Push-pull cascade ( set. push-pull circuit , push- pull cascade englanniksi push-pull- pull ) - elektroninen vahvistinkaskadi , joka koostuu kahdesta vasta-ohjatusta aktiivisesta laitteesta [1] - lamppuja , transistoreja , yhdistetransistoreja tai monimutkaisempia piiriyksiköt. Tulosignaalin tehon vahvistus jakautuu kaskadin kahden haaran kesken siten, että kun tulosignaali kasvaa, virta kasvaa vain toisessa haarassa ; kun tulosignaali putoaa, vastakkaisen varren virta kasvaa [1] . Kaskadeja, joissa nousevien ja laskevien signaalien tehonvahvistus on osoitettu yhdelle aktiiviselle laitteelle, kutsutaan yksijaksoisiksi .
Push-pull-piiri hallitsee CMOS- ja N-MOS- logiikkojen piirejä, operaatiovahvistimien lähtöasteita , äänitaajuustransistoritehovahvistimia . Sen avulla voit rakentaa edullisia elektronisia kytkimiä ja lineaarisia tehovahvistimia, jotka toimivat AB- tai B-tiloissa suhteellisen korkealla hyötysuhteella ja suhteellisen alhaisella epälineaarisella vääristymällä . Vaihtovirtaa vahvistettaessa tällaisen vahvistimen kaksi aktiivista laitetta ("ylempi ja alempi" tai "vasen ja oikea") lähettävät virran kuormaan vuorotellen . Kaikille vahvistimille tyypilliset parilliset säröharmoniset vaimentuvat ja parittomat päinvastoin pahentuvat . Lisäksi siirrettäessä kuorman ohjausta yhdestä aktiivisesta laitteesta toiseen, push-pull-aste tuottaa lähtösignaalin kytkentävääristymiä
Yksinkertaisin lineaarinen push-pull-kaskadi - komplementaarinen emitteriseuraaja moodissa B - muodostuu kahden emitteriseuraajan vastakkaisesta kytkennästä npn-transistoreissa (ylävarsi) ja pnp-rakenteissa (alavarsi) [2] . Nollaohjausjännitteellä molemmat transistorit ovat kiinni, kuormitusvirta on nolla [3] . Kun transistorin käynnistyskynnys ylittyy, noin +0,5 V, ylempi (npn) transistori avautuu tasaisesti yhdistäen positiivisen tehokiskon kuormaan. Ohjausjännitteen kasvaessa edelleen lähtöjännite toistaa tulojännitteen 0,5 ... 0,8 V:n siirrolla, alempi transistori pysyy suljettuna. Vastaavasti negatiivisilla ohjausjännitteillä alempi (pnp) transistori avautuu ja kytkee kuorman negatiiviseen tehokiskoon, kun taas ylempi jää kiinni [3] . Pienten ohjausjännitteiden alueella, kun molemmat transistorit ovat kiinni, havaitaan askelmaisen signaalin aaltomuodon [4] tunnusomaisia kytkentäsäröjä .
Yksinkertaisin näppäinpainalluskaskadi toimii samalla tavalla, mutta eri tavalla - CMOS - logiikkainvertteri . Invertteri-FETit toimivat yhteislähdetilassa, joten ne sekä vahvistavat että invertoivat tulojännitteen [5] . Piirin ylempi p-tyypin transistori avautuu matalalla logiikkatasolla ja lähettää korkean logiikkatason lähtöön, alempi transistori avautuu loogisesti korkealla tasolla ja lähettää matalan tason lähtöön vaihtaen kuorman alempaan tehoon rautatie [6] [7] . Transistorin kytkentäkynnykset valitaan siten, että molemmat transistorit ovat taatusti auki keskellä korkeiden ja matalien tulotasojen välistä aikaväliä - tämä nopeuttaa kytkentää vähäisten tehohäviöiden kustannuksella lyhytaikaisen läpivirtauksen aikana [ 6] . Vakaissa loogisissa nolla- ja loogisissa ykköstiloissa vain toinen kahdesta transistorista on auki ja toinen on kiinni [7] . Logiikkaelementin tyypillinen kuorma on muiden logiikkaelementtien portit, joten sen transistorit siirtävät vain virtaa kuormaan kytkettäessä. Kun kuormakapasitanssit latautuvat, lähtövirta vaimenee nollaan, mutta toinen kahdesta transistorista jää auki [6] .
