Cascada push-pull (set. circuito push-pull , cascada push-pull del inglés push-pull - pull ) - cascada amplificadora electrónica , que consta de dos dispositivos activos contracontrolados [1] - lámparas , transistores , transistores compuestos o más complejos unidades de circuitos La amplificación de la potencia de la señal de entrada se distribuye entre los dos brazos de la cascada de tal forma que cuando aumenta la señal de entrada, la corriente aumenta solo en uno de los brazos; cuando la señal de entrada cae, la corriente en el brazo opuesto aumenta [1] . Las cascadas en las que la amplificación de potencia de las señales ascendentes y descendentes se asigna a un único dispositivo activo se denominan de ciclo único .
El circuito push-pull domina el circuito de las lógicas CMOS y N-MOS , las etapas de salida de los amplificadores operacionales , los amplificadores de potencia de transistores de frecuencia de audio . Le permite construir interruptores electrónicos económicos y amplificadores de potencia lineales que funcionan en modos AB o B con una eficiencia relativamente alta y una distorsión no lineal relativamente baja . Al amplificar la corriente alterna, dos dispositivos activos de dicho amplificador ("superior e inferior" o "izquierdo y derecho") transmiten corriente a la carga alternativamente. Los armónicos pares de distorsión, característicos de todos los aparatos amplificadores, se suprimen, y los impares, por el contrario, se exacerban . Además, al transferir el control de carga de un dispositivo activo a otro, la etapa push-pull genera distorsiones de conmutación de la señal de salida.
La cascada push-pull lineal más simple , un seguidor de emisor complementario en el modo B , está formada por la conexión opuesta de dos seguidores de emisor en transistores npn (brazo superior) y estructuras pnp (brazo inferior) [2] . Con voltaje de control cero, ambos transistores están cerrados, la corriente de carga es cero [3] . Cuando se excede el umbral de encendido del transistor, aproximadamente +0,5 V, el transistor superior (npn) se abre suavemente, conectando el riel de alimentación positivo a la carga. Con un aumento adicional en el voltaje de control, el voltaje de salida repite el voltaje de entrada con un cambio de 0.5 ... 0.8 V, el transistor inferior permanece cerrado. De manera similar, en voltajes de control negativos, el transistor inferior (pnp) se abre, conectando la carga al riel de potencia negativo, mientras que el superior permanece cerrado [3] . En la región de voltajes de control bajos, cuando ambos transistores están cerrados, se observan distorsiones de conmutación características de la forma de onda de la señal en forma de escalón [4] .
La cascada push-pull de tecla más simple funciona de manera similar, pero diferente: inversor lógico CMOS . Los FET inversores funcionan en modo de fuente común, por lo que amplifican e invierten el voltaje de entrada [5] . El transistor tipo p superior en el circuito se abre con un nivel lógico bajo y transmite un nivel lógico alto a la salida, el transistor inferior se abre con un nivel lógico alto y transmite un nivel bajo a la salida, cambiando la carga a la potencia más baja carril [6] [7] . Los umbrales de conmutación de transistores se seleccionan de tal manera que se garantiza que ambos transistores estarán abiertos en el medio del intervalo entre los niveles de entrada alto y bajo; esto acelera la conmutación a costa de pérdidas de energía insignificantes durante un flujo de corriente a corto plazo [ 6] . En estados estables de cero lógico y uno lógico, solo uno de los dos transistores está abierto y el otro está cerrado [7] . La carga típica de un elemento lógico son las puertas de otros elementos lógicos, por lo que sus transistores solo transfieren corriente a la carga cuando se conmutan. A medida que se recargan las capacidades de carga, la corriente de salida decae hasta cero, pero uno de los dos transistores permanece abierto [6] .
