El amplificador de Lin es el primer circuito prácticamente viable de un amplificador de potencia de audio de transistor sin transformador (UMZCH). Desarrollado por Hong-Chan Lin (HC Lin) en 1956, fue utilizado masivamente en la serie UMZCH de la década de 1960 y la primera mitad de la de 1970. A principios de la década de 1970, los diseñadores desarrollaron el circuito Lin básico en el llamado amplificador Lin modificado , un amplificador de tres etapas con una etapa de entrada diferencial y una etapa de salida push-pull complementaria . En todas las variantes del amplificador Lin , la amplificación de voltaje se asigna a un solo transistor bipolar que opera en modo de emisor común , mientras que el nivel de referencia (" cero ") de esta etapa es uno de los rieles de potencia.
El amplificador modificado de Lin, que en realidad es un amplificador operacional altamente lineal (op-amp), dominó absolutamente los circuitos de UMZCH integrados y discretos y los amplificadores operacionales integrados clásicos del último cuarto del siglo XX y principios del siglo XXI [1 ] [2] . En el circuito del UMZCH integrado de baja potencia , todavía se utilizan variantes del circuito Lin básico [1] .
Los amplificadores de potencia de transistores de la década de 1950 se construyeron de acuerdo con el circuito simétrico ( push-pull [comm. 1] ) push-pull con dos transformadores (entrada y salida) [3] [4] heredado de los circuitos de válvulas . Estos amplificadores, que desarrollaron una potencia de salida del orden de varios cientos de mW , tenían una alta eficiencia (lo que condujo a su uso en radios portátiles y audífonos ) con distorsiones no lineales inevitablemente altas [3] . Un alto nivel de distorsión de conmutación estaba predeterminado por la operación en modo AB con bajas corrientes de reposo [3] . Era prácticamente imposible reducirlo cubriendo el amplificador con un bucle de retroalimentación negativa (NFB) debido a las distorsiones de frecuencia y fase en dos transformadores conectados en serie [3] [5] .
Para que el amplificador cubierto por la retroalimentación fuera estable , se requería excluir al menos uno de los dos transformadores del circuito [3] . Las funciones de adaptación de impedancia y división de fase de la señal de control, que en el circuito clásico eran realizadas por transformadores, deberían haber sido asignadas a transistores [6] . Una dificultad adicional era el rango limitado de entonces, exclusivamente transistores de germanio : en cascadas de baja corriente, los diseñadores podían usar transistores de estructuras pnp y npn (aún no complementarias ), en los potentes, solo transistores pnp [6] . La solución al problema, el primer circuito prácticamente funcional de un transistor sin transformador UMZCH, fue encontrada por el desarrollador de RCA Hong-Chan Lin y publicada en la edición de septiembre de la revista Electronics de 1956 [6] [1] .
En la versión clásica del autor de Lin, solo hay dos cascadas. Toda la amplificación de voltaje se concentra en la primera etapa en el transistor V1 (en el circuito UMZCH llamado etapa de amplificación de voltaje , KUHN). La etapa de salida de Lin es un seguidor de emisor push-pull casi complementario , en el brazo superior del cual se enciende un transistor compuesto en un par Darlington , y en el brazo inferior, un transistor compuesto en un par Shiklai [7] . La estabilización térmica de la etapa final se asigna al termistor RT. El amplificador está cubierto por tres bucles de retroalimentación: el aumento de voltaje en el capacitor C3 estabiliza el modo de operación V1, el bucle OOS R8C5 en combinación con la resistencia de salida de la fuente de señal establece la ganancia, el divisor R1R2 estabiliza el voltaje del punto medio de seguidor del emisor y también participa en el establecimiento de la ganancia [7] [8 ] . Con los componentes especificados por Lin, el amplificador es capaz de entregar 6 vatios de potencia de salida a una carga de 16 ohmios [7] . El coeficiente de distorsión no lineal a una frecuencia de 400 Hz alcanza el 1%, demasiado para los estándares de los equipos de lámparas , pero significativamente menor que el THD de los circuitos de transistores push-pull [7] .
DefectosSimple, elegante [1] ya la vez ingenioso [6] , el esquema de Lin tenía muchas deficiencias.
