Иткіш-тарту күшейткіші

Кіріспе

Электрондық схеманың түрі

"Push-pull" күшейткіші – жалғанған жүктемеге кезекпен ток беретін немесе кері сіңіретін екі белсенді құрылғыдан тұратын электрондық схеманың түрі. Мұндай күшейткіш жүктеме сыйымдылығын да, жылдамдық ауысуын да арттырады. Push-pull шығыстары TTL және CMOS цифрлық логикалық тізбектерінде, сондай-ақ кейбір күшейткіштерде кездеседі және әдетте толықтырылатын транзисторлар жұбы арқылы іске асырылады. Олардың біреуі жүктемеден жерге немесе теріс қуат көзіне токты таратып немесе сіңіріп алады, ал екіншісі оң қуат көзінен жүктемеге токпен қамтамасыз етеді. "А" класындағы бір ұшты күшейткішпен салыстырғанда, "push-pull" күшейткіші тиімдірек. Жетілуге болатын шығыс қуаты, қолданылған транзистордың немесе лампаның жеке қуат шығынынан жоғары болады және берілген қуат көзінің кернеуі үшін қол жетімді қуатты арттырады. Күшейткіштің екі жағының симметриялық құрылымы жұп гармоникаларды жояды, бұл бұрмалауды азайтуға мүмкіндік береді. Шығыстағы тұрақты ток күйін жою арқасында, бір ұшты күшейткішке қарағанда кішірек шығыс трансформаторын қолдануға болады. Дегенмен, "push-pull" күшейткішіне жүйеге күрделілік пен шығындарды қосатын фазалық бөлігіш компоненті қажет. Кіріс және шығыс үшін орталықтан қосылған трансформаторларды пайдалану – жиі қолданылатын тәсіл, бірақ ол салмақты арттырып, өнімділікті шектейді. Егер күшейткіштің екі бөлігінің сипаттамалары бірдей болмаса, кіріс толқынының екі жартысы тең емес күшейтілгендіктен бұрмалау туындауы мүмкін. Әрбір циклдің нөлдік нүктесіне жақын, бір құрылғы өшірілгенде және екіншісі белсенді күйге өткенде, кроссоверлік бұрмалау пайда болуы мүмкін. "Push-pull" тізбектері көптеген күшейткіштердің шығыс сатыларында кеңінен қолданылады. 1915 жылы Эдвин Х. Колпитстің 1137384 АҚШ патентінде "push-pull" қосылымымен біріктірілген екі аудио лампасы сипатталған, бірақ патент нақты түрде "push-pull" қосылысын талап етпейді. Бұл техника сол кезде жақсы танымал болды және принцип 1895 жылғы электрондық күшейткіштерге дейінгі патентте жарияланған. "Push-pull" күшейткішін алғаш рет қолданған коммерциялық өнім – 1924 жылы шығарылған RCA Balanced күшейткіші. Төмен қуатты вакуумдық лампалардың "push-pull" конфигурациясын пайдалану арқасында, күшейткіш құлаққаптардың орнына динамиктерді пайдалануға мүмкіндік берді, сонымен қатар төмен қуат тұтынумен қанағаттанарлық батареяның қызмет ету мерзімін қамтамасыз етті. Бұл техника бүгінгі күнге дейін аудио, радиожиілік, цифрлық және қуатты электроника жүйелерінде қолданылуда.

A push–pull amplifier is a type of electronic circuit that uses a pair of active devices that alternately supply current to, or absorb current from, a connected load. This kind of amplifier can enhance both the load capacity and switching speed. Push–pull outputs are present in TTL and CMOS digital logic circuits and in some types of amplifiers, and are usually realized by a complementary pair of transistors, one dissipating or sinking current from the load to ground or a negative power supply, and the other supplying or sourcing current to the load from a positive power supply. A push–pull amplifier is more efficient than a single ended "class A" amplifier. The output power that can be achieved is higher than the continuous dissipation rating of either transistor or tube used alone and increases the power available for a given supply voltage. Symmetrical construction of the two sides of the amplifier means that even order harmonics are cancelled, which can reduce distortion. DC current is cancelled in the output, allowing a smaller output transformer to be used than in a single ended amplifier. However, the push–pull amplifier requires a phase splitting component that adds complexity and cost to the system; use of center tapped transformers for input and output is a common technique but adds weight and restricts performance. If the two parts of the amplifier do not have identical characteristics, distortion can be introduced as the two halves of the input waveform are amplified unequally. Crossover distortion can be created near the zero point of each cycle as one device is cut off and the other device enters its active region. Push–pull circuits are widely used in many amplifier output stages. A pair of audion tubes connected in push–pull is described in Edwin H. Colpitts' US patent 1137384 granted in 1915, although the patent does not specifically claim the push–pull connection. The technique was well known at that time and the principle had been claimed in an 1895 patent predating electronic amplifiers. Possibly the first commercial product using a push–pull amplifier was the RCA Balanced amplifier released in 1924 for use with their Radiola III regenerative broadcast receiver. By using a pair of low power vacuum tubes in push–pull configuration, the amplifier allowed the use of a loudspeaker instead of headphones, while providing acceptable battery life with low standby power consumption. The technique continues to be used in audio, radio frequency, digital and power electronics systems today.

