Salida push-pull

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Un amplificador push-pull es un tipo de circuito electrónico que utiliza un par de dispositivos activos que alternativamente suministran corriente o absorben corriente de una carga conectada. Este tipo de amplificador puede mejorar tanto la capacidad de carga como la velocidad de conmutación.

Las salidas push-pull están presentes en los circuitos lógicos digitales TTL y CMOS y en algunos tipos de amplificadores , y generalmente se realizan mediante un par de transistores complementarios , uno que disipa o absorbe la corriente de la carga a tierra o una fuente de alimentación negativa, y el otro suministrar o suministrar corriente a la carga desde una fuente de alimentación positiva.

Un amplificador push-pull es más eficiente que un amplificador de "clase A" de un solo extremo . La potencia de salida que se puede lograr es más alta que la clasificación de disipación continua del transistor o el tubo usados ​​solos y aumenta la potencia disponible para un voltaje de suministro dado. La construcción simétrica de los dos lados del amplificador significa que se cancelan los armónicos de orden par, lo que puede reducir la distorsión. [1] La corriente CC se cancela en la salida, lo que permite utilizar un transformador de salida más pequeño que en un amplificador de un solo extremo. Sin embargo, el amplificador push-pull requiere un componente de división de fase que agrega complejidad y costo al sistema; uso de transformadores con toma centralpara entrada y salida es una técnica común pero agrega peso y restringe el rendimiento. Si las dos partes del amplificador no tienen características idénticas, se puede introducir distorsión ya que las dos mitades de la forma de onda de entrada se amplifican de manera desigual. La distorsión cruzada se puede crear cerca del punto cero de cada ciclo cuando un dispositivo se corta y el otro dispositivo entra en su región activa.

Diagrama esquemático del amplificador de tubo de vacío.
Un amplificador de válvulas de vacío a menudo usaba un transformador de salida con derivación central para combinar las salidas de las válvulas conectadas en contrafase.
Amplificador de audio push-pull de tubo de vacío acoplado por transformador de 1924. Los dos tubos de salida de triodo están a la derecha.
Un amplificador push-pull de válvulas estéreo Magnavox, alrededor de 1960, utiliza dos válvulas de salida 6BQ5 por canal. Los dos pares de tubos push-pull son visibles frente a los transformadores de salida.

Los circuitos push-pull se utilizan ampliamente en muchas etapas de salida del amplificador. En la patente estadounidense 1137384 de Edwin H. Colpitts concedida en 1915, se describe un par de tubos de audión conectados en contrafase , aunque la patente no reivindica específicamente la conexión en contrafase. [2] La técnica era bien conocida en ese momento [3] y el principio había sido reivindicado en una patente de 1895 anterior a los amplificadores electrónicos. [4] Posiblemente el primer producto comercial que usó un amplificador push-pull fue el amplificador balanceado RCA lanzado en 1924 para usar con su receptor de transmisión regenerativo Radiola III . [5] Mediante el uso de un par de tubos de vacío de baja potencia en configuración push-pull, el amplificador permitió el uso de un altavoz en lugar de auriculares, mientras proporcionaba una duración aceptable de la batería con un bajo consumo de energía en espera. [6] La técnica continúa utilizándose en sistemas electrónicos de audio, radiofrecuencia, digitales y de potencia en la actualidad.

Circuitos digitales

El circuito de la puerta TTL NAND tiene una etapa de 'salida de tótem' (derecha) que consta de dos transistores NPN en contrafase. Cuando al menos una de las entradas es baja, el transistor V 2 se apaga, V 3 se enciende y V 4 se apaga, elevando el voltaje de salida. Cuando ambas entradas son altas, V 2 está encendido, V 3 está apagado y V 4 está encendido, bajando la salida.

Un uso digital de una configuración push-pull es la salida de TTL y familias relacionadas. El transistor superior funciona como un pull-up activo, en modo lineal, mientras que el transistor inferior funciona digitalmente. Por esta razón, no son capaces de generar tanta corriente como la que pueden absorber (normalmente 20 veces menos). Debido a la forma en que estos circuitos se dibujan esquemáticamente, con dos transistores apilados verticalmente, normalmente con un diodo de cambio de nivel en el medio, se denominan salidas " tótem ".