Las cascadas push-pull se pueden realizar según otros esquemas, amplifican tensión o corriente continua o alterna , trabajan sobre carga activa o reactiva , pueden ser inversoras o no inversoras. Común a todas las configuraciones es el principio de antifase : al aumentar el voltaje de control, la corriente aumenta solo en uno de los dos brazos del circuito; cuando el voltaje de control cae, la corriente aumenta en el otro brazo opuesto [1] . El comportamiento del circuito en modo estático, en el caso general, no está definido; solo es importante su reacción a un cambio en la señal de entrada [1] . En ciertas ramas de la electrónica y en la literatura histórica obsoleta, también se pueden encontrar definiciones privadas más estrechas:
En los circuitos de lámparas, el concepto de etapa de salida corresponde literalmente al concepto de "etapa de amplificación" ("una etapa de amplificación, un dispositivo de ingeniería de radio que contiene un elemento amplificador, un circuito de carga, circuitos de comunicación con las etapas anteriores o posteriores" [ 13] ). En esta interpretación, un solo dispositivo activo opera en cada brazo de la etapa de salida push-pull. Puede ser una sola lámpara o un grupo de lámparas conectadas en paralelo [11] , pero, por regla general, no se hablaba de encender lámparas en serie dentro de una cascada. También se utiliza un enfoque similar en los circuitos de transistores de los amplificadores de potencia de RF.
En los circuitos amplificadores de potencia de audio transistorizados, por otro lado, las cascadas simples son raras. Las etapas de salida bipolares de dos transistores funcionan solo en dispositivos de corriente relativamente baja, y para hacer coincidir las etapas de amplificación intermedias con una carga de baja resistencia, se deben conectar en serie al menos dos etapas de amplificación de corriente. En la práctica, cada tramo de una etapa de salida push-pull puede tener de dos a cuatro "cascadas dentro de una etapa". Los transistores que componen estos dos, tres y cuatros están cubiertos por retroalimentaciones locales y generalmente se consideran como un complejo. Los casos más simples de tales complejos son los pares de Darlington y los pares de Shiklai . Además de ellos, en la práctica se utilizan al menos siete [14] "triples" bipolares ("triple" Quad 303, "triple" Bryston, etc.), seguidores emisores de cuatro etapas y "cuatro" Bryston [15] , que están protegidos contra sobrecorriente o energía por circuitos activos adicionales. Estos circuitos en su conjunto se denominan etapas de salida, y sus partes internas, si tiene sentido destacarlas, se consideran etapas de la etapa de salida.
Una cascada push-pull se puede construir de acuerdo con uno de los tres esquemas básicos. Las tres topologías son variantes de un esquema de medio puente para conectar la carga a dos dispositivos activos y una o dos fuentes de alimentación [16] . Las inclusiones simétricas y asimétricas (cuasi-complementarias) se pueden implementar en todo tipo de dispositivos activos, complementarios, solo en pares de transistores con tipos de conductividad opuestos (complementarios).
En un circuito simétrico, dos dispositivos activos idénticos se conectan en paralelo entre sí en corriente continua: la corriente de reposo total consumida por la cascada con señal de entrada cero se divide en dos partes iguales que fluyen a través de los brazos izquierdo y derecho del amplificador [17]. ] . El voltaje de la señal amplificada se aplica al electrodo de control del brazo inversor (izquierdo según el esquema), y su copia especular, formada por un divisor de fase externo , se alimenta a la entrada del brazo inversor (derecho según el esquema ). ) brazo [17] . Con un voltaje de señal positivo, la corriente del brazo inversor aumenta, la corriente del brazo no inversor disminuye. Para transferir estos cambios de corriente a la carga, se incluyen dispositivos activos en los brazos inferiores del circuito del puente H, y las corrientes de los brazos superiores del puente se fijan de una forma u otra. La diferencia entre las corrientes de los brazos superior e inferior del puente se cierra a través de la carga encendida por la "barra transversal" del puente.
En el papel de los brazos superiores del puente en forma de H, por ejemplo, pueden servir los inductores , cuya impedancia en todo el rango de frecuencia de funcionamiento es significativamente mayor que la resistencia de carga, y la resistencia de corriente continua es relativamente pequeña. Es aún más conveniente utilizar un transformador con una derivación desde el punto medio del devanado primario [18] . El acoplamiento del transformador le permite igualar las resistencias internas relativamente grandes de las lámparas y transistores reales con las resistencias bajas de las cargas reales: altavoces , motores eléctricos , antenas , líneas de cable [17] , pero su tarea principal es cambiar las corrientes de salida en contrafase a un carga común [18] . Fue el circuito del transformador, desarrollado por RCA en 1923 [19] , el principal en el circuito de válvulas, y la "conmutación simétrica" era en realidad un sinónimo de una cascada push-pull [17] . De acuerdo con este esquema, se construyeron los primeros amplificadores de transistores, y continúan construyéndose amplificadores de transistores de radiofrecuencias de potencia especialmente alta [20] [18] . Otras ventajas del circuito del transformador son la alta eficiencia y el alto nivel de potencia de salida en el modo B, la reproducción simétrica de los voltajes de entrada positivos y negativos, la supresión de los armónicos impares, el diseño simple de una fuente de alimentación unipolar, la relativa insensibilidad a la propagación de corrientes de reposo de dos brazos [20] [18] [17] . Las desventajas son el ancho de banda limitado y las distorsiones de fase de los transformadores reales, que limitan la posibilidad de utilizar realimentación , y la imposibilidad fundamental de transferir corriente continua a la carga [20] [18] .
