Схемы составных транзисторов своими руками схемы

Выходные каскады усилителей мощности — Дарлингтон против Шиклаи.

Darlington и Sziklai составные транзисторы. Какую пару выбрать для выходного кас- када УМЗЧ, выполненного на биполярных транзисторах?

Несмотря на то, что в последнее время всё большая часть выходных каскадов промышленных УМЗЧ выполняется на мощных полевых MOSFET-ах, усилители на биполярных транзисторах никуда не подевались, мало того — на них строится и некоторое количество звуковоспроизводящей аппаратуры класса Hi-End.
Именно такой Hi-End усилитель мощности NHB-108 фирмы DarTZeel мы подробно обсудили странице (ссылка на страницу).

Одним из важных преимуществ полевых транзисторов является почти полное отсутствие входного тока в цепи затвора, что в большинстве случаев позволяет упростить схемотехнику и, как результат, конструкцию изделия. С другой стороны — значительные величины входных ёмкостей и приличный разброс параметров мощных MOSFET-ов делают в некоторых случаях предпочтительным использование именно биполярных приборов. Для максимального упрощения задачи схемотехника были созданы транзисторы с очень высоким коэффициентом усиления (более 1000), которые называются составными и которые дают возможность проектировать схемы на биполярниках, не сильно задумываясь о входных токах.

Наиболее часто используемое включение составных транзисторов в выходных каскадах усилителей — схема Дарлингтона (Рис. 1 а и б). Составные транзисторы по схеме включения Шиклаи используются значительно реже — и зря. Почему?
А ответ на этот вопрос дал конструктор электронных устройств и большой специалист в области звукотехники — Род Эллиот в своей статье «Шиклаи соединение против пары Дарлингтона».

Приведу наиболее, на мой взгляд, важные выдержки из этой статьи:

Пары Дарлингтона и Шиклая широко используются в линейных цепях, причём пары Дарлингтона являются наиболее распространёнными. Читатели моих Аудио Страниц могут заметить, что я в своих разработках для выходных каскадов усилителя мощности почти всегда без исключения использовал пары составных транзисторов по схеме включения Шиклая. Это относительно необычный подход, но для этого выбора имеются веские причины.
Давным-давно было установлено и продемонстрировано, что составная пара Шиклая обладает большей линейностью, чем пара Дарлингтона, и, хотя эта информация, по-видимому, игнорировалась большинством людей в течение очень долгого времени, она все ещё верна.

1. Линейность составных пар.

На Рис.2 показана пара простых повторителей напряжения, один из которых использует составную пару Шиклая, а другой — Дарлингтона.

Рис. 2 Повторители на парах Шиклая и Дарлингтона

Это довольно простые каскады, и трудно ожидать какой-либо существенной разницы между ними, учитывая то, что эти цепи охвачены 100%-ой отрицательной обратной связью.
Входной сигнал представляет собой синусоиду с пиковым напряжением 1 В (среднеквадратичное значение 707 мВ) и смещением постоянного тока 6 В, необходимым для того, чтобы установить рабочие точки выходов повторителей на уровне, близком к половине напряжения питания.

Первое, что бросается в глаза, это то, что составная пара Шиклая имеет более высокое выходное напряжение (это 99,5% от входного напряжения) по сравнению с парой Дарлингтона, которая передаёт на выход только 98,7%. Правда, это вряд ли можно назвать большой разницей, но, тем не менее, это заметно.

Более интересным параметром являются — искажения, вносимые этими двумя конфигурациями, и это продемонстрировано ниже.

Рис.3 Графики нелинейных искажений повторителей на парах Шиклая и Дарлингтона

Совершенно очевидно, что составная пара Шиклая (чёрная кривая) имеет меньший уровень гармоник, расположенных выше минимального уровня шума -120 дБ, и все они находятся на более низком уровне по отношению к Дарлингтону — на 20 дБ и более!
Как можно увидеть, пара Дарлингтона имеет и в 3 раза больший суммарный уровень искажений, чем составная пара Шиклая. Хотя обе цифры превосходны и значительно ниже порога слышимости, но следует помнить, что каждая ступень системы вносит некоторые искажения, поэтому для каждого каскада важно поддерживать как можно более высокий параметр линейности.

Как я отмечал во многих статьях — THD усилителя является важным показателем не только потому, что мы слышим низкие уровни искажений, но и потому, что он является хорошим индикатором общей линейности. А любая нелинейность вызывает рост интермодуляционных искажений (IMD), считающихся наиболее нежелательными в звуковом тракте.

2. Температурная стабильность.

