Push-pull-utgång
.png)
En push-pull- förstärkare är en typ av elektronisk krets som använder ett par aktiva enheter som växelvis levererar ström till eller absorberar ström från en ansluten last. Denna typ av förstärkare kan förbättra både belastningskapaciteten och kopplingshastigheten.
Push-pull-utgångar finns i TTL- och CMOS - digitala logiska kretsar och i vissa typer av förstärkare , och realiseras vanligtvis av ett komplementärt par transistorer , varvid en avleder eller sjunker ström från belastningen till jord eller en negativ strömförsörjning, och den andra mata eller hämta ström till lasten från en positiv strömkälla.
En push-pull-förstärkare är mer effektiv än en ensidig " klass-A" -förstärkare. Uteffekten som kan uppnås är högre än den kontinuerliga dissipationen för antingen transistor eller rör som används ensam och ökar den tillgängliga effekten för en given matningsspänning. Symmetrisk konstruktion av de två sidorna av förstärkaren gör att jämna övertoner avbryts, vilket kan minska distorsion. Likström avbryts i utgången, vilket gör att en mindre utgångstransformator kan användas än i en ensidig förstärkare. Push-pull-förstärkaren kräver dock en fasdelande komponent som tillför komplexitet och kostnad till systemet; användning av centrumuttagstransformatorer för in- och utmatning är en vanlig teknik men lägger till vikt och begränsar prestandan . Om de två delarna av förstärkaren inte har identiska egenskaper, kan distorsion införas eftersom de två halvorna av ingångsvågformen förstärks ojämnt. Crossover-distorsion kan skapas nära nollpunkten för varje cykel när en enhet stängs av och den andra enheten går in i sitt aktiva område.
Push-pull-kretsar används ofta i många förstärkarutgångssteg. Ett par audionrör anslutna i push-pull beskrivs i Edwin H. Colpitts amerikanska patent 1137384 beviljat 1915, även om patentet inte specifikt gör anspråk på push-pull-anslutningen. Tekniken var välkänd på den tiden och principen hade hävdats i ett patent från 1895 som gick före elektroniska förstärkare. Möjligen den första kommersiella produkten som använde en push-pull-förstärkare var RCA Balanced-förstärkaren som släpptes 1924 för användning med deras Radiola III regenerativa sändningsmottagare. Genom att använda ett par lågeffekts vakuumrör i push-pull-konfiguration tillät förstärkaren användningen av en högtalare istället för hörlurar, samtidigt som den gav acceptabel batteritid med låg standby-strömförbrukning. Tekniken fortsätter att användas i ljud-, radiofrekvens-, digital- och kraftelektroniksystem idag.
Digitala kretsar
En digital användning av en push-pull-konfiguration är utdata från TTL och relaterade familjer. Den övre transistorn fungerar som en aktiv pull-up, i linjärt läge, medan den undre transistorn fungerar digitalt. Av denna anledning är de inte kapabla att hämta så mycket ström som de kan sjunka (vanligtvis 20 gånger mindre). På grund av hur dessa kretsar ritas schematiskt, med två transistorer staplade vertikalt, normalt med en nivåförskjutningsdiod emellan, kallas de " totempol "-utgångar.
En nackdel med enkla push-pull-utgångar är att två eller flera av dem inte kan kopplas samman, för om en försökte dra medan en annan försökte trycka, kan transistorerna skadas. För att undvika denna begränsning har vissa push-pull-utgångar ett tredje tillstånd där båda transistorerna är avstängda. I detta tillstånd sägs utsignalen vara flytande (eller, för att använda en egen term, tri-stated ).
Ett alternativ till push-pull-utgång är en enkel omkopplare som kopplar bort eller ansluter belastningen till jord (kallad öppen kollektor eller öppen avloppsutgång), eller en enkel strömbrytare som kopplar bort eller ansluter belastningen till strömförsörjningen (kallad öppen sändare). eller öppen källkod).
Analoga kretsar
Ett konventionellt förstärkarsteg som inte är push-pull kallas ibland single-ended för att skilja det från en push-pull-krets.
I analoga push-pull effektförstärkare arbetar de två utgångsenheterna i motfas (dvs 180° från varandra). De två motfasutgångarna är anslutna till lasten på ett sätt som gör att signalutgångarna adderas, men distorsionskomponenter på grund av icke-linjäritet i utgångsenheterna subtraheras från varandra; om icke-linjäriteten för båda utenheterna är likartad, reduceras distorsionen mycket. Symmetriska push-pull-kretsar måste avbryta övertoner med jämn ordning, som 2f, 4f, 6f och därför främja övertoner med udda ordning, som f, 3f, 5f när de drivs in i det olinjära området.