Push-pull-kaskadit voidaan suorittaa muiden kaavioiden mukaisesti, vahvistaa tasa- tai vaihtojännitettä tai -virtaa , työskennellä aktiivisella tai reaktiivisella kuormalla , ne voivat olla invertoivia tai ei-invertoivia. Kaikille kokoonpanoille yhteinen on vaiheen estoperiaate : ohjausjännitteen kasvaessa virta kasvaa vain toisessa piirin kahdesta haarasta; kun ohjausjännite laskee, virta kasvaa toisessa, vastakkaisessa varressa [1] . Piirin käyttäytymistä staattisessa tilassa ei yleensä määritellä - vain sen reaktio tulosignaalin muutokseen on tärkeä [1] . Tietyillä elektroniikan aloilla ja historiallisessa, vanhentuneessa kirjallisuudessa löytyy myös suppeampia yksityisiä määritelmiä:
Lamppupiireissä lähtöasteen käsite vastaa kirjaimellisesti "vahvistusasteen" käsitettä ("vahvistusaste, radiotekninen laite, joka sisältää vahvistinelementin, kuormapiiri, viestintäpiirit edellisten tai myöhempien vaiheiden kanssa" [ 13] ). Tässä tulkinnassa yksi aktiivinen laite toimii push-pull-lähtöasteen kummassakin haarassa. Se voi olla yksittäinen lamppu tai ryhmä rinnakkain kytkettyjä lamppuja [11] , mutta pääsääntöisesti ei puhuttu lamppujen kytkemisestä sarjaan kaskadin sisällä . Samanlaista lähestymistapaa käytetään myös RF-tehovahvistimien transistoripiireissä.
Toisaalta transistoroiduissa audiotehovahvistinpiireissä yksinkertaiset kaskadit ovat harvinaisia. Kaksitransistorin kaksinapaiset lähtöportaat ovat käytettävissä vain suhteellisen pienivirtalaitteissa, ja jotta välivahvistusasteet sovitettaisiin matalaresistanssiseen kuormaan, vähintään kaksi virranvahvistusportasta on kytkettävä sarjaan. Käytännössä kussakin push-pull-ulostuloasteen haarassa voi olla kahdesta neljään "kaskadia vaiheessa". Transistorit, jotka muodostavat nämä kaksi, kolmos ja neljä, kuuluvat paikallisten takaisinkytkentöjen piiriin , ja niitä pidetään yleensä kompleksina. Tällaisten kompleksien yksinkertaisimmat tapaukset ovat Darlington- ja Shiklai-parit . Niiden lisäksi käytännössä käytetään ainakin seitsemää [14] bipolaarista "kolmikkoa" ("triple" Quad 303, "triple" Bryston ja niin edelleen), nelivaiheista emitteriseuraajaa ja "neljä" Brystonia [15] , jotka on suojattu ylivirralta tai teholta lisäaktiivisilla piireillä. Näitä piirejä kokonaisuutena kutsutaan pääteasteikoksi, ja niiden sisäisiä osia, jos niitä on järkevää erikseen erottaa, pidetään pääteasteen vaiheina.
Push-pull-kaskadi voidaan rakentaa yhden kolmesta peruskaaviosta. Kaikki kolme topologiaa ovat muunnelmia puolisiltakaaviosta kuorman kytkemiseksi kahteen aktiiviseen laitteeseen ja yhteen tai kahteen virtalähteeseen [16] . Symmetrinen ja epäsymmetrinen (quasi-komplementaarinen) sulkeumia voidaan toteuttaa kaikentyyppisissä aktiivisissa laitteissa, täydentäviä - vain transistoripareissa, joilla on vastakkainen (komplementaarinen) johtavuus.