Для таких конструкций, как двухтактные усилители мощности, термостабильность выходного каскада имеет первостепенное значение. Коэффициент усиления транзистора зависит от температуры, при увеличении температуры — увеличивается и коэффициент усиления. Эта температурная зависимость сохраняется вплоть до температур, которые могут вызвать пробой полупроводника. Кроме того, с ростом температуры уменьшается напряжение база-эмиттер транзистора (примерно на 2 мВ/°C), поэтому определённые средства стабилизации тока смещения являются обязательными.

В составной паре Sziklai влияние температурной зависимости выходного транзистора Q2 значительно меньше, чем влияние драйвера Q1. Основным элементом, определяющим ток смещения, является именно управляющий транзистор, который рассеивает сравнительно небольшую мощность, в связи с чем — на нём гораздо проще поддерживать постоянную температуру.

Как итог — общая температурная зависимость составной пары Шиклая значительно ниже, чем у пары Дарлингтона, выходной ток которого зависит от напряжений база-эмиттер двух каскадно соединённых транзисторов, в результате чего эффект удваивается.
Это усугубляется тем фактом, что большинство усилителей, использующих выходной каскад Дарлингтона, имеют драйвер и силовой транзистор в одном корпусе, а потому оказываются установленными в одной точке радиатора.

Соберём схемы для проверки температурной зависимости транзисторных пар Шиклая и Дарлингтона

Рис.4 Схемы для проверки температурной зависимости составных транзисторов

и проверим сказанное выше.

Температура транзистора		Sziklai пара	Darlington пара
Q1, Q3 (Driver)	Q2, Q4 (Output)	Выходной ток	Выходной ток
25 °C	25 °C	41 mA	41 mA
75 °C	25 °C	123 mA	96 mA
25 °C	75 °C	44 mA	87 mA
75 °C	75 °C	126 mA	148 mA

В таблице приведены температурные зависимости двух цепей, изображённых на Рис.4.
Поскольку гораздо проще поддерживать постоянную температуру на драйверных транзисторах, очевидно, что будет и гораздо проще поддерживать стабильный выходной ток в составной паре Шиклаи, по сравнению с цепью, использующей пару Дарлингтона.
Это было доказано на практике. Ни один из моих проектов не имеет проблем с термостабильностью, и все биполярные конструкции используют выходной каскад, выполненный на составной паре Шиклаи.

2. Двухтактные выходные каскады.

Три типовые схемы выходных каскадов усилителей мощности показаны на Рис.5. Очевидно, что есть и другие, но они обычно базируются на той или иной комбинации из представленных на рисунке.

Рис.5 Три основные схемы выходных каскадов усилителей мощности

Самой старой из представленных схем является первая схема (A) — каскад квазикомплементарной симметрии. Эта схема являлась основной до того момента, как появились комплементарные пары транзисторов разной проводимости.
А как только начался выпуск комплементарных транзисторов, основное распространение получила полностью симметричная конфигурация (B) с использованием пар Дарлингтона. В течение многих лет и до сих пор — этот тип выходного каскада остаётся самым распространённым.
При соответствующем выборе смещения все эти схемы имеют довольно хорошие характеристики искажений, причём пара Шиклаи является лучшей, а квазикомплементарная — худшей.
Все каскады, выполненные в соответствии со схемами, показанными на Рис.5, имеют менее 1% THD при нагрузке 8 Ом (Шиклаи — 0,05%, Дарлингтон — 0,23%, квазикомплементарный — 0,65%).

По причинам, которые я всегда находил неясными и несколько загадочными, я обнаружил, что каждый усилитель, который я проектировал с использованием конфигурации Шиклаи, имел паразитные колебания на отрицательной полуволне.
Добавление конденсатора небольшой ёмкости (обычно 220 пФ), установленного, как показано на схеме, было необходимо каждый раз и полностью устраняло эту проблему.

Источник

Составной транзистор (схема Дарлингтона)

При проектировании схем радиоэлектронных устройств часто желательно иметь транзисторы с параметрами лучше тех моделей, которые предлагают фирмы производители радиоэлектронных компонентов (или лучше чем позволяет реализовать доступная технология изготовления транзисторов). Эта ситуация чаще всего встречается при проектировании интегральных микросхем. Нам обычно требуются больший коэффициент усиления по току h₂₁, большее значение входного сопротивления h₁₁ или меньшее значение выходной проводимости h₂₂.

