Push-pull-kaskade ( sæt. push-pull-kredsløb , push- pull-kaskade fra engelsk push-pull - pull ) - elektronisk forstærkerkaskade , bestående af to modstyrede aktive enheder [1] - lamper , transistorer , sammensatte transistorer eller mere komplekse kredsløbsenheder. Forstærkningen af indgangssignaleffekten fordeles mellem de to arme af kaskaden på en sådan måde , at når indgangssignalet stiger, stiger strømmen kun i den ene af armene; når indgangssignalet falder, øges strømmen i den modsatte arm [1] . Kaskader, hvor effektforstærkningen af stigende og faldende signaler er tildelt en enkelt aktiv enhed, kaldes single-cycle .
Push-pull-kredsløbet dominerer kredsløbet af CMOS- og N-MOS- logikker , udgangstrin for operationsforstærkere , lydfrekvenstransistoreffektforstærkere . Det giver dig mulighed for at bygge økonomiske elektroniske kontakter og lineære effektforstærkere, der fungerer i AB- eller B-tilstande med en relativt høj effektivitet og relativt lav ikke- lineær forvrængning . Ved forstærkning af vekselstrøm overfører to aktive enheder af en sådan forstærker ("øvre og nedre" eller "venstre og højre") strøm til belastningen skiftevis. De lige harmoniske forvrængninger, der er karakteristiske for alle forstærkningsenheder, undertrykkes, og de ulige forværres tværtimod . Derudover genererer push-pull-trinnet, når belastningsstyringen overføres fra en aktiv enhed til en anden, koblingsforvrængninger af udgangssignalet.
Den enkleste lineære push-pull-kaskade - en komplementær emitterfølger i mode B - er dannet af den modsatte forbindelse af to emitterfølgere på npn-transistorer (overarm) og pnp-strukturer (underarm) [2] . Ved nul styrespænding er begge transistorer lukkede, belastningsstrømmen er nul [3] . Når transistor-tændingstærsklen overskrides, ca. +0,5 V, åbner den øvre (npn) transistor jævnt og forbinder den positive strømskinne til belastningen. Med en yderligere stigning i styrespændingen gentager udgangsspændingen indgangsspændingen med et skift på 0,5 ... 0,8 V, den nederste transistor forbliver lukket. På samme måde åbner den nederste (pnp) transistor ved negative styrespændinger og forbinder belastningen med den negative strømskinne, mens den øverste forbliver lukket [3] . I området med lave styrespændinger, når begge transistorer er lukkede, observeres karakteristiske koblingsforvrængninger af den trinformede signalbølgeform [4] .
Den enkleste tast push-pull kaskade fungerer på samme måde, men anderledes - CMOS logisk inverter . Inverter-FET'erne fungerer i common-source mode, så de både forstærker og inverterer indgangsspændingen [5] . Den øvre p-type transistor i kredsløbet åbner med et lavt logisk niveau og transmitterer et højt logisk niveau til udgangen, den nedre transistor åbner med et logisk højt niveau og transmitterer et lavt niveau til udgangen og skifter belastningen til den lavere effekt skinne [6] [7] . Transistorkoblingstærskler er valgt på en sådan måde, at begge transistorer garanteres at være åbne i midten af intervallet mellem høje og lave inputniveauer - dette fremskynder koblingen på bekostning af ubetydelige effekttab under et kortvarigt gennemstrømsflow [ 6] . I stabile tilstande af logisk nul og logisk et er kun en af de to transistorer åben, og den anden er lukket [7] . Den typiske belastning af et logisk element er portene for andre logiske elementer, så dets transistorer overfører kun strøm til belastningen, når de skifter. Efterhånden som belastningskapacitanserne genoplades, falder udgangsstrømmen til nul, men en af de to transistorer forbliver åben [6] .
