Amplificator paralel

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 10 august 2022; verificările necesită 8 modificări .

Amplificatorul paralel [1] (PU) curent , mai rar "diamond" [2] follower sau buffer ( hârtie de calc din engleza  diamond buffer ) este un emițător de urmărire complementar cu patru tranzistori , în care fiecare dintre cei doi tranzistori de intrare controlează ieșirea tranzistor de tip opus de conductivitate [3] . Joncțiunile emițătoare ale tranzistoarelor de intrare și de ieșire controlate de acesta sunt conectate între ele [3] , astfel încât deplasarea tensiunii între intrare și ieșire nu depășește câteva zeci de mV [1] . PU nu necesită măsuri de circuit pentru stabilizarea termică a curentului de repaus: este suficient să se asigure o conexiune termică între tranzistoare [1] . Dezavantajul circuitului de bază PU - o limitare dură a curentului de ieșire - poate fi corectat fie prin complicarea acestuia, fie prin creșterea curenților de repaus ai tranzistoarelor de intrare [1] .

Funcția principală a panoului de control este de a potrivi sursele de tensiune de putere redusă cu sarcini de rezistență scăzută , zona principală de aplicare este etapele de intrare și ieșire ale amplificatoarelor operaționale cu feedback de curent . Repetoarele paralele au fost folosite, de asemenea, în instrumentele de bandă largă și în etapele de ieșire ale amplificatoarelor de putere audio .

Istorie, terminologie, aplicare

Amplificatorul de curent paralel este o evoluție naturală a emițătorului complementar polarizat de diodă [4] [5] . În 1971, Harris Corporation a aplicat un miez PU cu patru tranzistori pe treapta de ieșire a amplificatorului operațional integrat HA-2600 [6] [7] . Circuitele de tranzistori complementare au rămas exotice până la sfârșitul anilor 1970, până când industria a învățat cum să creeze tranzistori pnp integrati de înaltă calitate, iar costul microcircuitelor complementare a scăzut la nivelul op-ampurilor convenționale [2] . În 1979, National Semiconductor a lansat primul PU integrat produs în masă - amplificatorul tampon LH3002 cu o lățime de bandă de 50 MHz [5] ; până în 1982, astfel de circuite au fost utilizate pe scară largă în dispozitivele de putere redusă [8] .

La sfârșitul anilor 1980, a existat un salt calitativ: industria a stăpânit tehnologia siliciului pe un izolator și a început producția de amplificatoare operaționale integrate cu feedback de curent (amplificatoare operaționale ) [9] . Primele amplificatoare operaționale TOS discrete care utilizează PU au fost lansate de Comlinear la începutul anilor 1980, primele amplificatoare operaționale TOC integrate au apărut în 1987 [9] [2] . Un TOC tipic OU conține două PU [10] . Dispozitivul de intrare transformă tensiunea diferenţială de intrare în curent şi controlează etapa de conversie curent în tensiune [10] . Urmatorul de ieșire potrivește ieșirea de înaltă rezistență a convertorului curent-tensiune cu o sarcină externă cu rezistență scăzută [10] . În același timp, a continuat dezvoltarea circuitelor de amplificatoare tampon specializate. În 1986 a apărut HA-5033 (Harris) [11] , în 1993 BUF634 ( Burr-Brown ) [12] și așa mai departe.

În jurul anului 1990, Burr-Brown s-a referit pentru prima dată la PU cu sintagma tampon de diamant [13] [14] („diamant” [2] sau tampon „în formă de diamant”, care reflectă topologia miezului cu patru tranzistori). Sintagma tranzistor de diamant („tranzistor de diamant” [2] ), la rândul său, însemna în limbajul Burr-Brown PU care controlează convertorul tensiune-curent [15] [2] . Clișeul publicitar s-a înrădăcinat în limbajul designerilor de echipamente de sunet. În literatura academică, PU mai este denumită „ celulă transliniară mixtă de al doilea fel” ( de exemplu, celulă transliniară  mixtă II, MTC-II ; acești autori au numit „celulă de primul fel” un repetor complementar cu o diodă). părtinire) [16] .