Цифрлық схемалар

Push-pull конфигурациясының цифрлық қолданылуы TTL және туысқан отбасылардың шығысы болып табылады. Жоғарғы транзистор сызықтық режимде белсенді тартымға ұқсас жұмыс істейді, ал төменгі транзистор цифрлық режимде жұмыс істейді. Осы себепті, олар токты батуға қолдана алатын қуат, берілетін қуаттан кем болады (әдетте 20 есе аз). Бұл схемалардың схемалық түрінде екі транзистор тік қатарланған түрде бейнеленуіне байланысты, көбінесе олардың арасында деңгей ауыстырғыш диод орналасқан, олар "тотемдік баған" шығыстары деп аталады. Қарапайым push-pull шығыстарының кемшілігі – екеуін немесе одан да көптерін бірге қосуға болмайды, себебі біреуі тартуға тырысса, екіншісі итеруге тырысса, транзисторлар зақымдануы мүмкін. Бұл шектеуден аулақ болу үшін, кейбір push-pull шығыстарында үшінші күй болады, онда екі транзистор да өшірілген. Бұл жағдайда шығыс "ашық" (немесе авторлық терминмен айтқанда, tri-state) деп аталады. Push-pull шығысына альтернатива ретінде, жүктемені жерге қосып немесе ажыратуға арналған бір ғана коммутатор (ашық коллектор немесе ашық дренаж шығысы деп аталады), немесе жүктемені қуат көзінен ажыратуға немесе қосуға арналған бір ғана коммутатор (ашық эмиттер немесе ашық шығыс деп аталады) қолданылады.

Аналогтық схемалар

Push-pull емес әдеттегі күшейткіш сатысы кейде push-pull схемасынан ажырату үшін бір ұшты деп аталады. Аналогтық түрткі-тартқышты қуат күшейткіштерінде екі шығыс құрылғысы антифазалық режимде жұмыс істейді (яғни 180° бұрышпен). Екі антифазалық шығыс жүктемеге сигналдық шығыстарды қосуға мүмкіндік беретіндей етіп қосылады, бірақ шығыс құрылғыларының сызықтық еместігінен туындаған бұрмалау компоненттері бір-бірінен азайтылады; егер екі шығыс құрылғысының сызықтық еместігі ұқсас болса, бұрмалау айтарлықтай төмендейді. Симметриялық түрткі-тартқыш схемалары 2f, 4f, 6f сияқты жұп гармоникаларды жоюы керек, сондықтан сызықтық емес диапазонға түскенде f, 3f, 5f сияқты тақ гармоникаларды күшейтуі керек. Түрткі-тартқыш күшейткіші бір ұшты күшейткіштен кем бұрмалау тудырады. Бұл A немесе AB класындағы түрткі-тартқыш күшейткішінің бір ұшты конфигурацияда қолданылатын бірдей құрылғыларға қарағанда бірдей қуатта аз бұрмалауға ие болуына мүмкіндік береді. Шығыстар ауысқанда бұрмалау пайда болуы мүмкін: "көзбен тікелей беру" толыққанды дұрыс болмайды. Бұл тораптық бұрмалау деп аталады. AB және B кластары A класына қарағанда бірдей шығыс үшін аз қуатты жұмсайды; жалпы бұрмалауды кері байланыс арқылы төмен ұстауға болады, ал тораптық бұрмалауды "қозғалыс тогын" қосу арқылы азайтуға болады, бұл көзбен тікелей беруді тегістейді. B класындағы түрткі-тартқыш күшейткіші A класындағы қуат күшейткішінен тиімдірек, өйткені әрбір шығыс құрылғысы шығыс толқынының жартысын ғана күшейтеді және қарсы жартысында тоқтатылады. Теориялық толық қуат тиімділігінің (жүктемедегі айнымалы қуат тұтынылған тұрақты қуатқа қатысты) түрткі-тартқыш сатысы шамамен 78,5% екенін көрсетуге болады. Бұл тікелей жүктемені қозғалтса 25% тиімділікке ие А класындағы күшейткішпен салыстырғанда, ал трансформаторлы шығыс үшін 50% аспайды. Түрткі-тартқыш күшейткіші нөлдік сигналмен салыстырғанда А класындағы күшейткіштен аз қуат тартады. Шығыс құрылғыларындағы қуаттың ыдырауы күшейткіштің шығыс қуатының шамамен бестен бір бөлігіне тең. Егер биполярлы транзисторлар қолданылса, бейтарап желі транзисторлардың база-эмиттер кернеуінің теріс температуралық коэффициентін өтеуі керек. Бұл эмитер мен шығыс арасына кішкентай кедергі қосу арқылы жүзеге асырылады. Сонымен қатар, басқару схемасында өтемақы үшін шығыс транзисторларымен жылулық байланыста кремний диодтары орнатылуы мүмкін.

