Push-pull kaszkád (set. push-pull circuit , push- pull cascade angolból push-pull - pull ) - elektronikus erősítő kaszkád , amely két ellenvezérlésű aktív eszközből áll [ 1] - lámpák , tranzisztorok , összetett tranzisztorok vagy bonyolultabbak áramköri egységek. A bemeneti jel teljesítményének erősítése a kaszkád két karja között úgy oszlik meg, hogy a bemeneti jel növekedése esetén az áram csak az egyik karban nő; amikor a bemeneti jel csökken, az ellentétes karban lévő áram növekszik [1] . Azokat a kaszkádokat, amelyekben a növekvő és csökkenő jelek teljesítményerősítése egyetlen aktív eszközhöz van hozzárendelve, egyciklusúnak nevezzük .
A push-pull áramkör uralja a CMOS és N-MOS logikák áramköreit, a műveleti erősítők kimeneti fokozatait, az audiofrekvenciás tranzisztoros teljesítményerősítőket . Lehetővé teszi gazdaságos elektronikus kapcsolók és lineáris teljesítményerősítők építését AB vagy B üzemmódban , viszonylag nagy hatásfokkal és viszonylag alacsony nemlineáris torzítással . A váltóáram erősítésekor egy ilyen erősítő két aktív eszköze ("felső és alsó" vagy "bal és jobb") váltakozva továbbítja az áramot a terhelésnek. Az összes erősítőkészülékre jellemző páros torzítási harmonikusok elnyomódnak, a páratlanok pedig éppen ellenkezőleg, felerősödnek . Ezenkívül a terhelésvezérlés egyik aktív eszközről a másikra történő átvitelekor a push-pull fokozat kapcsolási torzításokat generál a kimeneti jelben.
A legegyszerűbb lineáris push-pull kaszkád - egy komplementer emitterkövető B üzemmódban - két emitterkövető ellentétes kapcsolatából jön létre npn-tranzisztoron (felső kar) és pnp-struktúrákon (alsó kar) [ 2] . Nulla vezérlőfeszültségnél mindkét tranzisztor zárt, a terhelési áram nulla [3] . Ha a tranzisztor bekapcsolási küszöbértékét túllépi, körülbelül +0,5 V-ot, a felső (npn) tranzisztor zökkenőmentesen nyílik, összekötve a pozitív tápsínt a terheléssel. A vezérlőfeszültség további növekedésével a kimeneti feszültség megismétli a bemeneti feszültséget 0,5 ... 0,8 V eltolással, az alsó tranzisztor zárva marad. Hasonlóan negatív vezérlőfeszültségeknél az alsó (pnp) tranzisztor kinyílik, a terhelést a negatív tápsínhez köti, míg a felső zárva marad [3] . Alacsony vezérlőfeszültségek tartományában mindkét tranzisztor zárt állapotában a lépcsős jel hullámforma [4] jellegzetes kapcsolási torzulásai figyelhetők meg .
A legegyszerűbb gombnyomás -húzó kaszkád hasonlóan, de eltérően működik - CMOS logikai inverter . Az inverteres FET-ek közös forrású üzemmódban működnek, így mind erősítik, mind pedig invertálják a bemeneti feszültséget [5] . Az áramkörben lévő felső p-típusú tranzisztor alacsony logikai szinttel nyit és magas logikai szintet továbbít a kimenetre, az alsó tranzisztor logikai magas szinten nyit és alacsony szintet továbbít a kimenetre, átkapcsolva a terhelést az alacsonyabb teljesítményre sín [6] [7] . A tranzisztorok kapcsolási küszöbértékei úgy vannak megválasztva, hogy mindkét tranzisztor garantáltan nyitva legyen a magas és alacsony bemeneti szintek közötti intervallum közepén – ez felgyorsítja a kapcsolást jelentéktelen teljesítményveszteségek árán egy rövid távú átmenő áram alatt . 6] . A logikai nulla és logikai egy stabil állapotában a két tranzisztor közül csak az egyik nyitott, a másik zárt [7] . Egy logikai elem jellemző terhelése más logikai elemek kapui, így tranzisztorai csak kapcsoláskor adnak át áramot a terhelésnek. A terhelési kapacitások újratöltésével a kimeneti áram nullára csökken, de a két tranzisztor közül az egyik nyitva marad [6] .
