达林顿晶体管(通常称为达林顿对或达林顿管)是一种由两个双极结型晶体管(BJT)以特定方式级联构成的复合结构｡其主要特点可以概括为以下几点:
- 极高的电流放大倍数:
这是达林顿管最核心､最突出的特点｡其总电流放大倍数(β 或 hFE)近似等于两个组成晶体管电流放大倍数的乘积(β ≈ β₁ × β₂)｡
这意味着它能够用非常微小的输入基极电流(Ib)驱动非常大的输出集电极电流(Ic)｡例如,如果每个晶体管的 β 为 100,则达林顿对的总 β 可达 10,000｡这使得它成为驱动重负载(如继电器､电机､大功率 LED､扬声器等)的理想选择｡
- 极高的输入阻抗:
由于第一个晶体管(驱动管)的发射极电流直接作为第二个晶体管(输出管)的基极电流,驱动管的发射极负载实际上是输出管的极高输入阻抗(β₂ Re₂,其中 Re₂ 是输出管的发射极电阻)｡
这种配置显著提高了整个达林顿对从输入端(驱动管的基极)看进去的输入阻抗｡高输入阻抗使得达林顿管更容易被前级小信号电路(如微控制器 GPIO 引脚､运算放大器等)驱动,减少了对驱动电流的要求｡
- 较低的饱和压降:
当达林顿管完全导通(饱和)时,其集电极到发射极之间的电压降(Vce(sat))主要由输出管的饱和压降(Vce(sat)₂)和驱动管的基极-发射极压降(Vbe₁)串联构成,即 Vce(sat) ≈ Vce(sat)₂ + Vbe₁｡
虽然 Vce(sat) 比单个晶体管的要高(通常 >0.7V,典型值在 1V 到几伏之间,取决于电流和器件),但对于需要极高电流增益的应用来说,这个压降通常是可以接受的代价｡现代功率达林顿管会通过内部优化(如集成加速电阻和续流二极管)来改善这一参数｡
- 较低的开态速度(开关速度较慢):
这是达林顿管的一个主要缺点｡在导通状态,输出管基区存储了大量的电荷｡当输入信号要求达林顿管关断时,需要将这些存储电荷移除以使输出管退出饱和｡
由于输入阻抗高,驱动关断的“泄放”路径受限(通常仅靠内部或外部的基极下拉电阻),导致电荷消散过程缓慢｡这显著增加了关断时间,使其开关速度远低于单个晶体管或 MOSFET｡因此,达林顿管不适合需要高频开关的应用｡
- 较高的导通阈值和温度敏感性:
要使达林顿管完全导通,其输入端(驱动管基极)的电压需要至少达到两个基极-发射极结压降之和,即 Vbe(on) ≈ Vbe₁ + Vbe₂ ≈ 1.2V - 1.4V(硅管)｡这比单个晶体管(约 0.7V)要高｡
由于包含两个 PN 结,其导通电压和特性受温度影响比单个晶体管更显著｡温度升高会导致所需导通电压降低,漏电流增大｡
- 本质上是一个“超级”晶体管:
从外部端口(基极 B､集电极 C､发射极 E)的行为来看,达林顿对等效为一个性能被极端强化(主要是电流增益)的单一 NPN 或 PNP 晶体管｡它继承了 BJT 是电流控制型器件的基本特性,但将其电流放大能力提升到了极致｡
达林顿晶体管的核心价值在于提供了无与伦比的电流放大能力和高输入阻抗,使其在需要用小电流控制大功率负载的开关和线性放大应用中非常有用(如低端开关､灯驱动､音频功率输出级)｡然而,这种优势是以较慢的开关速度(尤其是关断慢)､较高的饱和压降和更高的导通阈值为代价的｡理解这些特点对于在电路设计中正确选择和应用达林顿管至关重要｡