Symmetrisessä piirissä kaksi identtistä aktiivista laitetta on kytketty rinnan toistensa kanssa tasavirralla: kaskadin kokonaislepovirta , jonka tulosignaali nolla, jaetaan kahteen yhtä suureen osaan, jotka virtaavat vahvistimen vasemman ja oikean varren läpi [17 ] . Vahvistetun signaalin jännite syötetään invertoivan (kaavion mukaan vasemmalla) varren ohjauselektrodiin ja sen peilikopio, jonka muodostaa ulkoinen vaihejakaja , syötetään invertoinnin tuloon (oikealla kaavion mukaan ) käsivarsi [17] . Positiivisella signaalijännitteellä invertoivan varren virta kasvaa, ei-invertoivan varren virta pienenee. Näiden virranmuutosten siirtämiseksi kuormaan H-siltapiirin alahaaroihin on sisällytetty aktiiviset laitteet ja sillan ylähaarojen virrat on tavalla tai toisella kiinnitetty. Sillan ylä- ja alavarren virtojen välinen ero sulkeutuu sillan "poikkitangon" kytkemän kuorman kautta.
H-muotoisen sillan ylävarsien roolissa voivat toimia esimerkiksi induktorit , joiden impedanssi koko toimintataajuusalueella on merkittävästi suurempi kuin kuormitusvastus ja tasavirran vastus on suhteellisen pieni. Vielä kätevämpää on käyttää muuntajaa , jossa on välihana ensiökäämin keskipisteestä [18] . Muuntajakytkennällä voit sovittaa todellisten lamppujen ja transistoreiden suhteellisen suuret sisäiset resistanssit todellisten kuormien alhaisiin resistanssiin - kaiuttimet , sähkömoottorit , antennit , kaapelilinjat [17] , mutta sen päätehtävänä on vaihtaa vastavaiheen lähtövirrat yhteinen kuorma [18] . Se oli RCA :n vuonna 1923 kehittämä muuntajapiiri [19] , joka oli tärkein putkipiireissä, ja "symmetrinen kytkentä" oli itse asiassa synonyymi push-pull-kaskadille [17] . Tämän kaavion mukaan rakennettiin ensimmäiset transistorivahvistimet, ja erityisen suuritehoisten radiotaajuuksien transistorivahvistimia rakennetaan edelleen [20] [18] . Muita muuntajapiirin etuja ovat korkea hyötysuhde ja korkea lähtötehotaso tilassa B, positiivisten ja negatiivisten tulojännitteiden symmetrinen toisto, parittomien harmonisten vaimennus, yksinapaisen virtalähteen yksinkertainen suunnittelu, suhteellinen herkkyys kahden lepovirtojen leviämiselle. aseet [20] [18] [17] . Haittapuolena ovat todellisten muuntajien rajallinen kaistanleveys ja vaihevääristymät , jotka rajoittavat takaisinkytkentämahdollisuutta , sekä perustavanlaatuinen mahdottomuus siirtää tasavirtaa kuormaan [20] [18] .
Symmetrinen push-pull-aste on samanlainen kuin differentiaalinen jännitevahvistusaste, joka on myös muunnos rinnakkaisesta puolisiltapiiristä [21] . Differentiaalivaiheen kahden haaran kokonaisvirtaa rajoittaa vakaa virtalähde yhteisessä emitteri-, lähde- tai katodipiirissä, mikä sulkee pois mahdollisuuden tehonvahvistukseen säästötilassa B.
Vaihtoehto symmetriselle sillalle on silta, jossa identtiset aktiiviset laitteet on kytketty vasempaan ylä- ja alavarteen ja virtalähteet oikeaan varteen. Molempien aktiivisten laitteiden läpi kulkee yhteinen lepovirta, eli aktiiviset laitteet on kytketty sarjaan tasavirran kanssa [22] . Kaavan mukainen ylempi lamppu (transistori) on kytketty kuormaan katodilla (emitteri, lähde ) tulosignaalin katodin ( emitteri , lähde) seuraajan kaavion mukaisesti. Piirissä alempi lamppu (transistori) on kytketty kuormaan anodilla (kollektorilla, lähteellä) ja toimii invertoivan vahvistimen tilassa yhteisellä katodilla ( yhteisellä emitterillä , yhteisellä lähteellä) [23] . Lamppujen (transistorien) sisäiset resistanssit ja vahvistukset näissä tiloissa ovat pohjimmiltaan erilaisia, minkä vuoksi tällaista siltaa kutsutaan epäsymmetriseksi. Pääteasteen ylä- ja alavarteen tulevien tulosignaalien esivahvistuskertoimien valinta kompensoi tätä epäsymmetriaa vain osittain: todelliset vahvistimet vaativat syvän negatiivisen takaisinkytkennän . Piiri on herkkä molempien varsien lepovirtojen leviämiselle, ja nämä virrat asettavien bias-piirien järjestely on suhteellisen monimutkainen. Putkivahvistimissa ongelmaa pahentaa suurimman sallitun lämmitin-katodijännitteen rajoitus, joten putkipiireissä epäsymmetrinen kytkentä ei juurtunut [20] [24] .
