应用文档034-达林顿放大器的直流分析

达林顿放大器的直流分析
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关键词中英文对照 (2)
概述 (2)
RF 输出到地（C-E）, RF 输入（B）悬空 (3)
RF 输入到地（B-E）, RF 输出（C）悬空 (4)
RF 输入到RF输出（B-C）, 地（E）悬空 (5)
结论&总结 (6)
参考文档 (7)
版本管理 (7)
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关键词中英文对照 射频 RF 直流分析 DC Analysis 达林顿放大器 Darlington Amplifier 晶体管结 Transistor Junction 概述
大多数工程师都对用曲线描绘仪评估晶体管较为熟悉。

曲线描绘仪能够验证（至少）一只管脚接地器件的导通路径，方法是通过在另一个管脚上扫描电压来测量产生的电流。

然后我们可以绘制一条通过该路径的电流对电压的特征曲线。

常规的扫描包括基极-发射极，基极-集电极，集电极-发射极，还有全3端口评估，就是测试一个集电极-发射极特征曲线对基极-发射极电流的函数。

IV
曲线也能够用来评估达林顿放大器的内部特征。

达林顿器件是3端口器件，但是它的内部特征又比离散的晶体管复杂的多。

达林顿放大器的等效电路如图1所示。

用特征曲线方法，可以用来验证第一级和第二级晶体管的功能性和电阻阻值。

图1 – 达林顿放大器的等效电路
达林顿设计一般比图1所示的晶体管多，有些器件（RFMD ）第一级晶体管由两个离散的晶体管组成。

并且第二级晶体管由多个晶体管并联组成。

这样可以在取得需要的输出功率的情况下而不超过该器件工艺所能承受的最大电流密度。

理解这一点对于比较IV 曲线和等效电路图时至关重要。

等效电路代表所有并联路径都正常工作情况下的导通路径。

当分析显示在IV 曲线某个特定区域的阻值异常时，这时需要注意准确给出结论。

如果期望的阻值是R1e(图1)，而实际测试的结果是2*R1e ，比较可能的情况是两个第一级晶体管之一开路，电流只从两个并联晶体管中的一个通过。

当用曲线描绘仪评估达林顿放大器时，典型的管脚映射如下：
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表1 - 达林顿评估的管脚映射关系
测量内部电阻靠检查IV 曲线的斜率。

因内部不同的有源元件开始导通的电压不同，IV 曲线能够分割成不同的区域。

如果一台曲线描绘仪包含了阻抗测量特性，你仅仅需要测试某一线性区域内的IV 曲线的斜率来判定这一电压电平下的阻值。

否则的话需要检测线性区域的两端来计算阻值，用电压差值除以电流差值：
R = (V2-V1)/(I2-I1)
任何时候都要进行必要的限流，因为内部短路会产生难以预计的大电流流过，从而超过电路某些区域所允许的最大电流密度。

RF 输出到地（C-E ）, RF 输入（B ）悬空：
图2所示实例为RF 输出到地（C-E ）IV 曲线。

图中的线性区域已经被标记为从1-4，相应的电流路径如图3所示。

为了体现所有的RF 输出(C)到地（E ）测试，加在RF 输出端口的电压要从负电压扫描到正电压。

负电压用来正向偏置第二级的基极-集电极结。

见不同区域测试的详细描述。

限流（负压和正压）总是被推荐。

图 2 - RF 输出 (C)到地(E) 图 3 -RF 输出到地
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*该表达式是实际表达式的简化。

需要强调的是这个区域的阻值比区域2高，是由于R1b1除以beta 的因素。

表 2 - RF 输出(C)到地(E)
• 区域1：
我们从这个区域开始分析，由于此时电压在最小值，所有的有源部分是截止的。

没有导通路径通过晶体管。

此时的阻值应该是R1b1和 R1b2之和。

观测这个区域所需的扫描电压一般从-1.0V 到 +2.0V 。

• 区域2：
该区域需要一个负电压来正向偏置第二级的基极-集电极结。

负压的大小根据所测器件的不同而异。

一般-4V 到-5V 应该足够用来评估我们所有的标准（低电压）达林顿放大器。

区域2的主要电流路径是通过电阻连接到第一级的发射极，该路径中的电阻阻值起决定作用。

• 区域3：
当正压增加到一定值，区域3会呈现。

由于此时电流从偏置电阻（R1b1和R1b2）流过使基极处出现正向电压，所以第一级会产生基极-发射极正向偏置。

然而，第二级晶体管仍旧处于截止状态。

起主要作用的电阻是第一级晶体管发射脚处的电阻（R1e ），还有其它电阻是位于基极的R1b1/ R1b2和电流流过第一级晶体管所产生的Vce ，虽然后面两项并不对阻值起主要贡献，但是由于这些因素的存在，这个区域的阻值会比区域2测到的要大些。

