一、什么是達林頓對管？

任何電子工程師估計對 SIDNEY Darlington 的名字都耳熟能詳。他在 20 世紀 50 年代初，突發奇想，發現并初步展示了達林頓晶體管對，或簡稱為達林頓晶體管或達林頓對。自此以后，達林頓晶體管對便成為人們設計電子線路中的常用器件。這個發明證明了西德尼廣泛的技術興趣，以及他為解決實際工程問題所表現出的創造力。

早期的硅晶體管共發射極電流增益 β 值很低，而且不同樣品的 β 值變化很大。對于良好的硅生長結晶體管樣品，β 的范圍可能在 5 到 15 之間。鑒于這些有源元件的缺點，電子電路工程師在設計電路中犯了難，主要表現在電路不穩定，或者電路放大倍數偏差比較大。當時人們知道，可以通過在電路中引入負反饋來提高電路的穩定性和一致性，但這需要晶體管具有更大的電流增益。負反饋可以在工作條件和晶體管特性發生變化時穩定整體電路性能。西德-達林頓（Sid Darlington）當時對此心知肚明。

▲ 圖1 達林頓晶體管對。其中兩個基級電阻被用于加速達林頓管關斷過程

二、達林頓對管的發明

新罕布什爾大學的名譽教授費爾森-格蘭茲，講述了達林頓晶體管對起源的故事：?

"就在貝爾實驗室發明了晶體管之后，西德尼在周末從貝爾實驗室負責人那里借走了兩個為數不多的晶體管。當時晶體管還沒有普及，實驗室負責人把僅有的幾個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候，靈光乍現，腦子里冒出了 達林頓管設計方案。他意識到這些晶體管可以放在一個封裝中，也就是在一個硅片上，形成單個器件。事實上，這個想法可以擴展到將任何數量的晶體管都集成在一個芯片上，這也就是未來集成芯片的雛形。第二周，他請律師將自己的想法起草專利申請。他說，專利申請內容應該包括任何數量晶體管集成在一起，但律師只想針對兩個晶體管的級聯。誰能想到，如果不是僅限于兩個晶體管，貝爾實驗室和達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！? 據達林頓講述的這個故事來看，當時他的專利申請的確保守了"。

題為 "半導體信號傳輸裝置 "的美國專利 2 663 806 于 1953 年 12 月 22 日頒發，西德尼-達林頓為唯一發明人。下面給出了專利中的配圖。大家可以看到，專利申請中的確包含有兩個晶體管和三個晶體管的方案，也許這反映了達林頓和律師之間的妥協結果。這一專利經常被后來頒發的專利作為相關技術引用。現在的在線數據庫只能追溯到 1971 年；?但從 1971 年到 1991 年，有 17 項后續專利引用了這項達林頓發明。這些專利的名稱顯示了從電源到安全設備再到電視接收器的各種用途。

▲ 圖2 達林頓晶體管專利繪圖

三、達林頓對管的特性

1、優點

通常情況下，達林頓管內部的兩個基級電阻并不是必需的，雖然通常包括在內，只是用來方便設計偏置電流，并減少關閉達林頓管所需的時間。當然，這些基級電阻的存在會降低電流增益，尤其是在低電流時。如果我們忽略電阻器中流過的電流，并將單個晶體管的共發射極電流增益定義為 β=Ic/Ib，那么簡單的分析表明，達林頓晶體管對的整體直流或低頻電流增益為

2、缺點

因此，在低頻下，達林頓對管 近似等同于單個晶體管，其電流增益大于β的平方 。電子電路工程師對于電流增益的提高表示歡迎。但遺憾的是，高頻分析表明達林頓對管的相移比單晶體管大得多。單晶體管放大器級在施加負反饋時通常是無條件穩定的，但使用達林頓對管 的單級放大器卻并非如此。與使用達林頓對管 的單級放大器相比，傳統的兩級共發射晶體管放大器更容易通過負反饋實現穩定。因此，達林頓對管 主要應用于不需要使用反饋的非關鍵電路。另一個限制是，導通時通過器件的最小壓降必須大于第二個晶體管的基極-發射極電壓（約 0.8 V）。在開關大電流時，該壓降造成的功率浪費會成為一個問題。而普通的共發射晶體管開關的相應壓降只有 0.2 V。

四、集成電路的先驅

達林頓晶體管對中的兩個晶體管共享一個公共集電極區，這是否說明西德尼是否預見到集成電路發展的問題。事實上，西德尼的專利圖示并聲稱一對晶體管共用一個 n 型半導體區域，該區域構成達林頓晶體管對管 的公共集電極。專利圖中的跳線連接了一個晶體管的發射極和另一個晶體管的基極。當時，互聯跳線是通過手動操作進行連接的，一次接一對。現代平面集成電路可以方便地提供批量互連的雙極晶體管，它們共享一個共同的集電極區域。由此可見，西德尼構想出了現代集成電路的部分而非全部基本特征。

五、達林頓管的應用

在互聯網上搜索 "達林頓晶體管 "就會發現，時至今日，被認定為達林頓晶體管的商用器件已經多達幾十種。它們通常具有 1000 或更高的電流增益，主要用于繼電器驅動器和其他要求簡單和高增益的應用。例如，應用于電動機械彈球機中的電磁鐵驅動觸發器和閃光燈。來自微處理器的幾毫安邏輯信號經達林頓晶體管放大后，可以輕松地以 50 V 的電壓開關一個安培或更大的電流，動作時間只有數個毫秒 ，這正是驅動電磁線圈或鎢絲燈所需要的。

六、達林頓其他工作

西德尼-達林頓在晶體管電路設計領域至少還有過一次探索。據 1952 年左右加入貝爾實驗室的富蘭克林-布萊切爾博士（Dr. Franklin Blecher）稱，西德尼曾經設計、制造并演示了一個完整的三級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，而不是達林頓晶體管對。電路中還包括適當設計的負反饋，以穩定增益和直流工作點。雖然這是西德尼的一項創舉，但事實證明，早在之前就有人展示過這種電路。

西德尼-達林頓具有強烈的好奇心和獨創性，并掌握了最先進的現代科學和工程知識。他的創造性成就激勵著所有認識他的人。

編輯：黃飛

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