 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( ноябрь 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
.png)
Двухтактный усилитель представляет собой тип электронной схемы , которая использует пару активных устройств , которые поочередно подача тока или поглощать ток от, подключенной нагрузки. Такой усилитель может увеличить как нагрузочную способность, так и скорость переключения.
Двухтактные выходы присутствуют в цифровых логических схемах TTL и CMOS, а также в некоторых типах усилителей и обычно реализуются как пара дополнительных транзисторов , один из которых рассеивает или отводит ток от нагрузки к земле или отрицательному источнику питания, а другой Подача или источник тока нагрузки от положительного источника питания.
Двухтактный усилитель более эффективен, чем несимметричный усилитель класса A. Достигаемая выходная мощность выше, чем номинальное значение непрерывного рассеяния либо транзистора, либо лампы, используемой отдельно, и увеличивает доступную мощность для данного напряжения питания. Симметричная конструкция двух сторон усилителя означает, что гармоники четного порядка подавляются, что может уменьшить искажения. [1] Постоянный ток подавляется на выходе, что позволяет использовать выходной трансформатор меньшего размера, чем в несимметричном усилителе. Однако для двухтактного усилителя требуется компонент с разделением фазы, который увеличивает сложность и стоимость системы; использование трансформаторов с центральным отводомдля ввода и вывода - распространенный метод, но он увеличивает вес и ограничивает производительность. Если две части усилителя не имеют идентичных характеристик, могут возникнуть искажения, поскольку две половины входной волны усиливаются неравномерно. Перекрестное искажение может быть создано около нулевой точки каждого цикла, когда одно устройство отключается, а другое устройство входит в свою активную область.
Двухтактные схемы широко используются во многих выходных каскадах усилителей. Пара звуковых трубок, соединенных двухтактным соединением, описана в патенте США 1137384 Эдвина Х. Колпитса, выданном в 1915 году, хотя в патенте конкретно не говорится о двухтактном соединении. [2] Этот метод был хорошо известен в то время [3], и принцип был заявлен в патенте 1895 года, предшествовавшем электронным усилителям. [4] Возможно, первым коммерческим продуктом, использующим двухтактный усилитель, был сбалансированный усилитель RCA, выпущенный в 1924 году для использования с их регенеративным радиовещательным приемником Radiola III . [5] Используя пару маломощных вакуумных ламп в двухтактной конфигурации, усилитель позволил использовать громкоговоритель вместо наушников, обеспечивая при этом приемлемое время автономной работы при низком энергопотреблении в режиме ожидания. [6] Этот метод по-прежнему используется в аудио-, радиочастотных, цифровых системах и системах силовой электроники.
Цифровые схемы [ править ]
Цифровое использование двухтактной конфигурации является выходом TTL и родственных семейств. Верхний транзистор работает как активный подтягивающий в линейном режиме, а нижний транзистор работает в цифровом режиме. По этой причине они не могут обеспечивать такой ток, который может потреблять (обычно в 20 раз меньше). Из-за того, что эти схемы изображены схематично, с двумя транзисторами, расположенными вертикально, обычно с диодом, сдвигающим уровень между ними, их называют выходами « тотемного полюса ».
Недостатком простых двухтактных выходов является то, что два или более из них не могут быть соединены вместе, потому что, если один пытается тянуть, а другой пытается толкать, транзисторы могут быть повреждены. Чтобы избежать этого ограничения, некоторые двухтактные выходы имеют третье состояние, в котором оба транзистора выключены. В этом состоянии выходной сигнал называется плавающим (или, если использовать собственный термин, трехзначным ).
Альтернативой двухтактному выходу является одиночный переключатель, который подключает нагрузку либо к земле (так называемый выход с открытым коллектором или открытым стоком ), либо к источнику питания (так называемый выход с открытым эмиттером или открытым источником).
Аналоговые схемы [ править ]
Обычный каскад усилителя, который не является двухтактным, иногда называют несимметричным, чтобы отличить его от двухтактной схемы.
В аналоговых двухтактных усилителях мощности два выходных устройства работают в противофазе (т. Е. Разнесены на 180 °). Два противофазных выхода подключены к нагрузке таким образом, что выходные сигналы суммируются, но компоненты искажения из-за нелинейности выходных устройств вычитаются друг из друга; если нелинейность обоих устройств вывода одинакова, искажения значительно уменьшаются. Симметричные двухтактные схемы должны подавлять гармоники четного порядка, такие как f2, f4, f6, и, следовательно, способствовать гармоникам нечетного порядка, например (f1), f3, f5, при переходе в нелинейный диапазон.
Двухтактный усилитель производит меньше искажений, чем несимметричный. Это позволяет двухтактным усилителям класса A или AB иметь меньше искажений при той же мощности, что и те же устройства, используемые в несимметричной конфигурации. Класс AB и класс B рассеивают меньше мощности при той же мощности, чем класс A; Искажения можно поддерживать на низком уровне за счет отрицательной обратной связи и смещения выходного каскада для уменьшения кроссоверных искажений.
