兩個(gè)雙極晶體管的達(dá)林頓晶體管配置為給定的基極電流提供增加的電流切換

以其發(fā)明者Sidney Darlington命名的達(dá)林頓晶體管連接在一起的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NPN或PNP雙極結(jié)型晶體管（BJT）的排列。一個(gè)晶體管的發(fā)射極連接到另一個(gè)晶體管的基極，以產(chǎn)生更靈敏的晶體管，其電流增益大得多，可用于需要電流放大或開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。

達(dá)林頓晶體管可以由兩個(gè)單獨(dú)連接的雙極晶體管或單個(gè)封裝的單個(gè)器件制成，標(biāo)準(zhǔn)配置為：基極，發(fā)射極和集電極連接引線，可提供多種外殼類(lèi)型和電壓（和電流） NPN和PNP版本的評(píng)級(jí)。

正如我們?cè)诰w管作為開(kāi)關(guān)教程中看到的，以及用作放大器的雙極結(jié)型晶體管（BJT） ）可以作為ON-OFF開(kāi)關(guān)操作，如圖所示。

雙極晶體管作為開(kāi)關(guān)

當(dāng)NPN晶體管的基極接地（0伏）且沒(méi)有基極電流， Ib 流動(dòng)時(shí)，沒(méi)有電流從發(fā)射極流到集電極和tra因此，nsistor被切換為“OFF”。如果基極正向偏壓超過(guò)0.7伏，則電流將從發(fā)射極流到集電極，并且晶體管被稱(chēng)為“接通”。當(dāng)在這兩種模式下工作時(shí)，晶體管作為開(kāi)關(guān)工作。

這里的問(wèn)題是晶體管Base需要在零和一些大的正值之間切換，晶體管在這一點(diǎn)上變得飽和增加的基極電流 Ib 流入器件，導(dǎo)致集電極電流 Ic 變大，而 Vce 小。然后我們可以看到基極上的小電流可以控制在集電極和發(fā)射極之間流動(dòng)的大得多的電流。

集電極電流與基極電流之比（β）被稱(chēng)為晶體管的電流增益。標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管的β的典型值可以在50到200的范圍內(nèi)，并且甚至在相同部件號(hào)的晶體管之間變化。在某些情況下，單個(gè)晶體管的電流增益太低而無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，增加增益的一種方法是使用達(dá)林頓對(duì)。

A達(dá)林頓晶體管配置，也稱(chēng)為“達(dá)林頓對(duì)”或“超級(jí)α電路”，由兩個(gè)連接在一起的NPN或PNP晶體管組成，這樣第一個(gè)晶體管的發(fā)射極電流 TR 1 成為第二個(gè)晶體管的基極電流 TR 2 。然后晶體管 TR1 作為射極跟隨器連接， TR2 作為共發(fā)射極放大器連接，如下所示。

另請(qǐng)注意，在此達(dá)林頓對(duì)配置中，從機(jī)或控制晶體管的集電極電流 TR1 與主開(kāi)關(guān)晶體管 TR2 的集電極電流“同相”。

基本達(dá)林頓晶體管配置

以NPN達(dá)林頓對(duì)為例，兩個(gè)晶體管的集電極連接在一起， TR 1 的發(fā)射器驅(qū)動(dòng) TR 2 的基數(shù)。此配置實(shí)現(xiàn)β倍增，因?yàn)閷?duì)于基極電流 i b ，集電極電流β* i b 其中當(dāng)前增益大于1或單位，這被定義為：

但基本電流， I B2 等于晶體管 TR1 發(fā)射極電流， I E1 作為發(fā)射極 TR1 連接到 TR2 的基礎(chǔ)。因此：

然后在第一個(gè)等式中代替：

其中β 1 和β 2 是各個(gè)晶體管的增益。

這意味著當(dāng)兩個(gè)晶體管的電流增益相乘時(shí)，第一晶體管的增益乘以第二晶體管的增益給出總電流增益β。換句話說(shuō)，組合在一起形成單個(gè)達(dá)林頓晶體管對(duì)的一對(duì)雙極晶體管可以被視為具有非常高的β值并因此具有高輸入電阻的單個(gè)晶體管。

達(dá)林頓晶體管示例No1

兩個(gè)NPN晶體管以達(dá)林頓對(duì)的形式連接在一起，以切換12V 75W鹵素?zé)簟Ｈ绻谝粋€(gè)晶體管的正向電流增益為25且第二個(gè)晶體管的正向電流增益（Beta）為80.忽略?xún)蓚€(gè)晶體管上的任何電壓降，計(jì)算完全接通燈所需的最大基極電流。 / p>

首先，燈吸取的電流將等于第二個(gè)晶體管的集電極電流，然后：

使用上面的等式，基本電流如下：

然后我們可以看到，只有3.0mA的非常小的基極電流，例如由數(shù)字邏輯門(mén)或微控制器的輸出端口提供的基極電流，可用于將75瓦燈“開(kāi)”和“關(guān)”切換。 / p>