Din 1982, literatura de radio amator sovietică folosește conceptul de „amplificator liniar paralel” sau pur și simplu „amplificator paralel” [17] . Manualul german de Tietze și Schenk (ediția a XII-a) a considerat PU doar ca o modalitate alternativă de setare și stabilizare a modului („bias driver with tranzistors”) al unui adept complementar convențional [4] .

În ingineria sunetului a secolului al XX-lea, PU au fost utilizate într-o măsură limitată în preamplificatoare seriale (de exemplu, Lehmann Cube) și practic nu au fost folosite în UMZCH în serie. Amplificatoarele de putere Accuphase , construite conform topologiei op-amp TOS, au folosit PU în etapele de intrare, dar nu și la ieșire [18] . În practica de amatori a URSS și a succesorilor săi, dimpotrivă, proiectele autorului ale UMZCH cu etape de ieșire pe amplificatoare paralele [1] [19] [20] [21] au fost publicate în mod regulat . În anii 1990, ideea a fost „redescoperită” de către designerii exotici UMZCH, fără feedback general. Cele mai radicale modele ale noii generații au folosit două PU (intrare și ieșire) și un transformator de creștere în rolul unui „amplificator de tensiune”. Au apărut trepte de ieșire compozite, în care miezul PU era alimentat de un repetor complementar convențional sau compozit [3] . În UMZCH al secolului XXI (de exemplu, Dartzeel), sunt încă utilizate cele mai simple etape de ieșire cu patru tranzistoare [22] .

Caracteristici

Amplificator de curent paralel - circuit complet simetric, complementar; pentru a analiza funcționarea sa într-un mod liniar, este suficient să luăm în considerare jumătatea sa superioară (T1, T2) sau inferioară (T3, T4) [23] . De exemplu, jumătatea superioară este formată prin conectarea în serie a două emițătoare simple de urmărire pe un tranzistor pnp T1 și un tranzistor npn T2 [23] . Coeficientul de transfer de tensiune al unui astfel de „două” este ceva mai mic decât unu [23] , iar coeficientul de transfer de curent este egal cu produsul factorilor de amplificare a curentului ( ) T1 și T2 [5] . Jumătățile superioare și inferioare ale circuitului sunt conectate la sarcină în paralel, ceea ce a determinat numele său rusesc - un amplificator liniar paralel [1] [7] .

Curent de repaus. Regimul de stabilizare termică

Curentul de repaus al adeptei pe T1 este stabilit de o sursă de curent stabilă; în cea mai simplă versiune (circuit LH0002), rezistența R1 își joacă rolul. O parte din curentul care curge prin R1 se ramifică la baza lui T2, astfel încât R1 limitează simultan limita curentului de ieșire (curentul emițătorului T2).

Cele patru tranzistoare formează un circuit transliniar închis acoperit de un feedback local puternic. Dacă T1 și T2 au zone egale ale joncțiunilor emițătorului, iar temperaturile acestor joncțiuni sunt egale, atunci în repaus (cu sarcina oprită) curentul emițătorului T2 repetă exact curentul emițătorului T1 și curentul total de repaus al tuturor celor patru tranzistoare. este de trei ori mai mare decât curentul emițătorului T1.

Dacă este necesar, curentul tranzistorilor de ieșire poate fi redus sau mărit proporțional prin scalarea (în circuitele integrate) sau punerea în paralel (în dispozitivele cu dispozitive discrete) a tranzistorilor înșiși. În plus, curentul etajului de ieșire poate fi redus proporțional prin includerea rezistențelor de balast în circuitele emițătoare ale etajului de ieșire (R2, R4 în circuitul LH0002), iar pentru a crește curentul etajului de ieșire, rezistențele de balast sunt incluse în circuitele emițătorului ale etapa de intrare.

Conexiunea termică între tranzistoare este asigurată în circuitele integrate prin plasarea acestora în imediata apropiere unele de altele, iar în dispozitivele bazate pe tranzistoare discrete, prin instalarea lor pe un radiator comun [1] . Cele mai importante sunt conexiunile termice din perechile T1 + T2 și T3 + T4, totuși, în dispozitivele bazate pe tranzistoare puternice, „conexiunea diagonală” în perechile T1 + T4 și T2 + T3 este mai justificată [1] . În fiecare pereche „diagonală”, colectorii ambelor tranzistoare sunt conectați la aceeași șină de alimentare și, prin urmare, nu au nevoie de izolare electrică unul de celălalt [1] ).