Push-pull kaskader kan udføres i henhold til andre skemaer, forstærke direkte eller vekselspænding eller strøm, arbejde på aktiv eller reaktiv belastning , de kan være inverterende eller ikke-inverterende. Fælles for alle konfigurationer er anti-fase princippet : med stigende styrespænding stiger strømmen kun i en af kredsløbets to arme; når styrespændingen falder, stiger strømmen i den anden, modsatte arm [1] . Kredsløbets opførsel i en statisk tilstand, i det generelle tilfælde, er ikke defineret - kun dets reaktion på en ændring i inputsignalet er vigtig [1] . I visse grene af elektronik og i historisk, forældet litteratur kan der også findes snævrere private definitioner:
I lampekredsløb svarer begrebet et udgangstrin bogstaveligt til begrebet et "forstærkningstrin" ("et forstærkningstrin, en radioteknisk enhed, der indeholder et forstærkerelement, et belastningskredsløb, kommunikationskredsløb med de foregående eller efterfølgende trin" [ 13] ). I denne fortolkning fungerer en enkelt aktiv enhed i hver arm af push-pull-udgangstrinnet. Det kan være en enkelt lampe eller en gruppe af lamper forbundet parallelt [11] , men som regel var der ikke tale om at skifte lamper i serie inde i en kaskade. En lignende tilgang bruges også i transistorkredsløb af RF-effektforstærkere.
I transistoriseret lydeffektforstærkerkredsløb er simple kaskader på den anden side sjældne. To-transistor bipolære udgangstrin er kun operative i relativt lavstrøms enheder, og for at matche de mellemliggende forstærkningstrin med en lav-modstandsbelastning, skal mindst to strømforstærkningstrin forbindes i serie. I praksis kan hvert ben af et push-pull-udgangstrin have to til fire "kaskader inden for et trin". Transistorerne, der udgør disse toere, treere og firere, er dækket af lokale tilbagekoblinger og betragtes normalt som et kompleks. De enkleste tilfælde af sådanne komplekser er Darlington-par og Shiklai-par . Ud over dem bruges i praksis mindst syv [14] bipolære "tripler" ("triple" Quad 303, "triple" Bryston og så videre), fire-trins emitterfølgere og "firere" Bryston [15] , hvilket er beskyttet mod overstrøm eller strøm af yderligere aktive kredsløb. Disse kredsløb som helhed kaldes udgangstrin, og deres interne dele, hvis det overhovedet giver mening at skille dem ud, betragtes som etaper af udgangstrinnet.
En push-pull kaskade kan bygges efter en af tre grundlæggende skemaer. Alle tre topologier er varianter af et halvbroskema til at forbinde belastningen til to aktive enheder og en eller to strømforsyninger [16] . Symmetriske og asymmetriske (kvasi-komplementære) indeslutninger kan implementeres på alle typer aktive enheder, komplementære - kun på par af transistorer med modsatte (komplementære) typer af ledningsevne.
I et symmetrisk kredsløb er to identiske aktive enheder forbundet parallelt med hinanden i jævnstrøm: den totale hvilestrøm , der forbruges af kaskaden ved nul-indgangssignal, er opdelt i to lige store dele, der strømmer gennem venstre og højre arm af forstærkeren [17 ] . Spændingen af det forstærkede signal påføres kontrolelektroden på den inverterende (venstre i henhold til skemaet) arm, og dens spejlkopi, dannet af en ekstern fasesplitter , føres til inverteringens indgang (til højre i henhold til skemaet ) arm [17] . Med en positiv signalspænding stiger strømmen af den inverterende arm, strømmen af den ikke-inverterende arm falder. For at overføre disse strømændringer til belastningen er aktive enheder inkluderet i de nedre arme af H-brokredsløbet, og strømmene af broens overarme er fastgjort på den ene eller anden måde. Forskellen mellem strømmene af broens øvre og nedre arme lukkes gennem belastningen, der tændes af broens "tværstang".
I rollen som de øvre arme af den H-formede bro, for eksempel, kan induktorer tjene , hvis impedans i hele driftsfrekvensområdet er væsentligt højere end belastningsmodstanden, og jævnstrømsmodstanden er relativt lille. Det er endnu mere bekvemt at bruge en transformer med et tap fra midtpunktet af primærviklingen [18] . Transformatorkobling giver dig mulighed for at matche de relativt store interne modstande af rigtige lamper og transistorer med lave modstande af reelle belastninger - højttalere , elektriske motorer , antenner , kabellinjer [17] , men dens hovedopgave er at skifte anti-fase udgangsstrømme til en fælles belastning [18] . Det var transformatorkredsløbet, udviklet af RCA i 1923 [19] , der var det vigtigste inden for rørkredsløb, og "symmetrisk kobling" var faktisk et synonym for en push-pull-kaskade [17] . Ifølge dette skema blev de første transistorforstærkere bygget, og der bygges fortsat transistorforstærkere med radiofrekvenser med særlig høj effekt [20] [18] . Andre fordele ved transformatorkredsløbet er høj effektivitet og højt udgangseffektniveau i tilstand B, symmetrisk gengivelse af positive og negative indgangsspændinger, undertrykkelse af ulige harmoniske, simpelt design af en unipolær strømforsyning, relativ ufølsomhed over for spredningen af hvilestrømme på to arme [20] [18] [17] . Ulemperne er den begrænsede båndbredde og faseforvrængning af rigtige transformere, som begrænser muligheden for at bruge feedback , og den fundamentale umulighed at overføre jævnstrøm til belastningen [20] [18] .