A push-pull kaszkádok más sémák szerint is végrehajthatók, egyen- vagy váltakozó feszültséget vagy áramot erősítenek , aktív vagy reaktív terhelésen dolgoznak, lehetnek invertálóak vagy nem invertálóak. Minden konfigurációban közös az antifázis elve : a vezérlőfeszültség növekedésével az áramerősség csak az áramkör két karjának egyikében nő; a vezérlőfeszültség csökkenésekor a másik, ellentétes karban megnő az áramerősség [1] . Az áramkör viselkedése statikus üzemmódban általában nincs meghatározva - csak a bemeneti jel változására való reakciója fontos [1] . Az elektronika egyes ágaiban és a történelmi, elavult irodalomban szűkebb magándefiníciók is találhatók:
A lámpaáramkörökben a kimeneti fokozat fogalma szó szerint megfelel az „erősítő fokozat” fogalmának („erősítő fokozat, erősítőelemet tartalmazó rádiótechnikai eszköz, terhelési áramkör, kommunikációs áramkörök az előző vagy azt követő fokozatokkal” [ 13] ). Ebben az értelmezésben a push-pull végfokozat mindkét karjában egyetlen aktív eszköz működik. Ez lehet egyetlen lámpa vagy párhuzamosan kapcsolt lámpacsoport [11] , de a lámpák kaszkádon belüli sorba kapcsolásáról általában nem volt szó . Hasonló megközelítést alkalmaznak az RF teljesítményerősítők tranzisztoros áramköreiben is.
A tranzisztoros hangteljesítmény-erősítők áramköreiben viszont ritkák az egyszerű kaszkádok. A kéttranzisztoros bipoláris végfokozatok csak viszonylag alacsony áramerősségű készülékekben működnek, és ahhoz, hogy a közbenső erősítő fokozatokat kis ellenállású terheléssel illesszék, legalább két áramerősítő fokozatot sorba kell kötni. A gyakorlatban a push-pull végfok minden egyes szakaszának két-négy "lépcsős szakasza lehet egy szakaszon belül". Az ezeket a ketteseket, hármasokat és négyeseket alkotó tranzisztorokat helyi visszacsatolás fedi , és általában komplexnek tekintik. Az ilyen komplexek legegyszerűbb esetei a Darlington-párok és a Shiklai-párok . Rajtuk kívül még legalább hét [14] bipoláris „hármas” („triple” Quad 303, „triple” Bryston és így tovább), négyfokozatú emitterkövetők és „négyes” Bryston [15] használatos a gyakorlatban , amelyek további aktív áramkörök védik a túláramtól vagy a tápfeszültségtől. Ezeket az áramköröket összességében végfokozatnak nevezzük, és belső részeiket, ha van értelme egyáltalán kiemelni, a végfokozat szakaszainak tekintjük.
A push-pull kaszkád három alapvető séma egyike szerint építhető. Mindhárom topológia a terhelés két aktív eszközhöz és egy vagy két tápegységhez történő csatlakoztatására szolgáló félhíd séma változata [16] . Szimmetrikus és aszimmetrikus (kvázi-komplementer) zárványok minden típusú aktív eszközön megvalósíthatók, komplementer - csak ellentétes (komplementer) típusú vezetőképességű tranzisztorpárokon.
Egy szimmetrikus áramkörben két egyforma aktív eszköz van egymással párhuzamosan kapcsolva egyenáramban: a kaszkád által nulla bemeneti jelnél felvett teljes nyugalmi áramot az erősítő bal és jobb karján átfolyó két egyenlő részre osztják [17 ] . Az erősített jel feszültsége az invertáló kar vezérlőelektródájára (a séma szerint balra) kerül, és a külső fázisosztóval kialakított tükörmásolata az invertáló bemenetére kerül (a séma szerint jobbra). ) kar [17] . Pozitív jelfeszültség esetén az invertáló kar árama nő, a nem invertáló kar árama csökken. Ezen áramváltozások terhelésre való átvitele érdekében a H-híd áramkör alsó karjaiba aktív eszközök vannak beépítve, és a híd felső karjainak áramai így vagy úgy rögzítve vannak. A híd felső és alsó karjának áramerőssége közötti különbséget a híd „keresztrúdja” által bekapcsolt terhelés zárja le.