如果使用兩個(gè)相同的雙極晶體管制作單個(gè)達(dá)林頓器件，那么β 1 等于β 2 ，總體當(dāng)前收益將為：

一般β 2 很多大于2β，在這種情況下可以忽略它以簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)。然后，配置為達(dá)林頓對(duì)的兩個(gè)相同晶體管的最終等式可寫(xiě)為：

相同的達(dá)林頓晶體管

然后我們可以看到，對(duì)于兩個(gè)相同的晶體管，β 2 用來(lái)代替β，就像一個(gè)具有大量增益的大晶體管。達(dá)林頓晶體管對(duì)的電流增益超過(guò)一千，最大集電極電流為幾安培，很容易獲得。例如：NPN TIP120 ，其PNP等效于 TIP125 。

使用這種配置的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)晶體管是因?yàn)檫_(dá)林頓配置的典型增益可以超過(guò)1,000，而通常單個(gè)晶體管級(jí)產(chǎn)生大約50到200的增益，因此只需要很小的基極電流就可以切換更大的負(fù)載電流。

然后我們可以看到增益為1,000：1的達(dá)林頓對(duì)可以在集電極 - 發(fā)射極電路中切換1安培的輸出電流，輸入基極電流僅為1mA。這使得達(dá)林頓晶體管非常適合與繼電器，燈和電機(jī)連接到低功耗微控制器，計(jì)算機(jī)或邏輯控制器，如圖所示。

達(dá)林頓晶體管應(yīng)用

達(dá)林頓晶體管的基極足夠敏感，可以響應(yīng)來(lái)自開(kāi)關(guān)的任何小輸入電流或直接來(lái)自TTL或5V CMOS邏輯門(mén)。任何達(dá)林頓對(duì)的最大集電極電流 Ic（max）與主開(kāi)關(guān)晶體管相同， TR 2 因此可以使用操作繼電器，直流電動(dòng)機(jī)，螺線管和燈等等。

達(dá)林頓晶體管對(duì)的主要缺點(diǎn)之一是在完全飽和時(shí)基極和發(fā)射極之間的最小電壓降。與完全導(dǎo)通時(shí)飽和壓降介于0.3V和0.7V之間的單個(gè)晶體管不同，達(dá)林頓器件的基極 - 發(fā)射極電壓降（1.2 V而不是0.6 V）是基極 - 發(fā)射極電壓降的兩倍。兩個(gè)獨(dú)立晶體管的基極 - 發(fā)射極二極管壓降之和，取決于通過(guò)晶體管的電流，可以在0.6V至1.5V之間。

這種高基極 - 發(fā)射極電壓降意味著達(dá)林頓晶體管可以對(duì)于給定的負(fù)載電流，它比普通的雙極晶體管更熱，因此需要良好的散熱。此外，達(dá)林頓晶體管的ON-OFF響應(yīng)時(shí)間較慢，因?yàn)閺膶倬w管 TR 1 需要更長(zhǎng)時(shí)間才能使主晶體管 TR 2 完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉。

克服標(biāo)準(zhǔn)達(dá)林頓晶體管器件的緩慢響應(yīng)，增加的電壓降和熱缺點(diǎn)，補(bǔ)充N(xiāo)PN和PNP晶體管可以在相同的級(jí)聯(lián)布置中使用，以產(chǎn)生另一種類(lèi)型的達(dá)林頓晶體管，稱(chēng)為 Sziklai配置。

Sziklai晶體管對(duì)

> Sziklai Darlington Pair以匈牙利發(fā)明家George Sziklai命名，是一種互補(bǔ)或復(fù)合達(dá)林頓器件，由分開(kāi)的NPN和PNP互補(bǔ)晶體管組成。如下所示。

NPN和PNP晶體管的級(jí)聯(lián)組合具有以下優(yōu)點(diǎn)：Sziklai對(duì)執(zhí)行與達(dá)林頓對(duì)相同的基本功能，除了它只需要對(duì)于導(dǎo)通和標(biāo)準(zhǔn)達(dá)林頓配置的0.6v，對(duì)于相同匹配的晶體管，電流增益等于β 2 或者由兩者的乘積給出不匹配的單個(gè)晶體管的電流增益。

Sziklai達(dá)林頓晶體管配置

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我們可以看到Sziklai器件的基極 - 發(fā)射極電壓降等于信號(hào)路徑中單個(gè)晶體管的二極管壓降。然而，Sziklai配置不能飽和到小于一整個(gè)二極管壓降，即0.7v而不是通常的0.2v。

此外，與達(dá)林頓對(duì)一樣，Sziklai對(duì)的響應(yīng)時(shí)間比a低。單晶體管。 Sziklai對(duì)互補(bǔ)晶體管通常用于推挽式和AB類(lèi)音頻放大器輸出級(jí)，僅允許輸出晶體管的一個(gè)極性。 Darlington和Sziklai晶體管對(duì)均提供NPN和PNP配置。

