Unit 20. Push-pull Amplifier

Определения и обозначения

Push-pull amplifier — двухтактный усилитель, в котором два выходных элемента работают по очереди. Один обрабатывает одну половину периода переменного сигнала, другой — противоположную. Их совместная работа позволяет получить полный выходной сигнал, не заставляя один элемент проводить весь период.

Phase splitter — фазорасщепитель, узел, создающий из входного сигнала два сигнала с фазовым сдвигом 180°. Иными словами, когда один сигнал возрастает, второй в этот момент убывает. Это нужно, чтобы управлять двумя плечами усилителя, каждое из которых должно включаться на своей половине периода.

Crossover distortion — переходные искажения, деформация сигнала в момент передачи работы от одного выходного плеча другому. Она возникает, если около перехода через ноль оба элемента не проводят ток. В результате на выходе появляется короткий участок, не совпадающий с плавной формой исходного колебания.

Output transformer — выходной трансформатор, который используется в трансформаторном варианте двухтактного усилителя. Он помогает объединить вклад обоих плеч во вторичной обмотке и передать усиленный сигнал нагрузке. Важно отличать такую схему от вариантов без трансформатора: этот узел не является обязательной частью любого двухтактного усилителя.

Как это устроено

Входной переменный сигнал поступает на фазорасщепитель. На его выходе появляются два сигнала противоположной фазы: их изменения направлены навстречу друг другу. Такое разделение необходимо, потому что выходные плечи должны получать разные управляющие воздействия и отвечать за противоположные части колебания.

Каждый транзистор или электронная лампа усиливает свою половину периода. Когда на управляющем входе одного элемента сигнал открывает его, он проводит ток и формирует соответствующую полуволну; второй элемент в это время почти не участвует. На следующей половине периода условия меняются местами, поэтому второе плечо усиливает сигнал, а первое перестаёт проводить.

Затем усиленные полуволны соединяются, и на выходе получается колебание, похожее по форме на входное, но имеющее большую мощность. В трансформаторной схеме токи плеч воздействуют на части первичной обмотки, а во вторичной обмотке возникает общий выходной сигнал. Трансформатор здесь нужен для передачи и объединения сигнала, а не для создания противофазных управляющих воздействий.

Поскольку выходные элементы работают по очереди, каждый из них проводит не весь период. Поэтому в сравнении с режимом, где один выходной элемент работает постоянно, меньше энергии расходуется на его нагрев, а потери мощности снижаются. Это особенно полезно в выходных каскадах, которым нужно отдавать значительную мощность нагрузке.

Однако переключение между плечами не всегда происходит идеально. Если около нулевого уровня оба элемента закрыты, ни одно плечо на короткое время не усиливает сигнал, и возникает переходная деформация. Подбор режима смещения задаёт начальное состояние элементов: небольшое открытие вблизи нуля сокращает участок без проводимости и помогает уменьшить искажения.

Сравнение однотактного и двухтактного усилителей

Сравнивая схемы, проследите, сколько выходных плеч участвует в усилении и какую часть периода проводит каждый элемент. Затем оцените, как формируется общий сигнал и чем могут различаться потери и искажения. Таблица показывает типичные особенности схем, но конкретные параметры зависят от конструкции и режима работы.

Разбор задач

Какие элементы усиливают полупериоды

Условие. В описании сказано, что фазорасщепитель формирует два противофазных сигнала, а выходных элемента два. Нужно определить, какой элемент усиливает положительную, а какой — отрицательную половину. Само обозначение плеча не задаёт полярность, поэтому её нужно выяснить по схеме или описанию управляющих сигналов.

1. Найдите сигнал фазорасщепителя, который становится положительным на нужном полупериоде. Установите, на какой управляющий вход он подан. Так определяется плечо, открывающееся в этот момент.
2. Проследите второй сигнал: он сдвинут относительно первого на 180°. Значит, его полярность противоположна, и управляемый им элемент усиливает другой полупериод. Сверьте это с направлением включения элементов на схеме.