En push-pull-förstärkare producerar mindre distorsion än en ensidig. Detta gör att en av klass A eller AB kan ha mindre distorsion för samma effekt som samma enheter som används i single-end-konfiguration. Distorsion kan uppstå i det ögonblick som utgångarna växlar: "hand-off" är inte perfekt. Detta kallas crossover-distorsion. Klass AB och klass B avger mindre effekt för samma utgång än klass A; generell distorsion kan hållas låg genom negativ feedback , och crossover-distorsion kan reduceras genom att lägga till en "biasström" för att jämna ut hand-off.
En Push-Pull-förstärkare av klass B är mer effektiv än en effektförstärkare av klass A eftersom varje utenhet endast förstärker halva utsignalens vågform och avbryts under den motsatta halvan. Det kan visas att den teoretiska fulla effekteffektiviteten (växelström i belastning jämfört med förbrukad likström) för ett push-pull-steg är cirka 78,5 %. Detta kan jämföras med en klass-A-förstärkare som har en verkningsgrad på 25 % om den direkt driver lasten och inte mer än 50 % för en transformatorkopplad utgång. En push-pull-förstärkare drar lite ström med nollsignal, jämfört med en klass A-förstärkare som drar konstant ström. Effektförlusten i utgångsenheterna är ungefär en femtedel av förstärkarens märkeffekt. En klass-A-förstärkare måste däremot använda en enhet som kan avleda flera gånger uteffekten.
Förstärkarens utgång kan vara direktkopplad till belastningen, kopplad med en transformator eller kopplad via en likströmsblockerande kondensator. Där både positiva och negativa strömförsörjningar används, kan belastningen återföras till strömförsörjningens mittpunkt (jord). En transformator tillåter att en strömförsörjning med enkel polaritet används, men begränsar förstärkarens lågfrekventa respons. På liknande sätt kan en kondensator användas med en enda strömförsörjning för att blockera DC-nivån vid förstärkarens utgång.
Där bipolära övergångstransistorer används, måste förspänningsnätet kompensera för den negativa temperaturkoefficienten för transistorernas bas till emitterspänning. Detta kan göras genom att inkludera ett litet värdemotstånd mellan emitter och utgång. Drivkretsen kan också ha kiseldioder monterade i termisk kontakt med utgångstransistorerna för att ge kompensation.
Push-pull transistor slutsteg
_-_closeup_of_output_stage.jpg)
Kategorier inkluderar:
Transistor-utgångstransistoreffektförstärkare
Det är nu mycket sällsynt att använda utgångstransformatorer med transistorförstärkare, även om sådana förstärkare erbjuder den bästa möjligheten att matcha utgångsenheterna (med endast PNP eller endast NPN-enheter som krävs).
Totempåle push-pull slutsteg
Två matchade transistorer med samma polaritet kan arrangeras för att försörja motsatta halvor av varje cykel utan behov av en utgångstransformator, även om drivkretsen då ofta är asymmetrisk och en transistor kommer att användas i en gemensam-emitter-konfiguration medan den andra används som en sändarföljare . Detta arrangemang används mindre idag än under 1970-talet; det kan implementeras med få transistorer (inte så viktigt idag) men är relativt svårt att balansera och att hålla en låg distorsion.
Symmetrisk push-pull
Varje halva av utgångsparet "speglar" den andra, genom att en NPN (eller N-Channel FET ) anordning i ena halvan kommer att matchas av en PNP (eller P-Channel FET ) i den andra. Denna typ av arrangemang tenderar att ge lägre distorsion än kvasisymmetriska steg eftersom även övertoner upphävs mer effektivt med större symmetri.
Kvasi-symmetrisk push-pull
Tidigare när PNP-komplement av god kvalitet för NPN-kiseltransistorer med hög effekt var begränsade, var en lösning att använda identiska NPN-utgångsenheter, men matade från komplementära PNP- och NPN-drivkretsar på ett sådant sätt att kombinationen var nära att vara symmetrisk (men aldrig så bra som att ha symmetri genomgående). Distorsion på grund av felaktig förstärkning på varje halva av cykeln kan vara ett betydande problem.
Supersymmetriska slutsteg
Att använda en del duplicering i hela drivkretsen för att tillåta symmetriska drivkretsar kan förbättra matchningen ytterligare, även om drivrutinsasymmetri är en liten del av den distorsionsgenererande processen. Att använda ett bryggbundet lastarrangemang möjliggör en mycket större grad av matchning mellan positiva och negativa halvor, vilket kompenserar för de oundvikliga små skillnaderna mellan NPN- och PNP-enheter.
