Un amplificador push-pull es un tipo de circuito electrónico que utiliza un par de dispositivos activos que alternativamente suministran corriente a una carga conectada o la absorben de ella. 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 absorbe la corriente de la carga hacia tierra o una fuente de alimentación negativa, y el otro que suministra o genera corriente a la carga desde una fuente de alimentación positiva.
Un amplificador push-pull es más eficiente que un amplificador de "clase A" de un solo extremo . La potencia de salida que se puede lograr es mayor que la capacidad de disipación continua de cada transistor o tubo utilizado 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 continua 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 toma central para la entrada y la 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. La distorsión de cruce se puede crear 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 otorgada 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 Balanced lanzado en 1924 para su uso con su receptor de transmisión regenerativo Radiola III. [5] Al utilizar un par de tubos 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 de batería aceptable con un bajo consumo de energía en espera. [6] La técnica continúa utilizándose en sistemas de audio, radiofrecuencia, digitales y de electrónica de potencia en la actualidad.
Un uso digital de una configuración push-pull es la salida de TTL y familias relacionadas. El transistor superior funciona como un pull-up activo, en modo lineal, mientras que el transistor inferior funciona digitalmente. Por esta razón, no son capaces de generar tanta corriente como pueden absorber (normalmente, 20 veces menos). Debido a la forma en que se dibujan esquemáticamente estos circuitos, con dos transistores apilados verticalmente, normalmente con un diodo de cambio de nivel en el medio, se denominan salidas " tótem ".
Una desventaja de las salidas push-pull simples es que no se pueden conectar dos o más de ellas entre sí, porque si una intentara tirar mientras otra intentaba 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 patentado, triestado ).
Una alternativa a la salida push-pull es un solo interruptor que desconecta o conecta la carga a tierra (llamado salida de colector abierto o drenaje abierto ), o un solo interruptor que desconecta o conecta la carga a la fuente de alimentación (llamado salida de emisor abierto o salida de fuente abierta).
Una etapa amplificadora 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, separados 180°). Las dos salidas en 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, promueven los armónicos de orden impar, como f, 3f, 5f cuando se llevan al 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. La distorsión puede ocurrir en el momento en que cambian las salidas: la "transferencia" no es perfecta. Esto se llama distorsión de cruce. La clase AB y la clase B disipan menos potencia para la misma salida que la clase A; la distorsión general se puede mantener baja mediante retroalimentación negativa , y la distorsión de cruce 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 de potencia total teórica (potencia de CA en carga comparada con la potencia de CC consumida) de una etapa push-pull es de aproximadamente 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 energía 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 puede devolverse 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 utilizar un condensador 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 de la tensión 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 de control puede tener diodos de silicio montados en contacto térmico con los transistores de salida para proporcionar compensación.
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Actualmente es muy raro utilizar transformadores de salida con amplificadores de transistores, aunque dichos amplificadores ofrecen la mejor oportunidad para combinar los dispositivos de salida (requeriéndose solo dispositivos PNP o solo NPN).
Se pueden disponer dos transistores acoplados 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 baja distorsión.
Cada mitad del par de salida "refleja" a la otra, de modo que un dispositivo NPN (o FET de canal N ) en una mitad se corresponderá con un dispositivo PNP (o FET de canal P ) en la otra. Este tipo de disposición tiende a generar una distorsión menor que las etapas cuasi simétricas porque los armónicos uniformes se cancelan de manera más efectiva con una mayor simetría.
En el pasado, cuando los complementos PNP de buena calidad para transistores de silicio NPN de alta potencia eran limitados, una solución alternativa era utilizar dispositivos de salida NPN idénticos, pero alimentados desde circuitos de control PNP y NPN complementarios de tal manera que la combinación fuera cercana a la simetría (pero nunca tan buena como para tener simetría en todo el circuito). La distorsión debido a una ganancia no coincidente en cada mitad del ciclo podría ser un problema importante.
El uso de cierta duplicación en todo el circuito del controlador para permitir circuitos de control simétricos puede mejorar aún más la adaptación, aunque la asimetría del controlador es una pequeña fracción del proceso de generación de distorsión. El uso de una disposición de carga vinculada mediante puentes permite un grado mucho mayor de adaptación entre las mitades positiva y negativa, lo que compensa las pequeñas diferencias inevitables entre los dispositivos NPN y PNP.
Los dispositivos de salida, generalmente MOSFET o tubos de vacío , están configurados de modo que sus características de transferencia de ley cuadrática (que generan distorsión de segundo armónico si se utilizan en un circuito de un solo extremo) cancelen la distorsión en gran medida. Es decir, a medida que aumenta el voltaje de compuerta-fuente de un transistor, la excitación al otro dispositivo se reduce en la misma cantidad y el cambio de corriente de drenaje (o de 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 los transistores PNP/NPN), por lo que el amplificador push-pull de tubos tiene un par de tubos de salida idénticos o grupos de tubos con las rejillas de control accionadas en antifase. Estos tubos impulsan la corriente a través de las dos mitades del devanado primario de un transformador de salida con toma 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 los dispositivos electrónicos de estado sólido; todavía los utilizan tanto los audiófilos como los músicos que consideran que suenan mejor.
Los amplificadores push-pull de tubo de vacío suelen utilizar un transformador de salida, aunque existen etapas de tubo sin transformador de salida (OTL) (como el SEPP/SRPP y el seguidor de cátodo blanco que se muestra a continuación). [ cita requerida ] La etapa divisora de fase suele ser otro tubo de vacío, pero en algunos diseños se utilizó ocasionalmente un transformador con un devanado secundario con toma 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 tubo push-pull cuando se operan en clase A (es decir, ninguno de los dispositivos se lleva a su estado no conductor).
Una etapa de salida Single Ended Push-Pull ( SEPP , SRPP o seguidor mu [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 la que dos dispositivos están en serie entre los rieles de la fuente de alimentación, pero la excitación de entrada va solo a uno de los dispositivos, el inferior del par; de ahí la descripción (aparentemente contradictoria) de Single-Ended. La salida se toma del cátodo del dispositivo superior (no accionado directamente), que actúa a medio camino entre una fuente de corriente constante y un seguidor de cátodo, pero recibe algo de excitación 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 a lo largo de la señal, lo que aumenta la ganancia de potencia y reduce 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 PLACAS". 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 se realiza al tubo superior , que actúa como seguidor de cátodo, pero uno en el que el tubo inferior (en configuración de cátodo común) se alimenta (normalmente a través de un transformador elevador) de la corriente en la placa (ánodo) del dispositivo superior. Básicamente, invierte los papeles de los dos dispositivos en SEPP. El tubo inferior actúa a medio camino entre un sumidero de corriente constante y un socio igual en la carga de trabajo push-pull. Una vez más, la excitación de cada tubo podría no ser igual.
Existen versiones de transistores del SEPP y del seguidor blanco, 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 triodo-stringed ) y los circuitos de salida de pentodo o tetrodo convencionales donde la pantalla se alimenta desde una fuente de voltaje relativamente constante.