Parallell förstärkare

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 10 augusti 2022; kontroller kräver 8 redigeringar .

Parallellförstärkare [1] (PU) ström , mer sällan "diamant" [2] efterföljare eller buffert ( spårpapper från den engelska  diamantbufferten ) är en komplementär emitterföljare med fyra transistorer , där var och en av de två ingångstransistorerna styr utgången transistor av motsatt typ av konduktivitet [3] . Emitterövergångarna för ingångs- och utgångstransistorerna som styrs av den är anslutna mot varandra [3] , så spänningsförskjutningen mellan ingången och utgången överstiger inte flera tiotals mV [1] . PU kräver inga kretsåtgärder för termisk stabilisering av viloströmmen: det räcker för att tillhandahålla en termisk anslutning mellan transistorerna [1] . Nackdelen med den grundläggande PU-kretsen - en hård begränsning av utströmmen - kan korrigeras antingen genom dess komplikation eller genom att öka viloströmmarna för ingångstransistorerna [1] .

Kontrollpanelens huvudfunktion är att matcha lågeffektsspänningskällor med lågresistansbelastningar, huvudområdet för applikationen är ingångs- och utgångsstegen för operationsförstärkare med strömåterkoppling . Parallella repeatrar har också använts i bredbandsinstrumentering och i slutsteg för ljudeffektförstärkare .

Historia, terminologi, tillämpning

Den parallella strömförstärkaren är en naturlig utveckling av den diodförspända komplementära emitterföljaren [4] [5] . 1971 tillämpade Harris Corporation en fyrtransistor-PU-kärna på utgångssteget på den integrerade operationsförstärkaren HA-2600 [6] [7] . Komplementära transistorkretsar förblev exotiska fram till slutet av 1970-talet, tills industrin lärde sig att skapa högkvalitativa integrerade pnp-transistorer, och kostnaden för komplementära mikrokretsar minskade till nivån för konventionella op-förstärkare [2] . 1979 släppte National Semiconductor den första massproducerade integrerade PU:n - LH3002 buffertförstärkaren med en bandbredd på 50 MHz [5] ; 1982 användes sådana kretsar i stor utsträckning i lågeffektsenheter [8] .

I slutet av 1980-talet skedde ett kvalitativt språng: industrin bemästrade tekniken för kisel på en isolator och började producera integrerade operationsförstärkare för strömåterkoppling (op amps) [9] . De första diskreta TOS-op-förstärkarna som använder PU:er släpptes av Comlinear i början av 1980-talet, de första integrerade TOC-op-förstärkarna dök upp 1987 [9] [2] . En typisk OU TOC innehåller två PU [10] . Ingångsföljaren omvandlar differentialingångsspänningen till ström och styr ström-till-spänningsomvandlingssteget [10] . Utgångsföljaren matchar högresistansutgången från ström-till-spänningsomvandlaren med en extern lågresistanslast [10] . Samtidigt fortsatte utvecklingen av specialiserade buffertförstärkarkretsar. 1986 dök HA-5033 (Harris) [11] upp , 1993 BUF634 ( Burr-Brown ) [12] och så vidare.

Runt 1990 hänvisade Burr-Brown först till PU med frasen diamantbuffert [13] [14] ("diamant" [2] eller "diamantformad" buffert, vilket återspeglar topologin hos kärnan med fyra transistorer). Frasen diamanttransistor ("diamanttransistor" [2] ), menad i sin tur på språket Burr-Brown PU som styr spänning-till-ström-omvandlaren [15] [2] . Reklamklichén har förankrats i ljudutrustningsdesigners språk. I den akademiska litteraturen hänvisas PU också till som en "blandad translinjär cell av det andra slaget" ( eng.  mixed translinear cell II, MTC-II ; dessa författare kallade "cellen av det första slaget" en komplementär repeater med en diod partiskhet) [16] .

Sedan 1982 har sovjetisk amatörradiolitteratur använt konceptet "linjär parallellförstärkare" eller helt enkelt "parallellförstärkare" [17] . Den tyska läroboken av Tietze och Schenk (12:e upplagan) betraktade PU endast som ett alternativt sätt att ställa in och stabilisera läget (“biasdrivrutin med transistorer”) för en konventionell komplementär anhängare [4] .