Sitä vastoin 1960-luvun transistoritehovahvistinpiiristöä hallitsi Linin [20] [25] yksipäinen vahvistinpiiri . Toisaalta se mahdollisti muuntajaliitännästä luopumisen korvaamalla sen joko kapasitiivisella kytkimellä tai suoralla kytkennällä kuormaan; Toisaalta 1950-luvulla teollisuus tuotti vain suuritehoisia pnp-transistoreja [26] . 1960-luvun puolivälissä ne korvattiin tehokkaammilla ja luotettavammilla piitransistoreilla, mutta jo npn-rakenteilla, ja vasta 1960-luvun lopulla Yhdysvaltain teollisuus hallitsi komplementaaristen pnp-transistorien valmistuksen [20] [26] . 1970-luvun loppuun mennessä diskreettien transistoreiden lineaarisen UMZCH:n suunnittelijat siirtyivät komplementaariseen piiriin [27] , ja kvasikomplementaarista piiriä käytetään edelleen integroitujen tehovahvistimien lähtöasteessa ( TDA7294 , LM3886 ja niiden lukuisat toiminnalliset analogit ). ) ja D-luokan vahvistimissa [28] .
Yhden epäsymmetrisen piirin aktiivisen laitteen korvaaminen komplementtityyppisellä laitteella muuttaa piirin komplementaariseksi. Jos valituilla lähtötransistoreilla ("komplementaarisia lamppuja" ei ole [29] ) on samat dynaamiset ominaisuudet koko käyttövirtojen, jännitteiden ja taajuuksien alueella, niin tällainen piiri toistaa positiiviset ja negatiiviset tulojännitteet symmetrisesti (epäsymmetria on väistämätön todellisissa vahvistimissa, erityisesti lähtötransistorien taajuusalueen ylärajalla). Tulon vaihejakajaa ei enää tarvita: molempien käsivarsien kannalle tai hilalle syötetään sama AC-signaalijännite (yleensä jollain vakiojännitepoikkeamalla, joka asettaa lähtötransistorien toimintatilan) [30] [31] .
Täydentävät piirin bipolaaritransistorit voivat toimia missä tahansa kolmesta perusmoodista ( OK , OE tai OB ) [30] [31] . Pienresistanssilla toimivissa tehovahvistimissa bipolaariset transistorit on yleensä kytketty yhteisen kollektoripiirin mukaan (komplementaarinen emitteriseuraaja , kuvassa), kenttätransistorit - yhteisen nielupiirin (lähdeseuraajan) mukaan [32 ] . Tällainen kaskadi vahvistaa virtaa ja tehoa, mutta ei jännitettä. On myös yleistä kytkeä transistorit päälle piirin mukaan, jossa on yhteinen emitteri tai yhteinen lähde - näin on järjestetty CMOS -puskurivahvistimet . Tässä versiossa komplementaarinen kaskadi vahvistaa sekä virtaa, jännitettä että tehoa [31] . Molempia vaihtoehtoja käytetään operaatiovahvistimien lähtöasteessa : seuraajat tarjoavat parhaan suorituskyvyn ja yhteisemitteripiirit tarjoavat suurimman lähtöjännitteen heilahtelun [33] [34] .
Harmonisen signaalin yksitahtivahvistimen teoreettinen rajoittava tehokkuus (COP) tilassa A , joka on saavutettavissa vain puhtaasti aktiivisella kuormalla toimivalla muuntajaliitännällä , on 50 % [35] . Todellisissa yksipäisissä transistoreihin perustuvissa vahvistimissa saavutetaan noin 30% hyötysuhde, putkivahvistimissa noin 20% - eli jokaista maksimilähtötehon wattia kohden vahvistin kuluttaa 3 ... 5 W lähteestä [ 36] . Kuormaan siirretyn tehon todellinen määrä ei käytännössä vaikuta tehonkulutukseen: jälkimmäinen alkaa kasvaa vasta kaskadin ylikuormittuessa [2] . Muuntajattomissa vahvistimissa tehokkuus on huomattavasti huonompi; tavanomaisen aktiivisesti kuormitetun emitteriseuraajan pahimmassa tapauksessa lopullinen teoreettinen hyötysuhde on vain 6,25 % [37] .