A conventional amplifier stage which is not push–pull is sometimes called single ended to distinguish it from a push–pull circuit. In analog push–pull power amplifiers the two output devices operate in antiphase (i. e. 180° apart). The two antiphase outputs are connected to the load in a way that causes the signal outputs to be added, but distortion components due to non linearity in the output devices to be subtracted from each other; if the non linearity of both output devices is similar, distortion is much reduced. Symmetrical push–pull circuits must cancel even order harmonics, like 2f, 4f, 6f and therefore promote odd order harmonics, like f, 3f, 5f when driven into the nonlinear range. A push–pull amplifier produces less distortion than a single ended one. This allows a class A or AB push–pull amplifier to have less distortion for the same power as the same devices used in single ended configuration. Distortion can occur at the moment the outputs switch: the "hand off" is not perfect. This is called crossover distortion. Class AB and class B dissipate less power for the same output than class A; general distortion can be kept low by negative feedback, and crossover distortion can be reduced by adding a 'bias current' to smoothen the hand off. A class B push–pull amplifier is more efficient than a class A power amplifier because each output device amplifies only half the output waveform and is cut off during the opposite half. It can be shown that the theoretical full power efficiency (AC power in load compared to DC power consumed) of a push–pull stage is approximately 78.5%. This compares with a class A amplifier which has efficiency of 25% if directly driving the load and no more than 50% for a transformer coupled output. A push–pull amplifier draws little power with zero signal, compared to a class A amplifier that draws constant power. Power dissipation in the output devices is roughly one fifth of the output power rating of the amplifier. Where bipolar junction transistors are used, the bias network must compensate for the negative temperature coefficient of the transistors' base to emitter voltage. This can be done by including a small value resistor between emitter and output. Also, the driving circuit can have silicon diodes mounted in thermal contact with the output transistors to provide compensation.

Трансформатор-сыртқы транзисторлы қуат күшейткіштер

Қазір транзисторлық күшейткіштерде шығыс трансформаторларын қолдану сирек кездеседі, бірақ мұндай күшейткіштер шығыс құрылғыларын (тек PNP немесе тек NPN құрылғыларын ғана қажет ететін) жақсырақ сәйкестендіруге мүмкіндік береді.

Тотемді түртіп- тартудың шығыс сатылары

Бірдей полярлы екі транзисторды шығыс трансформаторын қолданбай, әр циклдің қарама-қарсы жартысын қамтамасыз ету үшін құрастыруға болады. Алайда, мұндай жағдайда басқару тізбегі көбінесе асимметриялық болады, бір транзистор ортақ эмитер конфигурациясында, ал екіншісі эмитер ізбасары ретінде қолданылады. Бұл схема 1970 жылдарға қарағанда бүгінде сирек қолданылады; оны аз транзисторлармен іске асыру мүмкін (қазір бұл аса маңызды емес), бірақ оны теңгерімге келтіру және бұрмалау деңгейін төмен ұстау қиын.

Симметриялық итермелеу- тарту

Шығыс жұптарының әр жартысы бірін-бірі "көрінеді", яғни бір жартысындағы NPN (немесе N арналы FET) құрылғысы екінші жартысындағы PNP (немесе P арналы FET) құрылғысымен сәйкес келеді. Мұндай құрылым квазисимметриялық каскадтарға қарағанда аз бұрмалануға әкеледі, себебі жоғары симметрияда жұп гармоникалар тиімді жойылады.