En primer lugar, la etapa de salida se conectaba a la carga a través de un condensador electrolítico separador , que introducía distorsiones notables en la señal amplificada.[ ¿cómo? ][ ¿por qué? ] .
En segundo lugar, se suponía que la etapa de entrada estaba conectada a una fuente de señal con cierta resistencia interna , no grande, pero no pequeña , que en realidad funcionaba en el modo generador de corriente [3] .
El primero podría superarse cambiando de una fuente de alimentación unipolar a una bipolar, la segunda, conectando una etapa de adaptación adicional a la entrada del amplificador Lin. Mucho más serio fue el problema de la deriva térmica de la etapa de salida: fue por eso que la introducción masiva del amplificador Lin comenzó solo a mediados de la década de 1960, cuando aparecieron en el mercado los transistores de silicio [9] . Los amplificadores construidos sobre esta nueva base de elementos eran bastante confiables, económicos, no requerían ajustes, pero eran disonantes. La asimetría de los pares Darlington y Shiklai, apenas perceptible en cascadas basadas en transistores de germanio, resultó ser inaceptablemente grande con la transición a transistores de silicio [10] . Los diseñadores de la década de 1960, criados en circuitos de válvulas , no estaban preparados ni eran capaces de resolver el problema; la mejor y más simple solución, el uso de transistores de salida complementarios, aún no era posible [11] : los potentes transistores de silicio de esos años estaban disponibles solo en la estructura npn, los potentes transistores pnp de silicio aparecieron solo a principios de la década de 1970, y complementarios (balanceados) ) empareja transistores npn y pnp, incluso más tarde [12] .
A pesar de las deficiencias, el esquema de Lin demostró ser extremadamente duradero. Las mejoras consistentes y paso a paso en sus nodos y las conexiones entre ellos continuaron durante décadas. A principios de la década de 1970, el circuito se transformó en un amplificador Lin modificado , que dominó absolutamente el circuito UMZCH del último cuarto del siglo XX, y luego este circuito experimentó muchas mejoras grandes y pequeñas. La razón principal del éxito del circuito radica en la conexión directa de la etapa de amplificación de voltaje y la etapa de salida. El amplificador Lin se transforma fácilmente en un amplificador de CC completo (UCT); para esto, es suficiente eliminar el condensador de desacoplamiento de salida y complementar el circuito con una etapa diferencial de entrada [13] . La conexión de baja resistencia de las bases y los emisores de los transistores de salida garantiza un funcionamiento suave, incluso con corrientes de colector inversas significativas (lo cual fue fundamental para los transistores imperfectos de las décadas de 1960 y 1970), los transistores de potencia superior e inferior se bloquean alternativamente de forma segura. Ninguna de estas ventajas, en sí misma, es exclusiva del esquema de Lin, pero Lin fue el primero en reunirlas en un diseño simple, producible en masa y con mejoras adicionales [14] .
Una serie de mejoras al circuito básico comenzó a más tardar en 1961, cuando los británicos Toby y Dinsdale publicaron su propia versión del amplificador Lin. En esta versión de tres etapas, el circuito se complementó con una etapa de entrada que emparejaba la baja resistencia de entrada del KUHN con la resistencia de salida de la fuente de señal, y el termistor , que regulaba la corriente de reposo de los transistores de salida, se reemplazó por un diodo de germanio [1] . A fines de la década de 1960, los sensores de diodo de silicio se convirtieron en equipo estándar del UMZCH [8] y, aproximadamente al mismo tiempo, aparecieron los primeros sensores de transistor: multiplicadores de voltaje de emisor de base [16] . A fines de la década de 1970, los sensores de transistor reemplazaron a los de diodo [16] .
A principios de la década de 1970, los diseñadores de UMZCH dominaron el uso de generadores de corriente estable (GST) transistorizados, que anteriormente se habían utilizado solo en circuitos integrados analógicos [8] . Reemplazar las resistencias de carga KUHN (R3, R4 en el circuito Lin) con un GTS activo hizo posible reducir la corriente de operación del KUHN (en el circuito Lin era forzadamente alta), para aumentar su ganancia a un máximo práctico (en la década de 1970, fue de aproximadamente 1000 ... 3000 [17] ) y rechazar el refuerzo de voltaje. La exclusión del capacitor de aumento de voltaje C3 eliminó una posible fuente de distorsión y acercó el circuito al ideal: un amplificador de CC [8] .
