Push-pull-kaskad (set. push-pull-krets , push- pull-kaskad från engelska push-pull - pull ) - elektronisk förstärkarkaskad , bestående av två motstyrda aktiva enheter [1] - lampor , transistorer , sammansatta transistorer eller mer komplexa kretsenheter. Förstärkningen av insignalens effekt fördelas mellan de två armarna av kaskaden på ett sådant sätt att när insignalen ökar, ökar strömmen endast i en av armarna ; när insignalen sjunker ökar strömmen i den motsatta armen [1] . Kaskader där effektförstärkningen av stigande och fallande signaler tilldelas en enda aktiv enhet kallas encykel .
Push-pull-kretsen dominerar kretsarna för CMOS- och N-MOS- logik, slutsteg för operationsförstärkare , ljudfrekvenstransistoreffektförstärkare . Den låter dig bygga ekonomiska elektroniska switchar och linjära effektförstärkare som arbetar i AB- eller B-lägen med en relativt hög effektivitet och relativt låg icke- linjär distorsion . Vid förstärkning av växelström överför två aktiva enheter i en sådan förstärkare ("övre och nedre" eller "vänster och höger") ström till lasten växelvis. De jämna övertonerna av distorsion, som är karakteristiska för alla förstärkarenheter, undertrycks, och de udda förvärras . Vid överföring av laststyrning från en aktiv enhet till en annan genererar push-pull-steget dessutom omkopplingsförvrängningar av utsignalen.
Den enklaste linjära push-pull-kaskaden - en komplementär emitterföljare i mod B - bildas av den motsatta anslutningen av två emitterföljare på npn-transistorer (överarm) och pnp-strukturer (undre arm) [2] . Vid noll styrspänning är båda transistorerna stängda, belastningsströmmen är noll [3] . När transistorns starttröskel överskrids, cirka +0,5 V, öppnar den övre (npn) transistorn smidigt och ansluter den positiva kraftskenan till lasten. Med en ytterligare ökning av styrspänningen upprepar utgångsspänningen ingångsspänningen med en förskjutning på 0,5 ... 0,8 V, den nedre transistorn förblir stängd. På liknande sätt, vid negativa styrspänningar, öppnas den nedre (pnp) transistorn och kopplar belastningen till den negativa strömskenan, medan den övre förblir stängd [3] . I området för låga styrspänningar, när båda transistorerna är stängda, observeras karakteristiska kopplingsförvrängningar hos den stegformade signalvågformen [4] .
Den enklaste tangenttryckningskaskaden fungerar på liknande sätt, men annorlunda - CMOS-logisk inverterare . Inverterarens FET:er arbetar i common source-läge, så de både förstärker och inverterar inspänningen [5] . Den övre transistorn av p-typ i kretsen öppnar med en låg logisk nivå och sänder en hög logisk nivå till utgången, den nedre transistorn öppnar med en logisk hög nivå och sänder en låg nivå till utgången och växlar belastningen till den lägre effekten skena [6] [7] . Transistoromkopplingströsklar väljs på ett sådant sätt att båda transistorerna garanterat är öppna i mitten av intervallet mellan höga och låga ingångsnivåer - detta påskyndar omkopplingen till priset av obetydliga effektförluster under ett kortvarigt genomströmningsflöde [ 6] . I stabila tillstånd av logisk noll och logisk etta är endast en av de två transistorerna öppen och den andra är stängd [7] . Den typiska belastningen för ett logikelement är grindarna för andra logiska element, så dess transistorer överför endast ström till belastningen vid omkoppling. När belastningskapacitanserna laddas om avtar utströmmen till noll, men en av de två transistorerna förblir öppen [6] .
