Un amplificador push-pull es un tipo de circuito electrónico que utiliza un par de dispositivos activos que alternativamente suministran corriente o absorben corriente de una carga conectada. Este tipo de amplificador puede mejorar tanto la capacidad de carga como la velocidad de conmutación.
Las salidas push-pull están presentes en circuitos lógicos digitales TTL y CMOS y en algunos tipos de amplificadores , y generalmente se realizan mediante un par complementario de transistores , uno que disipa o hunde la corriente de la carga a tierra o una fuente de alimentación negativa, y el otro Suministrar o suministrar corriente a la carga desde una fuente de alimentación positiva.
Un amplificador push-pull es más eficiente que un amplificador "clase A" de un solo extremo . La potencia de salida que se puede lograr es mayor que la clasificación de disipación continua del transistor o del tubo usado solo y aumenta la potencia disponible para un voltaje de suministro determinado. La construcción simétrica de los dos lados del amplificador significa que se cancelan los armónicos de orden par, lo que puede reducir la distorsión. [1] La corriente CC se cancela en la salida, lo que permite utilizar un transformador de salida más pequeño que en un amplificador de un solo extremo. Sin embargo, el amplificador push-pull requiere un componente de división de fase que agrega complejidad y costo al sistema; El uso de transformadores con derivación central para entrada y salida es una técnica común, pero agrega peso y restringe el rendimiento. Si las dos partes del amplificador no tienen características idénticas, se puede introducir distorsión ya que las dos mitades de la forma de onda de entrada se amplifican de manera desigual. Se puede crear una distorsión cruzada cerca del punto cero de cada ciclo cuando un dispositivo se corta y el otro dispositivo ingresa a su región activa.
Los circuitos push-pull se utilizan ampliamente en muchas etapas de salida de amplificadores. Un par de tubos de audio conectados en push-pull se describe en la patente estadounidense 1137384 de Edwin H. Colpitts concedida en 1915, aunque la patente no reivindica específicamente la conexión push-pull. [2] La técnica era bien conocida en ese momento [3] y el principio había sido reivindicado en una patente de 1895 anterior a los amplificadores electrónicos. [4] Posiblemente el primer producto comercial que utilizó un amplificador push-pull fue el amplificador RCA balanceado lanzado en 1924 para usar con su receptor de transmisión regenerativa Radiola III. [5] Al utilizar un par de válvulas de vacío de baja potencia en configuración push-pull, el amplificador permitió el uso de un altavoz en lugar de auriculares, al tiempo que proporcionaba una duración aceptable de la batería con un bajo consumo de energía en espera. [6] La técnica continúa utilizándose en sistemas de audio, radiofrecuencia, digitales y electrónica de potencia en la actualidad.
Un uso digital de una configuración push-pull es el resultado de TTL y familias relacionadas. El transistor superior funciona como pull-up activo, en modo lineal, mientras que el transistor inferior funciona digitalmente. Por esta razón, no son capaces de generar tanta corriente como la que pueden consumir (normalmente 20 veces menos). Debido a la forma en que estos circuitos están dibujados esquemáticamente, con dos transistores apilados verticalmente, normalmente con un diodo de cambio de nivel en el medio, se les llama salidas " tótem ".
Una desventaja de las salidas push-pull simples es que dos o más de ellas no se pueden conectar entre sí, porque si una intenta tirar mientras la otra intenta empujar, los transistores podrían dañarse. Para evitar esta restricción, algunas salidas push-pull tienen un tercer estado en el que ambos transistores están apagados. En este estado, se dice que la salida es flotante (o, para usar un término propietario, tri-estado ).
Una alternativa a la salida push-pull es un interruptor único que desconecta o conecta la carga a tierra (llamado salida de colector abierto o drenaje abierto ), o un interruptor único que desconecta o conecta la carga a la fuente de alimentación (llamado salida de emisor abierto). o salida de código abierto).
Una etapa de amplificador convencional que no es push-pull a veces se denomina de un solo extremo para distinguirla de un circuito push-pull.
En los amplificadores de potencia analógicos push-pull, los dos dispositivos de salida funcionan en antifase (es decir, con una separación de 180°). Las dos salidas antifase están conectadas a la carga de una manera que hace que las salidas de señal se sumen, pero los componentes de distorsión debido a la no linealidad en los dispositivos de salida se resten entre sí; si la no linealidad de ambos dispositivos de salida es similar, la distorsión se reduce mucho. Los circuitos push-pull simétricos deben cancelar los armónicos de orden par, como 2f, 4f, 6f y, por lo tanto, promover armónicos de orden impar, como f, 3f, 5f cuando se introducen en el rango no lineal.
