Двухтактный усилитель — это тип электронной схемы , которая использует пару активных устройств, которые попеременно подают ток на подключенную нагрузку или поглощают ток от нее. Этот тип усилителя может повысить как нагрузочную способность, так и скорость переключения .
Двухтактные выходы присутствуют в цифровых логических схемах ТТЛ и КМОП , а также в некоторых типах усилителей и обычно реализуются с помощью комплементарной пары транзисторов , один из которых рассеивает или отводит ток от нагрузки на землю или отрицательный источник питания, а другой подает или выдает ток в нагрузку от положительного источника питания.
Двухтактный усилитель более эффективен, чем однотактный усилитель «класса А» . Выходная мощность, которая может быть достигнута, выше, чем непрерывный номинал рассеивания транзистора или лампы, используемых по отдельности, и увеличивает мощность, доступную для данного напряжения питания. Симметричная конструкция двух сторон усилителя означает, что гармоники четного порядка подавляются, что может уменьшить искажения. [1] Постоянный ток подавляется на выходе, что позволяет использовать меньший выходной трансформатор, чем в однотактном усилителе. Однако двухтактный усилитель требует компонента фазового расщепления, который добавляет сложности и стоимости системе; использование трансформаторов со средним отводом для входа и выхода является распространенной техникой, но добавляет вес и ограничивает производительность. Если две части усилителя не имеют идентичных характеристик, искажения могут быть введены, поскольку две половины входной формы волны усиливаются неравномерно. Кроссоверные искажения могут быть созданы вблизи нулевой точки каждого цикла, когда одно устройство отключается, а другое устройство входит в свою активную область.
Двухтактные схемы широко используются во многих выходных каскадах усилителей. Пара аудион- ламп, соединенных по схеме «пуш-пульс», описана в патенте США 1137384 Эдвина Х. Колпитса , выданном в 1915 году, хотя в патенте конкретно не указано двухтактное соединение. [2] Эта технология была хорошо известна в то время [3] , и принцип был заявлен в патенте 1895 года, предшествовавшем электронным усилителям. [4] Возможно, первым коммерческим продуктом, использующим двухтактный усилитель, был сбалансированный усилитель RCA, выпущенный в 1924 году для использования с их регенеративным вещательным приемником Radiola III. [5] Используя пару маломощных вакуумных ламп в двухтактной конфигурации, усилитель позволил использовать громкоговоритель вместо наушников, обеспечивая при этом приемлемое время работы батареи с низким потреблением энергии в режиме ожидания. [6] Эта технология продолжает использоваться в аудио-, радиочастотных, цифровых и силовых электронных системах сегодня.
Цифровое использование конфигурации push-pull является выходом TTL и родственных семейств. Верхний транзистор функционирует как активный подтягивающий в линейном режиме, в то время как нижний транзистор работает в цифровом режиме. По этой причине они не способны выдавать столько тока, сколько могут впитать (обычно в 20 раз меньше). Из-за того, как эти схемы схематически изображены, с двумя транзисторами, расположенными вертикально, обычно с диодом сдвига уровня между ними, их называют выходами " тотемного столба ".
Недостатком простых двухтактных выходов является то, что два или более из них не могут быть соединены вместе, потому что если один попытается тянуть, а другой попытается толкать, транзисторы могут быть повреждены. Чтобы обойти это ограничение, некоторые двухтактные выходы имеют третье состояние, в котором оба транзистора выключены. В этом состоянии выход называется плавающим (или, если использовать фирменный термин, трехстадийным ).
Альтернативой двухтактному выходу является один переключатель, который отключает или подключает нагрузку к земле (называется выходом с открытым коллектором или открытым стоком ), или один переключатель, который отключает или подключает нагрузку к источнику питания (называется выходом с открытым эмиттером или открытым источником).
Обычный каскад усилителя, который не является двухтактным, иногда называют однотактным, чтобы отличить его от двухтактной схемы.
В аналоговых двухтактных усилителях мощности два выходных устройства работают в противофазе (т. е. на 180° друг от друга). Два противофазных выхода подключены к нагрузке таким образом, что выходные сигналы складываются, но компоненты искажений из-за нелинейности выходных устройств вычитаются друг из друга; если нелинейность обоих выходных устройств одинакова, искажения значительно уменьшаются. Симметричные двухтактные схемы должны подавлять гармоники четного порядка, такие как 2f, 4f, 6f, и, следовательно, способствовать появлению гармоник нечетного порядка, таких как f, 3f, 5f, при перемещении в нелинейный диапазон.
