一、什么是達(dá)林頓對(duì)管？

任何電子工程師估計(jì)對(duì) SIDNEY Darlington 的名字都耳熟能詳。他在 20 世紀(jì) 50 年代初，突發(fā)奇想，發(fā)現(xiàn)并初步展示了達(dá)林頓晶體管對(duì)，或簡稱為達(dá)林頓晶體管或達(dá)林頓對(duì)。自此以后，達(dá)林頓晶體管對(duì)便成為人們?cè)O(shè)計(jì)電子線路中的常用器件。這個(gè)發(fā)明證明了西德尼廣泛的技術(shù)興趣，以及他為解決實(shí)際工程問題所表現(xiàn)出的創(chuàng)造力。

早期的硅晶體管共發(fā)射極電流增益 β 值很低，而且不同樣品的 β 值變化很大。對(duì)于良好的硅生長結(jié)晶體管樣品，β 的范圍可能在 5 到 15 之間。鑒于這些有源元件的缺點(diǎn)，電子電路工程師在設(shè)計(jì)電路中犯了難，主要表現(xiàn)在電路不穩(wěn)定，或者電路放大倍數(shù)偏差比較大。當(dāng)時(shí)人們知道，可以通過在電路中引入負(fù)反饋來提高電路的穩(wěn)定性和一致性，但這需要晶體管具有更大的電流增益。負(fù)反饋可以在工作條件和晶體管特性發(fā)生變化時(shí)穩(wěn)定整體電路性能。西德-達(dá)林頓（Sid Darlington）當(dāng)時(shí)對(duì)此心知肚明。

▲ 圖1 達(dá)林頓晶體管對(duì)。其中兩個(gè)基級(jí)電阻被用于加速達(dá)林頓管關(guān)斷過程

二、達(dá)林頓對(duì)管的發(fā)明

新罕布什爾大學(xué)的名譽(yù)教授費(fèi)爾森-格蘭茲，講述了達(dá)林頓晶體管對(duì)起源的故事：?

"就在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管之后，西德尼在周末從貝爾實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人那里借走了兩個(gè)為數(shù)不多的晶體管。當(dāng)時(shí)晶體管還沒有普及，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人把僅有的幾個(gè)晶體管放在自己的辦公桌上。西德尼周末在家擺弄這些晶體管的時(shí)候，靈光乍現(xiàn)，腦子里冒出了 達(dá)林頓管設(shè)計(jì)方案。他意識(shí)到這些晶體管可以放在一個(gè)封裝中，也就是在一個(gè)硅片上，形成單個(gè)器件。事實(shí)上，這個(gè)想法可以擴(kuò)展到將任何數(shù)量的晶體管都集成在一個(gè)芯片上，這也就是未來集成芯片的雛形。第二周，他請(qǐng)律師將自己的想法起草專利申請(qǐng)。他說，專利申請(qǐng)內(nèi)容應(yīng)該包括任何數(shù)量晶體管集成在一起，但律師只想針對(duì)兩個(gè)晶體管的級(jí)聯(lián)。誰能想到，如果不是僅限于兩個(gè)晶體管，貝爾實(shí)驗(yàn)室和達(dá)林頓博士就能從今天制造的每一塊集成電路芯片上獲得專利費(fèi)！? 據(jù)達(dá)林頓講述的這個(gè)故事來看，當(dāng)時(shí)他的專利申請(qǐng)的確保守了"。

題為 "半導(dǎo)體信號(hào)傳輸裝置 "的美國專利 2 663 806 于 1953 年 12 月 22 日頒發(fā)，西德尼-達(dá)林頓為唯一發(fā)明人。下面給出了專利中的配圖。大家可以看到，專利申請(qǐng)中的確包含有兩個(gè)晶體管和三個(gè)晶體管的方案，也許這反映了達(dá)林頓和律師之間的妥協(xié)結(jié)果。這一專利經(jīng)常被后來頒發(fā)的專利作為相關(guān)技術(shù)引用?，F(xiàn)在的在線數(shù)據(jù)庫只能追溯到 1971 年；?但從 1971 年到 1991 年，有 17 項(xiàng)后續(xù)專利引用了這項(xiàng)達(dá)林頓發(fā)明。這些專利的名稱顯示了從電源到安全設(shè)備再到電視接收器的各種用途。

▲ 圖2 達(dá)林頓晶體管專利繪圖

三、達(dá)林頓對(duì)管的特性

1、優(yōu)點(diǎn)