A H alakú híd felkarjainak szerepében például induktorok szolgálhatnak , amelyek impedanciája a teljes működési frekvencia tartományban lényegesen nagyobb, mint a terhelési ellenállás, az egyenáram ellenállása pedig viszonylag kicsi. Még kényelmesebb a primer tekercs felezőpontjától csapos transzformátort használni [18] . A transzformátoros csatolás lehetővé teszi a valódi lámpák és tranzisztorok viszonylag nagy belső ellenállásának a valós terhelések - hangszórók , villanymotorok , antennák , kábelvezetékek - kis ellenállásának összehangolását [17] , de fő feladata az ellenfázisú kimeneti áramok átkapcsolása közös terhelés [18] . Az RCA által 1923-ban kifejlesztett transzformátoráramkör [19] volt a fő áramkör a csőáramkörben, és a „szimmetrikus kapcsolás” valójában a push-pull kaszkád szinonimája [17] . E séma szerint megépültek az első tranzisztoros erősítők, és továbbra is készülnek a különösen nagy teljesítményű rádiófrekvenciás tranzisztoros erősítők [20] [18] . A transzformátoráramkör további előnyei a nagy hatásfok és a magas kimeneti teljesítmény szint B üzemmódban, a pozitív és negatív bemeneti feszültségek szimmetrikus reprodukálása, a páratlan felharmonikusok elnyomása, az egypólusú tápegység egyszerű kialakítása, a relatív érzéketlenség a két nyugalmi áram terjedésére. karok [20] [18] [17] . Hátránya a valós transzformátorok korlátozott sávszélessége és fázistorzulása , amely korlátozza a visszacsatolás lehetőségét, valamint az egyenáram terhelésre való átvitelének alapvető lehetetlensége [20] [18] .
A szimmetrikus push-pull fokozat hasonló a differenciális feszültségerősítő fokozathoz, amely szintén a párhuzamos félhíd áramkör egyik változata [21] . A differenciálfokozat két karjának összáramát a közös emitter-, forrás- vagy katódkörben lévő stabil áramforrás korlátozza, ami kizárja a teljesítményerősítés lehetőségét a B gazdaságos üzemmódban.
A szimmetrikus híd alternatívája az a híd, amelyben a bal felső és a bal alsó karhoz azonos aktív eszközök, a jobb karokhoz pedig tápegységek csatlakoznak. Mindkét aktív eszközön közös nyugalmi áram folyik át, vagyis az aktív eszközök egyenárammal sorba vannak kapcsolva [22] . A séma szerinti felső lámpát (tranzisztort) a katód (kibocsátó, forrás) terheléshez köti a bemeneti jel katód ( kibocsátó , forrás) követőjének sémájának megfelelően. Az áramkörben alsó lámpát (tranzisztort) az anód (kollektor, forrás) köti a terheléshez, és invertáló erősítő üzemmódban működik közös katóddal ( közös emitterrel , közös forrással) [23] . A lámpák (tranzisztorok) belső ellenállása és erősítése ezekben az üzemmódokban alapvetően különbözik, ezért egy ilyen hidat aszimmetrikusnak neveznek. A végfok felső és alsó karjába érkező bemeneti jelek előerősítési együtthatóinak kiválasztása csak részben kompenzálja ezt az aszimmetriát: a valódi erősítők mély negatív visszacsatolást igényelnek . Az áramkör érzékeny a két kar nyugalmi áramának terjedésére, és az ezeket az áramokat beállító előfeszítő áramkörök elrendezése viszonylag bonyolult. A csöves erősítőkben a problémát súlyosbítja a megengedett legnagyobb fűtő-katód feszültség korlátozása, ezért a csőáramkörben az aszimmetrikus kapcsolás nem honosodott meg [20] [24] .
