Párhuzamos erősítő [1] (PU) áram , ritkábban "gyémánt" [2] követő vagy puffer ( pauszpapír az angol gyémánt pufferből ) egy négy tranzisztoros komplementer emitter követő , amelyben mind a két bemeneti tranzisztor vezérli a kimenetet ellenkező típusú vezetőképességű tranzisztor [3] . Az általa vezérelt bemeneti és kimeneti tranzisztorok emitter átmenetei egymás felé vannak kötve [3] , így a bemenet és a kimenet közötti feszültségeltolás nem haladja meg a több tíz mV -ot [1] . A PU-nak nincs szüksége áramköri intézkedésekre a nyugalmi áram termikus stabilizálására: elegendő a tranzisztorok közötti termikus kapcsolat biztosítása [1] . Az alap PU áramkör hátránya - a kimenő áram erős korlátozása - komplikációjával vagy a bemeneti tranzisztorok nyugalmi áramának növelésével korrigálható [1] .
A vezérlőpanel fő funkciója a kis teljesítményű feszültségforrások kis ellenállású terhelésekkel való összehangolása , a fő alkalmazási terület a műveleti erősítők bemeneti és kimeneti fokozatai áram-visszacsatolóval . A párhuzamos jelismétlőket szélessávú műszerekben és az audio teljesítményerősítők kimeneti fokozataiban is alkalmazták .
A párhuzamos áramerősítő a dióda-előfeszítésű komplementer emitterkövető természetes fejlődése [4] [5] . 1971-ben a Harris Corporation négy tranzisztoros PU magot alkalmazott a HA-2600 integrált műveleti erősítő végfokozatában [6] [7] . A komplementer tranzisztoros áramkörök egzotikusak maradtak az 1970-es évek végéig, amíg az ipar megtanulta, hogyan lehet jó minőségű integrált pnp tranzisztorokat létrehozni, és a kiegészítő mikroáramkörök költsége a hagyományos op-erősítők szintjére csökkent [2] . 1979-ben a National Semiconductor kiadta az első sorozatgyártású integrált PU-t – az LH3002 puffererősítőt 50 MHz-es sávszélességgel [5] ; 1982-re az ilyen áramköröket széles körben használták kis teljesítményű eszközökben [8] .
Az 1980-as évek végén minőségi ugrás következett be: az ipar elsajátította a szilícium szigetelési technológiáját , és megkezdte az integrált áram-visszacsatolású műveleti erősítők (op amp) gyártását [9] . Az első PU-t használó diszkrét TOS műveleti erősítőket a Comlinear adta ki az 1980-as évek elején, az első integrált TOC műveleti erősítők 1987-ben jelentek meg [9] [2] . Egy tipikus OU TOC két PU-t tartalmaz [10] . A bemeneti követő a differenciális bemeneti feszültséget árammá alakítja, és az áram-feszültség átalakító fokozatot vezérli [10] . A kimenetkövető az áram-feszültség átalakító nagy ellenállású kimenetét egy kis ellenállású külső terheléshez igazítja [10] . Ezzel párhuzamosan folytatódott a speciális puffererősítő áramkörök fejlesztése. 1986-ban megjelent a HA-5033 (Harris) [11] , 1993-ban a BUF634 ( Burr-Brown ) [12] és így tovább.
1990 körül Burr-Brown először a gyémánt puffer [13] [14] kifejezéssel utalt a PU-ra („gyémánt” [2] vagy „gyémánt alakú” puffer, amely a négy tranzisztoros mag topológiáját tükrözi). A gyémánt tranzisztor ("gyémánt tranzisztor" [2] ) kifejezés pedig a feszültség-áram átalakítót vezérlő Burr-Brown PU nyelvén [15] [2] értendő . A reklámklisé beépült a hangtechnikai tervezők nyelvezetébe. A tudományos irodalomban a PU-t " második típusú vegyes transzlineáris cellának " is emlegetik ( angol. kevert transzlineáris cella II, MTC-II ; ezek a szerzők az "első típusú cellát" diódával kiegészített átjátszónak nevezték elfogultság) [16] .