Una desventaja de las salidas push-pull simples es que dos o más de ellas no se pueden conectar juntas, porque si una intenta tirar mientras que la otra intenta empujar, los transistores podrían dañarse. Para evitar esta restricción, algunas salidas push-pull tienen un tercer estado en el que ambos transistores están apagados. En este estado, se dice que la salida es flotante (o, para usar un término patentado, tri- estado ).

La alternativa a una salida push-pull es un solo interruptor que conecta la carga a tierra (llamada salida de colector abierto o drenaje abierto ) o a la fuente de alimentación (llamada salida de emisor abierto o fuente abierta).

Circuitos analógicos

Una etapa de amplificación convencional que no es push-pull a veces se llama single-ended para distinguirla de un circuito push-pull.

En los amplificadores de potencia push-pull analógicos, los dos dispositivos de salida funcionan en oposición de fase (es decir, con una separación de 180°). Las dos salidas antifase están conectadas a la carga de manera que se suman las salidas de señal, pero se restan entre sí los componentes de distorsión debidos a la no linealidad en los dispositivos de salida; si la no linealidad de ambos dispositivos de salida es similar, la distorsión se reduce mucho. Los circuitos push-pull simétricos deben cancelar armónicos de orden par, como 2f, 4f, 6f y, por lo tanto, promover armónicos de orden impar, como f, 3f, 5f cuando se conducen al rango no lineal.

Un amplificador push-pull produce menos distorsión que uno de un solo extremo. Esto permite que un amplificador push-pull de clase A o AB tenga menos distorsión para la misma potencia que los mismos dispositivos utilizados en una configuración de un solo extremo. La distorsión puede ocurrir en el momento en que las salidas cambian: la "transferencia" no es perfecta. Esto se llama distorsión cruzada. La clase AB y la clase B disipan menos energía para la misma salida que la clase A; la distorsión general se puede mantener baja mediante retroalimentación negativa , y la distorsión cruzada se puede reducir agregando una "corriente de polarización" para suavizar la transferencia.

Un amplificador push-pull de clase B es más eficiente que un amplificador de potencia de clase A porque cada dispositivo de salida amplifica solo la mitad de la forma de onda de salida y se corta durante la mitad opuesta. Se puede demostrar que la eficiencia de potencia total teórica (potencia de CA en carga en comparación con la potencia de CC consumida) de una etapa push-pull es de aproximadamente 78,5 %. Esto se compara con un amplificador de clase A que tiene una eficiencia del 25 % si impulsa directamente la carga y no más del 50 % para una salida acoplada a un transformador. [7] Un amplificador push-pull consume poca potencia con señal cero, en comparación con un amplificador de clase A que consume potencia constante. La disipación de potencia en los dispositivos de salida es aproximadamente una quinta parte de la potencia nominal de salida del amplificador. [7]Un amplificador de clase A, por el contrario, debe utilizar un dispositivo capaz de disipar varias veces la potencia de salida.

La salida del amplificador puede acoplarse directamente a la carga, acoplarse mediante un transformador o conectarse a través de un condensador de bloqueo de CC. Cuando se utilizan fuentes de alimentación tanto positivas como negativas, la carga se puede devolver al punto medio (tierra) de las fuentes de alimentación. Un transformador permite utilizar una fuente de alimentación de polaridad única, pero limita la respuesta de baja frecuencia del amplificador. De manera similar, con una sola fuente de alimentación, se puede usar un capacitor para bloquear el nivel de CC en la salida del amplificador. [8]

Cuando se utilizan transistores de unión bipolar, la red de polarización debe compensar el coeficiente de temperatura negativo de la base de los transistores a la tensión del emisor. Esto se puede hacer incluyendo una resistencia de valor pequeño entre el emisor y la salida. Además, el circuito de activación puede tener diodos de silicio montados en contacto térmico con los transistores de salida para proporcionar compensación.