Ezzel szemben az 1960-as évek tranzisztoros teljesítményerősítő áramköreit Lin [20] [25] egyvégű erősítő áramkörei uralták . Egyrészt lehetővé tette a transzformátor bekötésének elhagyását, vagy kapacitív csatolással, vagy közvetlen terhelési csatlakozással helyettesítve; másrészt az 1950-es években az ipar csak pnp nagy teljesítményű tranzisztorokat gyártott [26] . Az 1960-as évek közepén erősebb és megbízhatóbb szilícium tranzisztorokra, de már npn szerkezetekre cserélték őket, és csak az 1960-as évek végén sajátította el az amerikai ipar a komplementer pnp tranzisztorok gyártását [20] [26] . Az 1970-es évek végére a diszkrét tranzisztoros lineáris UMZCH tervezői komplementer áramkörre váltottak [27] , és a kvázi-komplementer áramkört még mindig használják az integrált teljesítményerősítők kimeneti fokozataiban ( TDA7294 , LM3886 és számos funkcionális analógjuk). ) és a D osztályú erősítőkben [28 ] .
A kiegyensúlyozatlan áramkör egyik aktív eszközének cseréje egy komplementer típusú eszközzel az áramkört komplementerré alakítja. Ha a kiválasztott típusú kimeneti tranzisztorok („kiegészítő lámpák” nem léteznek [29] ) azonos dinamikus jellemzőkkel rendelkeznek az üzemi áramok, feszültségek és frekvenciák teljes tartományában, akkor egy ilyen áramkör szimmetrikusan reprodukálja a pozitív és negatív bemeneti feszültségeket (az aszimmetria elkerülhetetlen a valódi erősítőkben, különösen a kimeneti tranzisztorok frekvenciatartományának felső határán). A bemeneti fázisosztóra már nincs szükség: mindkét kar alapjaira vagy kapujára ugyanaz a váltakozó áramú jelfeszültség kerül (általában valamilyen állandó feszültségeltolás mellett, ami beállítja a kimeneti tranzisztorok működési módját) [30] [31] .
A komplementer áramkörű bipoláris tranzisztorok a három alapmód ( OK , OE vagy OB ) bármelyikében működhetnek [30] [31] . A kis ellenállású terhelésen működő teljesítményerősítőkben a bipoláris tranzisztorok általában közös kollektoráramkör szerint vannak kötve (kiegészítő emitterkövető , az ábrán látható), a térhatású tranzisztorokat - közös leeresztő áramkör szerint (forráskövető) [32 ] . Egy ilyen kaszkád erősíti az áramot és a teljesítményt, de nem a feszültséget. Szintén gyakori a tranzisztorok bekapcsolása egy közös emitterrel vagy közös forrással rendelkező áramkör szerint - így vannak elrendezve a CMOS puffererősítők . Ebben a változatban a komplementer kaszkád az áramot, a feszültséget és a teljesítményt egyaránt felerősíti [31] . Mindkét opciót használják a műveleti erősítők kimeneti fokozataiban : a követők biztosítják a legjobb teljesítményt, a közös emitteres áramkörök pedig a legnagyobb kimeneti feszültségingadozást [33] [34] .
A felharmonikus jel egyciklusú erősítőjének korlátozó elméleti hatásfoka (COP) A módban , amely csak transzformátor csatlakozással érhető el tisztán aktív terhelés mellett, 50% [35] . A valódi tranzisztoros egyvégű erősítőkben körülbelül 30%, a csöves erősítőkben körülbelül 20% hatásfok érhető el - vagyis minden Watt maximális kimeneti teljesítményre az erősítő 3 ... 5 W-ot fogyaszt a forrásból [ 36] . A terhelésre átvitt teljesítmény tényleges mennyisége gyakorlatilag nincs hatással az energiafogyasztásra: az utóbbi csak a kaszkád túlterhelése esetén kezd növekedni [2] . A transzformátor nélküli erősítőkben a hatásfok észrevehetően rosszabb; a hagyományos aktív terhelésű emitterkövető legrosszabb esetben a végső elméleti hatásfok mindössze 6,25% [37] .
