170а. Схемы на двух транзисторах: составные, зеркало, дифкаскад, мультивибратор, верхний ключ и ограничитель тока

Раздел 170 разобрал один транзистор: режимы, насыщение, выключение, источник тока — и в 170.6 коротко показал две пары: токовое зеркало и составной ключ. Здесь пары разобраны подробно, и к ним добавлены другие схемы, где транзисторов ровно два: каждый следит за другим или помогает ему. Таких схем немного, но они встречаются везде — внутри микросхем, в старых и новых платах, в чужих схемах, которые приходится читать.

Для каждой схемы — как она работает, чем платит за удобство, какие числа даёт модель и что посмотреть осциллографом, если собрать её на макетке.

Опоры: модели ngspice раздела 170 (NPN — _verify/bjt170/bjt.inc), раздела 172 (PNP — _verify/sw172/sw.inc) и раздела 169 (сигнальный диод — _verify/diode169/diodes.inc), строки моделей взяты без изменений. Это не модели конкретных марок, а приборы с явно заданными параметрами: коэффициент передачи NPN — 200, PNP — 150. Все числа ниже — прогон _verify/tr170a в ngspice 39 (образ stm-lab:1).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
Darlington pair	составной транзистор Дарлингтона
Sziklai pair (complementary feedback pair)	пара Шиклаи, комплементарный составной
base-emitter resistor	резистор база-эмиттер
current mirror	токовое зеркало
emitter degeneration	резистор в эмиттере, отрицательная обратная связь по току
output compliance	диапазон выходного напряжения, где источник тока ещё держит ток
differential pair / long-tailed pair	дифференциальный каскад / каскад с длинным хвостом
tail current	ток хвоста
common-mode rejection ratio (CMRR)	коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)
astable multivibrator	автоколебательный мультивибратор
reverse base-emitter breakdown (VEBO)	обратный пробой перехода база-эмиттер
high-side switch	верхний ключ
current limiter / current sense resistor	ограничитель тока / резистор-датчик тока

170а.1 Составной транзистор Дарлингтона

Эмиттер первого транзистора идёт в базу второго, коллекторы общие. Ток базы первого усиливается дважды, коэффициенты передачи перемножаются. В модели при токе базы 10 мкА и 5 В на коллекторах одиночный транзистор даёт усиление 207, а составной — около 24 тысяч.

Цена — два перехода база-эмиттер подряд. На входе составного не 0,65 В, а сумма двух: 1,51 В при токе базы 10 мкА и 1,62 В при токе нагрузки 0,46 А. И насыщается он плохо: первый транзистор не может опустить коллектор ниже базы второго, поэтому Uкэ составного не меньше Uбэ второго.

Ключ: нагрузка 24 Ом от 12 В, база от вывода 3,3 В через 2,2 кОм.

Одиночному транзистору тока базы мало: он в активном режиме, нагрузка получает треть тока, а сам он греется на 1,31 Вт. Чтобы насытить его с принудительным коэффициентом 20 (раздел 170.3), нужно 23 мА в базу — вывод МК столько не даст. Составной насыщается от 0,76 мА, но на нём остаются 0,95 В: из них 0,91 В — это Uбэ второго транзистора. При полуампере это почти полватта.

Медленное выключение и резистор база-эмиттер. Когда вывод уходит в ноль, первый транзистор закрывается, и заряду в базе второго некуда уйти: переход база-эмиттер первого для него закрыт. Второй транзистор досиживает на собственном заряде. Резистор между базой и эмиттером второго даёт этому заряду путь на землю. Время от спада на выводе до 50, 90 и 99 % напряжения на коллекторе:

До половины напряжения все варианты одинаковы — это рассасывание заряда в насыщенном первом транзисторе. Резистор срезает хвост: 99 % — за 231 нс вместо 464 нс с 1 кОм и за 188 нс с 220 Ом. Есть и вторая польза: при нагреве ток утечки первого транзистора тоже уходит через этот резистор, а не усиливается вторым. Цена — резистор отбирает часть тока: Uкэ открытого с 220 Ом — 0,96 В вместо 0,95 В.