Un amplificador push-pull produce menos distorsión que uno de un solo extremo. Esto permite que un amplificador push-pull de clase A o AB tenga menos distorsión para la misma potencia que los mismos dispositivos utilizados en una configuración de un solo extremo. Puede producirse distorsión en el momento de la conmutación de las salidas: el "traspaso" no es perfecto. Esto se llama distorsión cruzada. La clase AB y la clase B disipan menos energía para la misma salida que la clase A; La distorsión general se puede mantener baja mediante retroalimentación negativa , y la distorsión cruzada se puede reducir agregando una "corriente de polarización" para suavizar la transferencia.
Un amplificador push-pull de clase B es más eficiente que un amplificador de potencia de clase A porque cada dispositivo de salida amplifica solo la mitad de la forma de onda de salida y se corta durante la mitad opuesta. Se puede demostrar que la eficiencia energética total teórica (potencia de CA en carga en comparación con la energía de CC consumida) de una etapa push-pull es aproximadamente del 78,5%. Esto se compara con un amplificador de clase A que tiene una eficiencia del 25% si impulsa directamente la carga y no más del 50% para una salida acoplada por transformador. [7] Un amplificador push-pull consume poca energía con señal cero, en comparación con un amplificador de clase A que consume energía constante. La disipación de potencia en los dispositivos de salida es aproximadamente una quinta parte de la potencia nominal de salida del amplificador. [7] Un amplificador de clase A, por el contrario, debe utilizar un dispositivo capaz de disipar varias veces la potencia de salida.
La salida del amplificador puede estar acoplada directamente a la carga, acoplada mediante un transformador o conectada a través de un condensador de bloqueo de CC. Cuando se utilizan fuentes de alimentación tanto positivas como negativas, la carga se puede devolver al punto medio (tierra) de las fuentes de alimentación. Un transformador permite utilizar una fuente de alimentación de polaridad única, pero limita la respuesta de baja frecuencia del amplificador. De manera similar, con una sola fuente de alimentación, se puede usar un capacitor para bloquear el nivel de CC en la salida del amplificador. [8]
Cuando se utilizan transistores de unión bipolar, la red de polarización debe compensar el coeficiente de temperatura negativo del voltaje entre la base y el emisor de los transistores. Esto se puede hacer incluyendo una resistencia de pequeño valor entre el emisor y la salida. Además, el circuito excitador puede tener diodos de silicio montados en contacto térmico con los transistores de salida para proporcionar compensación.
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Hoy en día es muy raro utilizar transformadores de salida con amplificadores de transistores, aunque dichos amplificadores ofrecen la mejor oportunidad para combinar los dispositivos de salida (sólo se requieren dispositivos PNP o NPN).
Se pueden disponer dos transistores emparejados de la misma polaridad para alimentar mitades opuestas de cada ciclo sin necesidad de un transformador de salida, aunque al hacerlo el circuito controlador suele ser asimétrico y un transistor se utilizará en una configuración de emisor común mientras que el otro se utiliza como seguidor de emisor . Esta disposición se utiliza menos hoy que durante la década de 1970; se puede implementar con pocos transistores (no tan importante hoy en día), pero es relativamente difícil de equilibrar y mantener una distorsión baja.
Cada mitad del par de salida "refleja" a la otra, en el sentido de que un dispositivo NPN (o FET de canal N ) en una mitad coincidirá con un PNP (o FET de canal P ) en la otra. Este tipo de disposición tiende a producir una distorsión menor que las etapas cuasisimétricas porque incluso los armónicos se cancelan de manera más efectiva con mayor simetría.
En el pasado, cuando los complementos PNP de buena calidad para transistores de silicio NPN de alta potencia eran limitados, una solución era utilizar dispositivos de salida NPN idénticos, pero alimentados desde circuitos controladores PNP y NPN complementarios de tal manera que la combinación fuera casi simétrica (pero nunca tan bueno como tener simetría en todas partes). La distorsión debida a una ganancia no coincidente en cada mitad del ciclo podría ser un problema importante.
Emplear cierta duplicación en todo el circuito del controlador, para permitir circuitos de control simétricos, puede mejorar aún más la coincidencia, aunque la asimetría del controlador es una pequeña fracción del proceso de generación de distorsión. El uso de una disposición de carga unida por puente permite un grado mucho mayor de coincidencia entre las mitades positiva y negativa, compensando las pequeñas diferencias inevitables entre los dispositivos NPN y PNP.