A szovjet rádióamatőr irodalom 1982 óta használja a „lineáris párhuzamos erősítő” vagy egyszerűen csak a „párhuzamos erősítő” [17] fogalmát . Tietze és Schenk német nyelvű tankönyve (12. kiadás) a PU-t csak egy alternatív módszernek tekintette a hagyományos komplementer követő üzemmódjának beállítására és stabilizálására („bias driver with tranzisztorok”) [4] .
A 20. századi hangtechnikában a PU-kat korlátozott mértékben használták soros előerősítőkben (például Lehmann Cube), és gyakorlatilag nem használták a soros UMZCH-ban. A TOS op-amp topológia szerint épített akkufázis teljesítményerősítők PU-t használtak a bemeneti fokozatokban, de nem a kimenetben [18] . Ezzel szemben a Szovjetunió és utódai amatőr gyakorlatában rendszeresen megjelentek a szerző által a párhuzamos erősítők kimeneti fokozataival rendelkező UMZCH tervei [1] [19] [20] [21] . Az 1990-es években az ötletet az egzotikus UMZCH tervezők "újra felfedezték", általános visszajelzések nélkül. Az új generáció legradikálisabb konstrukciói két PU-t (bemeneti és kimeneti) és egy lépcsős transzformátort használtak "feszültségerősítő" szerepében. Megjelentek a kompozit végfokozatok, amelyekben a PU magot hagyományos vagy kompozit komplementer jelismétlő táplálta [3] . A XXI. századi UMZCH-ban (például Dartzeel) még mindig a legegyszerűbb, négytranzisztoros kimeneti fokozatokat használják [22] .
Párhuzamos áramerősítő - teljesen szimmetrikus, komplementer áramkör; működésének lineáris módban történő elemzéséhez elegendő annak felső (T1, T2) vagy alsó (T3, T4) felét figyelembe venni [23] . Például a felső fele egy T1 pnp tranzisztoron és egy T2 npn tranzisztoron két legegyszerűbb emitterkövető sorba kapcsolásával jön létre [23] . Egy ilyen „kettős” feszültségátviteli együtthatója valamivel kisebb, mint egy [23] , és az áramátviteli tényező egyenlő a T1 és T2 [5] áramerősítési tényezők ( ) szorzatával . Az áramkör felső és alsó fele párhuzamosan csatlakozik a terheléshez, amely meghatározta az orosz nevét - lineáris párhuzamos erősítő [1] [7] .
A T1-en lévő követő nyugalmi áramát egy stabil áramforrás állítja be; a legegyszerűbb változatban (LH0002 áramkör) az R1 ellenállás játssza a szerepét. Az R1-en átfolyó áram egy része leágazik a T2 bázisára, így R1 egyidejűleg korlátozza a kimeneti áramkorlátot (a T2 emitteráramát).
A négy tranzisztor zárt transzlineáris áramkört alkot, amelyet erős helyi visszacsatolás fed le. Ha T1 és T2 emitter átmenetek területe egyenlő, és ezeknek a csomópontoknak a hőmérséklete egyenlő, akkor nyugalmi állapotban (kikapcsolt terhelés mellett) a T2 emitteráram pontosan megismétli a T1 emitteráramot, és mind a négy tranzisztor teljes nyugalmi áramát. háromszor nagyobb, mint a T1 emitteráram.
Ha szükséges, a kimeneti tranzisztorok árama arányosan csökkenthető vagy növelhető maguknak a tranzisztoroknak a skálázásával (integrált áramkörökben) vagy párhuzamosításával (diszkrét készülékekben). Ezenkívül a végfok áramköre arányosan csökkenthető előtétellenállások beépítésével a végfok emitter áramköreibe (R2, R4 az LH0002 áramkörbe), valamint a végfok áramkörének növelésére előtétellenállások kerülnek beépítésre a végfok emitter áramköreibe. a beviteli szakasz.
A tranzisztorok közötti hőkapcsolatot integrált áramkörökben egymáshoz közel helyezve, a diszkrét tranzisztorokra épülő eszközökben pedig közös hűtőbordára szerelve biztosítják [1] . A legfontosabbak a T1 + T2 és T3 + T4 páron belüli termikus csatlakozások, azonban az erős tranzisztorokra épülő eszközökben a T1 + T4 és T2 + T3 párok „átlós kapcsolata” indokoltabb [1] . Mindegyik „átlós” párban mindkét tranzisztor kollektora ugyanahhoz a tápsínhez van kötve, ezért nincs szükségük egymástól elektromos leválasztásra [1] ).