На осциллографе. Канал 1 — вывод МК, канал 2 — коллектор, синхронизация по спаду канала 1. Без резистора видна «полка» и затянутый хвост перед выходом на 12 В; с резистором хвост короче. Если сигнал коллектора снимается щупом 1:10 с длинным земляным проводом, хвост легко спутать с звоном — земляная пружинка из раздела 36а.2.

Попробуйте в приложении: Лаборатория → стенд «Два транзистора».

170а.2 Пара Шиклаи: составной на NPN и PNP

Вход — NPN, выход — PNP. Коллектор NPN тянет вниз базу PNP; эмиттер PNP — это «коллектор» всей пары, а коллектор PNP соединён с эмиттером NPN — это её «эмиттер». Снаружи пара ведёт себя как один NPN с большим усилением: в модели около 33 тысяч при токе базы 10 мкА.

Главное отличие от Дарлингтона — на входе один переход: 0,67 В при 10 мкА базы и 0,72 В при полуамперной нагрузке, а не 1,51 и 1,62 В. Обратную связь внутри пары замыкает NPN: он один задаёт напряжение на входе. Поэтому из пары Шиклаи делают выходные каскады усилителей — повторитель на ней отстаёт от входа на один Uбэ, а не на два.

Насыщение — такое же неполное: Uкэ пары не меньше Uэб PNP плюс насыщенный NPN, в модели 0,86 В (из них 0,84 В — Uэб PNP). Тепло — 400 мВт при 464 мА, немного меньше, чем у Дарлингтона.

Выключается пара Шиклаи медленнее: база PNP без резистора висит в воздухе. От спада на выводе до 50 и 99 % напряжения:

Правило то же: резистор между базой и эмиттером выходного транзистора.

На осциллографе. Тот же ключ, что в 170а.1: сравните хвост выключения Дарлингтона и Шиклаи на одной развёртке — у Шиклаи он вдвое длиннее, пока нет резистора у PNP.

Попробуйте в приложении: Лаборатория → стенд «Два транзистора».

170а.3 Токовое зеркало: точность и где оно ломается

Зеркало из 170.6: VT1 включён диодом, VT2 повторяет его ток. Там показаны две ошибки — токи баз (около 2/β) и эффект Эрли. В живой схеме к ним добавляются ещё две, и они больше.

Разные транзисторы. Зеркало работает, только если при одном Uбэ у обоих один и тот же ток. Опорный ток — 1,01 мА, выход на 2 В:

Один градус — уже 7 %: при постоянном Uбэ ток растёт примерно на 7 % на градус. Если VT2 греется своим током, а VT1 — нет, зеркало «уплывает» на десятки процентов. Поэтому зеркальную пару берут в одном корпусе — на одном кристалле они одинаковы и имеют одну температуру.

Резисторы в эмиттерах. По 1 кОм в эмиттер каждого, опорный ток — через 3,3 кОм, на резисторах около 1,01 В. Теперь ток задаёт в основном падение на резисторе, а разница Uбэ в несколько милливольт — мелочь на фоне вольта:

Разные резисторы дают кратное зеркало: 1 кОм у VT1 и 500 Ом у VT2 — 1,963 мА на выходе, в 1,94 раза больше опорного.

Выход из режима. Зеркало держит ток, пока выходной транзистор не насытился. Простое зеркало: 0,998 мА при 0,3 В на выходе, 0,996 мА при 0,2 В, 0,959 мА при 0,1 В. С резисторами 1 кОм нижняя граница поднимается на падение на резисторе: 1,0024 мА при 1,3 В, 1,0020 мА при 1,2 В, 0,989 мА при 1,1 В и уже 0,884 мА при 1,0 В. Точность покупается напряжением: нагрузке остаётся меньше.

На осциллографе. Нагрузку зеркала питают от генератора пилой 0…10 В через резистор-датчик 1 кОм; канал 1 — напряжение на выходе зеркала, канал 2 — на датчике (1 мВ — 1 мкА), режим X-Y. На экране — выходная характеристика: горизонталь с наклоном (Эрли) и излом у нуля. Подышите на VT2 или коснитесь его пальцем — горизонталь поползёт вверх.

Попробуйте в приложении: Лаборатория → стенд «Два транзистора».