Casi al mismo tiempo, a medida que el costo de los componentes de la fuente de alimentación se hizo más barato, hubo una transición de la energía UMZCH unipolar a la bipolar; con la exclusión del capacitor de separación C4 del circuito, se convirtió en un UPT completo [8] . En la nueva configuración, el "cero" condicional (potencial de emisor) del circuito de entrada de KUHN ya no coincidía con el cable común; ahora estaba atado al bus de alimentación (generalmente negativo) sujeto a todo tipo de interferencias [8] . La tarea de hacer coincidir los niveles de referencia y filtrar el ruido en la práctica resultó ser simple: al principio se resolvió usando una etapa de entrada en un solo transistor, y a finales de los años 60 y 70, los diseñadores usaron por primera vez una etapa de entrada diferencial [8 ] . Por una extraña coincidencia, la etapa diferencial, que se había utilizado en computadoras de válvulas y automatización industrial desde la década de 1940, no fue utilizada por los diseñadores de equipos de audio hasta mediados de la década de 1960, cuando los ingenieros de RCA popularizaron su uso en circuitos que usaban los últimos transistores de silicio [ 18] . La superioridad de la cascada diferencial sobre los circuitos que la precedieron fue tan grande que ya en la primera mitad de la década de 1970 los suplantó y se convirtió en un componente indispensable e indiscutible del transistor UMZCH [18] .
Paralelamente, los diseñadores, aún obligados por la necesidad de utilizar transistores de la misma polaridad, buscaban formas de linealizar la etapa de salida asimétrica, naturalmente no lineal, del circuito Lin [19] . La asimetría podría minimizarse mediante el uso de pares complementarios de transistores de alta potencia. Los primeros circuitos prácticos en tales pares fueron desarrollados en 1967-1968 por Bart Locanty y Arthur Bailey , pero los transistores pnp necesarios para ellos todavía eran caros y poco fiables. Los diseñadores se vieron obligados a seguir mejorando el circuito, que utilizaba únicamente transistores npn. En 1969 nacieron tres circuitos alternativos, en los que la asimetría de los pares Darlington y Shiklai se compensaba parcialmente con un diodo agregado al par Shiklai; en el mismo año, comenzó la producción de amplificadores basados en "triples Quad": transistores compuestos de tres etapas [19] .
Estas medidas a medias no pudieron suprimir por completo las distorsiones que generaban el "sonido del transistor": una solución radical, que en principio excluía la aparición de distorsiones de conmutación , fue la transferencia de la etapa de salida al modo A puro. La compañía británica Sugden y numerosos hogares Los aficionados hechos a medida siguieron este camino, pero para la producción en masa, los amplificadores de transistores en el modo A eran prohibitivamente caros [20] . Pronto, la industria dominó la producción de transistores pnp de silicio económicos y confiables, se pusieron en práctica etapas de salida totalmente complementarias y el problema de la asimetría de la etapa de salida fue cosa del pasado. Entonces, a más tardar en 1972, había un diagrama de bloques de un amplificador Lin modificado de tres etapas [21] .
Con el advenimiento de los pares complementarios de transistores, a más tardar en 1980, en el libro de texto alemán de Tietze y Schenck (quinta edición, la traducción al ruso del libro se publicó en 1982), se publicó un circuito en el que, para aumentar la resistencia de entrada de un seguidor emisor complementario, diodos que fijan la tensión de polarización, sustituidos por un par de seguidores emisores complementarios de baja potencia [22] . Sin embargo, es obvio que dicho circuito apareció a más tardar a mediados de la década de 1970: uno de los autores de diseños de aficionados, A. Ageev [23] [24] se refiere a la publicación del circuito del llamado "paralelo" lineal " amplificador .
La llegada de pares complementarios de transistores ha simplificado el trabajo experimental de los aficionados caseros , especialmente en la técnica de diseño UMZCH. Por lo tanto, en varios circuitos, el problema de la asimetría del VCO se resolvió utilizando una cascada simétrica de dos transistores en un par de transistores complementarios [25] [26] . Los transistores complementarios también se usaban en la etapa de entrada, antes del KUHN [25] .