Inom 1900-talets ljudteknik användes PU:er i begränsad utsträckning i seriella förförstärkare (till exempel Lehmann Cube), och användes praktiskt taget inte i seriell UMZCH. Accuphase effektförstärkare , byggda enligt TOS op-amp topologi, använde PU i ingångsstegen, men inte i utgången [18] . I amatörpraktiken i Sovjetunionen och dess efterföljare, tvärtom, publicerades författarens design av UMZCH med utgångssteg på parallella förstärkare [1] [19] [20] [21] regelbundet . På 1990-talet "återupptäcktes" idén av exotiska UMZCH-designers utan generell feedback. De mest radikala designerna av den nya generationen använde två PU:er (ingång och utgång) och en step-up transformator i rollen som en "spänningsförstärkare". Sammansatta slutsteg dök upp, där PU-kärnan drevs av en konventionell eller sammansatt komplementär repeater [3] . I UMZCH av XXI-talet (till exempel Dartzeel) används fortfarande de enklaste utgångsstegen med fyra transistorer [22] .

Egenskaper

Parallell strömförstärkare - helt symmetrisk, komplementär krets; för att analysera dess funktion i ett linjärt läge räcker det att överväga dess övre (T1, T2) eller nedre (T3, T4) halva [23] . Till exempel bildas den övre halvan genom att seriekoppla två enklaste emitterföljare på en pnp-transistor T1 och en npn-transistor T2 [23] . Spänningsöverföringskoefficienten för en sådan "tvåa" är något mindre än en [23] , och strömöverföringskoefficienten är lika med produkten av strömförstärkningsfaktorerna ( ) T1 och T2 [5] . De övre och nedre halvorna av kretsen är kopplade till lasten parallellt, vilket bestämde dess ryska namn - en linjär parallellförstärkare [1] [7] .

Stilla ström. Termisk stabiliseringsregim

Följarens viloström på TI ställs in av en stabil strömkälla; i den enklaste versionen (krets LH0002) spelar motståndet R1 sin roll. En del av strömmen som flyter genom R1 förgrenar sig till basen av T2, så R1 begränsar samtidigt utgångsströmgränsen (emitterströmmen för T2).

De fyra transistorerna bildar en sluten translinjär krets täckt av stark lokal återkoppling. Om T1 och T2 har lika stora ytor av emitterövergångar, och temperaturerna för dessa korsningar är lika, då i vila (med belastningen avstängd) upprepar emitterströmmen T2 exakt emitterströmmen T1 och den totala viloströmmen för alla fyra transistorerna är tre gånger högre än emitterströmmen T1.

Om nödvändigt kan strömmen hos utgångstransistorerna minskas eller ökas proportionellt genom att skala (i integrerade kretsar) eller parallellföra (i diskreta enhetsenheter) själva transistorerna. Dessutom kan utgångsstegets ström minskas proportionellt genom att inkludera förkopplingsmotstånd i utgångsstegets emitterkretsar (R2, R4 i LH0002-kretsen), och för att öka utgångsstegets ström, ingår ballastmotstånd i emitterkretsarna för ingångssteget.

Termisk anslutning mellan transistorer tillhandahålls i integrerade kretsar genom att placera dem nära varandra, och i enheter baserade på diskreta transistorer, genom att installera dem på en gemensam kylfläns [1] . De viktigaste är termiska anslutningar inom T1 + T2 och T3 + T4-paren, men i enheter baserade på kraftfulla transistorer är den "diagonala anslutningen" i T1 + T4 och T2 + T3-paren mer motiverad [1] . I varje "diagonal" par är de båda transistorernas kollektorer anslutna till samma kraftskena och behöver därför inte elektrisk isolering från varandra [1] ).

Spänningsförskjutning

I verkliga enheter matchar inte bas-emitterspänningen ( ) för npn- och pnp-transistorer, vilket genererar en förskjutning i utspänningen i förhållande till ingången. I värsta fall, när man använder diskreta transistorer, är skiftet i vila flera tiotals mV [1] . Spridningen i skiftvärdena för enheter byggda på samma elementbas är betydligt mindre - vilket gör att du kan parallellisera flera PU:er som arbetar på en gemensam belastning [1] .

I PU:ns åttatransistorkärna kompletteras var och en av de fyra transistorerna i grundkretsen med en transistor av motsatt typ av konduktivitet i en diodkoppling - vilket helt kompenserar för skiftet på grund av den systematiska skillnaden , men förvärrar brus- och frekvensegenskaper [14] . I praktiken är en sådan komplikation av systemet inte motiverad och användes sällan [14] . Det är lättare för konstruktörer att komma överens med förskjutningen i grundkretsen och antingen kompensera för den med återkoppling eller isolera den från belastningen med en kopplingskondensator .

Överföringskoefficient

Det exakta värdet på spänningsöverföringskoefficienten beror på belastningsresistansen, resistansen i kretsen mellan utgångstransistorernas emitter och belastningen, temperaturen och det momentana värdet på utgångsströmmen (de två sista parametrarna bestämmer utgångsresistansen T2 och T4) [23] .