Push-pull-kaskader kan utföras enligt andra scheman, förstärka lik- eller växelspänning eller ström, arbeta på aktiv eller reaktiv belastning , de kan vara inverterande eller icke-inverterande. Gemensamt för alla konfigurationer är antifasprincipen : med ökande styrspänning ökar strömmen endast i en av kretsens två armar; när styrspänningen sjunker ökar strömmen i den andra, motsatta armen [1] . Kretsens beteende i ett statiskt läge, i det allmänna fallet, är inte definierat - bara dess reaktion på en förändring i insignalen är viktig [1] . Inom vissa grenar av elektronik och i historisk, föråldrad litteratur kan även snävare privata definitioner hittas:
I lampkretsar motsvarar begreppet ett slutsteg bokstavligen begreppet ett "förstärkningssteg" ("ett förstärkningssteg, en radioteknisk anordning som innehåller ett förstärkningselement, en belastningskrets, kommunikationskretsar med föregående eller efterföljande steg" [ 13] ). I denna tolkning verkar en enda aktiv anordning i varje arm av push-pull-utgångssteget. Det kan vara en enskild lampa eller en grupp lampor som är parallellkopplade [11] , men i regel var det inte tal om att koppla lampor i serie inuti en kaskad. Ett liknande tillvägagångssätt används också i transistorkretsar för RF-effektförstärkare.
I transistoriserade ljudeffektförstärkarkretsar, å andra sidan, är enkla kaskader sällsynta. Bipolära utgångssteg med två transistorer fungerar endast i enheter med relativt låg strömstyrka, och för att matcha de mellanliggande förstärkningsstegen med en lågresistansbelastning måste minst två strömförstärkningssteg kopplas i serie. I praktiken kan varje ben i ett push-pull-utgångssteg ha två till fyra "kaskader inom ett steg". Transistorerna som utgör dessa tvåor, treor och fyror täcks av lokala återkopplingar och betraktas vanligtvis som ett komplex. De enklaste fallen av sådana komplex är Darlington-par och Shiklai-par . Utöver dem används i praktiken minst sju [14] bipolära "trippel" ("trippel" Quad 303, "trippel" Bryston och så vidare), fyrstegs emitterföljare och "fyror" Bryston [15] , vilket är skyddade från överström eller ström av ytterligare aktiva kretsar. Dessa kretsar som helhet kallas slutsteg, och deras interna delar, om det är meningsfullt att överhuvudtaget peka ut dem, betraktas som steg i slutsteget.
En push-pull-kaskad kan byggas enligt ett av tre grundläggande scheman. Alla tre topologierna är varianter av ett halvbryggschema för att ansluta lasten till två aktiva enheter och en eller två strömförsörjningar [16] . Symmetriska och asymmetriska (kvasi-komplementära) inneslutningar kan implementeras på alla typer av aktiva enheter, komplementära - endast på par av transistorer med motsatta (komplementära) typer av konduktivitet.
I en symmetrisk krets är två identiska aktiva enheter kopplade parallellt med varandra i likström: den totala viloströmmen som förbrukas av kaskaden vid noll insignal delas upp i två lika delar som flyter genom förstärkarens vänstra och högra arm [17 ] . Spänningen för den förstärkta signalen appliceras på kontrollelektroden på den inverterande (vänster enligt schemat) armen, och dess spegelkopia, bildad av en extern fasdelare , matas till ingången på inverteringen (höger enligt schemat ) arm [17] . Med en positiv signalspänning ökar den inverterande armens ström, den icke-inverterande armens ström minskar. För att överföra dessa strömförändringar till lasten ingår aktiva enheter i H-bryggkretsens nedre armar, och strömmarna från brons övre armar är fixerade på ett eller annat sätt. Skillnaden mellan strömmarna från brons övre och nedre armar stängs genom lasten som kopplas på av brons "tvärstång".
I rollen som de övre armarna på den H-formade bron, till exempel, kan induktorer tjäna , vars impedans i hela driftfrekvensområdet är betydligt högre än belastningsresistansen, och likströmsresistansen är relativt liten. Det är ännu bekvämare att använda en transformator med ett uttag från primärlindningens mittpunkt [18] . Transformatorkoppling gör att du kan matcha de relativt stora interna resistanserna hos riktiga lampor och transistorer med låga resistanser för verkliga belastningar - högtalare , elmotorer , antenner , kabellinjer [17] , men dess huvuduppgift är att växla motfasutgångsströmmar till en gemensam belastning [18] . Det var transformatorkretsen, utvecklad av RCA 1923 [19] , som var den huvudsakliga i rörkretsar, och "symmetrisk omkoppling" var faktiskt en synonym för en push-pull-kaskad [17] . Enligt detta schema byggdes de första transistorförstärkarna, och transistorförstärkare med radiofrekvenser med särskilt hög effekt fortsätter att byggas [20] [18] . Andra fördelar med transformatorkretsen är hög effektivitet och hög uteffektnivå i läge B, symmetrisk återgivning av positiva och negativa inspänningar, undertryckning av udda övertoner, enkel design av en unipolär strömförsörjning, relativ okänslighet för spridningen av viloströmmar av två armar [20] [18] [17] . Nackdelarna är den begränsade bandbredden och fasförvrängningarna hos verkliga transformatorer, som begränsar möjligheten att använda återkoppling , och den fundamentala omöjligheten att överföra likström till lasten [20] [18] .
