.png/1280px-Pushpull_(English).png)
Двухтактный усилитель — это тип электронной схемы , в которой используется пара активных устройств, которые поочередно 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 подача или подача тока на нагрузку от положительного источника питания.
Двухтактный усилитель более эффективен, чем несимметричный усилитель класса А. Достигаемая выходная мощность превышает номинальную мощность непрерывного рассеяния транзистора или лампы, используемой отдельно, 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 выходной трансформатор меньшего размера, чем в несимметричном усилителе. Однако для двухтактного усилителя требуется компонент фазоделения, который усложняет и увеличивает стоимость системы; использование трансформаторов с центральным отводом для входа и выхода является распространенным методом, но увеличивает вес и ограничивает производительность. Если две части усилителя не имеют одинаковых характеристик, могут возникнуть искажения, поскольку две половины входного сигнала усиливаются неравномерно. Пересечение искажений может создаваться вблизи нулевой точки каждого цикла, когда одно устройство отключается, а другое устройство входит в его активную область.
Двухтактные схемы широко используются во многих выходных каскадах усилителей. Пара аудионных трубок, соединенных двухтактным способом, описана в патенте США № 1137384 Эдвина Х. Колпиттса, выданном в 1915 году, хотя в патенте конкретно не говорится о двухтактном соединении. [2] Этот метод был хорошо известен в то время [3] , и его принцип был заявлен в патенте 1895 года, предшествовавшем появлению электронных усилителей. [4] Вероятно, первым коммерческим продуктом, в котором использовался двухтактный усилитель, был балансный усилитель RCA , выпущенный в 1924 году для использования с регенеративным вещательным приемником Radiola III. [5] Благодаря использованию пары маломощных электронных ламп в двухтактной конфигурации усилитель позволил использовать громкоговоритель вместо наушников, обеспечивая при этом приемлемое время автономной работы при низком энергопотреблении в режиме ожидания. [6] Сегодня этот метод продолжает использоваться в аудио-, радиочастотных, цифровых и силовых электронных системах.
Цифровое использование двухтактной конфигурации является результатом TTL и родственных семейств. Верхний транзистор работает как активный подтягивающий в линейном режиме, а нижний транзистор работает в цифровом режиме. По этой причине они не способны вырабатывать столько тока, сколько могут потреблять (обычно в 20 раз меньше). Из-за того, как эти схемы изображены схематически, с двумя транзисторами, расположенными вертикально, обычно с диодом сдвига уровня между ними, их называют выходами « тотемного полюса ».
Недостаток простых двухтактных выходов заключается в том, что два или более из них нельзя соединить вместе, поскольку, если один попытается подать сигнал, а другой попытается нажать, транзисторы могут быть повреждены. Чтобы избежать этого ограничения, некоторые двухтактные выходы имеют третье состояние, в котором оба транзистора выключены. В этом состоянии выходные данные называются плавающими ( или, если использовать собственный термин, тройными ).
Альтернативой двухтактному выходу является одиночный переключатель, который отключает или соединяет нагрузку с землей (так называемый выход с открытым коллектором или открытым стоком ), или одиночный переключатель, который отключает или подключает нагрузку к источнику питания (так называемый выход с открытым эмиттером). или вывод с открытым исходным кодом).
Обычный каскад усилителя, который не является двухтактным, иногда называют несимметричным , чтобы отличить его от двухтактной схемы.
В аналоговых двухтактных усилителях мощности два выходных устройства работают в противофазе (т.е. под углом 180° друг от друга). Два противофазных выхода подключаются к нагрузке таким образом, что выходные сигналы суммируются, но компоненты искажений, возникающие 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, например 2f, 4f, 6f, и, следовательно, способствовать появлению гармоник нечетного порядка, таких как f, 3f, 5f, когда они попадают в нелинейный диапазон.