Det symmetriske push-pull-trin ligner differentialspændingsforstærkningstrinnet , som også er en variant af det parallelle halvbro-kredsløb [21] . Den samlede strøm af de to arme af differentialtrinnet er begrænset af en stabil strømkilde i det fælles emitter-, kilde- eller katodekredsløb, hvilket udelukker muligheden for effektforstærkning i økonomitilstand B.
Et alternativ til en symmetrisk bro er en bro, hvor identiske aktive enheder er forbundet til den øverste venstre og nederste venstre arm, og strømforsyninger til de højre arme. En fælles hvilestrøm løber gennem begge aktive enheder, det vil sige, at aktive enheder er forbundet i serie med jævnstrøm [22] . Den øvre lampe (transistor) i henhold til skemaet er forbundet med belastningen af katoden (emitter, kilde) i henhold til skemaet for katoden ( emitter , kilde) følger af inputsignalet. Lampen (transistoren) nederst i kredsløbet er forbundet til belastningen ved hjælp af anoden (kollektor, kilde) og fungerer som en inverterende forstærker med en fælles katode ( med en fælles emitter , med en fælles kilde) [23] . De interne modstande og forstærkninger af lamperne (transistorer) i disse tilstande er fundamentalt forskellige, hvorfor en sådan bro kaldes asymmetrisk. Valget af forforstærkningskoefficienterne for indgangssignalerne, der kommer ind i de øvre og nedre arme af udgangstrinnet, kompenserer kun delvist for denne asymmetri: rigtige forstærkere kræver dyb negativ feedback . Kredsløbet er følsomt over for spredningen af de to armes hvilestrømme, og arrangementet af forspændingskredsløb, der indstiller disse strømme, er relativt kompliceret. I rørforstærkere forværres problemet af begrænsningen af den maksimalt tilladte varmelegeme-katodespænding, derfor slog asymmetrisk kobling ikke rod i rørkredsløb [20] [24] .
I modsætning hertil var transistoreffektforstærkerkredsløbet i 1960'erne domineret af Lins [20] [25] single-ended forstærkerkredsløb . På den ene side gjorde det det muligt at opgive transformatorforbindelsen og erstatte den med enten kapacitiv kobling eller direkte forbindelse til belastningen; på den anden side producerede industrien i 1950'erne kun pnp højeffekttransistorer [26] . I midten af 1960'erne blev de erstattet af kraftigere og mere pålidelige siliciumtransistorer, men allerede npn-strukturer, og først i slutningen af 1960'erne mestrede den amerikanske industri produktionen af komplementære pnp-transistorer [20] [26] . I slutningen af 1970'erne skiftede designerne af lineær UMZCH på diskrete transistorer til et komplementært kredsløb [27] , og det kvasi-komplementære kredsløb bruges stadig i udgangstrinene af integrerede effektforstærkere ( TDA7294 , LM3886 og deres talrige funktionelle analoger ) og klasse D forstærkere [28] .
Udskiftning af en af de aktive enheder i et ubalanceret kredsløb med en enhed af en komplementær type gør kredsløbet til et komplementært. Hvis de valgte typer udgangstransistorer ("komplementære lamper" ikke eksisterer [29] ) har de samme dynamiske egenskaber over hele området af driftsstrømme, spændinger og frekvenser, så reproducerer et sådant kredsløb positive og negative indgangsspændinger symmetrisk (asymmetri er uundgåeligt i rigtige forstærkere, især på den øvre grænse for udgangstransistorernes frekvensområde). Indgangsfasesplitteren er ikke længere nødvendig: den samme AC-signalspænding påføres baserne eller portene på begge arme (normalt med en konstant spændingsforskydning, der indstiller driftstilstanden for udgangstransistorerne) [30] [31] .