Schimbarea tensiunii

În dispozitivele reale, tensiunea de bază-emițător ( ) a tranzistoarelor npn și pnp nu se potrivește, ceea ce generează o schimbare a tensiunii de ieșire în raport cu intrarea. În cel mai rău caz, când se utilizează tranzistoare discrete, deplasarea în repaus este de câteva zeci de mV [1] . Distribuția în valorile de schimbare a dispozitivelor construite pe aceeași bază de element este semnificativ mai mică - ceea ce vă permite să paralelizați mai multe PU care funcționează pe o sarcină comună [1] .

În miezul cu opt tranzistoare al PU, fiecare dintre cele patru tranzistoare ale circuitului de bază este suplimentat cu un tranzistor de tip opus de conductivitate într-o conexiune de diodă - care compensează pe deplin deplasarea din cauza diferenței sistematice , dar agravează zgomot și caracteristici de frecvență [14] . În practică, o astfel de complicație a schemei nu este justificată și a fost rar folosită [14] . Este mai ușor pentru proiectanți să se împace cu schimbarea circuitului de bază și fie să o compenseze cu feedback, fie să o izoleze de sarcină cu un condensator de cuplare .

Coeficient de transfer

Valoarea exactă a coeficientului de transfer de tensiune depinde de rezistența de sarcină, rezistența în circuitul dintre emițătorii tranzistoarelor de ieșire și sarcină, temperatura și valoarea instantanee a curentului de ieșire (ultimii doi parametri determină rezistența de ieșire T2 și T4) [23] .

Limitarea amplitudinii

Curenții de bază ai tranzistoarelor de ieșire sunt limitați de sursele de curent din circuitele emițătoare ale tranzistoarelor de ieșire ( ), astfel încât curentul de ieșire este limitat asimetric de valorile limită

(curent de scurgere),
(curent de intrare).

Când pragul superior este atins, baza T2 interceptează tot curentul generat , iar curentul emițătorului T1 este întrerupt; la atingerea pragului inferior se întrerupe curentul emiţătorului T3 [25] . În ambele cazuri se observă o limitare dură a curentului de ieșire la ieșirea circuitului [25] . Tensiunile maxime de ieșire , cu sarcină pur ohmică, sunt determinate de produsele curenților de limitare și rezistența de sarcină; pentru sarcini reactive sau neliniare, tensiunile maxime de ieșire nu sunt în general definite [25] .

Cu alte lucruri egale, pentru a obține cele mai mari valori ale curentului de ieșire, ar trebui să se utilizeze tranzistori de ieșire cu valori mari și suprafețe mari de joncțiuni ale emițătorului - atât de mari încât funcționarea la curenții maximi de ieșire nu este însoțită de o scădere semnificativă [ 25] . La amplificatoarele de putere, se preferă tranzistoarele în serie „liniară”, cu o reducere relativ mică în întregul interval de curent admisibil [26] [27] . De exemplu, pentru tranzistoarele complementare din seria 2SA1302/2SC3281 , curentul maxim scade cu cel mult 10%, în timp ce pentru „obișnuit” MJ15024/MJ15025, cu 70% [27] .

Pragul limită de curent depinde foarte mult de configurația surselor de curent . Cele mai simple „surse” de pe rezistențe sunt cele mai puțin profitabile, deoarece odată cu creșterea tensiunilor de intrare și de ieșire, valorile disponibile scad [25] . În amplificatoarele de tensiune AC, acest dezavantaj poate fi eliminat prin introducerea unui boost de tensiune (în urma feedback-ului) [25] . Conectarea unei creșteri de tensiune la circuitele emițătorului T1 și T3 elimină dependența de tensiunea de intrare AC (dar nu DC); în zona de funcționare liniară, coeficientul de distorsiune neliniară scade cu un ordin de mărime [25] . Conectarea unei creșteri de tensiune la colectoarele T1 și T3 elimină efectul Earley , reduce și mai mult distorsiunea neliniară și permite utilizarea tranzistoarelor de joasă tensiune în circuite cu tensiuni și semnale de alimentare relativ mari [28] .