Az egyvégű követő cseréje A üzemmódban azonos nyugalmi árammal üzemelő és a tápegységről azonos, megközelítőleg állandó áramot fogyasztó nyomókövetőre, a maximális kimeneti teljesítmény négyszeresére nő, és a végső hatásfok megnő. 50%-ra [38] . Ha egy push-pull követőt B módba kapcsolunk, az elméleti korlátozó hatásfok 87,5%-ra nő [39] [40] . A maximális kimeneti teljesítményt B üzemmódban csak a tranzisztorok biztonságos működési területe, a tápfeszültség és a terhelési ellenállás korlátozza [2] . A fokozat által fogyasztott teljesítmény B üzemmódban egyenesen arányos a kimeneti feszültséggel [41] . 87,5%-os elméleti hatásfok érhető el maximális teljesítmény mellett; csökkenésével a hatásfok fokozatosan csökken, a tranzisztorok relatív teljesítményvesztesége pedig fokozatosan nő [41] . A tranzisztorok által disszipált teljesítmény abszolút veszteségei is megnövekednek, és elérik a lapos maximumot a közbenső teljesítmények tartományában, amikor a kimeneti feszültség csúcsértéke megközelítőleg 0,4 ... 0,8 a lehetséges maximális értéknek [41] [42] .
A valódi erősítőkben a függőség minőségi jellege megmarad, de a veszteségek aránya nő, a hatékonysági értékek csökkennek. Tehát egy alacsony frekvenciájú erősítő kimeneti fokozata , amelyet 100 W-os kimeneti teljesítményre terveztek 8 ohmos terhelés mellett, körülbelül 40 W-ot disszipál maximális teljesítmény mellett (körülbelül 70%-os hatásfok). Ha a kimenő teljesítményt felére, 50 W-ra csökkentjük, a tranzisztorok teljesítményvesztesége ugyanarra az 50 W-ra nő (50%-os hatásfok) [43] . Az abszolút teljesítményveszteség szignifikáns csökkenése csak akkor figyelhető meg, ha a kimenő teljesítmény 10 W alá csökken [43] .
Minden push-pull áramkör sajátossága, hogy a nemlineáris torzítások spektrumában csökken az egyenletes harmonikusok aránya [44] . Egyetlen tranzisztorok vagy vákuumtriódák által keltett torzításokban kvázi lineáris üzemmódban [comm. 1] , a túlterhelési módba való átállásig a második harmonikus dominál [46] . Ha két lámpát vagy tranzisztort push-pull-ra kapcsolunk, az általuk generált második, negyedik és így tovább harmonikusok kioltják egymást [44] [47] . Ideálisan szimmetrikus kaszkádokban a páros harmonikusok teljesen elnyomódnak, a jel negatív és pozitív félhullámainak alakjának torzulásai szigorúan szimmetrikusak, a torzítási spektrum pedig kizárólag páratlan harmonikusokból áll [44] . Valós push-pull kaszkádokban a teljes szimmetria nem érhető el, ezért a torzítási spektrumokban még harmonikusok is megfigyelhetők [44] . A harmonikusok eloszlása a jelszinttől és annak frekvenciájától is függhet, például egy komplementer pár pnp és npn tranzisztorainak vágási frekvenciáinak különbsége miatt [48] .
A páratlan harmonikusok túlsúlya a kaszkád átviteli együtthatónak a bemeneti jel amplitúdójától való függését jelzi: nagy amplitúdóknál az átviteli együttható észrevehetően eltér a számítotttól [49] . A bemeneti jel növekedésével az erősítés kezdetben növekedhet, de nagy jelek esetén elkerülhetetlenül csökken. Az együttható csökkenése (tömörítése) egy beállított értékkel, például 1 dB -lel , és a kaszkád túlterhelésének kritériumaként szolgál [50] .
