Amplificador paralelo

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El amplificador paralelo [1] (PU) actual , con menos frecuencia "diamante" [2] seguidor o búfer ( papel de calco del búfer de diamante inglés ) es un  seguidor de emisor complementario de cuatro transistores , en el que cada uno de los dos transistores de entrada controla la salida transistor del tipo opuesto de conductividad [3] . Las uniones del emisor de los transistores de entrada y salida controlados por él están conectadas entre sí [3] , por lo que el cambio de voltaje entre la entrada y la salida no excede varias decenas de mV [1] . PU no requiere medidas de circuitos para la estabilización térmica de la corriente de reposo: es suficiente para proporcionar una conexión térmica entre los transistores [1] . La desventaja del circuito PU básico, una fuerte limitación de la corriente de salida, puede corregirse por su complicación o aumentando las corrientes de reposo de los transistores de entrada [1] .

La función principal del panel de control es hacer coincidir fuentes de voltaje de baja potencia con cargas de baja resistencia , el área principal de aplicación son las etapas de entrada y salida de amplificadores operacionales con retroalimentación de corriente . Los repetidores paralelos también se han utilizado en la instrumentación de banda ancha y en las etapas de salida de los amplificadores de potencia de audio .

Historia, terminología, aplicación

El amplificador de corriente en paralelo es una evolución natural del seguidor de emisor complementario polarizado por diodo [4] [5] . En 1971, Harris Corporation aplicó un núcleo de PU de cuatro transistores a la etapa de salida del amplificador operacional integrado HA-2600 [6] [7] . Los circuitos de transistores complementarios siguieron siendo exóticos hasta finales de la década de 1970, hasta que la industria aprendió a crear transistores pnp integrados de alta calidad y el costo de los microcircuitos complementarios disminuyó al nivel de los amplificadores operacionales convencionales [2] . En 1979, National Semiconductor lanzó el primer PU integrado producido en masa: el amplificador de búfer LH3002 con un ancho de banda de 50 MHz [5] ; en 1982, estos circuitos se usaban ampliamente en dispositivos de baja potencia [8] .

A fines de la década de 1980, hubo un salto cualitativo: la industria dominó la tecnología de silicio en un aislador y comenzó la producción de amplificadores operacionales de retroalimentación de corriente integrados (amplificadores operacionales) [9] . Comlinear lanzó los primeros amplificadores operacionales TOS discretos que usaban PU a principios de la década de 1980, los primeros amplificadores operacionales TOC integrados aparecieron en 1987 [9] [2] . Una TOC típica de OU contiene dos PU [10] . El seguidor de entrada convierte el voltaje de entrada diferencial en corriente y controla la etapa de conversión de corriente a voltaje [10] . El seguidor de salida combina la salida de alta resistencia del convertidor de corriente a voltaje con una carga externa de baja resistencia [10] . Al mismo tiempo, continuó el desarrollo de circuitos amplificadores de búfer especializados. En 1986 apareció HA-5033 (Harris) [11] , en 1993 BUF634 (Bur -Brown ) [12] y así sucesivamente.

Alrededor de 1990, Burr-Brown se refirió por primera vez a la PU con la frase búfer de diamante [13] [14] ("diamante" [2] o búfer "en forma de diamante", que refleja la topología del núcleo de cuatro transistores). La frase transistor de diamante ("transistor de diamante" [2] ), a su vez, significa en el lenguaje de Burr-Brown PU que controla el convertidor de voltaje a corriente [15] [2] . El cliché publicitario se ha arraigado en el lenguaje de los diseñadores de equipos de sonido. En la literatura académica, PU también se conoce como una " célula translineal mixta de segundo tipo" (es decir, célula translineal  mixta II, MTC-II ; estos autores llamaron a la "célula de primer tipo" un repetidor complementario con un diodo sesgo) [16] .

Desde 1982, la literatura de radioaficionados soviética ha estado utilizando el concepto de “amplificador paralelo lineal ” o simplemente “amplificador paralelo” [17] . El libro de texto alemán de Tietze y Schenk (12ª edición) consideraba a la PU solo como una forma alternativa de establecer y estabilizar el modo ("controlador de polarización con transistores") de un seguidor complementario convencional [4] .

