Push-pull kaskáda (souprava. push-pull obvod , push- pull kaskáda z anglického push-pull - pull ) - kaskáda elektronického zesilovače , skládající se ze dvou protiběžně řízených aktivních prvků [1] - lampy , tranzistory , složené tranzistory nebo složitější obvodové jednotky. Zesílení výkonu vstupního signálu je rozděleno mezi obě ramena kaskády tak, že při zvýšení vstupního signálu se zvýší proud pouze v jednom z ramen; při poklesu vstupního signálu se zvyšuje proud v opačném rameni [1] . Kaskády, ve kterých je výkonové zesílení stoupajících a klesajících signálů přiřazeno jedinému aktivnímu zařízení, se nazývají jednocyklové .
Obvod push-pull dominuje obvodům logiky CMOS a N-MOS , koncovým stupňům operačních zesilovačů , audiofrekvenčním tranzistorovým výkonovým zesilovačům . Umožňuje vám stavět ekonomické elektronické spínače a lineární výkonové zesilovače pracující v režimech AB nebo B s relativně vysokou účinností a relativně nízkým nelineárním zkreslením . Při zesilování střídavého proudu přenášejí proud do zátěže střídavě dvě aktivní zařízení takového zesilovače („horní a spodní“ nebo „levý a pravý“). Sudé harmonické zkreslení, charakteristické pro všechna zesilovací zařízení, jsou potlačeny a liché jsou naopak umocněny . Navíc při přenosu řízení zátěže z jednoho aktivního zařízení na druhé generuje stupeň push-pull spínací zkreslení výstupního signálu.
Nejjednodušší lineární push-pull kaskáda - komplementární emitorový sledovač v módu B - je tvořena opačným zapojením dvou emitorových sledovačů na npn-tranzistorech (horní rameno) a pnp-strukturách (spodní rameno) [2] . Při nulovém řídicím napětí jsou oba tranzistory sepnuté, zatěžovací proud je nulový [3] . Když je překročena prahová hodnota pro zapnutí tranzistoru, přibližně +0,5 V, horní (npn) tranzistor se hladce otevře a připojí kladnou napájecí kolejnici k zátěži. Při dalším zvýšení řídicího napětí výstupní napětí zopakuje vstupní napětí s posunem 0,5 ... 0,8 V, spodní tranzistor zůstává uzavřen. Podobně se při záporných řídicích napětích otevře spodní (pnp) tranzistor, čímž se zátěž připojí k záporné napájecí kolejnici, zatímco horní zůstane uzavřený [3] . V oblasti nízkých řídicích napětí, kdy jsou oba tranzistory sepnuté, jsou pozorovány charakteristické spínací zkreslení stupňovitého průběhu signálu [4] .
Nejjednodušší klíčová kaskáda push-pull funguje podobně, ale jinak - logický invertor CMOS . Invertorové FETy pracují v režimu společného zdroje, takže jak zesilují, tak invertují vstupní napětí [5] . Horní tranzistor typu p v obvodu se otevírá s nízkou logickou úrovní a přenáší vysokou logickou úroveň na výstup, spodní tranzistor se otevírá s logickou vysokou úrovní a přenáší nízkou úroveň na výstup, čímž přepíná zátěž na nižší výkon kolejnice [6] [7] . Prahové hodnoty spínání tranzistorů jsou voleny tak, aby oba tranzistory byly zaručeně otevřeny uprostřed intervalu mezi vysokou a nízkou vstupní úrovní - to urychluje spínání za cenu nevýznamných ztrát výkonu při krátkodobém průtoku proudu [ 6] . Ve stabilních stavech logické nuly a logické jedničky je pouze jeden ze dvou tranzistorů otevřený a druhý uzavřený [7] . Typickou zátěží logického prvku jsou hradla ostatních logických prvků, takže jeho tranzistory při spínání pouze přenášejí proud do zátěže. Jak se zatěžovací kapacity dobíjejí, výstupní proud klesá na nulu, ale jeden ze dvou tranzistorů zůstává otevřený [6] .