Двухтактный усилитель производит меньше искажений , чем однотактный. Это позволяет двухтактному усилителю класса A или AB иметь меньше искажений при той же мощности, что и те же устройства, используемые в однотактной конфигурации. Искажения могут возникать в момент переключения выходов: «передача» не идеальна. Это называется искажением кроссовера. Классы AB и B рассеивают меньше мощности при том же выходе, чем класс A; общие искажения можно поддерживать на низком уровне с помощью отрицательной обратной связи , а искажения кроссовера можно уменьшить, добавив «ток смещения» для сглаживания передачи.
Двухтактный усилитель класса B более эффективен, чем усилитель мощности класса A, потому что каждое выходное устройство усиливает только половину выходной формы волны и отсекается во время противоположной половины. Можно показать, что теоретическая полная мощность КПД (мощность переменного тока в нагрузке по сравнению с потребляемой мощностью постоянного тока) двухтактного каскада составляет приблизительно 78,5%. Это сопоставимо с усилителем класса A, который имеет эффективность 25% при прямом управлении нагрузкой и не более 50% для выхода с трансформаторной связью. [7] Двухтактный усилитель потребляет мало мощности при нулевом сигнале по сравнению с усилителем класса A, который потребляет постоянную мощность. Рассеивание мощности в выходных устройствах составляет примерно одну пятую от номинальной выходной мощности усилителя. [7] Усилитель класса A, напротив, должен использовать устройство, способное рассеивать в несколько раз большую выходную мощность.
Выход усилителя может быть напрямую связан с нагрузкой, связан трансформатором или подключен через блокировочный конденсатор постоянного тока. При использовании как положительных, так и отрицательных источников питания нагрузка может быть возвращена к средней точке (земле) источников питания. Трансформатор позволяет использовать однополярный источник питания, но ограничивает низкочастотную характеристику усилителя. Аналогично, при использовании одного источника питания конденсатор может использоваться для блокировки уровня постоянного тока на выходе усилителя. [8]
При использовании биполярных транзисторов цепь смещения должна компенсировать отрицательный температурный коэффициент напряжения база-эмиттер транзисторов. Это можно сделать, включив резистор малого номинала между эмиттером и выходом. Кроме того, схема управления может иметь кремниевые диоды, установленные в тепловом контакте с выходными транзисторами для обеспечения компенсации.
_-_closeup_of_output_stage.jpg/1280px-Aura_VA_100_Evolution_2_(4061759992)_-_closeup_of_output_stage.jpg)
Категории включают:
В настоящее время очень редко используются выходные трансформаторы с транзисторными усилителями, хотя такие усилители предоставляют наилучшие возможности для согласования выходных устройств (требуются только устройства PNP или только NPN).
Два согласованных транзистора одинаковой полярности могут быть расположены так, чтобы поставлять противоположные половины каждого цикла без необходимости в выходном трансформаторе, хотя при этом схема драйвера часто асимметрична, и один транзистор будет использоваться в конфигурации с общим эмиттером , а другой — как эмиттерный повторитель . Такая компоновка сегодня используется реже, чем в 1970-х годах; ее можно реализовать с помощью небольшого количества транзисторов (что не так важно сегодня), но ее относительно сложно сбалансировать и поддерживать низкий уровень искажений.
Каждая половина выходной пары «зеркалит» другую, в том смысле, что NPN (или N-канальный FET ) устройство в одной половине будет согласовано с PNP (или P-канальным FET ) в другой. Такой тип расположения имеет тенденцию давать меньшие искажения, чем квазисимметричные каскады, поскольку даже гармоники подавляются более эффективно при большей симметрии.
В прошлом, когда качественные PNP-дополнения для кремниевых транзисторов NPN большой мощности были ограничены, обходным путем было использование идентичных выходных устройств NPN, но запитанных от дополнительных схем драйверов PNP и NPN таким образом, чтобы комбинация была близка к симметричной (но никогда не была такой хорошей, как симметрия по всей длине). Искажения из-за несогласованного усиления в каждой половине цикла могли стать серьезной проблемой.