Двухтактный усилитель класса A более эффективен, чем усилитель мощности класса A, потому что каждое выходное устройство усиливает только половину формы выходного сигнала и обрезается на противоположной половине. Можно показать, что теоретический КПД при полной мощности (мощность переменного тока в нагрузке по сравнению с потребляемой мощностью постоянного тока) двухтактного каскада составляет примерно 78,5%. Это сравнимо с усилителем класса A, который имеет КПД 25% при прямом управлении нагрузкой и не более 50% для выхода с трансформаторной связью. [7] Двухтактный усилитель потребляет небольшую мощность при нулевом сигнале по сравнению с усилителем класса A, потребляющим постоянную мощность. Рассеиваемая мощность на выходных устройствах составляет примерно одну пятую номинальной выходной мощности усилителя. [7] Усилитель класса А, напротив, должен использовать устройство, способное в несколько раз рассеивать выходную мощность.
Выход усилителя может быть напрямую связан с нагрузкой, через трансформатор или через блокирующий конденсатор постоянного тока. Если используются как положительные, так и отрицательные источники питания, нагрузку можно вернуть к средней точке (земле) источников питания. Трансформатор позволяет использовать источник питания с одной полярностью, но ограничивает низкочастотную характеристику усилителя. Точно так же с одним источником питания можно использовать конденсатор для блокировки уровня постоянного тока на выходе усилителя. [8]
Если используются транзисторы с биполярным переходом, цепь смещения должна компенсировать отрицательный температурный коэффициент базы транзистора по отношению к напряжению эмиттера. Это можно сделать, включив резистор небольшого номинала между эмиттером и выходом. Кроме того, схема управления может иметь кремниевые диоды, установленные в тепловом контакте с выходными транзисторами для обеспечения компенсации.
Выходные каскады на двухтактных транзисторах [ править ]
Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . ( Ноябрь 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Категории включают:
Трансформаторные транзисторные усилители мощности [ править ]
В настоящее время очень редко используются выходные трансформаторы с транзисторными усилителями, хотя такие усилители предлагают наилучшие возможности для согласования выходных устройств (требуются только устройства PNP или только устройства NPN).
Двухтактные выходные каскады тотемного столба [ править ]
Два согласованных транзистора одинаковой полярности могут быть расположены для питания противоположных половин каждого цикла без необходимости в выходном трансформаторе, хотя при этом схема драйвера часто бывает асимметричной, и один транзистор будет использоваться в конфигурации с общим эмиттером, а другой используется как эмиттерный повторитель . Сегодня это устройство используется реже, чем в 1970-е годы; он может быть реализован с использованием небольшого количества транзисторов (сегодня это не так важно), но его относительно сложно сбалансировать и поддерживать низкий уровень искажений.
Симметричный двухтактный [ править ]
Каждая половина выходной пары «отражает» другую, в том смысле, что NPN (или N-канальный полевой транзистор ) в одной половине будет соответствовать PNP (или P-канальному полевому транзистору ) в другой. Этот тип компоновки имеет тенденцию давать меньшие искажения, чем квазисимметричные каскады, потому что даже гармоники подавляются более эффективно с большей симметрией.
Квазисимметричный двухтактный [ править ]
В прошлом, когда качественные дополнения PNP для высокомощных кремниевых транзисторов NPN были ограничены, обходным путем было использование идентичных выходных устройств NPN, но питаемых от дополнительных схем драйверов PNP и NPN таким образом, чтобы комбинация была близка к симметричной (но никогда не бывает так хорошо, как симметрия повсюду). Искажения из-за несоответствия усиления в каждой половине цикла могут быть серьезной проблемой.
Суперсимметричные выходные каскады [ править ]
Использование некоторого дублирования во всей схеме драйвера, чтобы обеспечить симметричные схемы управления, может еще больше улучшить согласование, хотя асимметрия драйвера составляет небольшую часть процесса генерации искажений. Использование мостовой схемы нагрузки обеспечивает гораздо большую степень согласования между положительной и отрицательной половинами, компенсируя неизбежные небольшие различия между устройствами NPN и PNP.
Двухтактный квадратный закон [ править ]
Выходные устройства, обычно полевые МОП-транзисторы или электронные лампы , сконфигурированы таким образом, что их квадратичные передаточные характеристики (которые генерируют искажения второй гармоники при использовании в несимметричной схеме) в значительной степени устраняют искажения. То есть, когда напряжение затвор-исток одного транзистора увеличивается, привод к другому устройству уменьшается на ту же величину, и изменение тока стока (или пластины) во втором устройстве приблизительно корректирует нелинейность увеличения первого. . [9]
Выходные каскады двухтактной трубки (клапана) [ править ]
Вакуумные лампы (клапаны) не доступны в дополнительных типах (как и pnp / npn транзисторы), поэтому двухтактный ламповый усилитель имеет пару идентичных выходных ламп или группы ламп с управляющими сетками, управляемыми в противофазе. Эти трубки пропускают ток через две половины первичной обмотки выходного трансформатора с центральным отводом. Сигнальные токи складываются, а сигналы искажения из-за нелинейных характеристических кривых ламп уменьшаются. Эти усилители были впервые разработаны задолго до появления твердотельных электронных устройств; они до сих пор используются как аудиофилами, так и музыкантами, которые считают, что они звучат лучше.