170а.4 Дифференциальный каскад

Два транзистора с общими эмиттерами делят между собой один ток — ток хвоста. Чья база выше, тот забирает больше. Каскад усиливает разность напряжений на базах и почти не замечает их общий уровень: на этом построен вход любого операционного усилителя и компаратора.

Модель: питание 12 В, в коллекторах по 10 кОм, обе базы смещены на 4 В, выход — коллектор VT2. Хвост двумя способами: резистор 6,8 кОм на землю («длинный хвост») и третий транзистор источником тока (база 1,2 В, в эмиттере 1,1 кОм).

Усиление разности почти одно и то же: оно задаётся током, Rк·Iхв/(4·φт) — 48,5 при токе хвоста 0,498 мА и φт = 25,7 мВ. Если снимать выход между коллекторами — вдвое больше, 94,1.

А общий уровень резистор пропускает: поднялись обе базы — поднялись эмиттеры, вырос ток через резистор, упали оба коллектора. Усиление общего уровня — почти Rк/(2·Rхв) = 0,735, и КОСС всего 36,2 дБ. Источник тока в хвосте держит ток при любом уровне, и КОСС вырастает до 92,9 дБ. Так и устроены настоящие входные каскады: хвост — всегда источник тока, обычно зеркало.

Линейная область — десятки милливольт. Ток делится по закону гиперболического тангенса: при разности 10 мВ VT1 берёт 59 % хвоста, при 57,5 мВ — 90 %, при 119 мВ — 99 %, дальше каскад просто переключён. Без обратной связи это компаратор, а не усилитель; линейным его делают резисторы в эмиттерах или внешняя обратная связь, как у операционного усилителя (раздел 56).

На осциллографе. Синфазный тест: обе базы через конденсаторы от одного выхода генератора, синус 1 кГц 1 В размаха поверх смещения 4 В. С длинным хвостом на коллекторе будет около 0,73 В размаха, с источником тока — около милливольта, на грани шума щупа. Канал 1 и канал 2 на коллекторах, математика A − B — выход между коллекторами.

Попробуйте в приложении: Лаборатория → стенд «Два транзистора».

170а.5 Астабильный мультивибратор

Два ключа, каждый держит другой закрытым через конденсатор. Открылся VT1 — его коллектор упал от питания почти до нуля, и через конденсатор утащил базу VT2 в минус. VT2 закрыт, пока его база не зарядится через Rб обратно до порога; тогда VT2 открывается и тем же путём закрывает VT1. Раздел 179.1 строит генератор на компараторе — здесь то же самое на двух транзисторах.

Половина периода — время, за которое база поднимается с −(Uпит − Uбэ) до порога, заряжаясь через Rб к +Uпит: t ≈ Rб·C·ln 2, отсюда f ≈ 1/(1,38·Rб·C). Rк 1 кОм, Rб 47 кОм, C 10 нФ:

Формула верна, пока питание много больше Uбэ: при 5 В частота на 5 % ниже расчёта.

Выброс базы до минус питания. База закрытого транзистора уходит до −4,26 В при 5 В и до −11,22 В при 12 В. А обратное напряжение перехода база-эмиттер у обычных маломощных транзисторов — около 5–6 В (точное значение — параметр VEBO в документации на транзистор). При 5 В запас ещё есть, при 12 В — нет: переход пробивается, база залипает на −6,05 В, и частота уходит до 2320 Гц — на 54 % выше. В модели пробой задан диодом с BV = 6 В параллельно переходу: у самой модели транзистора такого параметра нет. Повторяющийся пробой, кроме того, со временем снижает усиление транзистора.

Лекарство — сигнальный диод последовательно с эмиттером: обратное напряжение берёт на себя он. Частота возвращается к 1545 Гц, но нижний уровень коллектора поднимается с 0,02 до 0,72 В — на падение диода.

На осциллографе. Канал 1 — коллектор VT1, канал 2 — база VT1, оба по постоянному току. На коллекторе — не прямоугольник: спад резкий, а подъём закруглён, 10–90 % за 22,4 мкс — это Rк заряжает конденсатор, 2,2·Rк·C = 22 мкс. На базе — скачок вниз почти на всё питание и экспонента обратно до 0,7 В. Если на 12 В «дно» базы срезано на −6 В — переход пробивается.