Etapas de salida de transistor push-pull

Etapa de salida de transistor típica de un canal de un amplificador estéreo de 65 vatios de 1993. Los 2 transistores de salida de contrafase MOSFET ( FET2, FET4 ) están atornillados al disipador de calor negro . Son accionados por los transistores Q2, Q5, Q6 y Q7

Las categorías incluyen:

Amplificadores de potencia de transistor de salida de transformador

Ahora es muy raro usar transformadores de salida con amplificadores de transistores, aunque dichos amplificadores ofrecen la mejor oportunidad para hacer coincidir los dispositivos de salida (requiriendo solo dispositivos PNP o solo NPN).

Etapas de salida push-pull de tótem

Se pueden arreglar dos transistores emparejados de la misma polaridad para alimentar las mitades opuestas de cada ciclo sin la necesidad de un transformador de salida, aunque al hacerlo, el circuito controlador a menudo es asimétrico y un transistor se usará en una configuración de emisor común mientras que el otro se utiliza como seguidor de emisor . Este arreglo se usa menos hoy que durante la década de 1970; se puede implementar con pocos transistores (hoy no es tan importante) pero es relativamente difícil de equilibrar y mantener una distorsión baja.

Push-pull simétrico

Cada mitad del par de salida "refleja" a la otra, en el sentido de que un dispositivo NPN (o FET de canal N ) en una mitad coincidirá con un PNP (o FET de canal P ) en la otra. Este tipo de arreglo tiende a dar una distorsión más baja que las etapas cuasi simétricas porque incluso los armónicos se cancelan de manera más efectiva con una mayor simetría.

Push-pull cuasi simétrico

En el pasado, cuando los complementos PNP de buena calidad para los transistores de silicio NPN de alta potencia eran limitados, una solución era usar dispositivos de salida NPN idénticos, pero alimentados desde circuitos de controlador PNP y NPN complementarios de tal manera que la combinación estaba cerca de ser simétrica (pero nunca es tan bueno como tener simetría en todas partes). La distorsión debida a una ganancia no coincidente en cada mitad del ciclo podría ser un problema significativo.

Etapas de salida supersimétricas

El empleo de cierta duplicación en todo el circuito del controlador, para permitir circuitos de control simétricos, puede mejorar aún más la coincidencia, aunque la asimetría del controlador es una pequeña fracción del proceso de generación de distorsión. El uso de una disposición de carga ligada a un puente permite un grado mucho mayor de coincidencia entre las mitades positiva y negativa, lo que compensa las pequeñas diferencias inevitables entre los dispositivos NPN y PNP.

Ley cuadrática push-pull

Los dispositivos de salida, generalmente MOSFET o tubos de vacío , están configurados de modo que sus características de transferencia de ley cuadrática (que generan distorsión de segundo armónico si se usan en un circuito de un solo extremo) cancelan la distorsión en gran medida. Es decir, a medida que aumenta el voltaje de fuente de compuerta de un transistor, el impulso al otro dispositivo se reduce en la misma cantidad y el cambio de corriente de drenaje (o placa) en el segundo dispositivo corrige aproximadamente la no linealidad en el aumento del primero. . [9]

Etapas de salida de tubo push-pull (válvula)

Los tubos de vacío (válvulas) no están disponibles en tipos complementarios (como lo son los transistores pnp/npn), por lo que el amplificador push-pull de tubo tiene un par de tubos de salida idénticos o grupos de tubos con las rejillas de control impulsadas en antifase. Estos tubos conducen la corriente a través de las dos mitades del devanado primario de un transformador de salida con derivación central. Las corrientes de señal se suman, mientras que las señales de distorsión debidas a las curvas características no lineales de los tubos se restan. Estos amplificadores se diseñaron por primera vez mucho antes del desarrollo de dispositivos electrónicos de estado sólido; todavía están en uso tanto por audiófilos como por músicos que consideran que suenan mejor.

Los amplificadores push-pull de tubo de vacío generalmente usan un transformador de salida, aunque existen etapas de tubo sin transformador de salida (OTL) (como el SEPP / SRPP y el seguidor de cátodo blanco a continuación). [ cita requerida ] La etapa del divisor de fase suele ser otro tubo de vacío, pero en algunos diseños se usaba ocasionalmente un transformador con un devanado secundario con derivación central. Debido a que se trata esencialmente de dispositivos de ley cuadrática, los comentarios sobre la cancelación de la distorsión mencionados anteriormente se aplican a la mayoría de los diseños de tubos push-pull cuando se operan en clase A (es decir, ninguno de los dispositivos se conduce a su estado no conductor).