Bipolære komplementære kredsløbstransistorer kan fungere i enhver af de tre grundlæggende tilstande ( OK , OE eller OB ) [30] [31] . I effektforstærkere, der opererer på en lav-modstandsbelastning, er bipolære transistorer normalt forbundet i henhold til et fælles kollektorkredsløb (komplementær emitterfølger , vist på illustrationen), felteffekttransistorer - ifølge et fælles drænkredsløb (kildefølger) [32 ] . En sådan kaskade forstærker strøm og effekt, men ikke spænding. Det er også almindeligt at tænde transistorer i henhold til et kredsløb med en fælles emitter eller en fælles kilde - sådan er CMOS bufferforstærkere arrangeret . I denne version forstærker den komplementære kaskade både strøm, spænding og effekt [31] . Begge muligheder bruges i udgangstrinene for operationsforstærkere : følgere giver den bedste ydeevne, og fælles-emitter-kredsløb giver det højeste udgangsspændingssving [33] [34] .
Den begrænsende teoretiske effektivitet (COP) af en enkelt-cyklus forstærker af et harmonisk signal i mode A , som kun kan opnås med en transformerforbindelse med en rent aktiv belastning, er 50 % [35] . I rigtige single-endede forstærkere baseret på transistorer opnås en effektivitet på omkring 30%, i rørforstærkere omkring 20% - det vil sige for hver Watt af maksimal udgangseffekt, forbruger forstærkeren 3 ... 5 W fra kilden [ 36] . Den faktiske mængde strøm, der overføres til belastningen, har praktisk talt ingen effekt på strømforbruget: sidstnævnte begynder kun at stige, når kaskaden er overbelastet [2] . I transformerløse forstærkere er effektiviteten mærkbart dårligere; i det værste tilfælde af en konventionel aktiv-loadet emitterfølger er den ultimative teoretiske effektivitet kun 6,25% [37] .
Udskiftning af en single-ended follower med en push-pull follower i tilstand A, der kører med den samme hvilestrøm og forbruger den samme, omtrent konstante, strøm fra strømforsyningen, øger den maksimale udgangseffekt med fire gange og den ultimative effektivitet op til 50 % [38] . Skift af en push-pull følger til mode B øger den teoretiske begrænsningseffektivitet til 87,5 % [39] [40] . Den maksimale udgangseffekt i tilstand B er kun begrænset af det sikre operationsområde for transistorerne, forsyningsspænding og belastningsmodstand [2] . Den effekt, der forbruges af trinnet i tilstand B, er direkte proportional med udgangsspændingen [41] . En teoretisk virkningsgrad på 87,5 % opnås ved maksimal effekt; med dets fald falder effektiviteten gradvist, og de relative effekttab på transistorerne stiger gradvist [41] . De absolutte tab af effekt, der spredes af transistorer, stiger også og når et fladt maksimum i området for mellemeffekter, når spidsværdien af udgangsspændingen er cirka 0,4 ... 0,8 af det maksimalt mulige [41] [42] .
I rigtige forstærkere er den kvalitative karakter af afhængigheden bevaret, men andelen af tab stiger, og effektivitetsværdierne falder. Så udgangstrinnet på en lavfrekvent forstærker , designet til en udgangseffekt på 100 W ved en belastning på 8 ohm, spreder cirka 40 W ved maksimal effekt (en effektivitet på omkring 70%). Når udgangseffekten halveres til 50 W, øges effekttabene i transistorerne til de samme 50 W (50 % effektivitet) [43] . Et signifikant fald i absolutte effekttab observeres kun, når udgangseffekten falder til under 10 W [43] .
Et træk ved alle push-pull-kredsløb er den reducerede andel af lige harmoniske i spektret af ikke-lineære forvrængninger [44] . I forvrængninger genereret af enkelte transistorer eller vakuumtrioder i en kvasi-lineær tilstand [komm. 1] , indtil overgangen til overbelastningstilstanden, dominerer den anden harmoniske [46] . Når to lamper eller transistorer er tændt for push-pull, ophæver den anden, fjerde og så videre harmoniske, der genereres af dem, hinanden [44] [47] . I ideelt symmetriske kaskader er selv harmoniske fuldstændigt undertrykt, forvrængninger af formen af de negative og positive halvbølger af signalet er strengt symmetriske, og forvrængningsspektret består udelukkende af ulige harmoniske [44] . I rigtige push-pull kaskader kan fuld symmetri ikke opnås, derfor observeres selv harmoniske også i forvrængningsspektrene [44] . Fordelingen af harmoniske kan afhænge både af signalniveauet og dets frekvens, for eksempel på grund af forskellen i afskæringsfrekvenser for pnp- og npn-transistorer i et komplementært par [48] .