Улучшить параметры транзисторов позволяют различные схемы составных транзисторов. Существует много возможностей реализовать составной транзистор из полевых или биполярных транзисторов различной проводимости, улучшая при этом его параметры. Наибольшее распространение получила схема Дарлингтона. В простейшем случае это соединение двух транзисторов одинаковой полярности. Пример схемы Дарлингтона на npn транзисторах приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема Дарлингтона на npn транзисторах

Приведенная схема эквивалентна одиночному npn транзистору. В данной схеме ток эмиттера транзистора VT1 является током базы транзистора VT2. Ток коллектора составного транзистора определяется в основном током транзистора VT2. Основным преимуществом схемы Дарлингтона является высокое значение коэффициента усиления по току h₂₁, которое можно приблизительно определить как произведение h₂₁ входящих в схему транзисторов:

(1)

Однако следует иметь ввиду, что коэффициент h₂₁ достаточно сильно зависит от тока коллектора. Поэтому при малых значениях тока коллектора транзистора VT1 его значение может значительно уменьшиться. Пример зависимости h₂₁ от тока коллектора для разных транзисторов приведен на рисунке 2

Рисунок 2 Зависимость коэффициента усиления транзисторов от тока коллектора

Как видно из этих графиков, коэффициент h_21э практически не изменяется только у двух транзисторов: отечественный КТ361В и иностранный BC846A. У остальных транзисторов коэффициент усиления по току значительно зависит от тока коллектора.

В случае когда базовый ток транзистора VT2 получается достаточно мал, ток коллектора транзистора VT1 может оказаться недостаточным для обеспечения необходимого значения коэффициента усиления по току h₂₁. В этом случае увеличения коэффициента h₂₁ и, соответственно, уменьшения тока базы составного транзистора можно добиться увеличением тока коллектора транзистора VT1. Для этого между базой и эмиттером транзистора VT2 включают дополнительный резистор, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3 Составной транзистор Дарлингтона с дополнительным резистором в цепи эмиттера первого транзистора

Например, определим элементы для схемы Дарлингтона, собранной на транзисторах BC846A Пусть ток транзистора VT2 будет равен 1 мА. Тогда его ток базы будет равен:

(2)

При таком токе коэффициент усиления по току h₂₁ резко падает и общий коэффициент усиления по току может оказаться значительно меньше расчетного. Увеличив ток коллектора транзистора VT1 при помощи резистора можно значительно выиграть в значении общего коэффициента усиления h₂₁. Так как напряжение на базе транзистора является константой (для кремниевого транзистора ), то номинал сопротивления резистора рассчитаем по закону Ома:

(3)

В этом случае мы вправе ожидать коэффициент усиления по току до 40000. Именно таким образом выполнены многие отечественные и иностранные супербетта транзисторы, такие как КТ972, КТ973 или КТ825, TIP41C, TIP42C. Схема Дарлингтона широко используется в выходных каскадах усилителей низкой частоты (двухтактных усилителях), операционных усилителей и даже цифровых логических элементов, например, ТТЛ логики.

Следует отметить, что схема Дарлингтона обладает таким недостатком, как повышенное напряжение U_кэ. Если в обычных транзисторах U_кэ составляет 0,2 В, то в составном транзисторе это напряжение возрастает до 0,9 В. Это связано с необходимостью открывать транзистор VT1, а для этого на его базу следует подать напряжение 0,7 В (если мы рассматриваем кремниевые транзисторы).

Для того, чтобы устранить указанный недостаток была разработана схема составного транзистора на комплементарных транзисторах. В российском Интернете она получила название схемы Шиклаи. Это название пришло из книги Титце и Шенка, хотя эта схема ранее имела другое название. Например, в советской литературе она называлась парадоксной парой. В книге В.Е.Хелейн и В.Х.Холмс составной транзистор на комплементарных транзисторах называется схемой Уайта, поэтому будем ее называть просто составным транзистором. Схема составного pnp транзистора на комплементарных транзисторах приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Составной pnp транзистор на комплементарных транзисторах

Точно таким же образом образуется npn транзистор. Схема составного npn транзистора на комплементарных транзисторах приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 Составной npn транзистор на комплементарных транзисторах

В списке литературы на первом месте приведена книга 1974 года издания, но существуют КНИГИ и остальные издания. Есть основы, которые не устаревают длительное время и огромное количество авторов, которые просто повторяют эти основы. Рассказать понятно надо уметь! За все время профессиональной деятельности я встретил менее десяти КНИГ. Я всегда рекомендую изучать аналоговую схемотехнику с этой книги.

Дата последнего обновления файла 18.06.2018

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Составной транзистор (схема Дарлингтона)» читают:

Источник