Square-law push-pull
Utmatningsenheterna, vanligtvis MOSFET:er eller vakuumrör , är konfigurerade så att deras kvadratiska överföringskarakteristika (som genererar andra-harmonisk distorsion om de används i en enkeländad krets) avbryter distorsion i stor utsträckning. Det vill säga, när en transistors gate-source spänning ökar, reduceras drivningen till den andra enheten med samma mängd och drain- (eller platt-)strömändringen i den andra enheten korrigerar ungefär för icke-linjäriteten i ökningen av den första .
Tryck-dragrör (ventil) slutsteg
Vakuumrör (ventiler) finns inte i komplementära typer (liksom pnp/npn-transistorer), så rör-push-pull-förstärkaren har ett par identiska utgångsrör eller grupper av rör med styrgallren drivna i motfas . Dessa rör driver ström genom de två halvorna av primärlindningen på en utgångstransformator med mittuttag. Signalströmmar adderas, medan distorsionssignalerna på grund av rörens icke-linjära karakteristiska kurvor subtraherar. Dessa förstärkare designades först långt före utvecklingen av elektroniska enheter i fast tillstånd; de används fortfarande av både audiofiler och musiker som anser att de låter bättre.
Vakuumrör push-pull-förstärkare använder vanligtvis en utgångstransformator, även om utgångstransformatorlösa (OTL) rörsteg finns (som SEPP/SRPP och White Cathode Follower nedan). Fasdelarsteget konstruktioner . är vanligtvis ett annat vakuumrör, men en transformator med en sekundärlindning med mittuttag användes ibland i vissa Eftersom dessa i huvudsak är kvadratiska enheter, gäller kommentarerna om distorsionsavstängning som nämnts ovan för de flesta push-pull-rörkonstruktioner när de används i klass A (dvs ingen av enheterna drivs till sitt icke-ledande tillstånd).
Ett Single Ended Push-Pull ( SEPP , SRPP eller mu-follower ) slutsteg, ursprungligen kallad Series-Balanced förstärkare (US patent 2 310 342, feb 1943). liknar ett totempolarrangemang för transistorer genom att två enheter är i serie mellan strömförsörjningsskenorna, men ingångsdrivningen går endast till en av enheterna, den nedre i paret; därav den (till synes motsägelsefulla) Single-Ended-beskrivningen. Utsignalen tas från katoden på den översta (ej direkt drivna) enheten, som verkar halvvägs mellan en konstant strömkälla och en katodföljare men som tar emot en del drivning från plattan (anod) kretsen på den nedre enheten. Drivningen till varje rör kanske därför inte är lika, men kretsen tenderar att hålla strömmen genom bottenanordningen något konstant genom hela signalen, vilket ökar effektförstärkningen och minskar distorsion jämfört med ett äkta enkelrörs enkeländsutgångssteg.
Den transformatorlösa kretsen med två tetroderör går tillbaka till 1933: "ANVÄNDNINGEN AV ETT VAKUUMRÖR SOM EN PLATSMATNINGSIMPEDANS." av JWHorton i Journal of the Franklin Institute 1933 volym 216 nummer 6
Den vita katodföljaren (patent 2 358 428, sep. 1944 av ELC White) liknar SEPP-designen ovan, men signalingången är till toppröret, fungerar som en katodföljare, men en där bottenröret (i vanlig katodkonfiguration) ) om den matas (vanligtvis via en step-up transformator) från strömmen i plattan (anod) på den översta enheten. Det vänder i huvudsak om rollerna för de två enheterna i SEPP. Bottenröret fungerar halvvägs mellan en konstant strömsänka och en jämlik partner i push-pull-arbetsbelastningen. Återigen, drivningen till varje rör kanske därför inte är lika.
Transistorversioner av SEPP och White follower finns, men är sällsynta.
Ultralinjär push-pull
En så kallad ultralinjär push-pull-förstärkare använder antingen pentoder eller tetroder med sitt skärmnät matat från en procentandel av primärspänningen på utgångstransformatorn. Detta ger effektivitet och distorsion som är en bra kompromiss mellan triod (eller triod-strappade ) effektförstärkarkretsar och konventionella pentod- eller tetrodutgångskretsar där skärmen matas från en relativt konstant spänningskälla.
Se även
- Ensidig triod
- Push-pull-omvandlare för mer information om implementering
- Öppna samlare