Попробуйте в приложении: Лаборатория → стенд «Два транзистора».

170а.6 Верхний ключ на 12 В от вывода 3,3 В: NPN + PNP

Нагрузку 24 Ом надо подключать к +12 В, а минус оставить на земле — верхний ключ (раздел 172.1). Хочется одного PNP: эмиттер на 12 В, коллектор на нагрузку, база через резистор на вывод МК. Не выйдет.

PNP закрыт, только когда его база почти на эмиттере, то есть около 12 В. Вывод МК выше 3,3 В не поднимется: в «1» база PNP на 3,3 В — на 8,7 В ниже эмиттера, и транзистор открыт. В модели нагрузка получает 0,490 А и при «1» на выводе, а в вывод втекает 7,8 мА: ток идёт из 12 В через переход эмиттер-база в шину 3,3 В. Перевести вывод в третье состояние тоже не помогает: защитный диод вывода к питанию открывается, и через него в шину 3,3 В идут те же 7,1 мА, а нагрузка по-прежнему получает 0,490 А. Ни одна комбинация уровней не закрывает ключ, а питание МК подпитывается от 12 В.

Правильно — сдвиг уровня вторым транзистором. NPN снизу (база от вывода через 1 кОм, ток 2,53 мА) тянет базу PNP к земле через 470 Ом; база PNP подтянута к его эмиттеру резистором 4,7 кОм. Вывод видит только NPN с эмиттером на земле, и 3,3 В ему хватает.

Включение — 33 нс от фронта на выводе до половины напряжения. Выключение медленнее, PNP насыщен: до 50 % — 666 нс, до 10 % — 818 нс; с подтяжкой 1 кОм вместо 4,7 кОм — 619 и 709 нс. Подтяжка нужна не только для скорости: без неё база PNP висит в воздухе, и утечки NPN хватает, чтобы ключ приоткрылся.

Та же схема на P-канальном полевом транзисторе — раздел 172.2; на больших токах она лучше: нет тока базы и падения 0,2 В.

На осциллографе. Канал 1 — вывод, канал 2 — нагрузка. Фронт — почти сразу, спад — с задержкой в сотни наносекунд. При ШИМ 20 кГц (период 50 мкс) это около 1,6 % периода — для лампы и мотора неважно, для точного ШИМ — учитывать.

Попробуйте в приложении: Лаборатория → стенд «Два транзистора».

170а.7 Ограничитель тока на двух транзисторах

VT1 — ключ или источник, в его эмиттере резистор-датчик Rизм. VT2 смотрит на этот резистор своей базой: как только падение на нём доходит до Uбэ, VT2 открывается и отбирает ток базы VT1. Ток нагрузки не может стать больше I ≈ Uбэ/Rизм. Rизм 6,8 Ом, питание 12 В, база VT1 от вывода 3,3 В через 1 кОм — вывод же и включает ограничитель.

Пока нагрузка сама ограничивает ток, схема — обычный насыщенный ключ. Дальше ток стоит на 96,5–96,7 мА: на датчике при замыкании 0,658 В — это и есть Uбэ VT2, и 0,658 В / 6,8 Ом = 96,7 мА.

Всё лишнее напряжение — на VT1. При коротком замыкании на нём 1,10 Вт при питании 12 В и 2,26 Вт при 24 В. Мелкий транзистор в SOT-23 такого не выдержит — ограничитель защищает нагрузку, но не себя. Долгое замыкание выдерживает только транзистор с радиатором, иначе нужен ограничитель, который отключается или снижает ток при замыкании.

Ток зависит от температуры. Uбэ VT2 падает примерно на 1,7 мВ на градус: при 85 °C на датчике 0,556 В, ток ограничения — 81,8 мА, на 15,4 % меньше, чем при 25 °C. Для защиты это неважно, для точного тока — нужен ОУ (раздел 176а) или специализированная микросхема.

Ёмкостная нагрузка. Конденсатор 100 мкФ вместо резистора заряжается постоянным током 96,6 мА и доходит до 10 В за 10,42 мс; бросок тока при включении — 96,2 мА, не больше предела.