Использование некоторого дублирования во всей схеме драйвера для обеспечения симметричных схем драйвера может еще больше улучшить согласование, хотя асимметрия драйвера составляет малую часть процесса генерации искажений. Использование мостовой схемы нагрузки обеспечивает гораздо большую степень согласования между положительными и отрицательными половинами, компенсируя неизбежные небольшие различия между устройствами NPN и PNP.
Выходные устройства, обычно МОП-транзисторы или вакуумные лампы , сконфигурированы таким образом, что их квадратичные характеристики передачи (которые генерируют искажение второй гармоники при использовании в однотактной схеме) в значительной степени компенсируют искажение. То есть, по мере увеличения напряжения затвор-исток одного транзистора, привод к другому устройству уменьшается на ту же величину, а изменение тока стока (или пластины) во втором устройстве приблизительно корректирует нелинейность увеличения первого. [9]
Электронные лампы (лампы) не доступны в дополнительных типах (как транзисторы PNP/NPN), поэтому ламповый двухтактный усилитель имеет пару идентичных выходных ламп или группы ламп с управляющими сетками , работающими в противофазе. Эти лампы подают ток через две половины первичной обмотки выходного трансформатора со средней точкой. Сигнальные токи складываются, а сигналы искажений из-за нелинейных характеристических кривых ламп вычитаются. Эти усилители были впервые разработаны задолго до разработки твердотельных электронных устройств; они до сих пор используются как аудиофилами , так и музыкантами, которые считают, что они звучат лучше.
Вакуумные ламповые двухтактные усилители обычно используют выходной трансформатор, хотя существуют каскады без выходного трансформатора (OTL) (такие как SEPP/SRPP и White Cathode Follower ниже). [ требуется ссылка ] Фазоделительный каскад обычно представляет собой другую вакуумную лампу, но в некоторых конструкциях иногда использовался трансформатор со средней точкой вторичной обмотки. Поскольку это по сути квадратичные устройства, замечания относительно подавления искажений , упомянутые выше, применимы к большинству конструкций двухтактных ламп при работе в классе A (т. е. ни одно из устройств не приводится в непроводящее состояние).
Выходной каскад Single Ended Push-Pull ( SEPP , SRPP или mu-follower [10] ), первоначально называвшийся последовательно-сбалансированным усилителем (патент США 2,310,342, февраль 1943 г.), похож на схему тотемного столба для транзисторов в том, что два устройства последовательно соединены между шинами питания, но входной сигнал поступает только на одно из устройств, нижнее из пары; отсюда (на первый взгляд противоречивое) описание Single-Ended. Выходной сигнал берется с катода верхнего (не напрямую управляемого) устройства, которое действует частично между источником постоянного тока и катодным повторителем, но получает некоторое возбуждение от анодной (анодной) цепи нижнего устройства. Следовательно, возбуждение каждой лампы может быть неодинаковым, но схема стремится поддерживать ток через нижнее устройство в некоторой степени постоянным на протяжении всего сигнала, увеличивая усиление мощности и уменьшая искажения по сравнению с настоящим одноламповым однотактным выходным каскадом.
Схема без трансформатора с двумя тетродными лампами датируется 1933 годом: «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ ЛАМПЫ В КАЧЕСТВЕ ПЛАСТИНЧАТОГО ИМПЕДАНСА». Автор JWHorton в журнале Института Франклина, 1933, том 216, выпуск 6.
Катодный повторитель Уайта (патент 2,358,428, сентябрь 1944 г., ELC White) похож на конструкцию SEPP выше, но вход сигнала подается на верхнюю трубку, действующую как катодный повторитель, но при этом нижняя трубка (в конфигурации с общим катодом) питается (обычно через повышающий трансформатор) от тока в пластине (аноде) верхнего устройства. По сути, он меняет роли двух устройств в SEPP. Нижняя трубка действует частично между постоянным током и равным партнером в двухтактной рабочей нагрузке. Опять же, привод каждой трубки поэтому может быть неодинаковым.
Транзисторные версии SEPP и повторителя Уайта существуют, но встречаются редко.
Так называемый ультралинейный двухтактный усилитель использует либо пентоды , либо тетроды , а их экранная сетка питается от процента первичного напряжения на выходном трансформаторе. Это обеспечивает эффективность и искажения, которые являются хорошим компромиссом между триодными (или триодно-обмоточными ) схемами усилителя мощности и обычными пентодными или тетродными выходными схемами, где экран питается от относительно постоянного источника напряжения.