La etapa push-pull simétrica es similar a la etapa de amplificación de voltaje diferencial , que también es una variante del circuito de medio puente en paralelo [21] . La corriente total de los dos brazos de la etapa diferencial está limitada por una fuente de corriente estable en el circuito emisor, fuente o catódico común, lo que excluye la posibilidad de amplificación de potencia en el modo económico B.
Una alternativa a un puente simétrico es un puente en el que se conectan dispositivos activos idénticos a los brazos superior izquierdo e inferior izquierdo, y fuentes de alimentación a los brazos derechos. Una corriente de reposo común fluye a través de ambos dispositivos activos, es decir, los dispositivos activos están conectados en serie con corriente continua [22] . La lámpara superior (transistor) según el esquema está conectada a la carga por el cátodo (emisor, fuente) según el esquema del cátodo ( emisor , fuente) seguidor de la señal de entrada. La lámpara (transistor) inferior en el circuito está conectada a la carga por el ánodo (colector, fuente) y funciona en el modo de un amplificador inversor con un cátodo común ( con un emisor común , con una fuente común) [23] . Las resistencias internas y las ganancias de las lámparas (transistores) en estos modos son fundamentalmente diferentes, por lo que dicho puente se denomina asimétrico. La selección de los coeficientes de preamplificación de las señales de entrada que ingresan a los brazos superior e inferior de la etapa de salida solo compensa parcialmente esta asimetría: los amplificadores reales requieren una retroalimentación negativa profunda . El circuito es sensible a la propagación de las corrientes de reposo de los dos brazos, y la disposición de los circuitos de polarización que establecen estas corrientes es relativamente complicada. En los amplificadores de válvulas, el problema se ve agravado por la limitación del voltaje máximo permitido del cátodo del calentador, por lo tanto, en los circuitos de válvulas, la conmutación asimétrica no echó raíces [20] [24] .
Por el contrario, los circuitos amplificadores de potencia de transistores de la década de 1960 estaban dominados por los circuitos amplificadores de terminación única de Lin [20] [25] . Por un lado, permitió abandonar la conexión del transformador, reemplazándolo por acoplamiento capacitivo o conexión directa a la carga; por otro lado, en la década de 1950, la industria producía únicamente transistores pnp de alta potencia [26] . A mediados de la década de 1960, fueron reemplazados por transistores de silicio más potentes y confiables, pero ya estructuras npn, y solo a fines de la década de 1960 la industria estadounidense dominó la producción de transistores pnp complementarios [20] [26] . A fines de la década de 1970, los diseñadores de UMZCH lineal en transistores discretos cambiaron a un circuito complementario [27] , y el circuito cuasi-complementario todavía se usa en las etapas de salida de los amplificadores de potencia integrados ( TDA7294 , LM3886 y sus numerosos análogos funcionales ) y en amplificadores de clase D [28 ] .
Reemplazar uno de los dispositivos activos de un circuito desequilibrado por un dispositivo de tipo complementario convierte el circuito en complementario. Si los tipos seleccionados de transistores de salida ("lámparas complementarias" no existen [29] ) tienen las mismas características dinámicas en todo el rango de corrientes, voltajes y frecuencias de operación, entonces dicho circuito reproduce voltajes de entrada positivos y negativos simétricamente (la asimetría es inevitable en los amplificadores reales, especialmente en el límite superior del rango de frecuencia de los transistores de salida). El divisor de fase de entrada ya no es necesario: se aplica el mismo voltaje de señal de CA a las bases o puertas de ambos brazos (generalmente con una compensación de voltaje constante que establece el modo de operación de los transistores de salida) [30] [31] .