В двухтактных вакуумных ламповых усилителях обычно используется выходной трансформатор, хотя существуют ламповые каскады без выходного трансформатора (OTL) (такие как SEPP / SRPP и повторитель с белым катодом ниже). [ Требуется цитата ] Стадия делителя фазы обычно представляет собой другую вакуумную лампу, но в некоторых конструкциях иногда использовался трансформатор с вторичной обмоткой с центральным отводом. Поскольку это, по сути, устройства с квадратичным законом, упомянутые выше комментарии относительно подавления искажений применимы к большинству конструкций двухтактных трубок при работе в классе A (т. Е. Ни одно устройство не переводится в непроводящее состояние).
Несимметричные двухтактные ( SEPP , СРППЫ или мю-повторитель [10] ) выходной каскад, изначально называется Серия-Сбалансированный усилителем (патент США 2310342, февраль 1943). аналогична схеме с тотемными полюсами для транзисторов в том, что два устройства расположены последовательно между шинами питания, но входной привод идет только на одно из устройств,нижний из пары; отсюда (кажущееся противоречивым) одностороннее описание. Выходной сигнал снимается с катода верхнего (без прямого привода) устройства, которое частично действует между источником постоянного тока и катодным повторителем, но получает некоторый привод от пластинчатой (анодной) схемы нижнего устройства. Таким образом, мощность каждой лампы может быть разной, но схема стремится поддерживать постоянный ток через нижнее устройство на протяжении всего сигнала, увеличивая коэффициент усиления по мощности и уменьшая искажения по сравнению с истинным одноламповым несимметричным выходным каскадом.
Белый катодный повторитель (патент 2358428, сентябрь 1944 по ELC White) аналогичен конструкции SEPP выше, но входной сигнал к верхней трубе, выступающий в качестве катодного повторителя, но тот , где нижняя труба (в общей конфигурации катода ) при питании (обычно через повышающий трансформатор) от тока в пластине (аноде) верхнего устройства. По сути, это меняет роли двух устройств в SEPP. Нижняя трубка действует частично между стоком постоянного тока и равным партнером в двухтактной рабочей нагрузке. Опять же, поэтому привод каждой трубки может быть неодинаковым.
Транзисторные версии SEPP и White Follower существуют, но встречаются редко.
Сверхлинейный двухтактный [ править ]
В так называемом ультралинейном двухтактном усилителе используются пентоды или тетроды, на сетку экрана которых подается процентное значение первичного напряжения на выходном трансформаторе. Это дает эффективность и искажения, что является хорошим компромиссом между схемами усилителя мощности на триодах (или триодах ) и обычными выходными схемами на пентодах или тетродах, в которых экран питается от источника относительно постоянного напряжения.
См. Также [ править ]
- Несимметричный триод
- Двухтактный преобразователь для получения более подробной информации о реализации.
- Открытый коллектор
Ссылки [ править ]
- Перейти ↑ Joe Carr, RF Components and Circuits , Newnes, page 84
- ↑ Дональд Монро Макникол, Радио «Покорение космоса: экспериментальный рост в радиосвязи» Тейлор и Фрэнсис, 1946, стр. 348
- ^ http://www.leagle.com/xmlResult.aspx?page=5&xmldoc=193278360F2d723_1537.xml&docbase=CSLWAR1-1950-1985&SizeDisp=7 WESTERN ELECTRIC CO. v. WALLERSTEIN получено 12/12/12
- ^ Патент США 549 477 Схема местного передатчика для телефонов. , WW Декан
- ^ Радио - Сбалансированный усилитель RCA Radiola 1924
- ^ Грегори Малановски Гонка за беспроводную связь: как было изобретено (или обнаружено) радио?, AuthorHouse, 2011 ISBN 1463437501, страницы 66-67, страница 144
- ^ a b Морис Юник Дизайн современных транзисторных схем , Prentice-Hall 1973 ISBN 0-13-201285-5 стр. 340-353
- ^ Дональд Г. Финк, изд. Справочник инженера-электронщика , McGraw Hill 1975 ISBN 978-0-07-020980-0 стр. С 13-23 по 13-24
- ^ Ян Hegglun. "Практическая конструкция усилителя класса А с квадратичным законом". Линейный звук - Том 1 .
- ^ "SRPP Decoded" . Журнал Tube CAD . Проверено 7 ноября +2016 .