Distorsiuni neliniare

În afara regiunilor de limitare a curentului, amplificatorul paralel este „liniar” în sensul că în condiții normale toate tranzistoarele funcționează într-un mod activ fără a intra în regiunea de tăiere a curentului colectorului [29] . Coeficientul de distorsiune neliniară este relativ scăzut și este determinat de o combinație între tensiunea de intrare, curentul de ieșire și calitatea surselor de curent din circuitele emițătoare ale tranzistoarelor de intrare [29] . Totuși, acest lucru este valabil numai în absența rezistențelor active între emițătorii tranzistorilor de ieșire și sarcină (R2, R4 în circuitul LH0002) [29] . La curenți de sarcină mari, căderile de tensiune între aceste rezistențe rup alternativ circuitul transliniar și blochează unul dintre cele două tranzistoare de ieșire [29] . Circuitul comută din modul A în modul AB, apar distorsiuni de comutare caracteristice [29] .

În dispozitivele practice care funcționează în clasa AB, coeficientul de distorsiune neliniară este, conform declarațiilor dezvoltatorilor:

Potrivit lui Burr-Brown, cele mai scăzute distorsiuni neliniare la frecvențe joase se obțin în amplificatoarele operaționale de mare putere, formate prin conectarea în serie a unui amplificator operațional de înaltă calitate și a unui buffer serial PU, acoperit de o buclă de feedback comună . 12] . La frecvențe peste 100 kHz, impedanța de ieșire a PU crește inevitabil, ceea ce duce la o creștere a distorsiunii [12] . Acest fenomen poate fi parțial suprimat prin conectarea în paralel a mai multor PU, cu condiția ca marja de câștig a amplificatorului operațional să fie suficientă [12] .

Slew rate

Ratele limitative de creștere și scădere a tensiunii la ieșirea panoului de comandă sunt determinate de procesele de reîncărcare a capacităților parazite conectate la emițătorii T1 și T3

,
[30] .

De exemplu, dacă curentul este limitat la 1 mA, iar capacitatea conectată la emițătorul T1 este de 10 pF, atunci rata de variație a tensiunii de ieșire nu poate depăși 100 V/µs [30] .

Creșterea și scăderea tensiunii de ieșire sunt asimetrice. În practică, caracteristicile dinamice ale circuitului sunt evaluate de cea mai mică dintre cele două viteze [30] . Deci, lățimea de bandă a unui semnal sinusoidal de o amplitudine dată este limitată de valoare

[30] .

Dacă viteza de modificare a tensiunii de intrare depășește viteza limită a miezului, atunci tranzistoarele sale de ieșire încep să conducă prin curent, ceea ce poate duce la evadare termică catastrofală [11] . Frecvența de tăiere, peste care overclocking-ul este posibil, este determinată de aceeași formulă ca și lățimea de bandă a semnalului de o amplitudine dată [11] .

Modalități de creștere a curentului de ieșire

Optim, din punct de vedere al limitărilor de amplitudine, un amplificator paralel folosește o creștere a tensiunii sau surse active ale curentului de emițător al tranzistoarelor de intrare și tranzistoare de ieșire cu factori mari de amplificare a curentului și suprafețe relativ mari ale joncțiunilor emițătorului [29] . O creștere suplimentară a curentului de ieșire necesită o creștere proporțională a curenților de repaus ai tranzistorilor de intrare, cu o creștere proporțională a disipării puterii și cerințe crescute pentru disiparea căldurii. De exemplu, fiecare canal al seriei UMZCH Dartzeel 108 cu o putere de ieșire declarată de 160 W într-o sarcină de 4 ohmi consumă 40 W în repaus și cântărește 15 kg [22] . Există, de asemenea, îmbunătățiri ale circuitului de bază care permit creșterea curenților și puterilor de ieșire la curenți de repaus relativ mici.