Una etapa de salida Push-Pull de un solo extremo ( SEPP , SRPP o mu-follower [10] ), originalmente llamada amplificador balanceado en serie (patente de EE. UU. 2,310,342, febrero de 1943). es similar a una disposición de tótem para transistores en el sentido de que dos dispositivos están en serie entre los rieles de suministro de energía, pero el impulso de entrada va solo a uno de los dispositivos,el inferior del par; de ahí la (aparentemente contradictoria) descripción Single-Ended. La salida se toma del cátodo del dispositivo superior (no impulsado directamente), que actúa a medio camino entre una fuente de corriente constante y un seguidor de cátodo, pero recibe algo de impulso del circuito de placa (ánodo) del dispositivo inferior. Por lo tanto, la excitación de cada válvula puede no ser igual, pero el circuito tiende a mantener la corriente a través del dispositivo inferior algo constante a lo largo de la señal, lo que aumenta la ganancia de potencia y reduce la distorsión en comparación con una verdadera etapa de salida de un solo extremo de una sola válvula.

El circuito sin transformador con dos tubos de tetrodo data de 1933: "EL USO DE UN TUBO DE VACÍO COMO IMPEDANCIA DE ALIMENTACIÓN DE PLACAS". por JWHorton en el Journal of the Franklin Institute 1933 volumen 216 Número 6

El seguidor de cátodo blanco (patente 2,358,428, septiembre de 1944 de ELC White) es similar al diseño SEPP anterior, pero la entrada de señal es al tubo superior , que actúa como un seguidor de cátodo, pero donde el tubo inferior (en configuración de cátodo común ) si se alimenta (generalmente a través de un transformador elevador) de la corriente en la placa (ánodo) del dispositivo superior. Básicamente, invierte las funciones de los dos dispositivos en SEPP. El tubo inferior actúa a medio camino entre un sumidero de corriente constante y un socio igual en la carga de trabajo de empujar y tirar. Una vez más, el impulso de cada tubo, por lo tanto, podría no ser igual.

Existen versiones de transistores del seguidor SEPP y White, pero son raras.

Push-pull ultralineal

El llamado amplificador push-pull ultralineal utiliza pentodos o tetrodos con su rejilla de pantalla alimentada desde un porcentaje del voltaje primario en el transformador de salida. Esto brinda eficiencia y distorsión que es un buen compromiso entre los circuitos amplificadores de potencia de triodo (o con correa de triodo ) y los circuitos de salida de pentodo o tetrodo convencionales donde la pantalla se alimenta desde una fuente de voltaje relativamente constante.

Véase también

Referencias

  1. ^ Joe Carr, Componentes y circuitos de RF , Newnes, página 84
  2. ^ Donald Monroe McNicol, La conquista del espacio de las radios: el aumento experimental en la comunicación por radio Taylor & Francis, 1946 página 348
  3. ^ http://www.leagle.com/xmlResult.aspx?page=5&xmldoc=193278360F2d723_1537.xml&docbase=CSLWAR1-1950-1985&SizeDisp=7 WESTERN ELECTRIC CO. contra WALLERSTEIN consultado el 12/12/12
  4. ^ Patente de EE. UU. 549.477 Circuito transmisor local para teléfonos. , WW Decano
  5. ^ Radios - Amplificador balanceado RCA Radiola 1924
  6. ^ Gregory Malanowski La carrera por la tecnología inalámbrica: ¿cómo se inventó (o descubrió) la radio , AuthorHouse, 2011 ISBN  1463437501 páginas 66-67, página 144
  7. ^ a b Maurice Yunik Design of Modern Transistor Circuits , Prentice-Hall 1973 ISBN 0-13-201285-5 págs. 340-353 
  8. ^ Donald G. Fink, ed. Manual del ingeniero electrónico , McGraw Hill 1975 ISBN 978-0-07-020980-0 págs. 13-23 a 13-24 
  9. ^ Ian Hegglun. "Diseño práctico de amplificador de clase A de ley cuadrática". audio lineal . 1 .
  10. ^ "SRPP decodificado" . El diario Tube CAD . Consultado el 7 de noviembre de 2016 .