Усилитель с противофазным выходом (Усилитель push-pull)

Введение

Тип электронной схемы

Усилитель push-pull – это тип электронной схемы, использующий пару активных устройств, которые попеременно подают ток к подключенной нагрузке или отбирают ток от нее. Этот тип усилителя способен повысить как нагрузочную способность, так и скорость переключения. Выходы push-pull применяются в цифровых логических схемах TTL и CMOS, а также в некоторых типах усилителей и обычно реализуются комплементарной парой транзисторов, один из которых рассеивает или поглощает ток от нагрузки к земле или отрицательному источнику питания, а другой подает или отдает ток нагрузке от положительного источника питания. Усилитель push-pull более эффективен, чем однотактный усилитель класса А. Достижимая выходная мощность выше, чем допустимая рассеиваемая мощность отдельного транзистора или лампы, и увеличивает мощность, доступную при заданном напряжении питания. Симметричная конструкция двух сторон усилителя обеспечивает подавление четных гармоник, что может снизить искажения. Постоянный ток компенсируется на выходе, что позволяет использовать трансформатор меньшего размера, чем в однотактном усилителе. Однако усилитель push-pull требует компонента для расщепления фаз, что усложняет и удорожает систему; часто используется применение центрально-отводочных трансформаторов для входа и выхода, но это увеличивает вес и ограничивает производительность. Если две части усилителя не имеют идентичных характеристик, могут возникнуть искажения, поскольку две половины входного сигнала усиливаются неравномерно. Искажения при переключении могут возникать вблизи нулевой точки каждого цикла, когда одно устройство отключается, а другое переходит в активный режим. Схемы push-pull широко используются в различных выходных каскадах усилителей. Пара аудионных ламп, соединенных по схеме push-pull, описана в патенте США № 1137384, выданном Эдвину Х. Колпитсу в 1915 году, хотя патент не заявляет специально о соединении push-pull. Эта техника была хорошо известна в то время, и принцип был запатентован еще в 1895 году, до появления электронных усилителей. Вероятно, первым коммерческим продуктом, использующим усилитель push-pull, был усилитель RCA Balanced, выпущенный в 1924 году для использования с их регенеративным радиоприемником Radiola III. Благодаря использованию пары вакуумных ламп малой мощности в конфигурации push-pull, усилитель позволял использовать громкоговоритель вместо наушников, обеспечивая при этом приемлемое время работы от батареи и низкое энергопотребление в режиме ожидания. Эта техника продолжает использоваться в аудио-, радиочастотной, цифровой и силовой электронике и сегодня.

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.

Цифровые схемы

Цифровое применение схемы push-pull используется в выходных каскадах TTL и совместимых семейств. Верхний транзистор работает как активный подтягивающий элемент в линейном режиме, а нижний транзистор – в цифровом. По этой причине они не способны выдавать такой же ток, как и принимать (обычно в 20 раз меньше). Благодаря схематическому изображению этих цепей с двумя транзисторами, расположенными вертикально, как правило, с диодом для сдвига уровней между ними, такие выходы называют выходами типа "тотемный столб". Недостатком простых выходов push-pull является то, что их нельзя соединять параллельно, поскольку попытка одного вывода вытянуть сигнал, а другого – подать, может привести к повреждению транзисторов. Чтобы избежать этого ограничения, некоторые выходы push-pull имеют третье состояние, в котором оба транзистора выключены. В этом состоянии выход считается незадействованным (или, используя запатентованный термин, tri-state). Альтернативой выходу push-pull является одиночный переключатель, который подключает или отключает нагрузку от земли (называемый выходом с открытым коллектором или открытым стоком), или одиночный переключатель, который подключает или отключает нагрузку к источнику питания (называемый выходом с открытым эмиттером или открытым истоком).