Квазисимметриялық итермелеу- тарту

Бұрын, жоғары қуатты NPN кремний транзисторлары үшін сапалы PNP толықтырғыштары шектеулі болған кезде, оған шешім – бірдей NPN шығыс құрылғыларын пайдалану болды, бірақ оларға PNP және NPN драйверлік тізбектерінен қуат берілетін, нәтижесінде комбинация симметрияға жақын болатын (бірақ толық симметрия болғандай жақсы емес). Әрбір жарты циклдағы пайданың үйлеспеуінен туындаған бұрмалау маңызды мәселе болуы мүмкін.

Суперсимметриялық шығыс сатылары

Бүкіл драйверлік тізбекте қандай да бір қайталауды қолдану, симметриялық драйверлік тізбектерді іске қосуға мүмкіндік береді, бұл сәйкестікті одан әрі жақсартады. Дегенмен, драйверлік асимметрия бұрмалау процесінің шағын бөлігін құрайды. Көпірлі тізбекке қосылған жүктемелерді пайдалану оң және теріс жартылардың дәлдеуін күшейтеді, соның арқасында NPN және PNP құрылғылары арасындағы сәл ғана айырмашылықтарды өтеуге болады.

Квадраттық қоңырау

Шығару құрылғылары, әдетте MOSFET немесе вакуумдық түтіктер, олардың квадрат заңына сәйкес жұмыс істеу сипаттамалары (бір ұшты схемада қолданғанда екінші гармоникалық бұрмалау тудыратын) бұрмалауды көбінесе өте жақсы жояды. Яғни, бір транзистордың қақпа-көз кернеуі артқанда, екінші құрылғыға берілетін қуат сол мөлшерде кемиді, ал екінші құрылғыдағы ағын (немесе пластина) тогының өзгеруі бірінші құрылғының өсуіндегі сызықтық емес бұрмалауды шамамен түзетеді.

Қысымды-соғушы түтік (салпа) шығыс сатылары

Вакуумдық түтіктер (клапандар) қосымша типтерде (PNP/NPN транзисторлары сияқты) қол жетімді емес, сондықтан түтіктерді итеру-тарту күшейткіші бір-бірімен сәйкес келетін екі шығыс түтігінен немесе түтіктер тобынан тұрады, олардың басқару торлары антифазалық режимде басқарылады. Бұл түтіктер орталықтан бұрылатын шығыс трансформаторының біріншілік орамының екі жартысы арқылы ток өткізеді. Сигнал токтері қосылады, ал түтіктердің сызықты емес сипаттамалық қисықтарына байланысты бұрмалау сигналдары өтезді. Бұл күшейткіштер қатты күйдегі электрондық құрылғылар жасалғанға дейін ұзақ уақыт бұрын жобаланған; олар әлі де аудиофилдер мен музыканттар қолданып келеді, олар олардың жақсырақ дыбысталатынын санайды. Вакуумдық түтіктерді итеру-тарту күшейткіштері әдетте шығыс трансформаторын пайдаланады, бірақ шығыс трансформаторы жоқ (OTL) түтік сатылары да бар (мысалы, SEPP/SRPP және төмендегі Ақ катодты ізбасар). Фазалық бөлгіш сатысы әдетте тағы бір вакуумдық түтік болып табылады, бірақ кейбір конструкцияларда орталықтан бұрылатын екіншілік орамы бар трансформатор да қолданылады. Бұл құрылғылар негізінен квадрат заңмен жұмыс істейтіндіктен, жоғарыда айтылған бұрмалауды жою туралы ескертулер А класында жұмыс істегенде көптеген итеру-тарту түтік конструкцияларына қатысты (яғни, екі құрылғы да тоқ өткізбейтін күйге жеткізілмейді). Бір ұшты итеру-тарту (SEPP, SRPP немесе mu follower) шығыс сатысы, бастапқыда Сериялық теңгерілген күшейткіш деп аталған (АҚШ патенты 2,310,342, 1943 жылғы ақпан), транзисторлар үшін тотемдік полюс конфигурациясына ұқсас, екі құрылғы қуат көзінің арасында тізбектей орналасқан, бірақ кіріс сигналы тек бір құрылғыға, жұптың төменгі құрылғысына ғана беріледі; сондықтан (көрінетін қайшылық) бір ұшты сипаттама. Шығыс сигнал жоғарғы (тікелей басқарылмайтын) құрылғының катодынан алынады, ол тұрақты ток көзі мен катодты ізбасар арасында жартылай әрекет етеді, бірақ төменгі құрылғының пластиналық (анодтық) тізбегінен де сигнал алады. Сондықтан әр түтікке берілетін қуат бірдей болмауы мүмкін, бірақ тізбек төменгі құрылғы арқылы токты сигнал бойында біршама тұрақты ұстауға бейім, қуат күшейтуді арттырады және нағыз бір түтікпен салыстырғанда бұрмалауды азайтады. Екі тетродты түтіктерді трансформаторсыз тізбек 1933 жылға дейін жетеді: "Ваккумдық түтікті пластиналық жүктеме кедергісі ретінде пайдалану" Ж.В. Хортонның Франклин институты журналында 1933 жылғы 216 томның 6 саны. Ақ катодты ізбасар (патент 2,358,428, 1944 жылғы қыркүйек, Е.Л.К. Уайт) жоғарыда көрсетілген SEPP конструкциясына ұқсас, бірақ сигнал кірісі жоғарғы түтікке, катодты ізбасар ретінде әрекет етеді, бірақ төменгі түтік (жалпы катодты конфигурацияда) жоғарғы құрылғының пластинасындағы (анодтағы) токпен (әдетте жоғарылату трансформаторы арқылы) қоректендіріледі. Ол SEPP-тегі екі құрылғының рөлін кері ауыстырады. Төменгі түтік тұрақты ток тұнбасы мен итеру-тарту жүктемесіндегі серіктес арасында жартылай әрекет етеді. Сондықтан әр түтікке берілетін қуат бірдей болмауы мүмкін. SEPP және White follower транзисторлық нұсқалары бар, бірақ олар сирек кездеседі.