Push-pull kaskády mohou být prováděny podle jiných schémat, zesilují stejnosměrné nebo střídavé napětí nebo proud, pracují na aktivní nebo reaktivní zátěži , mohou být invertující nebo neinvertující. Společný pro všechny konfigurace je protifázový princip : s rostoucím řídicím napětím roste proud pouze v jednom ze dvou ramen obvodu; při poklesu řídicího napětí se v druhém, protilehlém rameni zvýší proud [1] . Chování obvodu ve statickém režimu v obecném případě není definováno - důležitá je pouze jeho reakce na změnu vstupního signálu [1] . V určitých odvětvích elektroniky a v historické, zastaralé literatuře lze také nalézt užší soukromé definice:
V obvodech lampy pojem koncového stupně doslova odpovídá pojmu „zesilovací stupeň“ („zesilovací stupeň, radiotechnické zařízení obsahující zesilovací prvek, zátěžový obvod, komunikační obvody s předchozími nebo následujícími stupni“ [ 13] ). V této interpretaci funguje jediné aktivní zařízení v každém rameni tlakově-tahového výstupního stupně. Může to být jedna lampa nebo skupina lamp zapojených paralelně [11] , ale o spínání lamp v sérii uvnitř kaskády se zpravidla nemluvilo. Podobný přístup se také používá v tranzistorových obvodech vysokofrekvenčních výkonových zesilovačů.
Na druhé straně v obvodech tranzistorového zesilovače zvuku jsou jednoduché kaskády vzácné. Dvoutranzistorové bipolární koncové stupně jsou provozuschopné pouze v relativně slaboproudých zařízeních, a aby se mezilehlé zesilovací stupně sladily s nízkoodporovou zátěží, musí být alespoň dva proudové zesilovací stupně zapojeny do série. V praxi může mít každá větev výstupního stupně push-pull dvě až čtyři "kaskády v rámci stupně". Tranzistory, které tvoří tyto dvojky, trojky a čtyřky, jsou pokryty místními zpětnými vazbami a jsou obvykle považovány za komplex. Nejjednodušší případy takových komplexů jsou Darlingtonovy páry a Shiklaiovy páry . Kromě nich se v praxi používá minimálně sedm [14] bipolárních „trojic“ („triple“ Quad 303, „triple“ Bryston a tak dále), čtyřstupňové emitorové sledovače a „čtyřky“ Bryston [15] , které jsou chráněny před nadproudem nebo napájením dalšími aktivními obvody. Tyto obvody jako celek se nazývají koncové stupně a jejich vnitřní části, pokud má smysl je vůbec vyčleňovat, jsou považovány za stupně koncového stupně.
Push-pull kaskádu lze postavit podle jednoho ze tří základních schémat. Všechny tři topologie jsou variantami polomůstkového schématu pro připojení zátěže ke dvěma aktivním zařízením a jednomu nebo dvěma napájecím zdrojům [16] . Symetrické a asymetrické (kvazikomplementární) inkluze mohou být implementovány na všech typech aktivních zařízení, komplementární - pouze na párech tranzistorů s opačnými (komplementárními) typy vodivosti.
V symetrickém zapojení jsou dvě identická aktivní zařízení zapojena paralelně k sobě stejnosměrným proudem: celkový klidový proud spotřebovaný kaskádou při nulovém vstupním signálu je rozdělen na dvě stejné části protékající levým a pravým ramenem zesilovače [17 ] . Napětí zesíleného signálu je přivedeno na řídící elektrodu invertujícího (vlevo podle schématu) ramena a jeho zrcadlová kopie, tvořená externím rozdělovačem fáze , je přivedena na vstup invertujícího (vpravo podle schématu ) rameno [17] . Při kladném signálovém napětí se proud invertujícího ramene zvyšuje, proud neinvertujícího ramene klesá. Aby se tyto změny proudu přenesly na zátěž, jsou ve spodních ramenech obvodu H-můstku zařazena aktivní zařízení a proudy horních ramen mostu jsou tak či onak fixovány. Rozdíl mezi proudy horního a dolního ramene mostu se uzavírá zátěží zapnutou „příčkou“ mostu.
V roli horních ramen můstku ve tvaru H mohou sloužit např. tlumivky , jejichž impedance je v celém rozsahu provozních frekvencí výrazně vyšší než zatěžovací odpor a stejnosměrný odpor je relativně malý. Ještě výhodnější je použít transformátor s odbočkou ze středu primárního vinutí [18] . Transformátorová vazba umožňuje sladit relativně velké vnitřní odpory skutečných lamp a tranzistorů s nízkými odpory skutečných zátěží - reproduktory , elektromotory , antény , kabelová vedení [17] , ale jejím hlavním úkolem je přepínat protifázové výstupní proudy na běžné zatížení [18] . Byl to obvod transformátoru, který vyvinula RCA v roce 1923 [19] , který byl hlavní v elektronkových obvodech a „symetrické spínání“ bylo vlastně synonymem pro kaskádu push-pull [17] . Podle tohoto schématu byly stavěny první tranzistorové zesilovače a nadále se staví tranzistorové zesilovače rádiových frekvencí zvláště vysokého výkonu [20] [18] . Dalšími přednostmi transformátorového obvodu je vysoká účinnost a vysoká úroveň výstupního výkonu v režimu B, symetrická reprodukce kladných a záporných vstupních napětí, potlačení lichých harmonických, jednoduchá konstrukce unipolárního zdroje, relativní necitlivost na šíření klidových proudů dvou ramena [20] [18] [17] . Nevýhodou je omezená šířka pásma a fázová zkreslení reálných transformátorů, které omezují možnost využití zpětné vazby , a zásadní nemožnost přenosu stejnosměrného proudu do zátěže [20] [18] .