Valós eszközökben az npn- és pnp-tranzisztorok alap-emitter feszültsége ( ) nem egyezik, ami a kimeneti feszültségben eltolódást generál a bemenethez képest. A legrosszabb esetben diszkrét tranzisztorok használata esetén az eltolódás nyugalmi állapotban több tíz mV [1] . Az azonos elemalapra épített eszközök eltolási értékeinek szórása lényegesen kisebb - ez lehetővé teszi több közös terhelésen működő PU párhuzamosítását [1] .
A PU nyolctranzisztoros magjában az alapáramkör mind a négy tranzisztorát kiegészítik egy-egy ellentétes típusú vezetőképességű tranzisztorral diódakapcsolásban - ami teljes mértékben kompenzálja a szisztematikus különbség miatti eltolódást , de rontja a zaj- és frekvenciajellemzők [14] . A gyakorlatban a rendszer ilyen bonyolultsága nem indokolt, és ritkán alkalmazták [14] . A tervezők könnyebben megbékélnek az alapáramkör eltolódásával és vagy visszacsatolással kompenzálják, vagy csatolókondenzátorral leválasztják a terhelésről .
A feszültségátviteli együttható pontos értéke függ a terhelési ellenállástól, a kimeneti tranzisztorok emitterei és a terhelés közötti áramkör ellenállásától, a hőmérséklettől és a kimeneti áram pillanatnyi értékétől (az utolsó két paraméter határozza meg a T2 kimeneti ellenállást és T4) [23] .
A kimeneti tranzisztorok alapáramát a kimeneti tranzisztorok emitter áramköreiben áramforrások korlátozzák ( ), így a kimeneti áramot aszimmetrikusan korlátozzák a határértékek
Amikor elérjük a felső küszöböt, a T2 bázis elfogja az összes generált áramot , és a T1 emitter áram megszakad; az alsó küszöb elérésekor a T3 emitteráram megszakad [25] . Mindkét esetben a kimeneti áram erős korlátozása figyelhető meg az áramkör kimenetén [25] . A maximális kimeneti feszültséget tisztán ohmos terhelés mellett a korlátozó áramok és a terhelési ellenállás szorzata határozza meg; reaktív vagy nemlineáris terheléseknél a maximális kimeneti feszültség általában nincs meghatározva [25] .
Ha egyéb dolgok megegyeznek, a kimeneti áram legmagasabb értékeinek eléréséhez nagy értékű kimeneti tranzisztorokat kell használni, és nagy kiterjedésű emitter-csomópontokat kell használni - olyan nagyok, hogy a maximális kimeneti áramerősség melletti működés nem jár jelentős csökkenéssel [ 25] . A teljesítményerősítőkben a "lineáris" soros tranzisztorokat részesítik előnyben, viszonylag kis csökkenéssel a teljes megengedett áramtartományon belül [26] [27] . Például a 2SA1302/2SC3281 sorozatú komplementer tranzisztorok esetében a maximális áramerősség legfeljebb 10%-kal csökken, míg a „közönséges” MJ15024/MJ15025 esetében 70%-kal [27] .
Az áramkorlát küszöbértéke nagymértékben függ az áramforrások konfigurációjától . Az ellenállásokon a legegyszerűbb "források" a legkevésbé jövedelmezőek, mivel a bemeneti és kimeneti feszültség növekedésével a rendelkezésre álló értékek csökkennek [25] . A váltakozó feszültségű erősítőkben ez a hátrány kiküszöbölhető feszültségnövelés (visszacsatolást követően) bevezetésével [25] . A feszültségnövelés csatlakoztatása a T1 és T3 emitteráramkörökhöz megszünteti a bemeneti váltakozó (de nem egyen) feszültségtől való függést; a lineáris működés területén a nemlineáris torzítási együttható egy nagyságrenddel csökken [25] . A feszültségnövelő csatlakoztatása a T1 és T3 kollektorokhoz kiküszöböli az Earley-effektust , tovább csökkenti a nemlineáris torzítást, és lehetővé teszi kisfeszültségű tranzisztorok használatát viszonylag magas tápfeszültségű és jelű áramkörökben [28] .