Diodă inversă și backup capacitiv

În cel mai simplu circuit îmbunătățit, bazele tranzistoarelor de ieșire sunt conectate printr-o diodă flyback (în cipul HA-2600, o soluție similară a fost utilizată cu două diode flyback care conectează bazele tranzistorilor de ieșire la intrarea panoului de control [ 7] .funcționează ca un emițător adept compozit.Comutarea modului (apariția și întreruperea curentului direct prin dioda inversă) este însoțită de distorsiuni de comutare puternice [19] .

Distorsiunile de acest fel pot fi evitate prin înlocuirea diodei de roată liberă cu un condensator mare [31] . Deoarece condensatorul combină (scurtează) emițătorii tranzistorilor de intrare, pragul de limitare a curentului de ieșire al circuitului „de rezervă” este doar de două ori mai mare decât cel al circuitului de bază [31] .

Repetitor hibrid

Un circuit hibrid cu șase tranzistoare este o combinație între un amplificator paralel și un emițător de urmat compus [30] . La curenți mici de ieșire, circuitul funcționează ca un panou de control; tranzistoarele de intrare ale followerului compozit (T5, T6) sunt închise [30] . La curenți mari, cu o creștere a diferenței dintre tensiunile de intrare și de ieșire, se deschide fie T5 (curent de ieșire de scufundare), fie T6 (curent de scufundare) [30] . Circuitul a fost folosit, de exemplu, în amplificatorul tampon de mare viteză OPA633.

Ca și în circuitul cu o diodă inversă, modurile de comutare sunt însoțite de o creștere a distorsiunii de comutare. În plus, la deschiderea T5 sau T6, rata de modificare a tensiunii de ieșire crește brusc, neliniar [30] . Prin urmare, un adept hibrid cu un curent de repaus de numai 1 mA este capabil de viteze mai mari de 1000 V / µs - dar numai la un semnal mare [30] . La tensiuni de intrare scăzute, rata de modificare a tensiunii de ieșire revine la valorile naturale pentru miezul PU [30] .

În cipul HA-5033, tranzistoarele de accelerare T5, T6 sunt conectate conform unui circuit emițător comun și sunt controlate de o pereche de tranzistoare suplimentare care monitorizează diferența de tensiune intrare-ieșire [11] . Într-un circuit alternativ, tranzistoarele de amplificare sunt conectate într-un circuit între bazele tranzistoarelor de intrare și de ieșire. Perechile T5 + T2 și T6 + T4 formează un fel de perechi Darlington , dar spre deosebire de „darlingtons” adevărate, T5 și T6 funcționează doar la curenți de sarcină mari. Literatura descrie, de asemenea, PU pe perechi Darlington cu drepturi depline care operează în clasa B [26] .

Etape de ieșire puternice

O abordare alternativă este conectarea tranzistoarelor de putere suplimentare la circuitele de ieșire ale repetorului. Într-un PU cu șase tranzistori cu o etapă de ieșire în două trepte ( tampon de diamant triplu ) ,  tranzistorii suplimentari T5, T6 funcționează ca un emițător adept tradițional complementar [3] . Curentul de repaus este stabilit de o sursă de tensiune de polarizare a diodei sau a tranzistorului ( ) [3] . Rezistoarele de balast din circuitele emițătoare ale tranzistoarelor de ieșire nu au practic niciun efect asupra stabilității termice, dar afectează puternic nivelul și spectrul distorsiunilor neliniare. Cel mai bun, din punct de vedere al distorsiunii, este modul în care în repaus scade o tensiune pe fiecare rezistor egală cu potențialul termic (26 mV la 300 K) [32] .

Adeptul cu șase tranzistori bazat pe perechi Shiklai este mai simplu în circuit: nu are nevoie de o sursă de tensiune de polarizare. Pentru stabilizarea termică este suficient să se asigure o legătură termică între cele patru tranzistoare ale miezului de bază (T1-T4) [33] . Tranzistoarele de putere T5, T6 trebuie să fie în afara buclei de control termic T1-T4; temperatura T5, T6 practic nu afectează modul de funcționare [33] . Ca și în circuitul anterior, în repaus, căderea optimă de tensiune pe rezistențele emițătorului ar trebui să fie de 26 mV la 300 K [32] .