Symetrický push-pull stupeň je obdobou stupně diferenciálního zesílení napětí, který je také variantou paralelního polomůstkového zapojení [21] . Celkový proud obou ramen diferenciálního stupně je omezen stabilním proudovým zdrojem ve společném emitoru, zdroji nebo katodovém obvodu, což v ekonomickém režimu B vylučuje možnost zesílení výkonu.
Alternativou k symetrickému můstku je můstek, ve kterém jsou k levému hornímu a levému dolnímu rameni připojena identická aktivní zařízení a k pravým ramenům napájecí zdroje. Oběma aktivními zařízeními protéká společný klidový proud, to znamená, že aktivní zařízení jsou zapojena do série se stejnosměrným proudem [22] . Horní lampa (tranzistor) podle schématu je připojena k zátěži katodou (emitor, zdroj) podle schématu katodového ( emitor , zdroj ) sledovače vstupního signálu. Žárovka (tranzistor) níže v obvodu je připojena k zátěži anodou (kolektorem, zdrojem) a pracuje v režimu invertujícího zesilovače se společnou katodou ( se společným emitorem , se společným zdrojem) [23] . Vnitřní odpory a zisky lamp (tranzistorů) v těchto režimech jsou zásadně odlišné, proto se takový můstek nazývá asymetrický. Volba předzesilovacích koeficientů vstupních signálů vstupujících do horního a spodního ramene koncového stupně tuto asymetrii kompenzuje pouze částečně: skutečné zesilovače vyžadují hlubokou negativní zpětnou vazbu . Obvod je citlivý na šíření klidových proudů obou ramen a uspořádání obvodů předpětí, které tyto proudy nastavují, je poměrně komplikované. U elektronkových zesilovačů se problém zhoršuje omezením maximálního povoleného napětí žhavící katoda, proto se v elektronkových obvodech asymetrické spínání neprosadilo [20] [24] .
Naproti tomu obvodům tranzistorových výkonových zesilovačů v 60. letech dominovaly Linovy [20] [25] obvody zesilovače s jedním zakončením . Na jedné straně umožnil opustit připojení transformátoru a nahradil jej buď kapacitní vazbou, nebo přímým připojením k zátěži; na druhé straně v 50. letech průmysl vyráběl pouze vysoce výkonné tranzistory pnp [26] . V polovině 60. let byly nahrazeny výkonnějšími a spolehlivějšími křemíkovými tranzistory, ale již npn strukturami a teprve koncem 60. let ovládl americký průmysl výrobu komplementárních pnp tranzistorů [20] [26] . Koncem 70. let přešli konstruktéři lineárních UMZCH na diskrétních tranzistorech na komplementární obvod [27] a kvazikomplementární obvod je dodnes používán ve koncových stupních integrovaných výkonových zesilovačů ( TDA7294 , LM3886 a jejich četné funkční analogy ) a v zesilovačích třídy D [28] .
Nahrazením jednoho z aktivních zařízení nesymetrického obvodu zařízením komplementárního typu se obvod změní na komplementární. Pokud vybrané typy výstupních tranzistorů („doplňkové výbojky“ neexistují [29] ) mají stejné dynamické charakteristiky v celém rozsahu pracovních proudů, napětí a frekvencí, pak takový obvod reprodukuje kladná a záporná vstupní napětí symetricky (asymetrie je nevyhnutelné u skutečných zesilovačů, zejména na horní hranici frekvenčního rozsahu výstupních tranzistorů). Rozdělovač vstupní fáze již není potřeba: na báze nebo hradla obou ramen je přivedeno stejné napětí střídavého signálu (obvykle s určitým konstantním napěťovým offsetem, který nastavuje pracovní režim výstupních tranzistorů) [30] [31] .