• 区域4：
随着加在RF 输出端（C ）的电压继续增大，第二级晶体管会导通。

该区域的阻值是第二级的发射电阻R2e ，是个比较小的值。

RF 输入到地（B-E ）, RF 输出（C ）悬空：
图4所示是一个RF 输入到地（B-E ）的IV 曲线实例。

如图5所示，图中的线性区域被标记为从1-3。

对于分析RF 输入（B ）到地（E ），并不需要负压，正电压既可。

当然，限流还是必要的。

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图4 - RF 输入（B ）到地（E ） 图5 - RF 输入（B ）到地（E ）
*该表达式是实际表达式的简化。

很明显随着扫描电压的增大，阻值会逐渐变小，因为并联了更多的电流通路的缘故。

表3- RF 输入（B ）到地（E ）
• 区域1：
这部分的IV 曲线仅仅有电流从输入偏置分压的下半部分（R1b2）流过.
• 区域2：
这时第一级的基极-发射极结正向偏置导通。

但第二级仍旧截止。

主要的电阻是第一级晶体管发射级管脚处的R1e ，然而这个电阻是和R1b2并联的，所以实际测得的电阻阻值应该略低些。

• 区域3：
此时扫描电压已经足以使第一和第二级晶体管都处于导通状态。

此时电流通过三个分离的路径流过该器件。

由于三个路径并联，所以测试得到的阻值应该继续减小。

RF 输入到RF 输出（B-C ）, 地（E ）悬空：
图6所示为RF 输入到RF 输出（B-C ）IV 曲线实例。

图中的线性区域标识为从1-2，电流路径如图7所示。

对于分析RF 输入（B ）到RF 输出（C ），并不需要负压，正电压既可。

当然，限流还是必要的。

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图6 - RF 输入（B ）到RF 输出（C ） 图7- RF 输入（B ）到RF 输出（C ）
*这个表达式表示为正向偏置基极-集电极结的直流阻抗和R1b1并联的结果。

Iin 是指电流流过BC 结的比例。

V BC 是正向偏置BC 结的压降。

表4 - RF 输入（B ）到RF 输出（C ）
• 区域1：
此时IV 曲线显示，电流只流过输入偏置分压的上半部分（R1b1）。

• 区域2：
此时第一级基极-集电极结正向偏置。

B-C 结由于非完全导通，因此有电阻存在。

此电阻和R1b1并联产生额外的电流流过，因此我们可以明显看到图上的斜率变化。

结论&总结:
当器件功能异常或者指标无法满足器件资料上的陈述时，我们会进行DC 分析。

这种情况，我们推荐同时分析缺陷器件和一个正常的器件。

通过比较A/B 的分析结果，我们会收获颇多。

同时，我们也应遵循下面的指导：
• 在RF 器件测量时要时刻注意ESD 保护。

这其中包括用防静电材料来包装和运输器件。

操作人员，仪器和实验室工作台都应保持良好的地连接。

工作人员要穿防静电工衣，工作间要注意湿度控制。

• 测试过程中要时刻注意限流，以免损伤器件。

达林顿放大器中最敏感的是第一级的B-E 结。

因为当用曲线描绘仪从RF 输入端进行电压扫描时，应减小限流值。

•当分析缺陷器件和正常器件时，曲线描绘仪尽量用同一刻度，这样可以使A/B 的测试结果易于比较和分析。

对达林顿放大器进行IV 分析可以帮助用户查明器件内部的问题。

该应用文档里的测试图例是对我们内部一失效器件分析测试的实例。

虽然这些测试不能够帮助我们去定位RF问题（匹配，调试，噪声系数测量等等），但是它却对诊断缺陷器件非常有用。

参考文档
AN-034 DC Analysis of Darlington Amplifiers
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版本时间说明
初稿06/17/2010 初稿
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