En la ingeniería de sonido del siglo XX, las PU se usaron de forma limitada en los preamplificadores en serie (por ejemplo, Lehmann Cube) y prácticamente no se usaron en los UMZCH en serie. Los amplificadores de potencia Accuphase , construidos de acuerdo con la topología de amplificador operacional TOS, usaban PU en las etapas de entrada, pero no en la salida [18] . En la práctica amateur de la URSS y sus sucesores, por el contrario, los diseños del autor del UMZCH con etapas de salida en amplificadores paralelos [1] [19] [20] [21] se publicaron regularmente . En la década de 1990, la idea fue "redescubierta" por diseñadores exóticos de UMZCH sin comentarios generales. Los diseños más radicales de la nueva generación utilizaron dos PU (entrada y salida) y un transformador elevador en el papel de un "amplificador de voltaje". Aparecieron etapas de salida compuestas, en las que el núcleo de PU estaba alimentado por un repetidor complementario convencional o compuesto [3] . En el UMZCH del siglo XXI (por ejemplo, Dartzeel), todavía se utilizan las etapas de salida más simples de cuatro transistores [22] .

Características

Amplificador de corriente en paralelo: circuito complementario completamente simétrico; para analizar su funcionamiento en modo lineal, basta considerar su mitad superior (T1, T2) o inferior (T3, T4) [23] . Por ejemplo, la mitad superior se forma conectando en serie dos emisores seguidores más simples en un transistor pnp T1 y un transistor npn T2 [23] . El coeficiente de transferencia de voltaje de tal "dos" es algo menor que uno [23] , y el coeficiente de transferencia de corriente es igual al producto de los factores de amplificación de corriente ( ) T1 y T2 [5] . Las mitades superior e inferior del circuito están conectadas a la carga en paralelo, lo que determinó su nombre ruso: un amplificador paralelo lineal [1] [7] .

Corriente de reposo. Régimen de estabilización térmica

La corriente de reposo del seguidor en T1 se establece mediante una fuente de corriente estable; en la versión más simple (circuito LH0002), la resistencia R1 juega su papel. Parte de la corriente que fluye a través de R1 se bifurca hacia la base de T2, por lo que R1 limita simultáneamente el límite de corriente de salida (la corriente de emisor de T2).

Los cuatro transistores forman un circuito translineal cerrado cubierto por una fuerte retroalimentación local. Si T1 y T2 tienen áreas iguales de uniones de emisor, y las temperaturas de estas uniones son iguales, entonces en reposo (con la carga apagada) la corriente de emisor T2 repite exactamente la corriente de emisor T1, y la corriente de reposo total de los cuatro transistores es tres veces mayor que la corriente del emisor T1.

Si es necesario, la corriente de los transistores de salida se puede reducir o aumentar proporcionalmente escalando (en circuitos integrados) o conectando en paralelo (en dispositivos discretos) los propios transistores. Además, la corriente de la etapa de salida se puede reducir proporcionalmente al incluir resistencias de balasto en los circuitos emisores de la etapa de salida (R2, R4 en el circuito LH0002), y para aumentar la corriente de la etapa de salida, se incluyen resistencias de balasto en los circuitos emisores de la etapa de entrada.

La conexión térmica entre transistores se proporciona en circuitos integrados colocándolos muy cerca uno del otro, y en dispositivos basados ​​en transistores discretos, instalándolos en un disipador de calor común [1] . Las más importantes son las conexiones térmicas dentro de los pares T1+T2 y T3+T4, sin embargo, en dispositivos basados ​​en transistores potentes, la “conexión en diagonal” en los pares T1+T4 y T2+T3 está más justificada [1] . En cada par "diagonal", los colectores de ambos transistores están conectados al mismo riel de alimentación y, por lo tanto, no necesitan aislamiento eléctrico entre sí [1] ).

Cambio de voltaje

En dispositivos reales, el voltaje base-emisor ( ) de los transistores npn y pnp no coinciden, lo que genera un cambio en el voltaje de salida con respecto a la entrada. En el peor de los casos, cuando se utilizan transistores discretos, el desplazamiento en reposo es de varias decenas de mV [1] . La dispersión en los valores de cambio de los dispositivos construidos sobre la misma base de elementos es significativamente menor, lo que le permite paralelizar varias PU que funcionan con una carga común [1] .

