達(dá)林頓晶體管(通常稱為達(dá)林頓對(duì)或達(dá)林頓管)是一種由兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管(BJT)以特定方式級(jí)聯(lián)構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)?其主要特點(diǎn)可以概括為以下幾點(diǎn):
- 極高的電流放大倍數(shù):
這是達(dá)林頓管最核心?最突出的特點(diǎn)?其總電流放大倍數(shù)(β 或 hFE)近似等于兩個(gè)組成晶體管電流放大倍數(shù)的乘積(β ≈ β? × β?)?
這意味著它能夠用非常微小的輸入基極電流(Ib)驅(qū)動(dòng)非常大的輸出集電極電流(Ic)?例如,如果每個(gè)晶體管的 β 為 100,則達(dá)林頓對(duì)的總 β 可達(dá) 10,000?這使得它成為驅(qū)動(dòng)重負(fù)載(如繼電器?電機(jī)?大功率 LED?揚(yáng)聲器等)的理想選擇?
- 極高的輸入阻抗:
由于第一個(gè)晶體管(驅(qū)動(dòng)管)的發(fā)射極電流直接作為第二個(gè)晶體管(輸出管)的基極電流,驅(qū)動(dòng)管的發(fā)射極負(fù)載實(shí)際上是輸出管的極高輸入阻抗(β? Re?,其中 Re? 是輸出管的發(fā)射極電阻)?
這種配置顯著提高了整個(gè)達(dá)林頓對(duì)從輸入端(驅(qū)動(dòng)管的基極)看進(jìn)去的輸入阻抗?高輸入阻抗使得達(dá)林頓管更容易被前級(jí)小信號(hào)電路(如微控制器 GPIO 引腳?運(yùn)算放大器等)驅(qū)動(dòng),減少了對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的要求?
- 較低的飽和壓降:
當(dāng)達(dá)林頓管完全導(dǎo)通(飽和)時(shí),其集電極到發(fā)射極之間的電壓降(Vce(sat))主要由輸出管的飽和壓降(Vce(sat)?)和驅(qū)動(dòng)管的基極-發(fā)射極壓降(Vbe?)串聯(lián)構(gòu)成,即 Vce(sat) ≈ Vce(sat)? + Vbe??
雖然 Vce(sat) 比單個(gè)晶體管的要高(通常 >0.7V,典型值在 1V 到幾伏之間,取決于電流和器件),但對(duì)于需要極高電流增益的應(yīng)用來(lái)說(shuō),這個(gè)壓降通常是可以接受的代價(jià)?現(xiàn)代功率達(dá)林頓管會(huì)通過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)化(如集成加速電阻和續(xù)流二極管)來(lái)改善這一參數(shù)?
- 較低的開(kāi)態(tài)速度(開(kāi)關(guān)速度較慢):
這是達(dá)林頓管的一個(gè)主要缺點(diǎn)?在導(dǎo)通狀態(tài),輸出管基區(qū)存儲(chǔ)了大量的電荷?當(dāng)輸入信號(hào)要求達(dá)林頓管關(guān)斷時(shí),需要將這些存儲(chǔ)電荷移除以使輸出管退出飽和?
由于輸入阻抗高,驅(qū)動(dòng)關(guān)斷的“泄放”路徑受限(通常僅靠?jī)?nèi)部或外部的基極下拉電阻),導(dǎo)致電荷消散過(guò)程緩慢?這顯著增加了關(guān)斷時(shí)間,使其開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)低于單個(gè)晶體管或 MOSFET?因此,達(dá)林頓管不適合需要高頻開(kāi)關(guān)的應(yīng)用?
- 較高的導(dǎo)通閾值和溫度敏感性:
要使達(dá)林頓管完全導(dǎo)通,其輸入端(驅(qū)動(dòng)管基極)的電壓需要至少達(dá)到兩個(gè)基極-發(fā)射極結(jié)壓降之和,即 Vbe(on) ≈ Vbe? + Vbe? ≈ 1.2V - 1.4V(硅管)?這比單個(gè)晶體管(約 0.7V)要高?
由于包含兩個(gè) PN 結(jié),其導(dǎo)通電壓和特性受溫度影響比單個(gè)晶體管更顯著?溫度升高會(huì)導(dǎo)致所需導(dǎo)通電壓降低,漏電流增大?
- 本質(zhì)上是一個(gè)“超級(jí)”晶體管:
從外部端口(基極 B?集電極 C?發(fā)射極 E)的行為來(lái)看,達(dá)林頓對(duì)等效為一個(gè)性能被極端強(qiáng)化(主要是電流增益)的單一 NPN 或 PNP 晶體管?它繼承了 BJT 是電流控制型器件的基本特性,但將其電流放大能力提升到了極致?
達(dá)林頓晶體管的核心價(jià)值在于提供了無(wú)與倫比的電流放大能力和高輸入阻抗,使其在需要用小電流控制大功率負(fù)載的開(kāi)關(guān)和線性放大應(yīng)用中非常有用(如低端開(kāi)關(guān)?燈驅(qū)動(dòng)?音頻功率輸出級(jí))?然而,這種優(yōu)勢(shì)是以較慢的開(kāi)關(guān)速度(尤其是關(guān)斷慢)?較高的飽和壓降和更高的導(dǎo)通閾值為代價(jià)的?理解這些特點(diǎn)對(duì)于在電路設(shè)計(jì)中正確選擇和應(yīng)用達(dá)林頓管至關(guān)重要?