Az áramkorlátozó tartományokon kívül a párhuzamos erősítő "lineáris" abban az értelemben, hogy normál körülmények között minden tranzisztor aktív üzemmódban működik anélkül, hogy belépne a kollektoráram-lezárási tartományba [29] . A nemlineáris torzítási együttható viszonylag alacsony, és a bemeneti feszültség, a kimeneti áram, valamint a bemeneti tranzisztorok emitter áramköreiben lévő áramforrások minőségének kombinációja határozza meg [29] . Ez azonban csak akkor érvényes, ha nincs aktív ellenállás a kimeneti tranzisztorok emitterei és a terhelés között (R2, R4 az LH0002 áramkörben) [29] . Nagy terhelési áramok esetén az ezeken az ellenállásokon bekövetkező feszültségesések felváltva megszakítják a transzlineáris áramkört , és lezárják a két kimeneti tranzisztor egyikét [29] . Az áramkör A módból AB üzemmódba kapcsol, jellegzetes kapcsolási torzulások lépnek fel [29] .
Az AB osztályú gyakorlati eszközökben a nemlineáris torzítási együttható a fejlesztők nyilatkozata szerint:
Burr-Brown szerint a legalacsonyabb nemlineáris torzítások alacsony frekvenciákon a nagy teljesítményű műveleti erősítőkben érhetők el, amelyek egy jó minőségű műveleti erősítő és egy soros puffer PU soros csatlakoztatásával jönnek létre, és közös visszacsatoló hurokkal lefedve . 12] . 100 kHz feletti frekvenciákon a PU kimeneti impedanciája elkerülhetetlenül megnő, ami a torzítás növekedéséhez vezet [12] . Ez a jelenség részben elnyomható több PU párhuzamos csatlakoztatásával, feltéve, hogy a műveleti erősítő erősítési határa elegendő [12] .
A vezérlőpanel kimenetén a feszültség emelkedésének és csökkenésének határértékeit a T1 és T3 emitterekhez csatlakoztatott parazita kapacitások újratöltési folyamatai határozzák meg.
Például, ha az áramerősség 1 mA-re van korlátozva, és a T1 emitterre csatlakoztatott kapacitás 10 pF, akkor a kimeneti feszültség elfordulási sebessége nem haladhatja meg a 100 V/µs értéket [30] .
A kimeneti feszültség emelkedése és csökkenése aszimmetrikus. A gyakorlatban az áramkör dinamikus jellemzőit a két sebesség közül a kisebbik értékelik [30] . Tehát egy adott amplitúdójú szinuszos jel sávszélességét az érték korlátozza
Ha a bemeneti feszültség változási sebessége meghaladja a mag határsebességét, akkor a kimeneti tranzisztorai áramot kezdenek vezetni, ami katasztrofális termikus kifutáshoz vezethet [11] . A határfrekvenciát, amely felett lehetséges a túlhajtás, ugyanaz a képlet határozza meg, mint egy adott amplitúdó jelsávszélessége [11] .
Az amplitúdókorlátozás szempontjából optimális, ha egy párhuzamos erősítő a bemeneti tranzisztorok emitteráramának feszültségnövelését vagy aktív forrásait használja , illetve a nagy áramerősítési tényezővel és viszonylag nagy emitter átmenettel rendelkező kimeneti tranzisztorokat [29] . A kimenőáram további növeléséhez a bemeneti tranzisztorok nyugalmi áramának arányos növelése, a teljesítménydisszipáció arányos növekedése és a hőelvezetési igények növekedése szükséges. Például a soros UMZCH Dartzeel 108 minden csatornája 160 W deklarált kimeneti teljesítménnyel 4 ohmos terhelés mellett 40 W-ot fogyaszt nyugalomban és 15 kg tömegű [22] . Vannak olyan áramköri fejlesztések is az alapáramkörön, amelyek lehetővé teszik a kimeneti áramok és teljesítmények növelését viszonylag alacsony nyugalmi áram mellett.