En el núcleo de ocho transistores de la PU, cada uno de los cuatro transistores del circuito básico se complementa con un transistor del tipo opuesto de conductividad en una conexión de diodo, que compensa completamente el cambio debido a la diferencia sistemática , pero empeora el características de ruido y frecuencia [14] . En la práctica, tal complicación del esquema no está justificada y rara vez se usó [14] . Es más fácil para los diseñadores aceptar el cambio en el circuito básico y compensarlo con retroalimentación o aislarlo de la carga con un capacitor de acoplamiento .

Coeficiente de transferencia

El valor exacto del coeficiente de transferencia de voltaje depende de la resistencia de carga, la resistencia en el circuito entre los emisores de los transistores de salida y la carga, la temperatura y el valor instantáneo de la corriente de salida (los dos últimos parámetros determinan la resistencia de salida T2 y T4) [23] .

Limitación de amplitud

Las corrientes de base de los transistores de salida están limitadas por fuentes de corriente en los circuitos emisores de los transistores de salida ( ), por lo que la corriente de salida está asimétricamente limitada por los valores límite

(corriente de fuga),
(corriente entrante).

Cuando se alcanza el umbral superior, la base T2 intercepta toda la corriente generada y la corriente del emisor T1 se interrumpe; cuando se alcanza el umbral inferior, la corriente de emisor T3 se interrumpe [25] . En ambos casos, se observa una fuerte limitación de la corriente de salida a la salida del circuito [25] . Las tensiones máximas de salida , con carga puramente óhmica, están determinadas por los productos de las corrientes límite y la resistencia de carga; para cargas reactivas o no lineales, los voltajes máximos de salida generalmente no están definidos [25] .

En igualdad de condiciones, para lograr los valores más altos de la corriente de salida, se deben usar transistores de salida con valores altos y grandes áreas de uniones de emisores, tan grandes que la operación a las corrientes de salida máximas no se acompaña de una disminución significativa [ 25] . En los amplificadores de potencia, se prefieren los transistores en serie "lineales", con una reducción relativamente pequeña dentro de todo el rango de corriente permitido [26] [27] . Por ejemplo, para los transistores complementarios de la serie 2SA1302/2SC3281 , la corriente máxima cae como máximo un 10 %, mientras que para los MJ15024/MJ15025 “ordinarios”, un 70 % [27] .

El umbral del límite de corriente depende en gran medida de la configuración de las fuentes de corriente . Las "fuentes" más simples en resistencias son las menos rentables, ya que con un aumento en los voltajes de entrada y salida, los valores disponibles disminuyen [25] . En los amplificadores de voltaje de CA, este inconveniente se puede eliminar introduciendo un aumento de voltaje (después de la retroalimentación) [25] . La conexión de un refuerzo de voltaje a los circuitos emisores T1 y T3 elimina la dependencia del voltaje de CA de entrada (pero no de CC); dentro del área de operación lineal, el coeficiente de distorsión no lineal disminuye en un orden de magnitud [25] . La conexión de un refuerzo de voltaje a los colectores T1 y T3 elimina el efecto Earley , reduce aún más la distorsión no lineal y permite el uso de transistores de bajo voltaje en circuitos con señales y voltajes de alimentación relativamente altos [28] .

Distorsiones no lineales

Fuera de las regiones de limitación de corriente, el amplificador paralelo es "lineal" en el sentido de que, en condiciones normales, todos los transistores funcionan en modo activo sin entrar en la región de corte de corriente del colector [29] . El coeficiente de distorsión no lineal es relativamente bajo y está determinado por una combinación de voltaje de entrada, corriente de salida y la calidad de las fuentes de corriente en los circuitos emisores de los transistores de entrada [29] . Sin embargo, esto es válido solo en ausencia de resistencias activas entre los emisores de los transistores de salida y la carga (R2, R4 en el circuito LH0002) [29] . A altas corrientes de carga, las caídas de voltaje a través de estas resistencias rompen alternativamente el circuito translineal y bloquean uno de los dos transistores de salida [29] . El circuito cambia del modo A al modo AB, se producen distorsiones de conmutación características [29] .