Yksipäisen seuraajan korvaaminen push-pull-seuraimella tilassa A, joka toimii samalla lepovirralla ja kuluttaa saman, suunnilleen vakion tehon virtalähteestä, lisää maksimilähtötehoa nelinkertaiseksi ja lopullista hyötysuhdetta kasvaa. 50 prosenttiin [38] . Push-pull-seuraajan kytkeminen tilaan B nostaa teoreettisen rajoitushyötysuhteen 87,5 %:iin [39] [40] . Maksimilähtötehoa tilassa B rajoittavat vain transistorien turvallinen toiminta-alue, syöttöjännite ja kuormitusvastus [2] . Portaan käyttämä teho tilassa B on suoraan verrannollinen lähtöjännitteeseen [41] . Teoreettinen hyötysuhde 87,5 % saavutetaan maksimiteholla; sen pienentyessä hyötysuhde pienenee vähitellen ja suhteelliset tehohäviöt transistoreissa kasvavat vähitellen [41] . Myös transistorien absoluuttiset tehohäviöt kasvavat ja saavuttavat tasaisen maksimin välitehojen alueella, kun lähtöjännitteen huippuarvo on noin 0,4 ... 0,8 mahdollisesta maksimiarvosta [41] [42] .
Todellisissa vahvistimissa riippuvuuden laadullinen luonne säilyy, mutta häviöiden osuus kasvaa ja tehokkuusarvot laskevat. Joten matalataajuisen vahvistimen lähtöaste, joka on suunniteltu 100 W:n lähtöteholle 8 ohmin kuormalla, haihduttaa noin 40 W maksimiteholla (hyötysuhde noin 70 %). Kun lähtöteho puolitetaan 50 W:iin, transistoreiden tehohäviöt kasvavat samaan 50 W:iin (50 % hyötysuhde) [43] . Absoluuttisten tehohäviöiden merkittävä väheneminen havaitaan vain, kun lähtöteho laskee alle 10 W [43] .
Kaikille push-pull-piireille on ominaista tasaisten harmonisten osuuden väheneminen epälineaaristen vääristymien spektrissä [44] . Yksittäisten transistorien tai tyhjiötriodien synnyttämissä vääristymissä kvasilineaarisessa tilassa [comm. 1] , kunnes siirtyminen ylikuormitustilaan, toinen harmoninen hallitsee [46] . Kun kaksi lamppua tai transistoria kytketään push-pull-tilaan, niiden synnyttämä toinen, neljäs ja niin edelleen yliaalto kumoaa toisensa [44] [47] . Ihanteellisissa symmetrisissä kaskadeissa parilliset harmoniset vaimentuvat kokonaan, signaalin negatiivisten ja positiivisten puoliaaltojen muodon vääristymät ovat tiukasti symmetrisiä ja särön spektri koostuu yksinomaan parittomista harmonisista [44] . Todellisissa push-pull-kaskadeissa täydellistä symmetriaa ei voida saavuttaa, joten jopa harmonisia havaitaan myös säröspektreissä [44] . Yliaaltojen jakautuminen voi riippua sekä signaalin tasosta että sen taajuudesta, esimerkiksi komplementaarisen parin pnp- ja npn-transistorien rajataajuuksien erosta johtuen [48] .
Parittomien yliaaltojen vallitsevuus osoittaa kaskadin siirtokertoimen riippuvuuden tulosignaalin amplitudista: suurilla amplitudeilla siirtokerroin poikkeaa huomattavasti lasketusta [49] . Kun tulosignaali kasvaa, vahvistus voi aluksi kasvaa, mutta väistämättä pienenee suurilla signaaleilla. Kertoimen aleneminen (kompressio) tietyllä arvolla, esimerkiksi 1 dB , ja toimii kriteerinä kaskadin ylikuormitukselle [50] .