達(dá)林頓晶體管IC

在大多數(shù)電子應(yīng)用中，控制電路切換直流輸出電壓就足夠了或者當(dāng)前“ON”或“OFF”直接作為某些輸出設(shè)備（例如LED或顯示器）僅需要幾毫安來(lái)在低DC電壓下操作，因此可以由標(biāo)準(zhǔn)邏輯門(mén)的輸出直接驅(qū)動(dòng)。

然而，正如我們上面所看到的，有時(shí)需要更多的功率來(lái)操作輸出設(shè)備，例如直流電動(dòng)機(jī)，而不是普通的邏輯門(mén)或微控制器。如果數(shù)字邏輯器件無(wú)法提供足夠的電流，則需要額外的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)器件。

一種常用的達(dá)林頓晶體管芯片是ULN2003陣列。達(dá)林頓陣列系列包括ULN2002A，ULN2003A和ULN2004A，它們都是高壓，高電流達(dá)林頓陣列，每個(gè)陣列在單個(gè)IC封裝中包含七個(gè)開(kāi)路集電極達(dá)林頓對(duì)。

陣列的每個(gè)通道都是額定電流為500mA，可承受高達(dá)600mA的峰值電流，非常適合控制小型電動(dòng)機(jī)或燈具或高功率半導(dǎo)體的柵極和基極。其他抑制二極管用于感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)，輸入端固定在輸出端，以簡(jiǎn)化連接和電路板布局。

ULN2003A達(dá)林頓晶體管陣列

ULN2003A是一種低成本的單極達(dá)林頓晶體管陣列，具有高效率和低功耗，因此可用于驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，包括螺線管，繼電器直流電機(jī)和LED顯示器或白熾燈。 ULN2003A包含七個(gè)達(dá)林頓晶體管對(duì)，每個(gè)晶體管對(duì)在左側(cè)有一個(gè)輸入引腳，在右側(cè)與輸出引腳相對(duì)，如圖所示。

ULN2003A達(dá)林頓晶體管陣列

ULN2003A達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器具有極高的輸入阻抗和電流增益，可以直接從TTL或+ 5V CMOS邏輯門(mén)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于+ 15V CMOS邏輯，使用ULN2004A，對(duì)于高達(dá)100V的更高開(kāi)關(guān)電壓，最好使用SN75468達(dá)林頓陣列。

當(dāng)輸入（引腳1到7）被驅(qū)動(dòng)為“高”時(shí)，相應(yīng)的輸出將切換“低”吸收電流。同樣，當(dāng)輸入被驅(qū)動(dòng)為“低”時(shí)，相應(yīng)的輸出切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)。這種高阻抗“關(guān)”狀態(tài)可阻止負(fù)載電流并降低通過(guò)器件的漏電流，從而提高效率。

引腳8，（GND）連接到負(fù)載地或0伏，而引腳9（Vcc）連接到負(fù)載供應(yīng)。然后，任何負(fù)載都需要連接在+ Vcc和輸出引腳10到16之間。對(duì)于電感負(fù)載，如電機(jī)，繼電器和螺線管等，引腳9應(yīng)始終連接到Vcc。

ULN2003A能夠在每個(gè)通道切換500mA（0.5A），但如果需要更多的開(kāi)關(guān)電流能力，那么達(dá)林頓對(duì)輸入和輸出可以并聯(lián)在一起，以獲得更高的電流能力。例如，輸入引腳1和2連接在一起，輸出引腳16和15連接在一起以切換負(fù)載。

達(dá)林頓晶體管摘要

達(dá)林頓晶體管是一種高功率半導(dǎo)體器件，具有比傳統(tǒng)小信號(hào)結(jié)晶體管高出許多倍的電流和電壓額定值。

標(biāo)準(zhǔn)高功率NPN或PNP晶體管的直流電流增益值相對(duì)較低，低至與小信號(hào)開(kāi)關(guān)晶體管相比，為20甚至更小。這意味著需要大的基極電流來(lái)切換給定的負(fù)載。

達(dá)林頓布置使用兩個(gè)背對(duì)背的晶體管，其中一個(gè)是主要的載流晶體管，而另一個(gè)則是一個(gè)小得多的“切換” “晶體管提供基極電流來(lái)驅(qū)動(dòng)主晶體管。結(jié)果，當(dāng)兩個(gè)晶體管的DC電流增益相乘時(shí)，可以使用較小的基極電流來(lái)切換更大的負(fù)載電流。然后，兩個(gè)晶體管組合可以被視為一個(gè)單獨(dú)的晶體管，具有非常高的β值，因此具有高輸入電阻。

以及標(biāo)準(zhǔn)PNP和NPN達(dá)林頓晶體管對(duì)，還提供互補(bǔ)的Sziklai Darlington晶體管，它們由在相同達(dá)林頓對(duì)中連接在一起的獨(dú)立匹配的NPN和PNP互補(bǔ)晶體管組成，以提高效率。

此外，達(dá)林頓陣列如ULN2003A可提供高功率或電感負(fù)載，如燈，螺線管和電機(jī)，由機(jī)器人和機(jī)電一體化應(yīng)用中的微處理器和微控制器設(shè)備安全驅(qū)動(dòng)。