Los transistores bipolares de circuito complementario pueden operar en cualquiera de los tres modos básicos ( OK , OE u OB ) [30] [31] . En los amplificadores de potencia que funcionan con una carga de baja resistencia, los transistores bipolares generalmente se conectan de acuerdo con un circuito de colector común ( seguidor de emisor complementario , que se muestra en la ilustración), los transistores de efecto de campo, de acuerdo con un circuito de drenaje común (seguidor de fuente) [32 ] . Tal cascada amplifica la corriente y la potencia, pero no el voltaje. También es común encender los transistores de acuerdo con un circuito con un emisor común o una fuente común; así es como se organizan los amplificadores de búfer CMOS . En esta versión, la cascada complementaria amplifica tanto la corriente como la tensión y la potencia [31] . Ambas opciones se utilizan en las etapas de salida de los amplificadores operacionales : los seguidores proporcionan el mejor rendimiento y los circuitos de emisor común proporcionan la oscilación de voltaje de salida más alta [33] [34] .
La eficiencia teórica límite (COP) de un amplificador de ciclo único de una señal armónica en el modo A , alcanzable solo con una conexión de transformador con una carga puramente activa, es del 50 % [35] . En los amplificadores de un solo extremo reales basados en transistores, se logra una eficiencia de aproximadamente el 30%, en los amplificadores de válvulas alrededor del 20%, es decir, por cada vatio de potencia de salida máxima, el amplificador consume 3 ... 5 W de la fuente [ 36] . La cantidad real de energía transferida a la carga prácticamente no tiene efecto sobre el consumo de energía: este último comienza a aumentar solo cuando la cascada está sobrecargada [2] . En los amplificadores sin transformador, la eficiencia es notablemente peor; en el peor de los casos de un seguidor de emisor convencional con carga activa, la eficiencia teórica final es solo del 6,25 % [37] .
Reemplazar un seguidor de un solo extremo con un seguidor push-pull en el modo A, que funciona con la misma corriente de reposo y consume la misma energía, aproximadamente constante, de la fuente de alimentación, aumenta la potencia de salida máxima en cuatro veces y la eficiencia final aumenta al 50% [38] . Cambiar un seguidor push-pull al modo B aumenta la eficiencia límite teórica al 87,5 % [39] [40] . La potencia de salida máxima en el modo B está limitada solo por el área de operación segura de los transistores, el voltaje de suministro y la resistencia de carga [2] . La potencia consumida por la etapa en el modo B es directamente proporcional al voltaje de salida [41] . Se logra una eficiencia teórica del 87,5% a la máxima potencia de salida; con su disminución, la eficiencia disminuye gradualmente y las pérdidas de potencia relativas en los transistores aumentan gradualmente [41] . Las pérdidas absolutas de potencia disipada por los transistores también aumentan y alcanzan un máximo plano en la región de las potencias intermedias, cuando el valor pico de la tensión de salida es aproximadamente 0,4... 0,8 del máximo posible [41] [42] .
En los amplificadores reales, se conserva la naturaleza cualitativa de la dependencia, pero aumenta la proporción de pérdidas y disminuyen los valores de eficiencia. Así, la etapa de salida de un amplificador de baja frecuencia , diseñado para una potencia de salida de 100 W a una carga de 8 ohmios, disipa aproximadamente 40 W a máxima potencia (una eficiencia de alrededor del 70%). Cuando la potencia de salida se reduce a la mitad, a 50 W, las pérdidas de potencia en los transistores aumentan a los mismos 50 W (50% de eficiencia) [43] . Se observa una disminución significativa en las pérdidas de potencia absoluta solo cuando la potencia de salida disminuye por debajo de 10 W [43] .
Una característica de todos los circuitos push-pull es la proporción reducida de armónicos pares en el espectro de distorsiones no lineales [44] . En distorsiones generadas por transistores individuales o triodos de vacío en un modo casi lineal [comm. 1] , hasta la transición al modo de sobrecarga, el segundo armónico domina [46] . Cuando dos lámparas o transistores se encienden en contrafase, el segundo, cuarto y demás armónicos generados por ellos se anulan entre sí [44] [47] . En cascadas idealmente simétricas, los armónicos pares se suprimen por completo, las distorsiones de la forma de las medias ondas negativas y positivas de la señal son estrictamente simétricas y el espectro de distorsión consta exclusivamente de armónicos impares [44] . En cascadas push-pull reales, no se puede lograr una simetría completa, por lo tanto, también se observan armónicos en los espectros de distorsión [44] . La distribución de armónicos puede depender tanto del nivel de la señal como de su frecuencia, por ejemplo, debido a la diferencia en las frecuencias de corte de los transistores pnp y npn de un par complementario [48] .