Los dispositivos de salida, generalmente MOSFET o válvulas de vacío , están configurados de manera que sus características de transferencia de ley cuadrada (que generan distorsión de segundo armónico si se usan en un circuito de un solo extremo) cancelan la distorsión en gran medida. Es decir, a medida que aumenta el voltaje puerta-fuente de un transistor, la excitación hacia el otro dispositivo se reduce en la misma cantidad y el cambio de corriente de drenaje (o placa) en el segundo dispositivo corrige aproximadamente la no linealidad en el aumento del primero. . [9]
Los tubos de vacío (válvulas) no están disponibles en tipos complementarios (como lo son los transistores PNP/NPN), por lo que el amplificador push-pull de válvulas tiene un par de válvulas de salida idénticas o grupos de válvulas con las rejillas de control accionadas en antifase. Estos tubos conducen corriente a través de las dos mitades del devanado primario de un transformador de salida con derivación central. Las corrientes de señal se suman, mientras que las señales de distorsión debidas a las curvas características no lineales de los tubos se restan. Estos amplificadores se diseñaron por primera vez mucho antes del desarrollo de dispositivos electrónicos de estado sólido; Todavía los utilizan tanto los audiófilos como los músicos que consideran que suenan mejor.
Los amplificadores push-pull de válvulas de vacío generalmente usan un transformador de salida, aunque existen etapas de válvulas sin transformador de salida (OTL) (como el SEPP/SRPP y el seguidor de cátodo blanco a continuación). [ cita necesaria ] La etapa divisora de fase suele ser otro tubo de vacío, pero ocasionalmente en algunos diseños se usó un transformador con un devanado secundario con derivación central. Debido a que estos son esencialmente dispositivos de ley cuadrática, los comentarios sobre la cancelación de distorsión mencionados anteriormente se aplican a la mayoría de los diseños de tubos push-pull cuando se operan en clase A (es decir, ninguno de los dispositivos pasa a su estado no conductor).
Una etapa de salida Push-Pull de un solo extremo ( SEPP , SRPP o mu-follower [10] ), originalmente llamada amplificador balanceado en serie (patente estadounidense 2.310.342, febrero de 1943). es similar a una disposición de tótem para transistores en el sentido de que dos dispositivos están en serie entre los rieles de suministro de energía, pero la unidad de entrada va solo a uno de los dispositivos, el inferior del par; de ahí la (aparentemente contradictoria) descripción de un solo extremo. La salida se toma del cátodo del dispositivo superior (no impulsado directamente), que actúa a medio camino entre una fuente de corriente constante y un seguidor de cátodo, pero recibe algo de impulso del circuito de placa (ánodo) del dispositivo inferior. Por lo tanto, la excitación de cada tubo puede no ser igual, pero el circuito tiende a mantener la corriente a través del dispositivo inferior algo constante durante toda la señal, aumentando la ganancia de potencia y reduciendo la distorsión en comparación con una verdadera etapa de salida de un solo tubo y un solo extremo.
El circuito sin transformador con dos tubos tetrodo se remonta a 1933: "EL USO DE UN TUBO DE VACÍO COMO IMPEDANCIA DE ALIMENTACIÓN DE PLACA". por JWHorton en el Journal of the Franklin Institute 1933 volumen 216 Número 6
El seguidor de cátodo blanco (Patente 2,358,428, septiembre de 1944 de ELC White) es similar al diseño SEPP anterior, pero la entrada de señal es al tubo superior , que actúa como un seguidor de cátodo, pero uno donde el tubo inferior (en la configuración de cátodo común ) si se alimenta (generalmente a través de un transformador elevador) desde la corriente en la placa (ánodo) del dispositivo superior. Básicamente, invierte las funciones de los dos dispositivos en SEPP. El tubo inferior actúa a medio camino entre un sumidero de corriente constante y un compañero igual en la carga de trabajo de vaivén. Nuevamente, por lo tanto, el impulso hacia cada tubo podría no ser igual.
Existen versiones de transistores del SEPP y del seguidor de White, pero son raras.
Un amplificador push-pull ultralineal utiliza pentodos o tetrodos con su rejilla de pantalla alimentada desde un porcentaje del voltaje primario en el transformador de salida. Esto proporciona eficiencia y distorsión que es un buen compromiso entre los circuitos amplificadores de potencia de triodo (o triodos ) y los circuitos de salida de pentodo o tetrodo convencionales donde la pantalla se alimenta desde una fuente de voltaje relativamente constante.