Det symmetriska push-pull-steget liknar differentialspänningsförstärkningssteget , som också är en variant av den parallella halvbryggkretsen [21] . Den totala strömmen för differentialstegets två armar begränsas av en stabil strömkälla i den gemensamma sändaren, källan eller katodkretsen, vilket utesluter möjligheten till effektförstärkning i ekonomiläge B.
Ett alternativ till en symmetrisk brygga är en brygga där identiska aktiva enheter är anslutna till övre vänstra och nedre vänstra armarna, och strömförsörjning till höger armar. En gemensam viloström flyter genom båda aktiva enheterna, det vill säga aktiva enheter är seriekopplade med likström [22] . Den övre lampan (transistorn) enligt schemat är ansluten till belastningen av katoden (sändaren, källan) enligt schemat för katoden ( sändaren , källan) efterföljaren av ingångssignalen. Lampan (transistorn) lägre i kretsen är ansluten till belastningen av anoden (kollektor, källa) och fungerar i läget för en inverterande förstärkare med en gemensam katod ( med en gemensam emitter , med en gemensam källa) [23] . Lampornas (transistorernas) interna motstånd och förstärkningar i dessa lägen är fundamentalt olika, varför en sådan bro kallas asymmetrisk. Valet av förförstärkningskoefficienterna för insignalerna som kommer in i de övre och nedre armarna på utgångssteget kompenserar endast delvis för denna asymmetri: riktiga förstärkare kräver djup negativ återkoppling . Kretsen är känslig för spridningen av de två armarnas viloströmmar, och arrangemanget av förspänningskretsar som ställer in dessa strömmar är relativt komplicerat. I rörförstärkare förvärras problemet av begränsningen av den maximalt tillåtna värmare-katodspänningen, därför slog inte asymmetrisk omkoppling rot i rörkretsar [20] [24] .
Däremot dominerades transistoreffektförstärkarkretsarna på 1960-talet av Lins [20] [25] enändade förstärkarkretsar . Å ena sidan gjorde det det möjligt att överge transformatoranslutningen, ersätta den med antingen kapacitiv koppling eller direkt anslutning till lasten; å andra sidan, på 1950-talet, producerade industrin endast pnp-transistorer med hög effekt [26] . I mitten av 1960-talet ersattes de av kraftfullare och mer pålitliga kiseltransistorer, men redan npn-strukturer, och först i slutet av 1960-talet bemästrade den amerikanska industrin produktionen av komplementära pnp-transistorer [20] [26] . I slutet av 1970-talet bytte konstruktörerna av linjär UMZCH på diskreta transistorer till en komplementär krets [27] och den kvasi-komplementära kretsen används fortfarande i utgångsstegen för integrerade effektförstärkare ( TDA7294 , LM3886 och deras många funktionella analoger ) och i klass D-förstärkare [28] .
Att ersätta en av de aktiva enheterna i en obalanserad krets med en enhet av komplementär typ förvandlar kretsen till en komplementär. Om de utvalda typerna av utgångstransistorer ("komplementära lampor" inte existerar [29] ) har samma dynamiska egenskaper över hela området av driftsströmmar, spänningar och frekvenser, så återger en sådan krets positiva och negativa inspänningar symmetriskt (asymmetri är oundvikligt i riktiga förstärkare, särskilt på den övre gränsen för frekvensområdet för utgångstransistorerna). Ingångsfasdelaren behövs inte längre: samma AC-signalspänning appliceras på baserna eller grindarna på båda armarna (vanligtvis med någon konstant spänningsoffset som ställer in utgångstransistorernas driftläge) [30] [31] .