El predominio de los armónicos impares indica la dependencia del coeficiente de transferencia en cascada de la amplitud de la señal de entrada: a grandes amplitudes, el coeficiente de transferencia se desvía notablemente del calculado [49] . Con un aumento en la señal de entrada, la ganancia puede aumentar inicialmente, pero inevitablemente disminuye con señales grandes. La disminución (compresión) del coeficiente por un valor establecido, por ejemplo, por 1 dB , y sirve como criterio para sobrecargar la cascada [50] .
Circuitos push-pull que funcionan en los modos B y AB [comm. 2] , generan distorsiones de conmutación no lineales específicas (o combinacionales [4] ) cuando la señal pasa por cero [4] . En la región de voltajes de salida bajos, cuando un transistor se desconecta de la carga y el otro se conecta a ella, la característica de transferencia lineal de la cascada toma la forma de una línea quebrada con dos curvas o rupturas. En el peor de los casos, cuando dos transistores o dos lámparas [57] funcionan con cero corrientes de reposo, ambos transistores se apagan cerca de cero, el coeficiente de transferencia cae a cero y se observa un "escalón" en la forma de onda de la señal de salida. La retroalimentación negativa no puede suprimir efectivamente tales distorsiones, ya que en el área del problema el amplificador está realmente desconectado de la carga [40] .
La distorsión de conmutación es especialmente indeseable cuando se amplifican frecuencias de audio. El umbral de visibilidad de la distorsión de conmutación, expresado según el método estándar para medir el coeficiente de distorsión no lineal, es solo 0,0005% (5 ppm ) [58] . La sensibilidad auditiva se debe tanto a un espectro especial y antinatural de distorsiones de conmutación como a una dependencia antinatural de su nivel en la potencia o el volumen percibido subjetivamente: con una disminución en la potencia de salida, el factor de distorsión no lineal no disminuye, sino que aumenta [42 ] .
La única forma de eliminar la generación de distorsiones de conmutación es cambiar el escenario al modo A puro, lo que suele ser imposible en la práctica [59] [60] . Sin embargo, la distorsión de conmutación se puede reducir significativamente ajustando solo una pequeña corriente de reposo constante de la etapa de salida [60] . El valor de esta corriente debe excluir la desconexión simultánea de transistores de la carga, mientras que el área en la que ambos transistores están conectados a la carga debe ser lo más estrecha posible. En la práctica, los diseñadores establecen las corrientes de reposo de los transistores bipolares en un nivel de 10 a 40 mA para cada dispositivo; las corrientes óptimas de los transistores MIS son notablemente más altas, de 20 a 100 mA por dispositivo [57] . La viabilidad de aumentar aún más las corrientes de reposo, lo que amplía el área de cobertura del modo A, depende de la topología elegida de la cascada [57] . Puede justificarse en cascadas basadas en transistores bipolares con emisor común [57] . En los seguidores de emisor push-pull, por el contrario, debe evitarse: un aumento en la corriente de reposo no reduce, sino que exacerba las distorsiones de conmutación [57] .
Los electrones y el principio de su acción Todos los electrones y antipartículas se crean a partir de ondas térmicas, cuando las ondas térmicas de diferentes velocidades y frecuencias se mueven, superponiéndose entre sí, como resultado de lo cual surgen electrones, que siempre se mueven a diferentes velocidades. Los electrones no pueden moverse con velocidad constante, a la velocidad de la luz, por lo tanto, cuando los electrones pierden su velocidad mientras están en cualquier átomo, desapareciendo de este átomo, sus lugares en el átomo son ocupados por otros electrones, que tienen la misma velocidad que los electrones que dejado los átomos. A partir de los electrones que han perdido su velocidad anterior, se crean varios átomos. Dado que los electrones siempre se mueven de una fuente de alta temperatura a donde la temperatura es más baja, el funcionamiento de los tubos de vacío electrónicos se basa en este efecto cuando el cátodo está calentada, estudiando las ondas de calor, a partir de las cuales se crean ondas de calor de electrones que se mueven constantemente hacia el ánodo, es por esta razón que el movimiento de electrones del ánodo al cátodo es imposible.