Amplitudbegränsning

Basströmmarna för utgångstransistorerna begränsas av strömkällor i utgångstransistorernas emitterkretsar ( ), så utgångsströmmen begränsas asymmetriskt av gränsvärdena

(läckström),
(inkommande ström).

När den övre tröskeln nås, fångar basen T2 upp all genererad ström och emitterströmmen TI avbryts; när den lägre tröskeln nås avbryts emitterströmmen T3 [25] . I båda fallen observeras en hård begränsning av utströmmen vid kretsens utgång [25] . De maximala utspänningarna , med en rent ohmsk belastning, bestäms av produkterna av begränsningsströmmarna och belastningsresistansen; för reaktiva eller icke-linjära belastningar är de maximala utspänningarna i allmänhet inte definierade [25] .

Allt annat lika, för att uppnå de högsta värdena på utgångsströmmen, bör utgångstransistorer med höga värden och stora ytor av emitterövergångar användas - så stora att drift vid maximala utgångsströmmar inte åtföljs av en signifikant minskning [ 25] . I effektförstärkare är "linjära" serietransistorer att föredra, med en relativt liten reduktion inom hela det tillåtna strömområdet [26] [27] . Till exempel, för komplementära transistorer i 2SA1302/2SC3281-serien , sjunker den maximala strömmen med högst 10%, medan för "vanliga" MJ15024/MJ15025, med 70% [27] .

Strömgränströskeln är starkt beroende av konfigurationen av strömkällorna . De enklaste "källorna" på motstånd är de minst lönsamma, eftersom de tillgängliga värdena minskar med en ökning av ingångs- och utgångsspänningar [25] . I AC-spänningsförstärkare kan denna nackdel elimineras genom att införa en spänningsförstärkning (efter återkoppling) [25] . Anslutning av en spänningsförstärkning till emitterkretsarna T1 och T3 eliminerar beroendet av ingångsspänningen AC (men inte DC); inom området för linjär drift minskar koefficienten för icke-linjär distorsion med en storleksordning [25] . Att ansluta en spänningsförstärkning till kollektorerna T1 och T3 eliminerar Earley-effekten , minskar ytterligare icke-linjär distorsion och tillåter användning av lågspänningstransistorer i kretsar med relativt höga matningsspänningar och signaler [28] .

Icke-linjära distorsioner

Utanför de strömbegränsande områdena är parallellförstärkaren "linjär" i den meningen att under normala förhållanden arbetar alla transistorer i ett aktivt läge utan att gå in i kollektorströmavskärningsområdet [29] . Koefficienten för icke-linjär distorsion är relativt låg och bestäms av en kombination av inspänning, utström och kvaliteten på strömkällorna i ingångstransistorernas emitterkretsar [29] . Detta gäller dock endast i frånvaro av aktiva resistanser mellan utgångstransistorernas emitter och lasten (R2, R4 i LH0002-kretsen) [29] . Vid höga belastningsströmmar bryter spänningsfall över dessa resistanser växelvis den translinjära kretsen och låser en av de två utgångstransistorerna [29] . Kretsen växlar från läge A till läge AB, karakteristiska kopplingsförvrängningar uppstår [29] .

I praktiska enheter som fungerar i klass AB är koefficienten för olinjär distorsion enligt utvecklarnas uttalanden:

Enligt Burr-Brown uppnås de lägsta icke-linjära distorsionerna vid låga frekvenser i högeffektiva operationsförstärkare, bildade av seriekopplingen av en högkvalitativ op-förstärkare och en seriell buffert PU, täckt av en gemensam återkopplingsslinga [ 12] . Vid frekvenser över 100 kHz ökar oundvikligen PU:ns utgångsimpedans, vilket leder till en ökning av distorsion [12] . Detta fenomen kan delvis undertryckas genom parallellkoppling av flera PU:er, förutsatt att förstärkningsmarginalen för op-ampen är tillräcklig [12] .

Svänghastighet

De begränsande hastigheterna för ökning och fall av spänningen vid kontrollpanelens utgång bestäms av processerna för att ladda parasitiska kapacitanser anslutna till sändarna T1 och T3

,
[30] .

Till exempel, om strömmen är begränsad till 1 mA och kapacitansen som är ansluten till emittern T1 är 10 pF, kan utspänningens svänghastighet inte överstiga 100 V/µs [30] .

Utgångsspänningens ökning och fall är asymmetrisk. I praktiken utvärderas kretsens dynamiska egenskaper av den minsta av de två hastigheterna [30] . Så, bandbredden för en sinusformad signal med en given amplitud begränsas av värdet

[30] .