Bipolární tranzistory s komplementárním obvodem mohou pracovat v kterémkoli ze tří základních režimů ( OK , OE nebo OB ) [30] [31] . U výkonových zesilovačů pracujících na nízkoodporové zátěži jsou bipolární tranzistory obvykle zapojeny podle společného kolektorového obvodu (komplementární emitorový sledovač , znázorněno na obrázku), tranzistory s efektem pole - podle společného kolektorového obvodu (zdrojový sledovač) [32 ] . Taková kaskáda zesiluje proud a výkon, ale ne napětí. Běžné je také zapínání tranzistorů podle obvodu se společným emitorem nebo společným zdrojem - takto jsou uspořádány vyrovnávací zesilovače CMOS . V této verzi komplementární kaskáda zesiluje proud, napětí a výkon [31] . Obě možnosti se používají ve výstupních stupních operačních zesilovačů : sledovače poskytují nejlepší výkon a obvody se společným emitorem poskytují nejvyšší výkyv výstupního napětí [33] [34] .
Mezní teoretická účinnost (COP) jednocyklového zesilovače harmonického signálu v režimu A , dosažitelná pouze při zapojení transformátoru s čistě aktivní zátěží, je 50 % [35] . U skutečných jednopólových zesilovačů na bázi tranzistorů se dosahuje účinnosti asi 30 %, u elektronkových asi 20 % - tedy na každý Watt maximálního výstupního výkonu zesilovač spotřebuje 3 ... 5 W ze zdroje [ 36] . Skutečné množství energie přenesené do zátěže nemá prakticky žádný vliv na spotřebu energie: ta se začne zvyšovat až při přetížení kaskády [2] . V beztransformátorových zesilovačích je účinnost znatelně horší; v nejhorším případě konvenčního aktivně zatíženého emitorového sledovače je konečná teoretická účinnost pouze 6,25 % [37] .
Nahrazení jednokoncového zdvihátka za push-pull sledovač v režimu A, který pracuje se stejným klidovým proudem a spotřebovává stejnou, přibližně konstantní energii z napájecího zdroje, zvyšuje maximální výstupní výkon čtyřnásobně a zvyšuje konečnou účinnost na 50 % [38] . Přepnutím push-pull sledovače do režimu B se teoretická limitní účinnost zvýší na 87,5 % [39] [40] . Maximální výstupní výkon v režimu B je omezen pouze bezpečnou pracovní oblastí tranzistorů, napájecím napětím a odporem zátěže [2] . Výkon spotřebovaný stupněm v režimu B je přímo úměrný výstupnímu napětí [41] . Při maximálním výkonu je dosaženo teoretické účinnosti 87,5 %; s jeho poklesem postupně klesá účinnost a postupně rostou relativní výkonové ztráty na tranzistorech [41] . Absolutní ztráty výkonu rozptýleného tranzistory také rostou a dosahují plochého maxima v oblasti středních výkonů, kdy špičková hodnota výstupního napětí je přibližně 0,4 ... 0,8 maximálního možného [41] [42] .
U skutečných zesilovačů je zachována kvalitativní povaha závislosti, ale podíl ztrát se zvyšuje a hodnoty účinnosti se snižují. Koncový stupeň nízkofrekvenčního zesilovače , konstruovaný pro výstupní výkon 100 W při zátěži 8 ohmů, tedy při maximálním výkonu rozptyluje přibližně 40 W (účinnost asi 70 %). Při snížení výstupního výkonu na polovinu, na 50 W, se výkonové ztráty v tranzistorech zvýší na stejných 50 W (50% účinnost) [43] . Výrazný pokles absolutních ztrát výkonu je pozorován pouze při poklesu výstupního výkonu pod 10 W [43] .
Charakteristickým rysem všech push-pull obvodů je snížený podíl sudých harmonických ve spektru nelineárních zkreslení [44] . Ve zkreslení generovaných jednotlivými tranzistory nebo vakuovými triodami v kvazilineárním režimu [comm. 1] , do přechodu do režimu přetížení dominuje druhá harmonická [46] . Když jsou dvě lampy nebo tranzistory zapnuty push-pull, druhá, čtvrtá atd. harmonické, jimi generované, se navzájem ruší [44] [47] . V ideálně symetrických kaskádách jsou sudé harmonické zcela potlačeny, zkreslení tvaru negativní a kladné půlvlny signálu jsou přísně symetrické a spektrum zkreslení se skládá výhradně z lichých harmonických [44] . Ve skutečných push-pull kaskádách nelze dosáhnout plné symetrie, proto jsou ve spektrech zkreslení pozorovány i harmonické [44] . Rozložení harmonických může záviset jak na úrovni signálu, tak i na jeho frekvenci, například v důsledku rozdílu mezních frekvencí pnp a npn tranzistorů komplementárního páru [48] .