Аналоговые схемы

Обычная каскадная схема усилителя, не являющаяся push-pull, иногда называется однотактной, чтобы отличить её от схемы push-pull. В аналоговых усилителях мощности push-pull два выходных каскада работают в противофазе (то есть с разностью фаз в 180°). Два противофазных выхода подключаются к нагрузке таким образом, что выходные сигналы складываются, а компоненты искажений, вызванные нелинейностью выходных каскадов, вычитаются друг из друга; если нелинейность обоих выходных каскадов схожа, искажения значительно уменьшаются. Симметричные схемы push-pull должны подавлять гармоники чётного порядка, такие как 2f, 4f, 6f, и, следовательно, усиливать гармоники нечётного порядка, такие как f, 3f, 5f, при работе в нелинейном режиме. Усилитель push-pull создаёт меньше искажений, чем однотактный. Это позволяет усилителю класса A или AB иметь меньшие искажения при той же мощности, что и те же устройства, используемые в однотактной конфигурации. Искажения могут возникать в момент переключения выходных каскадов: "передача" не является идеальной. Это называется искажениями перехода. Классы AB и B рассеивают меньше мощности при той же выходной мощности, чем класс A; общие искажения можно снизить с помощью отрицательной обратной связи, а искажения перехода можно уменьшить, добавив "ток смещения" для сглаживания передачи. Усилитель класса B push-pull более эффективен, чем усилитель класса A, поскольку каждый выходной каскад усиливает только половину выходной формы сигнала и отключается в течение другой половины. Можно показать, что теоретическая полная эффективность (мощность переменного тока в нагрузке по отношению к потребляемой мощности постоянного тока) каскада push-pull составляет примерно 78,5%. Это сравнимо с усилителем класса A, который имеет эффективность 25% при непосредственном управлении нагрузкой и не более 50% для выхода, связанного с трансформатором. Усилитель push-pull потребляет мало мощности при отсутствии сигнала, в отличие от усилителя класса A, который потребляет постоянную мощность. Рассеивание мощности в выходных каскадах составляет примерно одну пятую от номинальной выходной мощности усилителя. При использовании биполярных транзисторов схема смещения должна компенсировать отрицательный температурный коэффициент напряжения база-эмиттер транзисторов. Это можно сделать, включив небольшой резистор между эмиттером и выходом. Кроме того, в цепи управления могут быть установлены кремниевые диоды в тепловом контакте с выходными транзисторами для обеспечения компенсации.

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.

Транзисторы с трансформатором и выходом, усиливающие мощность

В настоящее время крайне редко применяют выходные трансформаторы с транзисторными усилителями, хотя такие усилители предоставляют наилучшие возможности для согласования выходных каскадов (требуются только PNP или только NPN транзисторы).

Выходные этапы толкания и вытягивания тотемного столба

Два согласованных транзистора одной и той же полярности могут быть включены для обеспечения противоположных полупериодов каждого цикла без использования выходного трансформатора, хотя в этом случае схема управления часто оказывается асимметричной, и один транзистор работает в схеме с общим эмиттером, а другой – как повторитель эмиттера. Эта схема сейчас используется реже, чем в 1970-х годах; её можно реализовать с небольшим количеством транзисторов (что сегодня не столь важно), но относительно сложно обеспечить её баланс и низкий уровень искажений.

Симетричный толчок-тяжение

Каждая половина выходной пары "зеркально" отражает другую, а именно, NPN (или N-канальный полевой транзистор) в одной половине соответствует PNP (или P-канальному полевому транзистору) в другой. Такая схема обеспечивает меньшие искажения, чем квазисимметричные каскады, поскольку четные гармоники подавляются более эффективно благодаря большей симметрии.

Квазисимметричный толчок-тяжение

В прошлом, когда выбор качественных PNP-комплементарных транзисторов для мощных NPN кремниевых транзисторов был ограничен, обходным решением было использование идентичных NPN выходных каскадов, подключенных к комплементарным PNP и NPN схемам управления таким образом, чтобы комбинация была максимально симметричной (но никогда не достигала идеальной симметрии). Несоответствие коэффициента усиления в каждой полуволне могло приводить к существенным искажениям.

Сверхсимметричные выходной ступени

Использование некоторого дублирования в общей схеме управления позволяет создать симметричные схемы, что может еще больше улучшить согласование, хотя асимметрия схемы управления вносит лишь небольшую долю в процесс возникновения искажений. Применение схемы с нагрузкой, соединенной по мосту, обеспечивает значительно более высокую степень согласования между положительной и отрицательной полуволнами, компенсируя неизбежные небольшие различия между NPN и PNP транзисторами.