B és AB üzemmódban működő push-pull áramkörök [komm. 2] , specifikus nemlineáris kapcsolási (vagy kombinációs [4] ) torzításokat generál, amikor a jel nullán halad át [4] . Az alacsony kimeneti feszültségek tartományában, amikor az egyik tranzisztor le van választva a terhelésről, és a másik rá van kötve, a kaszkád lineáris átviteli karakterisztikája két hajlítással vagy megszakítással szaggatott vonal formájában jelenik meg. A legrosszabb esetben, amikor két tranzisztor vagy két lámpa [57] nulla nyugalmi árammal működik, mindkét tranzisztor kikapcsol a nulla közelében, az átviteli együttható nullára csökken, és a kimeneti jel hullámformáján „lépés” figyelhető meg. A negatív visszacsatolás nem tudja hatékonyan elnyomni az ilyen torzításokat, mivel a problématerületen az erősítő ténylegesen le van választva a terhelésről [40] .
A kapcsolási torzítás különösen nem kívánatos hangfrekvenciák erősítésekor. A kapcsolási torzítás láthatósági küszöbe, a nemlineáris torzítási együttható mérésére szolgáló szabványos módszer szerint kifejezve, mindössze 0,0005% (5 ppm ) [58] . A hallásérzékenység egyrészt a kapcsolási torzítások speciális, természetellenes spektrumának köszönhető, másrészt azok szintjének a teljesítménytől vagy a szubjektíven észlelt hangerőtől való természetellenes függésének: a kimeneti teljesítmény csökkenésével a nemlineáris torzítási tényező nem csökken, hanem nő [42] ] .
A kapcsolási torzítások keletkezését csak úgy lehet kiküszöbölni, ha a fokozatot tiszta A módba kapcsoljuk, ami a gyakorlatban általában lehetetlen [59] [60] . A kapcsolási torzítás azonban jelentősen csökkenthető, ha a végfokozaton csak kis állandó nyugalmi áramot állítunk be [60] . Ennek az áramerősségnek ki kell zárnia a tranzisztorok egyidejű leválasztását a terhelésről, míg a terület, ahol mindkét tranzisztor a terheléshez kapcsolódik, a lehető legszűkebb legyen. A gyakorlatban a tervezők a bipoláris tranzisztorok nyugalmi áramát minden eszköznél 10-40 mA-re állítják be; az MIS tranzisztorok optimális árama észrevehetően nagyobb, készülékenként 20-100 mA [57] . A nyugalmi áramok további növelésének megvalósíthatósága, amely kiterjeszti az A mód lefedettségi területét, a kaszkád választott topológiájától függ [57] . A közös emitterrel rendelkező bipoláris tranzisztorokra épülő kaszkádokban igazolható [57] . A push-pull emitter követőknél éppen ellenkezőleg, kerülni kell: a nyugalmi áram növekedése nem csökkenti, hanem súlyosbítja a kapcsolási torzulásokat [57] .
Az elektronok és hatásuk elve Minden elektron és antirészecske hőhullámokból jön létre, amikor különböző sebességű és frekvenciájú hőhullámok mozognak, egymást átfedve, aminek következtében elektronok keletkeznek belőlük, amelyek mind mindig más-más sebességgel mozognak. Az elektronok nem tudnak állandó sebességgel, fénysebességgel mozogni, ezért amikor az elektronok elveszítik sebességüket, miközben bármely atomban eltűnnek az atomról, helyüket az atomban más elektronok veszik át, amelyek sebessége megegyezik az elektronok sebességével. elhagyta az atomokat.A korábbi sebességüket vesztett elektronokból különféle atomok keletkeznek.Mivel az elektronok mindig a magas hőmérsékletű forrásból eljutnak oda, ahol alacsonyabb a hőmérséklet, az elektronikus vákuumcsövek működése ezen a hatáson alapul, amikor a katód fűtött, hőhullámokat tanulmányozva, amelyekből hőhullámok keletkeznek, folyamatosan az anód felé mozgó elektronok, emiatt lehetetlen az elektronok mozgása az anódról a katódra.