通常情況下，達(dá)林頓管內(nèi)部的兩個(gè)基級(jí)電阻并不是必需的，雖然通常包括在內(nèi)，只是用來方便設(shè)計(jì)偏置電流，并減少關(guān)閉達(dá)林頓管所需的時(shí)間。當(dāng)然，這些基級(jí)電阻的存在會(huì)降低電流增益，尤其是在低電流時(shí)。如果我們忽略電阻器中流過的電流，并將單個(gè)晶體管的共發(fā)射極電流增益定義為 β=Ic/Ib，那么簡單的分析表明，達(dá)林頓晶體管對(duì)的整體直流或低頻電流增益為

2、缺點(diǎn)

因此，在低頻下，達(dá)林頓對(duì)管 近似等同于單個(gè)晶體管，其電流增益大于β的平方 。電子電路工程師對(duì)于電流增益的提高表示歡迎。但遺憾的是，高頻分析表明達(dá)林頓對(duì)管的相移比單晶體管大得多。單晶體管放大器級(jí)在施加負(fù)反饋時(shí)通常是無條件穩(wěn)定的，但使用達(dá)林頓對(duì)管 的單級(jí)放大器卻并非如此。與使用達(dá)林頓對(duì)管 的單級(jí)放大器相比，傳統(tǒng)的兩級(jí)共發(fā)射晶體管放大器更容易通過負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。因此，達(dá)林頓對(duì)管 主要應(yīng)用于不需要使用反饋的非關(guān)鍵電路。另一個(gè)限制是，導(dǎo)通時(shí)通過器件的最小壓降必須大于第二個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極電壓（約 0.8 V）。在開關(guān)大電流時(shí)，該壓降造成的功率浪費(fèi)會(huì)成為一個(gè)問題。而普通的共發(fā)射晶體管開關(guān)的相應(yīng)壓降只有 0.2 V。

四、集成電路的先驅(qū)

達(dá)林頓晶體管對(duì)中的兩個(gè)晶體管共享一個(gè)公共集電極區(qū)，這是否說明西德尼是否預(yù)見到集成電路發(fā)展的問題。事實(shí)上，西德尼的專利圖示并聲稱一對(duì)晶體管共用一個(gè) n 型半導(dǎo)體區(qū)域，該區(qū)域構(gòu)成達(dá)林頓晶體管對(duì)管 的公共集電極。專利圖中的跳線連接了一個(gè)晶體管的發(fā)射極和另一個(gè)晶體管的基極。當(dāng)時(shí)，互聯(lián)跳線是通過手動(dòng)操作進(jìn)行連接的，一次接一對(duì)?，F(xiàn)代平面集成電路可以方便地提供批量互連的雙極晶體管，它們共享一個(gè)共同的集電極區(qū)域。由此可見，西德尼構(gòu)想出了現(xiàn)代集成電路的部分而非全部基本特征。

五、達(dá)林頓管的應(yīng)用

在互聯(lián)網(wǎng)上搜索 "達(dá)林頓晶體管 "就會(huì)發(fā)現(xiàn)，時(shí)至今日，被認(rèn)定為達(dá)林頓晶體管的商用器件已經(jīng)多達(dá)幾十種。它們通常具有 1000 或更高的電流增益，主要用于繼電器驅(qū)動(dòng)器和其他要求簡單和高增益的應(yīng)用。例如，應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)械彈球機(jī)中的電磁鐵驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器和閃光燈。來自微處理器的幾毫安邏輯信號(hào)經(jīng)達(dá)林頓晶體管放大后，可以輕松地以 50 V 的電壓開關(guān)一個(gè)安培或更大的電流，動(dòng)作時(shí)間只有數(shù)個(gè)毫秒 ，這正是驅(qū)動(dòng)電磁線圈或鎢絲燈所需要的。

六、達(dá)林頓其他工作

西德尼-達(dá)林頓在晶體管電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域至少還有過一次探索。據(jù) 1952 年左右加入貝爾實(shí)驗(yàn)室的富蘭克林-布萊切爾博士（Dr. Franklin Blecher）稱，西德尼曾經(jīng)設(shè)計(jì)、制造并演示了一個(gè)完整的三級(jí)直接耦合晶體管放大器，該放大器可能適合用于助聽器。該電路使用的是單晶體管，而不是達(dá)林頓晶體管對(duì)。電路中還包括適當(dāng)設(shè)計(jì)的負(fù)反饋，以穩(wěn)定增益和直流工作點(diǎn)。雖然這是西德尼的一項(xiàng)創(chuàng)舉，但事實(shí)證明，早在之前就有人展示過這種電路。

西德尼-達(dá)林頓具有強(qiáng)烈的好奇心和獨(dú)創(chuàng)性，并掌握了最先進(jìn)的現(xiàn)代科學(xué)和工程知識(shí)。他的創(chuàng)造性成就激勵(lì)著所有認(rèn)識(shí)他的人。

編輯：黃飛

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