На осциллографе. Канал 1 — напряжение на Rизм (ток), канал 2 — напряжение на конденсаторе. Вместо экспоненты с броском тока — ровная полка 0,66 В на датчике и прямая линия на конденсаторе.

Попробуйте в приложении: Лаборатория → стенд «Два транзистора».

170а.8 Где применять и чем заменить

Есть и «транзисторы с резисторами» — в одном корпусе транзистор с резистором в базе и резистором база-эмиттер; на них верхний ключ 170а.6 собирается из двух корпусов без россыпи резисторов. Параметры конкретных сборок смотрят в их документации: здесь они не проверялись.

170а.9 Грабли

Составной ключ греется, хотя «насыщен». Uкэ Дарлингтона не опускается ниже Uбэ второго транзистора: 0,95 В и 436 мВт при 461 мА.

Составной ключ выключается с длинным хвостом. Заряду в базе второго некуда уйти; резистор база-эмиттер 1 кОм сокращает хвост до 99 % с 464 до 231 нс.

Порог включения Дарлингтона — 1,5 В, а не 0,7. На входе два перехода: 1,51 В при малом токе, 1,62 В при полуампере. От вывода 1,8 В его едва хватит.

Токи зеркала расходятся на 7–10 %. Транзисторы из разных корпусов или разной температуры: 1 °C — 7,1 %. Сдвоенный транзистор и резисторы в эмиттерах: с 1 кОм — 0,17–0,25 %.

Зеркало с резисторами «теряет» ток при низком напряжении нагрузки. Выходу нужен запас на падение в эмиттере: при 1,0 В вместо 1,2 В ток падает с 1,0020 до 0,884 мА.

Дифкаскад с резистором в хвосте плохо давит синфазную помеху. КОСС 36,2 дБ; хвост источником тока — 92,9 дБ.

Мультивибратор на 12 В идёт не на той частоте и со временем «стареет». База уходит до −11,22 В и пробивает переход база-эмиттер; частота 2320 Гц вместо 1503 Гц. Диод в эмиттере.

PNP верхнего ключа не выключается от вывода. Вывод не поднимет базу до 12 В; при «1» и в Z-состоянии нагрузка получает 0,490 А, а шину 3,3 В подпитывает ток через вывод. Второй транзистор снизу.

Ограничитель тока сгорел при замыкании. Всё напряжение питания на VT1: 1,10 Вт при 12 В, 2,26 Вт при 24 В.

Ограничение «поплыло» на жаре. 81,8 мА при 85 °C вместо 96,7 мА при 25 °C: порог — Uбэ, а он зависит от температуры.

170а.10 Итоги

• Дарлингтон: усиление около 24 тысяч, на входе 1,51–1,62 В, Uкэ не ниже Uбэ второго — 0,95 В и 436 мВт при 461 мА; резистор база-эмиттер второго укорачивает хвост выключения с 464 до 231 нс (1 кОм).
• Шиклаи: на входе один переход (0,67–0,72 В), Uкэ 0,86 В; выключение без резистора у PNP — 918 нс до 99 %.
• Зеркало: 10 % разницы транзисторов — +9,9 %, 1 °C — +7,1 %; резисторы 1 кОм в эмиттерах снижают это до 0,24 и 0,17 %, но поднимают нижнюю границу выхода до 1,2 В.
• Дифкаскад: усиление разности 47,0 задаёт ток хвоста; КОСС — 36,2 дБ с резистором 6,8 кОм и 92,9 дБ с источником тока; линейно — только десятки милливольт (90 % тока при 57,5 мВ).
• Мультивибратор: 1461 Гц при 5 В и 1503 Гц при 12 В против расчётных 1535 Гц; при 12 В база до −11,22 В — нужен диод в эмиттере.
• Верхний ключ от 3,3 В: одиночный PNP не закрыть; NPN + PNP — 0,21 В на ключе при 0,491 А, выключение 666 нс.
• Ограничитель тока: 96,7 мА при 6,8 Ом и при коротком замыкании, но 1,10 Вт на транзисторе и 81,8 мА при 85 °C.

Дальше: раздел 171 «Полевой транзистор: режимы».