En dispositivos prácticos que operan en clase AB, el coeficiente de distorsión no lineal es, según las declaraciones de los desarrolladores:

Según Burr-Brown, las distorsiones no lineales más bajas a bajas frecuencias se logran en amplificadores operacionales de alta potencia, formados por la conexión en serie de un amplificador operacional de alta calidad y una PU de búfer en serie, cubiertos por un circuito de retroalimentación común . 12] . A frecuencias superiores a 100 kHz, la impedancia de salida de la PU aumenta inevitablemente, lo que conduce a un aumento de la distorsión [12] . Este fenómeno puede suprimirse parcialmente mediante la conexión en paralelo de varias PU, siempre que el margen de ganancia del amplificador operacional sea suficiente [12] .

Velocidad de giro

Las tasas limitantes de subida y bajada del voltaje a la salida del panel de control están determinadas por los procesos de recarga de capacitancias parásitas conectadas a los emisores T1 y T3

,
[30] .

Por ejemplo, si la corriente está limitada a 1 mA y la capacitancia conectada al emisor T1 es de 10 pF, entonces la velocidad de respuesta del voltaje de salida no puede exceder los 100 V/µs [30] .

La subida y bajada de la tensión de salida es asimétrica. En la práctica, las características dinámicas del circuito son evaluadas por la menor de las dos velocidades [30] . Entonces, el ancho de banda de una señal sinusoidal de una amplitud dada está limitado por el valor

[30] .

Si la tasa de cambio del voltaje de entrada excede la velocidad límite del núcleo, entonces sus transistores de salida comienzan a conducir corriente, lo que puede conducir a una fuga térmica catastrófica [11] . La frecuencia de corte, por encima de la cual es posible el overclocking, se determina mediante la misma fórmula que el ancho de banda de la señal de una amplitud determinada [11] .

Formas de aumentar la corriente de salida

Óptimo, desde el punto de vista de las limitaciones de amplitud, un amplificador paralelo utiliza un refuerzo de voltaje o fuentes activas de la corriente de emisor de los transistores de entrada y transistores de salida con grandes factores de amplificación de corriente y áreas relativamente grandes de uniones de emisor [29] . Un aumento adicional en la corriente de salida requiere un aumento proporcional en las corrientes de reposo de los transistores de entrada, con un aumento proporcional en la disipación de potencia y mayores requisitos para la disipación de calor. Por ejemplo, cada canal del serial UMZCH Dartzeel 108 con una potencia de salida declarada de 160 W en una carga de 4 ohmios consume 40 W en reposo y pesa 15 kg [22] . También hay mejoras de circuito en el circuito básico que permiten aumentar las corrientes y potencias de salida a corrientes de reposo relativamente bajas.

Diodo inverso y respaldo capacitivo

En el circuito mejorado más simple, las bases de los transistores de salida están conectadas por un diodo flyback (en el chip HA-2600, se usó una solución similar con dos diodos flyback que conectan las bases de los transistores de salida a la entrada del panel de control [ 7] .funciona como un seguidor de emisor compuesto.El cambio de modo (aparición e interrupción de corriente directa a través del diodo inverso) va acompañado de fuertes distorsiones de conmutación [19] .

Las distorsiones de este tipo se pueden evitar reemplazando el diodo de rueda libre con un condensador grande [31] . Dado que el capacitor combina (cortocircuita) los emisores de los transistores de entrada, el umbral para limitar la corriente de salida del circuito de "respaldo" es solo el doble que el del circuito básico [31] .

Repetidor híbrido

Un circuito híbrido de seis transistores es una combinación de un amplificador paralelo y un seguidor de emisor compuesto [30] . A corrientes de salida bajas, el circuito funciona como un panel de control; los transistores de entrada del seguidor compuesto (T5, T6) están cerrados [30] . A altas corrientes, con un aumento en la diferencia entre los voltajes de entrada y salida, se abre T5 (corriente de salida descendente) o T6 (corriente descendente) [30] . El circuito se utilizó, por ejemplo, en el amplificador de búfer de alta velocidad OPA633.

Al igual que en el circuito con un diodo inverso, los modos de conmutación van acompañados de un aumento de la distorsión de conmutación. Además, al abrir T5 o T6, la tasa de cambio del voltaje de salida aumenta bruscamente, de forma no lineal [30] . Por lo tanto, un seguidor híbrido con una corriente de reposo de solo 1 mA es capaz de alcanzar velocidades superiores a 1000 V/µs, pero solo con una señal grande [30] . A voltajes de entrada bajos, la tasa de cambio del voltaje de salida vuelve a los valores naturales para el núcleo de PU [30] .