Push-pull-piirit, jotka toimivat tiloissa B ja AB [comm. 2] , generoivat erityisiä epälineaarisia kytkentäsäröjä (tai yhdistelmä [4] ) vääristymiä, kun signaali kulkee nollan kautta [4] . Pienten lähtöjännitteiden alueella, kun yksi transistori on irrotettu kuormasta ja toinen on kytketty siihen, kaskadin lineaarinen siirtoominaisuus on katkoviiva , jossa on kaksi mutkaa tai katkosta. Pahimmassa tapauksessa, kun kaksi transistoria tai kaksi lamppua [57] toimii nollalla lepovirroilla, molemmat transistorit sammuvat nollan läheisyydessä, siirtokerroin putoaa nollaan ja lähtösignaalin aaltomuodossa havaitaan "askel". Negatiivinen takaisinkytkentä ei voi tehokkaasti estää tällaisia vääristymiä, koska ongelma-alueella vahvistin on itse asiassa irrotettu kuormasta [40] .
Kytkentäsärö on erityisen ei-toivottavaa, kun vahvistetaan äänitaajuuksia. Kytkentäsäröjen näkyvyyden kynnys, joka ilmaistaan epälineaarisen vääristymäkertoimen mittausmenetelmän mukaisesti, on vain 0,0005 % (5 ppm ) [58] . Kuuloherkkyys johtuu sekä erityisestä, luonnottomasta kytkentäsäröjen kirjosta että niiden tason epäluonnollisesta riippuvuudesta tehosta tai subjektiivisesti havaitusta äänenvoimakkuudesta: lähtötehon pienentyessä epälineaarinen särökerroin ei pienene, vaan kasvaa [42 ] .
Ainoa tapa eliminoida kytkentäsäröjen syntyminen on kytkeä porras puhtaaseen tilaan A, mikä on käytännössä mahdotonta [59] [60] . Kytkentäsäröä voidaan kuitenkin vähentää merkittävästi asettamalla vain pieni vakio lepovirta pääteasteeseen [60] . Tämän virran arvon tulisi sulkea pois transistorien samanaikainen irrottaminen kuormasta, kun taas alueen, jossa molemmat transistorit on kytketty kuormaan, tulisi olla mahdollisimman kapea. Käytännössä suunnittelijat asettavat bipolaaristen transistorien lepovirrat tasolle 10-40 mA kullekin laitteelle; MIS-transistoreiden optimaaliset virrat ovat huomattavasti korkeammat, 20 - 100 mA laitetta kohden [57] . Mahdollisuus kasvattaa edelleen lepovirtoja, mikä laajentaa tilan A peittoaluetta, riippuu valitusta kaskadin topologiasta [57] . Se voidaan perustella kaskadeissa, jotka perustuvat bipolaarisiin transistoreihin, joissa on yhteinen emitteri [57] . Push-pull-emitteriseuraajissa sitä päinvastoin tulisi välttää: lepovirran kasvu ei vähennä, vaan pahentaa kytkentäsäröjä [57] .
Elektronit ja niiden toiminnan periaate Kaikki elektronit ja antihiukkaset syntyvät lämpöaalloista, kun erinopeuksiset ja -taajuiset lämpöaallot liikkuvat limittäin toisiaan, minkä seurauksena niistä syntyy elektroneja, jotka kaikki liikkuvat aina eri nopeuksilla. Elektronit eivät voi liikkua vakionopeudella, valon nopeudella, joten kun elektronit menettävät nopeudensa missä tahansa atomissa, katoavat tästä atomista, niiden paikat atomissa ottavat muut elektronit, joilla on sama nopeus kuin poistuivat atomeista. Entisen nopeudensa menettäneistä elektroneista syntyy erilaisia atomeja. Koska elektronit liikkuvat aina korkean lämpötilan lähteestä sinne, missä lämpötila on alhaisempi, elektronisten tyhjiöputkien toiminta perustuu tähän vaikutukseen, kun katodi on kuumennetaan, tutkitaan lämpöaaltoja, joista syntyy lämpöaaltoja jatkuvasti anodia kohti liikkuvia elektroneja.Tästä syystä elektronien liikkuminen anodilta katodille on mahdotonta.