Ответ. Элемент, открываемый управляющим сигналом соответствующей полярности, усиливает относящийся к нему полупериод. Второй элемент усиливает противоположную половину; конкретные названия плеч определяются подключением в данной схеме.

Как полуволны становятся общим сигналом

Условие. По схеме требуется объяснить, как усиленные сигналы двух плеч образуют один выходной сигнал. В трансформаторном варианте плечи подключены к выходному трансформатору. Нужно проследить путь сигнала, а не путать управляющие противофазные напряжения с выходными полуволнами.

1. Определите, какое плечо проводит на первой половине периода, и проследите ток через соответствующую часть первичной обмотки. Это создаёт магнитное воздействие в сердечнике трансформатора.
2. На другой половине периода проводит второе плечо и создаёт следующую часть колебания. Изменение магнитного потока индуцирует напряжение во вторичной обмотке, где формируется общий сигнал для нагрузки.

Ответ. Каждое плечо создаёт свою усиленную часть колебания через первичную обмотку. Во вторичной обмотке возникает единый выходной сигнал, составленный из вклада обоих плеч.

Деформация около нуля

Условие. На осциллограмме выходной сигнал деформирован вблизи нулевого уровня. Наиболее вероятная причина — переходные искажения, возникающие при передаче работы от одного плеча другому. Проверить это можно, сопоставив место деформации с моментом перехода через ноль.

1. Установите, закрывается ли первое плечо до того, как начинает проводить второе. Если оба элемента в этот промежуток закрыты, сигнал не усиливается и появляется заметная деформация.
2. Проверьте режим смещения выходных элементов. Если начальное смещение недостаточно, настройте его так, чтобы элементы немного проводили около нуля; после этого снова сравните форму сигнала на осциллограмме.

Ответ. Вероятная причина — переходные искажения из-за участка, на котором оба элемента закрыты. Подбор режима смещения, обеспечивающего небольшую проводимость вблизи нуля, помогает уменьшить деформацию.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что оба выходных элемента усиливают одну и ту же половину периода. Её допускают, замечая два элемента, но не прослеживая их управляющие сигналы. Проверьте, что у плеч разные управляющие фазы и что каждое отвечает за свою половину периода.

Вторая ошибка — путать противофазные сигналы фазорасщепителя с выходными полуволнами. Первые управляют плечами, а вторые образуются после усиления и складываются в общий сигнал. Чтобы проверить себя, отдельно проследите управляющий путь до выходных элементов и путь усиленного сигнала к нагрузке.

Третья ошибка — полагать, что поочерёдная работа полностью исключает искажения. Обычно так рассуждают, сосредоточившись на экономии мощности и не учитывая переключение около нуля. Осмотрите выходную осциллограмму: деформация именно в области перехода указывает на возможные переходные искажения.

Четвёртая ошибка — считать выходной трансформатор обязательным для любой двухтактной схемы. Это связано с тем, что трансформатор часто показывают в классическом варианте, но существуют схемы без него. Проверяйте устройство конкретного усилителя: трансформатор нужен в трансформаторном варианте, а не по самому определению двухтактной схемы.

Связь с другими темами

Для понимания двухтактного усилителя нужно знать, как транзистор или электронная лампа усиливают сигнал, и уметь различать его положительный и отрицательный полупериоды. Тема связана с режимами классов A, B и AB: они описывают, в течение какой части периода проводит выходной элемент, и помогают объяснить потери и переходные искажения. Анализ осциллограмм позволяет увидеть форму сигнала и обнаружить деформацию около нуля. Двухтактный принцип применяют в выходных каскадах аудиоусилителей и других усилителей мощности.

Что запомнить

• В двухтактном усилителе выходные плечи работают по очереди.
• Фазорасщепитель формирует управляющие сигналы, сдвинутые по фазе на 180°.
• Одно плечо усиливает одну половину периода, другое — противоположную.
• На выходе полуволны объединяются в полный сигнал.
• Работа поочерёдно помогает уменьшить потери мощности и нагрев.
• Переходные искажения возникают в области передачи сигнала от одного плеча другому.
• Подбор режима смещения помогает уменьшить переходные искажения.