达林顿三极管在 1953 年由美国电气工程师和发明家 Sidney Darlington 发明。达林顿三极管由两个普通的双极型三极管(BJT)组成,其中一个三极管的发射极连接到另外一个三极管的基极,形成电流增益更大的复合三极管管。


Sidney Darlington(1906~1997,10)

 

 

下图显示了两种达林顿管的具体的连接方式,左边的是由一对 NPN 型双极型三极管组成的 NPN 型的达林顿三极管,右边则是由一对 PNP 型的三极管组成的 PNP 型的达林顿三极管。

 

在这种配置下,达林顿三极管的电流增益近似等于组成它的两个三极管电流增益的乘积。

 

NPN 型和 PNP 型达林顿三极管

 

达林顿管中第一个三极管起工作在射极跟随器工作模式,对输入电流进行放大,提高了输入阻抗。这使得达林顿管可以被普通的 TTL,CMOS 门电路驱动。

 

为了使得达林顿管饱和,输入电压需要高于两倍的 Vbe。另外,达林顿管饱和时,它的 C、E 之间的电压需要维持第一级三极管工作电压,这也比普通的三极管饱和电压(大约 0.2V)要高得多,一般大于 0.65V。在大电流下,这个电压会更高,这就大大增加了达林顿管在开关状态下的功耗。

 

使用两个 8050 组成的 NPN 型达林顿管

 

使用 100kHz,幅值为 4V 的方波信号驱动上述电路,测量输入电压和集电极输出电压波形如下。

 

可以看出,达林顿管在饱和导通下 C、E 之间的电压仍然有 0.67V。开关信号的延迟大约为 2us。

 

 

除了上面由两个相同极性三极管组成的达林顿三极管之外,还可以将 NPN,PNP 型三极管交叉配置,组成一种称为 Sziklai 达林顿三极管,或称为推挽(Push-Pull)配置。

 

Sziklai 达林顿管是由匈牙利人 George Clifford Sziklai 发明的。他在 1930 年移居美国,在一些电子公司工作。他共申请了 160 多个专利,包括有彩色电机及和摄像机等发明,Sziklai 达林顿管也是专利之一。

 

下面显示了 Sziklai 达林顿三极管的组成方式。

 

PNP 型和 NPN 型 Sziklai 达林顿三极管

 


由于 Sziklai 达林顿管第一级三极管工作在共集模式,因此它的输入阻抗比较低。它的电流增益比起普通的达林顿配置略微小一点,它的饱和电压大一点。

 

Sziclai 管通常作为普通达林顿管的互补型管来使用。比如它组成 PNP 型管子与 NPN 型的达林顿管组成音频放大器的输出级,可以得到更加对称的输出特性。

 

下面是由 8050 和 8550 组成的 Sciklai 达林顿三极管电路。

 

 

如下是对应的输入输出波形。饱和电压为 0.69V,比前面由两个 NPN:8050 组成的达林顿管的饱和电压大。

 

 

现在所使用的达林顿管都不再使用分立元件搭建,所需要的两个三极管以及基级电阻都集成在一起,形成统一的单个达林顿管。

 

BC517 是一款常用的 NPN 型达林顿小功率三极管,Vces=30V,Ic=20mA 时,电流增益大于 30000。由于达林顿三极管是由两个三极管组合而成,它的参数有着较大的离散性,并受到环境温度影响较大。

 

下图是 BC517 在不同温度下,随着集电极电流变化对应的电流增益 hFE 的取值。在环境温度为 25°,Ic=150mA 的时候,电流增益最大。

 

 

BD681 是中功率达林顿管,Vceo=100V,工作电流可达 4A。电流增益大于 750。


ULN2003A 是一款价格便宜、使用广泛的达林顿阵列集成芯片,其中集成了七个 NPN 型的达林顿三极管。输入极具有很高的阻抗,可以直接由 TTL,或者 CMOS 门电路驱动,输出级最高可以承受 50V 电压,吸收 500mA 电流。达林顿管阵列 SN75468 可以承受 100V 工作电压。

 

达林顿管阵列内部还有反向续流二极管,通过芯片公共端可以连接至负载电源,这对带动感性负载可以节省额外的续流二极管。

 

ULN2003A 内部逻辑结构

 

由于在集成芯片,达林顿三极管的基级电阻做了优化匹配,三极管的响应速度得到了提高。下图显示了 ULN2003 带动 510 欧姆电阻时,输入输出波形,它们之间的延时很小。