Bipolära transistorer med komplementära kretsar kan fungera i vilket som helst av de tre grundläggande lägena ( OK , OE eller OB ) [30] [31] . I effektförstärkare som arbetar på en belastning med låg resistans är bipolära transistorer vanligtvis anslutna enligt en gemensam kollektorkrets (komplementär emitterföljare , visad i illustrationen), fälteffekttransistorer - enligt en gemensam drain-krets (källföljare) [32 ] . En sådan kaskad förstärker ström och effekt, men inte spänning. Det är också vanligt att man slår på transistorer enligt en krets med en gemensam emitter eller en gemensam källa - det är så CMOS- buffertförstärkare är uppbyggda . I den här versionen förstärker den komplementära kaskaden både ström, spänning och effekt [31] . Båda alternativen används i operationsförstärkarnas utgångssteg : anhängare ger den bästa prestandan och kretsar med gemensamma emitter ger den högsta utspänningssvängningen [33] [34] .
Den begränsande teoretiska verkningsgraden (COP) för en enkeltaktsförstärkare av en övertonssignal i mod A , som endast kan uppnås med en transformatoranslutning med en rent aktiv belastning, är 50 % [35] . I riktiga enändade förstärkare baserade på transistorer uppnås en verkningsgrad på cirka 30 %, i rörförstärkare cirka 20 % - det vill säga för varje Watt av maximal uteffekt förbrukar förstärkaren 3 ... 5 W från källan [ 36] . Den faktiska mängden effekt som överförs till lasten har praktiskt taget ingen effekt på effektförbrukningen: den senare börjar öka först när kaskaden är överbelastad [2] . I transformatorlösa förstärkare är verkningsgraden märkbart sämre; i det värsta fallet av en konventionell aktiv laddad emitterföljare är den ultimata teoretiska effektiviteten endast 6,25 % [37] .
Att byta ut en ensidig följare med en push-pull-följare i läge A, som arbetar med samma viloström och förbrukar samma, ungefär konstanta, ström från strömförsörjningen, ökar den maximala uteffekten med fyra gånger och den ultimata effektiviteten höjs till 50 % [38] . Att byta en push-pull-följare till läge B ökar den teoretiska begränsningseffektiviteten till 87,5 % [39] [40] . Den maximala uteffekten i läge B begränsas endast av transistorernas säkra operationsområde, matningsspänning och belastningsresistans [2] . Effekten som förbrukas av steget i läge B är direkt proportionell mot utspänningen [41] . En teoretisk verkningsgrad på 87,5 % uppnås vid maximal effekt; med dess minskning minskar effektiviteten gradvis, och de relativa effektförlusterna på transistorerna ökar gradvis [41] . De absoluta effektförlusterna som förbrukas av transistorer ökar också och når ett platt maximum i området för mellaneffekter, när toppvärdet för utspänningen är ungefär 0,4 ... 0,8 av det maximalt möjliga [41] [42] .
I riktiga förstärkare bevaras beroendets kvalitativa karaktär, men andelen förluster ökar och effektivitetsvärdena minskar. Så utgångssteget för en lågfrekvent förstärkare , designad för en uteffekt på 100 W vid en belastning på 8 ohm, försvinner cirka 40 W vid maximal effekt (en verkningsgrad på cirka 70%). När uteffekten halveras, till 50 W, ökar effektförlusterna i transistorerna till samma 50 W (50 % verkningsgrad) [43] . En signifikant minskning av absoluta effektförluster observeras endast när uteffekten minskar under 10 W [43] .
En egenskap hos alla push-pull-kretsar är den minskade andelen jämna övertoner i spektrumet av icke-linjära distorsioner [44] . I distorsioner som genereras av enkla transistorer eller vakuumtrioder i ett kvasilinjärt läge [komm. 1] , fram till övergången till överbelastningsläget dominerar den andra övertonen [46] . När två lampor eller transistorer slås på push-pull, tar den andra, fjärde och så vidare övertonerna som genereras av dem ut varandra [44] [47] . I idealiskt symmetriska kaskader är jämna övertoner helt undertryckta, förvrängningar av formen på signalens negativa och positiva halvvågor är strikt symmetriska, och distorsionsspektrumet består uteslutande av udda övertoner [44] . I verkliga push-pull-kaskader kan full symmetri inte uppnås, därför observeras även övertoner i distorsionsspektra [44] . Fördelningen av övertoner kan bero både på signalnivån och på dess frekvens, till exempel på grund av skillnaden i gränsfrekvenser för pnp- och npn-transistorer i ett komplementärt par [48] .