Двухтактный усилитель производит меньше искажений , чем несимметричный. Это позволяет двухтактному усилителю класса A или AB иметь меньшие искажения при той же мощности, что и те же устройства, используемые в несимметричной конфигурации. Искажения могут возникнуть в момент переключения выходов: «переключение» не является идеальным. Это называется кроссоверным искажением. Класс AB и класс B рассеивают меньше мощности при той же мощности, чем класс A; общие искажения можно поддерживать на низком уровне за счет отрицательной обратной связи , а перекрестные искажения можно уменьшить, добавив «ток смещения» для сглаживания переключения.
Двухтактный усилитель класса B более эффективен, чем усилитель мощности класса A, поскольку каждое выходное устройство усиливает только половину выходного сигнала и отсекается в течение противоположной половины. Можно показать, что теоретическая полная энергоэффективность (мощность переменного тока в нагрузке по сравнению с потребляемой мощностью постоянного тока) двухтактного каскада составляет примерно 78,5%. Это сравнимо с усилителем класса А, эффективность которого составляет 25% при непосредственном управлении нагрузкой и не более 50% при выходе с трансформаторной связью. [7] Двухтактный усилитель потребляет небольшую мощность при нулевом сигнале по сравнению с усилителем класса А, который потребляет постоянную мощность. Рассеяние мощности на выходных устройствах составляет примерно одну пятую номинальной выходной мощности усилителя. [7] В усилителе класса А, напротив, должно использоваться устройство, способное рассеивать в несколько раз большую выходную мощность.
Выход усилителя может быть напрямую связан с нагрузкой, подключен через трансформатор или через блокирующий конденсатор постоянного тока. Если используются как положительные, так и отрицательные источники питания, нагрузку можно вернуть в среднюю точку (землю) источников питания. Трансформатор позволяет использовать источник питания с одной полярностью, но ограничивает низкочастотную характеристику усилителя. Аналогичным образом, при одном источнике питания можно использовать конденсатор для блокировки уровня постоянного тока на выходе усилителя. [8]
При использовании транзисторов с биполярным переходом цепь смещения должна компенсировать отрицательный температурный коэффициент напряжения базы транзистора по отношению к напряжению эмиттера. Это можно сделать, включив резистор небольшого 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 себя:
Сейчас очень редко используются выходные трансформаторы с транзисторными усилителями, хотя такие усилители предлагают наилучшие возможности для согласования выходных устройств (при этом требуются только устройства PNP или только NPN).
Два согласованных транзистора одной и той же полярности могут быть расположены для питания противоположных половин каждого цикла без необходимости использования выходного трансформатора, хотя при этом схема управления часто бывает асимметричной, и один транзистор будет использоваться в конфигурации с общим эмиттером, а другой используется как эмиттерный повторитель . Сегодня эта схема используется реже, чем в 1970-е годы; его можно реализовать с помощью небольшого количества транзисторов (сегодня это не так важно), но его относительно сложно сбалансировать и сохранить низкий уровень искажений.
Каждая половина выходной пары «зеркалит» другую, поскольку устройство NPN (или N-канальный полевой транзистор ) в одной половине будет соответствовать устройству PNP (или P-канальный полевой транзистор ) в другой. Этот тип компоновки имеет тенденцию давать меньшие искажения, чем квазисимметричные каскады, поскольку даже гармоники подавляются более эффективно при большей симметрии.
В прошлом, когда качественные дополнения PNP для мощных кремниевых NPN-транзисторов были ограничены, обходным решением было использование идентичных выходных устройств NPN, но с питанием от дополнительных схем управления PNP и NPN таким образом, чтобы комбинация была близка к симметричной (но никогда не бывает так хорошо, как полная симметрия). Искажения из-за несогласованного усиления в каждой половине цикла могут стать серьезной проблемой.
Использование некоторого дублирования во всей схеме драйвера для обеспечения симметричности схем возбуждения может еще больше улучшить согласование, хотя асимметрия драйвера является небольшой частью процесса генерации искажений. Использование мостовой схемы нагрузки обеспечивает гораздо большую степень согласования между положительной и отрицательной половинами, компенсируя неизбежные небольшие различия между устройствами NPN и PNP.