A legegyszerűbb továbbfejlesztett áramkörben a kimeneti tranzisztorok alapjait egy flyback dióda köti össze (a HA-2600 chipben hasonló megoldást alkalmaztak két flyback diódával, amelyek a kimeneti tranzisztorok alapjait a központ bemenetére kötötték [ 7] .. kompozit emitterkövetőként működik.Az üzemmódváltást (az előremenő áram megjelenése és megszakítása a fordított diódán keresztül) erős kapcsolási torzulások kísérik [19] .
Az ilyen jellegű torzítások elkerülhetők, ha a szabadonfutó diódát nagy kondenzátorra cseréljük [31] . Mivel a kondenzátor egyesíti (rövidre zárja) a bemeneti tranzisztorok emittereit, a "tartalék" áramkör kimeneti áramának korlátozási küszöbe csak kétszerese az alapáramkörének [31] .
A hibrid hattranzisztoros áramkör egy párhuzamos erősítő és egy kompozit emitterkövető kombinációja [30] . Alacsony kimeneti áramok esetén az áramkör vezérlőpanelként működik; a kompozit követő (T5, T6) bemeneti tranzisztorai zártak [30] . Nagy áramoknál a bemeneti és kimeneti feszültség különbségének növekedésével vagy a T5 (süllyedő kimeneti áram), vagy a T6 (süllyedő áram) nyílik [30] . Az áramkört például az OPA633 nagysebességű puffererősítőben használták.
A fordított diódával ellátott áramkörhöz hasonlóan a kapcsolási módokat a kapcsolási torzítás növekedése kíséri. Ráadásul a T5 vagy T6 nyitásakor a kimeneti feszültség változási sebessége élesen, nem lineárisan megnövekszik [30] . Ezért egy hibrid követő, amelynek nyugalmi árama mindössze 1 mA, 1000 V/µs-ot meghaladó sebességre képes - de csak nagy jel esetén [30] . Alacsony bemeneti feszültségek esetén a kimeneti feszültség változási sebessége visszatér a PU magnál természetes értékekre [30] .
A HA-5033 chipben a T5, T6 gyorsítótranzisztorok közös emitteráramkör szerint vannak csatlakoztatva, és egy pár kiegészítő tranzisztor vezérli, amelyek a bemeneti-kimeneti feszültségkülönbséget figyelik [11] . Egy alternatív áramkörben a boost tranzisztorok a bemeneti és kimeneti tranzisztorok alapjai közé kapcsolódnak. A T5 + T2 és T6 + T4 párok egyfajta Darlington párokat alkotnak , de az igazi "darlingtonokkal" ellentétben a T5 és T6 csak nagy terhelési áram mellett működik. A szakirodalom a B osztályban működő teljes értékű Darlington-párok PU-it is leírja [26] .
Egy másik megoldás további teljesítménytranzisztorok csatlakoztatása az átjátszó kimeneti áramköreihez. Egy hattranzisztoros PU-ban kétfokozatú kimeneti fokozattal ( gyémánt puffer tripla ) további T5 , T6 tranzisztorok hagyományos komplementer emitter követőként működnek [3] . A nyugalmi áramot egy dióda vagy tranzisztor előfeszítő feszültségforrás ( ) állítja be [3] . A kimeneti tranzisztorok emitter áramköreiben lévő előtétellenállásoknak gyakorlatilag nincs hatása a termikus stabilitásra, de erősen befolyásolják a nemlineáris torzítások szintjét és spektrumát. A torzítás szempontjából a legjobb az az üzemmód, amelyben nyugalmi állapotban minden ellenálláson a termikus potenciálnak megfelelő feszültség esik (26 mV 300 K-en) [32] .
A hat tranzisztoros Shiklai párokra épülő követő áramköre egyszerűbb: nincs szüksége előfeszítő feszültségforrásra. A termikus stabilizáláshoz elegendő az alapmag négy tranzisztorja (T1-T4) között termikus kapcsolatot biztosítani [33] . A T5, T6 teljesítménytranzisztoroknak a T1-T4 hőszabályozó hurkon kívül kell lenniük; A T5, T6 hőmérséklet gyakorlatilag nem befolyásolja az üzemmódot [33] . Az előző áramkörhöz hasonlóan, nyugalmi állapotban az emitter ellenállásokon az optimális feszültségesés 26 mV legyen 300 K mellett [32] .