Övervikten av udda övertoner indikerar kaskadöverföringskoefficientens beroende av insignalens amplitud: vid stora amplituder avviker överföringskoefficienten märkbart från den beräknade [49] . Med en ökning av insignalen kan förstärkningen initialt öka, men minskar oundvikligen vid stora signaler. Nedgången (komprimeringen) av koefficienten med ett inställt värde, till exempel med 1 dB , och fungerar som ett kriterium för överbelastning av kaskaden [50] .
Push-pull-kretsar som arbetar i lägena B och AB [komm. 2] , generera specifika icke-linjära omkopplings- (eller kombinationsförvrängningar [4] ) när signalen passerar genom noll [4] . I området med låga utspänningar, när en transistor är frånkopplad från lasten och den andra är ansluten till den, tar kaskadens linjära överföringskarakteristik formen av en bruten linje med två böjar eller brott. I värsta fall, när två transistorer eller två lampor [57] arbetar med noll viloströmmar, stängs båda transistorerna av i närheten av noll, överföringskoefficienten sjunker till noll och ett "steg" observeras på utsignalens vågform. Negativ återkoppling kan inte effektivt undertrycka sådana distorsioner, eftersom förstärkaren i problemområdet faktiskt är frånkopplad från belastningen [40] .
Switching distorsion är särskilt oönskat vid förstärkning av ljudfrekvenser. Synlighetströskeln för switching distorsion, uttryckt enligt standardmetoden för att mäta koefficienten för olinjär distorsion, är endast 0,0005 % (5 ppm ) [58] . Hörselkänslighet beror både på ett speciellt, onaturligt spektrum av omkopplingsförvrängningar och ett onaturligt beroende av deras nivå av effekt eller subjektivt upplevd ljudstyrka: med en minskning av uteffekten minskar inte den icke-linjära distorsionsfaktorn, utan ökar [42 ] .
Det enda sättet att eliminera genereringen av omkopplingsstörningar är att byta steget till rent läge A, vilket vanligtvis är omöjligt i praktiken [59] [60] . Emellertid kan kopplingsdistorsion reduceras avsevärt genom att endast ställa in en liten konstant viloström för slutsteget [60] . Värdet på denna ström bör utesluta den samtidiga frånkopplingen av transistorer från lasten, medan området där båda transistorerna är anslutna till lasten bör vara så smalt som möjligt. I praktiken ställer designers in viloströmmarna för bipolära transistorer på en nivå av 10 till 40 mA för varje enhet; de optimala strömmarna för MIS-transistorer är märkbart högre, från 20 till 100 mA per enhet [57] . Möjligheten att ytterligare öka de vilande strömmarna, vilket utökar täckningsområdet för läge A, beror på den valda topologin för kaskaden [57] . Det kan motiveras i kaskader baserade på bipolära transistorer med en gemensam emitter [57] . I push-pull emitterföljare, tvärtom, bör det undvikas: en ökning av viloströmmen minskar inte, utan förvärrar omkopplingsdistorsionerna [57] .
Elektroner och principen för deras verkan Alla elektroner och antipartiklar skapas av termiska vågor, när termiska vågor med olika hastigheter och frekvenser rör sig, överlappar varandra, som ett resultat av vilka elektroner uppstår från dem, som alla alltid rör sig med olika hastigheter. Elektroner kan inte röra sig med konstant hastighet, med ljusets hastighet, därför, när elektroner förlorar sin hastighet medan de befinner sig i någon atom, försvinner från denna atom, tas deras platser i atomen av andra elektroner, som har samma hastighet som elektronerna som lämnade atomerna. Från elektroner som förlorat sin tidigare hastighet skapas olika atomer. Eftersom elektroner alltid förflyttar sig från en källa med hög temperatur till där temperaturen är lägre, baseras driften av elektroniska vakuumrör på denna effekt när katoden är uppvärmd, studerar värmevågor, från vilka värmevågor skapas elektroner som ständigt rör sig mot anoden.Det är av denna anledning som rörelsen av elektroner från anoden till katoden är omöjlig.