En el chip HA-5033, los transistores aceleradores T5, T6 están conectados según un circuito emisor común y son controlados por un par de transistores adicionales que monitorean la diferencia de voltaje de entrada-salida [11] . En un circuito alternativo, los transistores elevadores están conectados en un circuito entre las bases de los transistores de entrada y salida. Los pares T5 + T2 y T6 + T4 forman una especie de pares Darlington , pero a diferencia de los "darlington" reales, T5 y T6 solo funcionan con corrientes de carga altas. La literatura también describe PU en pares Darlington completos que operan en la clase B [26] .

Potentes etapas de salida

Un enfoque alternativo es conectar transistores de potencia adicionales a los circuitos de salida del repetidor. En una PU de seis transistores con una etapa de salida de dos etapas ( tampón de diamante triple ) ,  los transistores adicionales T5, T6 funcionan como un seguidor de emisor complementario tradicional [3] . La corriente de reposo se establece mediante una fuente de voltaje de polarización de diodo o transistor ( ) [3] . Las resistencias de balasto en los circuitos emisores de los transistores de salida prácticamente no tienen efecto sobre la estabilidad térmica, pero afectan fuertemente el nivel y el espectro de distorsiones no lineales. El mejor, desde el punto de vista de la distorsión, es el modo en el que en reposo cae un voltaje a través de cada resistencia igual al potencial térmico (26 mV a 300 K) [32] .

El seguidor de seis transistores basado en pares Shiklai tiene un circuito más simple: no necesita una fuente de voltaje de polarización. Para la estabilización térmica, basta con proporcionar una conexión térmica entre los cuatro transistores del núcleo base (T1-T4) [33] . Los transistores de potencia T5, T6 deben estar fuera del circuito de control térmico T1-T4; temperatura T5, T6 prácticamente no afecta el modo de operación [33] . Como en el circuito anterior, en reposo, la caída de tensión óptima entre las resistencias del emisor debe ser de 26 mV a 300 K [32] .

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ageev, 1982 , pág. 32.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 W. Titze , K. Shenk Circuitos semiconductores. Tomo I. - 12ª edición. - M.  : DMK-Press, 2008. - S. 613, 621. - 832 p. — ISBN 5940741487 .
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Cordell, 2011 , pág. 191.
  4. ↑ 1 2 Tietze U. , Shenk K. Circuitos semiconductores. Volumen II. — 12ª edición. - M.  : DMK-Press, 2008. - S. 199-200. — 942 pág. — ISBN 5940741487 .
  5. ↑ 1 2 3 Semiconductor Nacional, 1979 , p. una.
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  7. ↑ 1 2 3 Connelly JA 3.8. Etapas de salida // Circuitos integrados analógicos: dispositivos, circuitos, sistemas y aplicaciones . - Harris Corporation/Wiley, 1975. - ISBN 9780471168546 .
  8. ↑ Ageev, 1982 , pág. 33.
  9. ↑ 1 2 Taranovich S. Analog: Regreso al futuro, Parte 3 . Electronic Design News (2 de diciembre de 2012).
  10. ↑ 1 2 3 Franco S. Diseño con amplificadores operacionales y circuitos integrados analógicos. - McGraw-Hill, 2002. - P. 293-294. — ISBN 9780070530447 .
  11. ↑ 1 2 3 4 AN548: Guía de diseñadores para el búfer de video HA-5033 . - Corporación Renesas / Intersil, 1996. - Pág. 1-3. - (Nota de aplicación).
  12. ↑ 1 2 3 4 Vöhringer U. AB101: combinación del amplificador con el BUF634 . - Burr-Brown, 1995. - P. 1-2. - (Boletín de aplicaciones).
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  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Ageev, 1985 , pág. 27
  26. ↑ 1 2 Ageev, 1985 , pág. 28
  27. ↑ 1 2 Self, 2002 , págs. 129-130.
  28. ↑ 1 2 Cordell, 2011 , págs. 191–192.
  29. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ageev, 1985 , pág. 27–28.
  30. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
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  32. ↑ 1 2 Cordell, 2011 , pág. 101.
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Literatura