Om ändringshastigheten för inspänningen överstiger kärnans gränshastighet, börjar dess utgångstransistorer leda genom ström, vilket kan leda till katastrofal termisk rusning [11] . Gränsfrekvensen, över vilken överklockning är möjlig, bestäms av samma formel som signalbandbredden för en given amplitud [11] .

Sätt att öka utströmmen

Optimalt, ur synvinkeln av amplitudbegränsningar, använder en parallellförstärkare en spänningsförstärkning eller aktiva källor för emitterströmmen från ingångstransistorerna, och utgångstransistorer med stora strömförstärkningsfaktorer och relativt stora ytor av emitterövergångar [29] . En ytterligare ökning av utströmmen kräver en proportionell ökning av ingångstransistorernas viloströmmar, med en proportionell ökning av effektförlusten och ökade krav på värmeavledning. Till exempel förbrukar varje kanal i den seriella UMZCH Dartzeel 108 med en deklarerad uteffekt på 160 W till en belastning på 4 ohm 40 W i vila och väger 15 kg [22] . Det finns också kretsförbättringar av grundkretsen som tillåter ökande utströmmar och effekter vid relativt låga viloströmmar.

Omvänd diod och kapacitiv backup

I den enklaste förbättrade kretsen är baserna på utgångstransistorerna anslutna med en flyback-diod (i HA-2600-chippet användes en liknande lösning med två flygback-dioder som ansluter baserna på utgångstransistorerna till ingången på kontrollpanelen [ 7] fungerar som en sammansatt emitterföljare.Växling av läget (utseende och avbrott av framåtström genom backdioden) åtföljs av kraftiga omkopplingsförvrängningar [19] .

Förvrängningar av detta slag kan undvikas genom att byta ut frihjulsdioden mot en stor kondensator [31] . Eftersom kondensatorn kombinerar (kortar) emitterna från ingångstransistorerna, är tröskeln för att begränsa utströmmen från "backup"-kretsen endast dubbelt så stor som för grundkretsen [31] .

Hybrid repeater

En hybrid sextransistorkrets är en kombination av en parallellförstärkare och en sammansatt emitterföljare [30] . Vid låga utströmmar fungerar kretsen som en kontrollpanel; ingångstransistorerna för den sammansatta efterföljaren (T5, T6) är stängda [30] . Vid höga strömmar, med en ökning av skillnaden mellan ingångs- och utgångsspänningarna, öppnas antingen T5 (sjunkande utgångsström) eller T6 (sjunkande ström) [30] . Kretsen användes till exempel i höghastighetsbuffertförstärkaren OPA633.

Som i kretsen med en omvänd diod, åtföljs omkopplingslägen av en ökning av omkopplingsdistorsion. Dessutom, när T5 eller T6 öppnas, ökar förändringshastigheten för utspänningen kraftigt, icke-linjärt [30] . Därför kan en hybridföljare med en viloström på endast 1 mA ha hastigheter över 1000 V/µs - men bara på en stor signal [30] . Vid låga inspänningar återgår ändringshastigheten för utspänningen till värdena som är naturliga för PU-kärnan [30] .

I HA-5033-chippet är accelerationstransistorerna T5, T6 anslutna enligt en gemensam emitterkrets och styrs av ett par extra transistorer som övervakar ingångs-utgångsspänningsskillnaden [11] . I en alternativ krets är boosttransistorer anslutna i en krets mellan baserna på ingångs- och utgångstransistorerna. Paren T5 + T2 och T6 + T4 bildar ett slags Darlington-par , men till skillnad från riktiga "darlingtons" fungerar T5 och T6 bara vid höga belastningsströmmar. Litteraturen beskriver också PU:er på fullfjädrade Darlington-par som arbetar i klass B [26] .

Kraftfulla slutsteg

Ett alternativt tillvägagångssätt är att ansluta ytterligare effekttransistorer till repeaterns utgångskretsar. I en sextransistor PU med ett tvåstegs slutsteg ( diamantbufferttrippel ) fungerar  ytterligare transistorer T5, T6 som en traditionell komplementär emitterföljare [3] . Viloströmmen ställs in av en diod- eller transistorförspänningskälla ( ) [3] . Ballastmotstånd i utgångstransistorernas emitterkretsar har praktiskt taget ingen effekt på termisk stabilitet, men de påverkar starkt nivån och spektrumet av icke-linjära distorsioner. Det bästa, ur distorsionssynpunkt, är läget där i vila en spänning faller över varje motstånd lika med den termiska potentialen (26 mV vid 300 K) [32] .