Převaha lichých harmonických ukazuje na závislost koeficientu kaskádového přenosu na amplitudě vstupního signálu: při velkých amplitudách se koeficient přenosu nápadně odchyluje od vypočteného [49] . Se zvýšením vstupního signálu se zisk může zpočátku zvýšit, ale u velkých signálů nevyhnutelně klesá. Pokles (komprese) koeficientu o nastavenou hodnotu např. o 1 dB a slouží jako kritérium pro přetížení kaskády [50] .
Push-pull obvody pracující v režimech B a AB [comm. 2] , generují specifická nelineární spínací (nebo kombinační [4] ) zkreslení, když signál prochází nulou [4] . V oblasti nízkých výstupních napětí, kdy je jeden tranzistor odpojen od zátěže a druhý je k ní připojen, má lineární přenosová charakteristika kaskády podobu lomené čáry se dvěma ohyby nebo zlomy. V nejhorším případě, kdy dva tranzistory nebo dvě lampy [57] pracují s nulovými klidovými proudy, se oba tranzistory v blízkosti nuly vypnou, koeficient přenosu klesne na nulu a na průběhu výstupního signálu je pozorován „krok“. Negativní zpětná vazba nemůže takové zkreslení účinně potlačit, protože v problémové oblasti je zesilovač ve skutečnosti odpojen od zátěže [40] .
Spínací zkreslení je zvláště nežádoucí při zesilování zvukových frekvencí. Práh viditelnosti spínacího zkreslení, vyjádřený podle standardní metody pro měření koeficientu nelineárního zkreslení, je pouze 0,0005 % (5 ppm ) [58] . Citlivost sluchu je dána jak zvláštním, nepřirozeným spektrem spínacích zkreslení, tak nepřirozenou závislostí jejich úrovně na výkonu nebo subjektivně vnímané hlasitosti: s poklesem výstupního výkonu se faktor nelineárního zkreslení nesnižuje, ale zvyšuje [42 ] .
Jediným způsobem, jak eliminovat generování spínacích zkreslení, je přepnout stupeň do čistého režimu A, což je v praxi většinou nemožné [59] [60] . Spínací zkreslení lze však výrazně snížit nastavením pouze malého konstantního klidového proudu koncového stupně [60] . Hodnota tohoto proudu by měla vyloučit současné odpojení tranzistorů od zátěže, přičemž oblast, ve které jsou oba tranzistory připojeny k zátěži, by měla být co nejužší. V praxi konstruktéři nastavili klidové proudy bipolárních tranzistorů na úroveň 10 až 40 mA pro každé zařízení; optimální proudy MIS tranzistorů jsou znatelně vyšší, od 20 do 100 mA na zařízení [57] . Proveditelnost dalšího zvyšování klidových proudů, které rozšiřují oblast pokrytí režimu A, závisí na zvolené topologii kaskády [57] . Lze jej odůvodnit v kaskádách na bázi bipolárních tranzistorů se společným emitorem [57] . Naopak u push-pull emitorových sledovačů je třeba se tomu vyhnout: zvýšení klidového proudu nesnižuje, ale zhoršuje spínací zkreslení [57] .
Elektrony a princip jejich působení.Všechny elektrony a antičástice vznikají z tepelných vln, kdy se tepelné vlny různých rychlostí a frekvencí pohybují, vzájemně se překrývají, v důsledku čehož z nich vznikají elektrony, které se vždy všechny pohybují různou rychlostí. Elektrony se nemohou pohybovat konstantní rychlostí, rychlostí světla, proto, když elektrony ztratí svou rychlost v jakémkoli atomu, zmizí z tohoto atomu, jejich místa v atomu zaujmou jiné elektrony, které mají stejnou rychlost jako elektrony, které opustily atomy. Z elektronů, které ztratily svou dřívější rychlost, vznikají různé atomy. Protože se elektrony vždy pohybují od zdroje vysoké teploty tam, kde je teplota nižší, je provoz elektronek založen na tomto efektu, když je katoda vyhřívané, studující tepelné vlny, ze kterých jsou vytvářeny tepelné vlny elektrony neustále se pohybující směrem k anodě.Právě z tohoto důvodu je pohyb elektronů z anody na katodu nemožný.