Vacuum tubes (valves) are not available in complementary types (as are PNP/NPN transistors), so the tube push–pull amplifier has a pair of identical output tubes or groups of tubes with the control grids driven in antiphase. These tubes drive current through the two halves of the primary winding of a center tapped output transformer. Signal currents add, while the distortion signals due to the non linear characteristic curves of the tubes subtract. These amplifiers were first designed long before the development of solid state electronic devices; they are still in use by both audiophiles and musicians who consider them to sound better. Vacuum tube push–pull amplifiers usually use an output transformer, although Output transformerless (OTL) tube stages exist (such as the SEPP/SRPP and the White Cathode Follower below). The phase splitter stage is usually another vacuum tube but a transformer with a center tapped secondary winding was occasionally used in some designs. Because these are essentially square law devices, the comments regarding distortion cancellation mentioned above apply to most push–pull tube designs when operated in class A (i. e. neither device is driven to its non conducting state). A Single Ended Push–Pull (SEPP, SRPP or mu follower) output stage, originally called the Series Balanced amplifier (US patent 2,310,342, Feb 1943). is similar to a totem pole arrangement for transistors in that two devices are in series between the power supply rails, but the input drive goes only to one of the devices, the bottom one of the pair; hence the (seemingly contradictory) Single Ended description. The output is taken from the cathode of the top (not directly driven) device, which acts part way between a constant current source and a cathode follower but receiving some drive from the plate (anode) circuit of the bottom device. The drive to each tube therefore might not be equal, but the circuit tends to keep the current through the bottom device somewhat constant throughout the signal, increasing the power gain and reducing distortion compared with a true single tube single ended output stage. The transformer less circuit with two tetrode tubes dates back to 1933: "THE USE OF A VACUUM TUBE AS A PLATE FEED IMPEDANCE." by J. W. Horton in the Journal of the Franklin Institute 1933 volume 216 Issue 6

The White Cathode Follower (Patent 2,358,428, Sep. 1944 by E. L. C. White) is similar to the SEPP design above, but the signal input is to the top tube, acting as a cathode follower, but one where the bottom tube (in common cathode configuration) if fed (usually via a step up transformer) from the current in the plate (anode) of the top device. It essentially reverses the roles of the two devices in SEPP. The bottom tube acts part way between a constant current sink and an equal partner in the push–pull workload. Again, the drive to each tube therefore might not be equal. Transistor versions of the SEPP and White follower do exist, but are rare.

Ұзындығы жоғары сызықтық түрткі- тарту

Сонымен аталатын ультрасызықтық итеру-тарту күшейткіші пентодаларды немесе тетродаларды қолданады, олардың экрандық торлары шығыс трансформаторындағы бастапқы кернеудің белгілі бір пайызымен қуаттанады. Бұл тиімділік пен бұрмалаудың триодты (немесе триодтық қосылысты) қуат күшейткіш схемалары мен экран салыстырмалы түрде тұрақты кернеу көзінен қуат алатын дәстүрлі пентодты немесе тетродты шығыс схемалары арасындағы жақсы шартты қамтамасыз етеді.