Sextransistorföljaren baserad på Shiklai-par är enklare i kretsar: den behöver ingen förspänningskälla. För termisk stabilisering är det tillräckligt att tillhandahålla en termisk anslutning mellan de fyra transistorerna i baskärnan (T1-T4) [33] . Effekttransistorerna T5, T6 måste vara utanför den termiska reglerslingan T1-T4; temperatur T5, T6 påverkar praktiskt taget inte driftsättet [33] . Liksom i föregående krets, i vila, bör det optimala spänningsfallet över emittermotstånden vara 26 mV vid 300 K [32] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ageev, 1982 , sid. 32.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 W. Titze , K. Shenk Halvledarkretsar. Volym I. - 12:e upplagan. - M.  : DMK-Press, 2008. - S. 613, 621. - 832 sid. — ISBN 5940741487 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Cordell, 2011 , sid. 191.
  4. ↑ 1 2 Tietze U. , Shenk K. Halvledarkretsar. Volym II. — 12:e upplagan. - M.  : DMK-Press, 2008. - S. 199-200. — 942 sid. — ISBN 5940741487 .
  5. ↑ 1 2 3 National Semiconductor, 1979 , sid. ett.
  6. ↑ Meyer RG Operationsförstärkare för integrerade kretsar. - IEEE Press/Wiley, 1978. - P. 41. - ISBN 9780471050681 .
  7. ↑ 1 2 3 Connelly JA 3.8. Utgångssteg // Analoga integrerade kretsar: enheter, kretsar, system och applikationer . - Harris Corporation/Wiley, 1975. - ISBN 9780471168546 .
  8. ↑ Ageev, 1982 , sid. 33.
  9. ↑ 1 2 Taranovich S. Analog: Tillbaka till framtiden, del 3 . Electronic Design News (2 december 2012).
  10. ↑ 1 2 3 Franco S. Designa med operationsförstärkare och analoga integrerade kretsar. - McGraw-Hill, 2002. - S. 293-294. — ISBN 9780070530447 .
  11. ↑ 1 2 3 4 AN548: Designers Guide for HA-5033 Video Buffer . - Renesas Corporation / Intersil, 1996. - S. 1-3. — (Ansökningsanmärkning).
  12. ↑ 1 2 3 4 Vöhringer U. AB101: Kombinera förstärkaren med BUF634 . - Burr-Brown, 1995. - S. 1-2. - (Ansökningsbulletin).
  13. ↑ Thompson M. Intuitiv analog kretsdesign . - Newnes, 2013. - P. 93. - ISBN 9780124059085 .
  14. ↑ 1 2 3 Lillis WJ, Wang AD Uppfinningens bakgrund // US-patent 4893091. Komplementär strömspegel för att korrigera ingångsoffsetspänningen för diamantföljaren, speciellt som ingångssteg för bredbandsförstärkare . - US Patent Office / Burr-Brown, 1988.
  15. ↑ Lehmann K. Diamanttransistor OPA660 . - Burr-Brown, 1993. - S. 1. - (Ansökningsbulletin).
  16. ↑ Senani, R. et al. Aktuella transportörer: varianter, applikationer och hårdvaruimplementeringar. - Springer, 2015. - 560 sid. — ISBN 9783319086842 .
  17. ↑ Ageev, 1982 , sid. 32, 35.
  18. ↑ Integrerad stereoförstärkare E-306 . Accuphase (2007).
  19. ↑ 1 2 Ageev, 1985 , sid. 26.
  20. ↑ Ageev, 1987 , sid. 26.
  21. ↑ 1 2 Lachinyan, S. Kombinerad UMZCH utan ett allmänt miljöskydd // Radio. - 2001. - Nr 4. - S. 13-15.
  22. ↑ 1 2 11. Tekniska data; T5.3.2 Dartzeel Schematics // Dartzeel NHB-108 One User Manual . — Dartzeel, 2017.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 National Semiconductor, 1979 , sid. 3.
  24. ↑ 1 2 3 National Semiconductor, 1979 , sid. fjorton.
  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Ageev, 1985 , sid. 27.
  26. ↑ 1 2 Ageev, 1985 , sid. 28.
  27. ↑ 1 2 Self, 2002 , sid. 129-130.
  28. ↑ 1 2 Cordell, 2011 , s. 191–192.
  29. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ageev, 1985 , sid. 27–28.
  30. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
  31. ↑ 1 2 Broskie J. Mäktiga diamanter . Tubecad.com (22 september 2022).
  32. ↑ 1 2 Cordell, 2011 , sid. 101.
  33. ↑ 1 2 Self, 2002 , sid. 114, 327.

Litteratur