Закон квадрата "отталкивание"

Выходные устройства, как правило, MOSFET-ы или вакуумные лампы, сконфигурированы таким образом, чтобы их квадратичные характеристики (которые вызывают появление второй гармоники искажений при использовании в однотактной схеме) в значительной степени компенсировали искажения. Иными словами, при увеличении напряжения между затвором и истоком одного транзистора, управляющее воздействие на другой транзистор уменьшается на ту же величину, а изменение тока стока (или анода) во втором транзисторе приблизительно компенсирует нелинейность увеличения тока в первом.

Выходные стадии трубки (клапанов) "нажимание" и "вытягивание"

Вакуумные лампы (трубки) не выпускаются в комплементарных типах (как транзисторы PNP/NPN), поэтому ламповый усилитель push-pull имеет пару идентичных выходных ламп или группы ламп с управляющими сетками, включенными в противофазе. Эти лампы пропускают ток через две половины первичной обмотки центрально-отво́дного выходного трансформатора. Сигнальные токи складываются, а искажения, вызванные нелинейными характеристиками ламп, компенсируются. Эти усилители были разработаны задолго до появления полупроводниковых приборов и до сих пор используются аудиофилами и музыкантами, считающими их звучание более качественным. Ламповые усилители push-pull обычно используют выходной трансформатор, хотя существуют и ламповые каскады без выходного трансформатора (OTL), такие как SEPP/SRPP и White Cathode Follower, описанные ниже. Фазоделитель обычно представляет собой еще одну вакуумную лампу, но в некоторых конструкциях иногда использовался трансформатор с центральным отводом вторичной обмотки. Поскольку это по сути приборы с квадратичной характеристикой, вышеупомянутые замечания об отмене искажений применимы к большинству ламповых конструкций push-pull, работающих в классе A (то есть ни одно из устройств не доводится до состояния отсечки). Выходной каскад Single Ended Push-Pull (SEPP, SRPP или mu-follower), первоначально называвшийся последовательным балансированным усилителем (патент США 2,310,342, февраль 1943 г.), аналогичен тотемному включению для транзисторов, в котором два прибора соединены последовательно между шинами питания, но входной сигнал подается только на один из приборов – нижний. Отсюда и (кажущееся противоречивым) обозначение Single Ended. Выход снимается с катода верхнего (непосредственно не управляемого) прибора, который работает как промежуточное звено между источником постоянного тока и катодным повторителем, но при этом получает некоторое управление от пластины (анода) нижнего прибора. Управление каждой лампой может быть неравномерным, но схема стремится поддерживать ток через нижний прибор относительно постоянным в течение всего сигнала, увеличивая коэффициент усиления и уменьшая искажения по сравнению с настоящим однотактным выходом на одной лампе. Бестрансформаторная схема с двумя тетродами датируется 1933 годом: "ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ ЛАМПЫ В КАЧЕСТВЕ ИМПЕДАНСА НАГРУЗКИ ПЛАСТИНЫ" (THE USE OF A VACUUM TUBE AS A PLATE FEED IMPEDANCE) Дж. В. Хортона в Journal of the Franklin Institute, 1933 г., том 216, выпуск 6. Катодный повторитель Уайта (патент 2,358,428, сентябрь 1944 г., Е. Л. К. Уайт) аналогичен конструкции SEPP, описанной выше, но входной сигнал подается на верхнюю лампу, работающую как катодный повторитель, при этом нижняя лампа (с общим катодом) питается (обычно через повышающий трансформатор) от тока пластины (анода) верхней лампы. По сути, он меняет местами роли двух приборов в SEPP. Нижняя лампа работает как промежуточное звено между источником постоянного тока и равноправным партнером в нагрузке push-pull. Опять же, управление каждой лампой может быть неравномерным. Транзисторные версии SEPP и катодного повторителя Уайта существуют, но встречаются редко.

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.

Ультралинейный толчок-тяжение

Так называемый ультралинейный усилитель push-pull использует пентоды или тетроды, у которых на экранную сетку подается процент первичного напряжения выходного трансформатора. Это обеспечивает эффективность и искажения, являющиеся хорошим компромиссом между схемами усилителей мощности на триодах (или триодах, включенных как триоды) и традиционными схемами выходной каскадной связи на пентодах или тетродах, где экран питается от относительно стабильного источника напряжения.