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ageev, 1982 , p. 32.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 W. Titze , K. Shenk. Circuitul semiconductor. Volumul I. - ediţia a XII-a. - M.  : DMK-Press, 2008. - S. 613, 621. - 832 p. — ISBN 5940741487 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Cordell, 2011 , p. 191.
  4. ↑ 1 2 Tietze U. , Shenk K. Semiconductor circuitry. Volumul II. — ediția a XII-a. - M.  : DMK-Press, 2008. - S. 199-200. — 942 p. — ISBN 5940741487 .
  5. ↑ 1 2 3 National Semiconductor, 1979 , p. unu.
  6. ↑ Amplificatoare operaționale cu circuit integrat Meyer RG . - IEEE Press/Wiley, 1978. - P. 41. - ISBN 9780471050681 .
  7. ↑ 1 2 3 Connelly JA 3.8. Etape de ieșire // Circuite analogice integrate: dispozitive, circuite, sisteme și aplicații . - Harris Corporation/Wiley, 1975. - ISBN 9780471168546 .
  8. ↑ Ageev, 1982 , p. 33.
  9. ↑ 1 2 Taranovich S. Analog: Înapoi în viitor, Partea 3 . Știri de design electronic (2 decembrie 2012).
  10. ↑ 1 2 3 Franco S. Proiectare cu amplificatoare operaționale și circuite integrate analogice. - McGraw-Hill, 2002. - P. 293-294. — ISBN 9780070530447 .
  11. ↑ 1 2 3 4 AN548: Ghidul designerilor pentru Bufferul video HA-5033 . - Renesas Corporation / Intersil, 1996. - P. 1-3. - (Nota de aplicare).
  12. ↑ 1 2 3 4 Vöhringer U. AB101: Combinarea amplificatorului cu BUF634 . - Burr-Brown, 1995. - P. 1-2. - (Buletin de aplicare).
  13. ↑ Thompson M. Intuitive Analog Circuit Design . - Newnes, 2013. - P. 93. - ISBN 9780124059085 .
  14. ↑ 1 2 3 Lillis WJ, Wang AD Fundamentul invenției // Brevetul SUA 4893091. Oglindă de curent complementară pentru corectarea tensiunii de decalaj de intrare a discului de diamant, în special ca treaptă de intrare pentru amplificatorul cu bandă largă . - Oficiul de brevete al SUA / Burr-Brown, 1988.
  15. ↑ Lehmann K. Tranzistor de diamant OPA660 . - Burr-Brown, 1993. - P. 1. - (Buletin de cerere).
  16. ↑ Senani, R. et al. Transportoare curente: variante, aplicații și implementări hardware. - Springer, 2015. - 560 p. — ISBN 9783319086842 .
  17. ↑ Ageev, 1982 , p. 32, 35.
  18. ↑ Amplificator stereo integrat E-306 . Accuphase (2007).
  19. ↑ 1 2 Ageev, 1985 , p. 26.
  20. ↑ Ageev, 1987 , p. 26.
  21. ↑ 1 2 Lachinyan, S. UMZCH combinat fără o protecție generală a mediului // Radio. - 2001. - Nr. 4. - S. 13–15.
  22. ↑ 1 2 11. Date tehnice; T5.3.2 Dartzeel Schematics // Dartzeel NHB-108 One Manual de utilizare . — Dartzeel, 2017.
  23. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 National Semiconductor, 1979 , p. 3.
  24. ↑ 1 2 3 National Semiconductor, 1979 , p. paisprezece.
  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Ageev, 1985 , p. 27.
  26. ↑ 1 2 Ageev, 1985 , p. 28.
  27. ↑ 1 2 Self, 2002 , pp. 129-130.
  28. ↑ 1 2 Cordell, 2011 , pp. 191–192.
  29. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ageev, 1985 , p. 27–28.
  30. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
  31. ↑ 1 2 Broskie J. Mighty Diamonds . Tubecad.com (22 septembrie 2022).
  32. ↑ 1 2 Cordell, 2011 , p. 101.
  33. ↑ 1 2 Self, 2002 , pp. 114, 327.

Literatură