Выходные устройства, обычно МОП-транзисторы или электронные лампы , сконфигурированы так, что их передаточные характеристики квадратичного характера (которые генерируют искажения второй гармоники при использовании в несимметричной схеме) в значительной степени компенсируют искажения. То есть, когда напряжение затвор-исток одного транзистора увеличивается, напряжение возбуждения другого устройства уменьшается на ту же величину, а изменение тока стока (или анода) во втором устройстве приблизительно корректирует нелинейность в увеличении первого. . [9]
Вакуумные лампы (клапаны) не доступны в дополнительных типах (как PNP/NPN транзисторы), поэтому ламповый двухтактный усилитель имеет пару одинаковых выходных ламп или групп ламп с управляющими сетками , работающими в противофазе. Эти трубки пропускают ток через две половины первичной обмотки выходного трансформатора с центральным отводом. Токи сигналов складываются, а сигналы искажений, возникающие из-за нелинейных характеристик ламп, уменьшаются. Эти усилители были впервые разработаны задолго до разработки полупроводниковых электронных устройств; их до сих пор используют как аудиофилы , так и музыканты, считающие, что они звучат лучше.
В ламповых двухтактных усилителях обычно используется выходной трансформатор, хотя существуют ламповые каскады без выходного трансформатора (OTL) (такие как SEPP / SRPP и повторитель с белым катодом ниже). [ нужна цитация ] Стадия фазоделителя обычно представляет собой еще одну электронную лампу, но в некоторых конструкциях иногда использовался трансформатор с вторичной обмоткой с центральным отводом. Поскольку по сути это устройства с квадратичным законом, упомянутые выше комментарии относительно подавления искажений применимы к большинству конструкций двухтактных ламп при работе в классе A (т. е. ни одно устройство не переходит в непроводящее состояние).
Однотактный двухтактный ( SEPP , SRPP или мю-повторитель [10] ) выходной каскад, первоначально называвшийся последовательно-балансным усилителем (патент США 2,310,342, февраль 1943 г.). аналогичен схеме с тотемным полюсом для транзисторов тем, что два устройства включены последовательно между шинами питания, но входной сигнал поступает только на одно из устройств, нижнее из пары; отсюда и (кажущееся противоречивым) одностороннее описание. Выходной сигнал берется с катода верхнего устройства (без прямого управления), которое действует на полпути между источником постоянного тока и катодным повторителем, но получает некоторый импульс от пластинчатой (анодной) цепи нижнего устройства. Таким образом, мощность каждой лампы может быть неодинаковой, но схема имеет тенденцию поддерживать ток через нижнее устройство несколько постоянным на протяжении всего сигнала, увеличивая коэффициент усиления мощности и уменьшая искажения по сравнению с настоящим одноламповым несимметричным выходным каскадом.
Бестрансформаторная схема с двумя тетродными лампами датируется 1933 годом: «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ ЛАМПЫ В КАЧЕСТВЕ ИМПЕДАНСА ПЛАСТИНЫ». Дж. У. Хортона в Журнале Института Франклина, 1933 г., том 216, выпуск 6.
Белый катодный повторитель (патент 2358428, сентябрь 1944 г., выдан ELC White) аналогичен конструкции SEPP, описанной выше, но входной сигнал подается на верхнюю трубку, действующую как катодный повторитель, а нижняя трубка (в конфигурации с обычным катодом) ), если питается (обычно через повышающий трансформатор) от тока в пластине (аноде) верхнего устройства. По сути, это меняет роли двух устройств в SEPP. Нижняя трубка занимает промежуточное положение между стоком постоянного тока и равным партнером в двухтактной рабочей нагрузке. Опять же, привод каждой трубки может быть неодинаковым.
Транзисторные версии SEPP и повторителя Уайта существуют, но встречаются редко.
В так называемом ультралинейном двухтактном усилителе используются либо пентоды , либо тетроды , экранная сетка которых питается от определенного процента первичного напряжения на выходном трансформаторе. Это обеспечивает эффективность и уровень искажений, что является хорошим компромиссом между триодными (или триодными ) схемами усилителя мощности и обычными выходными схемами пентодов или тетродов, в которых экран питается от источника относительно постоянного напряжения.