzistory s nízkým výkonem a asi 2 V pro tranzistory s vysokým výkonem, protože nemůže být menší než pokles napětí na dopředném předpětí pn přechod plus pokles napětí na saturovaném vstupním tranzistoru.

Použití zatěžovacího odporu R1 umožňuje zlepšit některé vlastnosti kompozitního tranzistoru. Hodnota odporu je zvolena tak, aby kolektor-emitorový proud tranzistoru VT1 v sepnutém stavu (počáteční kolektorový proud) vytvořil na rezistoru úbytek napětí, který nestačí k otevření tranzistoru VT2 . Svodový proud tranzistoru VT1 tedy není zesilován tranzistorem VT2 , čímž se snižuje celkový kolektor-emitorový proud kompozitního tranzistoru v uzavřeném stavu. Kromě toho použití odporu R1 pomáhá zvýšit rychlost kompozitního tranzistoru vynucením uzavření tranzistoru, protože menšinové nosiče nahromaděné v základně VT2 , když je uzamčena ze saturačního režimu, se nejen rozpouštějí, ale také odtékají tento odpor. Typicky se odpor R1 volí stovky ohmů u Darlingtonova tranzistoru s vysokým výkonem a několik kiloohmů u Darlingtonova tranzistoru s nízkým výkonem. Příkladem Darlingtonova obvodu, vyrobeného v jednom pouzdře s vestavěným emitorovým rezistorem, je výkonný npn Darlington tranzistor typu KT827, jeho typický proudový zisk je cca 1000 při kolektorovém proudu 10A.

Poznámky

↑ Tranzistory s efektem pole , na rozdíl od bipolárních, se nepoužívají v kompozitním zapojení, protože mají vysoký vstupní odpor a jsou řízeny napětím, nikoli proudem, a takové zahrnutí je nepraktické.
↑ Technický list tranzistoru KT825 Archivováno 8. prosince 2014 na Wayback Machine .
↑ Superbeta (super-β) tranzistory se nazývají tranzistory s extrémně vysokým proudovým ziskem, získaným díky velmi malé tloušťce báze, a nikoli díky kompozitnímu začlenění. V tomto případě lze proud provozní báze jednoho tranzistoru snížit na desítky pA. Takové tranzistory se používají v prvním stupni operačních zesilovačů s ultranízkými vstupními proudy, například typy LM111 a LM316.
↑ Stepanenko I.P. Základy teorie tranzistorů a tranzistorových obvodů . - 4. vyd., revidováno. a další .. - M . : Energie, 1977. - S. 233, 234. - 672 s.
↑ Horowitz P., Hill W. Umění obvodů : Ve 3 svazcích: Per. S. Angličtina - 4. vyd., revidováno. a doplňkové - M .: Mir, 1993. - T. 1. - S. 104, 105. - 413 s. — 50 000 výtisků. — ISBN 5-03-002337-2 .
↑ To není vždy (ne ve všech aplikacích) nevýhoda, ale vždy vlastnost, se kterou je nutné počítat při výpočtu obvodu pro stejnosměrný proud a která neumožňuje přímo nahradit jeden tranzistor kompozitním Darlingtonem.

Elektronické komponenty
Pasivní	Rezistor Variabilní odpor Trimrový odpor Varistor fotorezistor Kondenzátor variabilní kondenzátor Trimrový kondenzátor Varikond Induktor Transformátor Quartzový rezonátor Pojistka Resetovatelná pojistka memristor vyměňovat
Aktivní pevný stav	Dioda Světelná dioda Fotodioda laserová dioda Schottkyho dioda Zenerova dioda Stabistor Varicap Magnetodioda Diodový můstek Gunnova dioda tunelová dioda Lavinová dioda Lavinová dioda Tranzistor bipolární tranzistor Tranzistor s efektem pole CMOS tranzistor unijunkční tranzistor Fototranzistor Kompozitní tranzistor balistický tranzistor Integrovaný obvod Digitální integrovaný obvod Analogový integrovaný obvod Analogově-digitální integrovaný obvod hybridní integrovaný obvod Tyristor triak Dinistor fototyristor Optočlen ( odporový optočlen ) Hallův senzor
Aktivní vakuum a výboj plynu	Vakuové lampy Elektrovakuová dioda ( Kenotron ) Trioda tetroda paprsková tetroda Pentoda hexaod Heptod ( Pentagrid ) oktod Nonod mechatron Výbojky Zenerova dioda Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decathron Magnetron Klystron Amplitron ( Platinotron ) Cestující vlnová lampa Lampa se zpětnou vlnou Katodová trubice
Zobrazovací zařízení	Katodová trubice LCD displej Světelná dioda Indikátor vybití Vakuový fluorescenční indikátor Blinker výsledková tabulka Sedmisegmentový indikátor Maticový indikátor Kineskop
Akustický	Mikrofon mluvčí Tenzometr Piezokeramický zářič Bzučák telefonní kapsle
Termoelektrický	Termistor Termočlánek Peltierův prvek

Tranzistorové zesilovače
Bipolární tranzistory	společný emitor se společným rozdělovačem se společnou základnou
FET	se společným odtokem se společným zdrojem se společnou bránou
Tranzistorové stupně	Darlingtonův pár ("kompozitní" tranzistor) Dvojice Shiklai Diferenciální kaskáda Cascode zesilovač