Overvægten af ulige harmoniske angiver kaskadeoverførselskoefficientens afhængighed af indgangssignalets amplitude: ved store amplituder afviger overførselskoefficienten mærkbart fra den beregnede [49] . Med en stigning i indgangssignalet kan forstærkningen til at begynde med stige, men falder uundgåeligt ved store signaler. Faldet (komprimeringen) af koefficienten med en indstillet værdi, for eksempel med 1 dB , og tjener som et kriterium for overbelastning af kaskaden [50] .
Push-pull kredsløb, der fungerer i tilstandene B og AB [komm. 2] , generere specifikke ikke-lineære switching (eller kombinationsmæssige [4] ) forvrængninger, når signalet passerer gennem nul [4] . I området med lave udgangsspændinger, når en transistor er afbrudt fra belastningen, og den anden er forbundet til den, har kaskadens lineære overføringskarakteristik form af en brudt linje med to bøjninger eller brud. I værste fald, når to transistorer eller to lamper [57] arbejder med nul hvilestrømme, slukker begge transistorer i nærheden af nul, overførselskoefficienten falder til nul, og et "trin" observeres på udgangssignalets bølgeform. Negativ feedback kan ikke effektivt undertrykke sådanne forvrængninger, da forstærkeren i problemområdet faktisk er afbrudt fra belastningen [40] .
Skiftende forvrængning er især uønsket ved forstærkning af lydfrekvenser. Skiftende forvrængningssynlighedstærskel, udtrykt i henhold til standardmetoden til måling af koefficienten for ikke-lineær forvrængning, er kun 0,0005% (5 ppm ) [58] . Hørefølsomhed skyldes både et særligt, unaturligt spektrum af skifteforvrængninger og en unaturlig afhængighed af deres niveau af effekt eller subjektivt opfattet lydstyrke: med et fald i udgangseffekten falder den ikke-lineære forvrængningsfaktor ikke, men stiger [42 ] .
Den eneste måde at eliminere genereringen af omskiftningsforvrængninger på er at skifte scenen til ren tilstand A, hvilket normalt er umuligt i praksis [59] [60] . Koblingsforvrængning kan dog reduceres væsentligt ved kun at indstille en lille konstant hvilestrøm for udgangstrinnet [60] . Værdien af denne strøm bør udelukke den samtidige frakobling af transistorer fra belastningen, mens området, hvor begge transistorer er forbundet med belastningen, skal være så smalt som muligt. I praksis indstiller designere hvilestrømmene for bipolære transistorer på et niveau på 10 til 40 mA for hver enhed; de optimale strømme af MIS-transistorer er mærkbart højere, fra 20 til 100 mA pr. enhed [57] . Muligheden for yderligere at øge de hvilende strømme, hvilket udvider dækningsområdet for tilstand A, afhænger af den valgte topologi af kaskaden [57] . Det kan begrundes i kaskader baseret på bipolære transistorer med en fælles emitter [57] . I push-pull emitterfølgere skal det tværtimod undgås: en stigning i hvilestrømmen reducerer ikke, men forværrer switching forvrængninger [57] .
Elektroner og princippet om deres virkning Alle elektroner og antipartikler skabes af termiske bølger, når termiske bølger med forskellige hastigheder og frekvenser bevæger sig, overlapper hinanden, som et resultat af, at elektroner opstår fra dem, som alle altid bevæger sig med forskellig hastighed. Elektroner kan ikke bevæge sig med konstant hastighed, med lysets hastighed, derfor, når elektroner mister deres hastighed, mens de er i et atom, forsvinder fra dette atom, bliver deres pladser i atomet taget af andre elektroner, som har samme hastighed som elektronerne, der forladt atomerne Ud fra elektroner, der har mistet deres tidligere hastighed, dannes forskellige atomer. Da elektroner altid bevæger sig fra en kilde med høj temperatur til, hvor temperaturen er lavere, er driften af elektroniske vakuumrør baseret på denne effekt, når katoden er opvarmet, studerer varmebølger, hvorfra der dannes varmebølger, elektroner, der konstant bevæger sig mod anoden.Det er af denne grund, at bevægelsen af elektroner fra anoden til katoden er umulig.