Diamentowy bufor
Bufor diamentowy lub wtórnik diamentowy to czterotranzystorowy, dwustopniowy, przeciwsobny , transliniowy wtórnik emiterowy lub rzadziej wtórnik źródłowy , w którym tranzystory wejściowe są złożone lub umieszczone do góry nogami w stosunku do tranzystorów wyjściowych. Jak każdy bufor jedności , bufor diamentowy nie zmienia fazy i wielkości wejściowego sygnału napięciowego; jego głównym celem jest połączenie źródła napięcia o wysokiej impedancji z wysokoprądowym obciążeniem o niskiej impedancji . W przeciwieństwie do bardziej powszechnego wtórnika z emiterem złożonym („podwójny” w kategoriach inżynierii dźwięku), w którym każdy tranzystor wejściowy steruje tranzystorem wyjściowym o tej samej polaryzacji, każdy tranzystor wejściowy bufora diamentowego steruje tranzystorem wyjściowym o przeciwnej polaryzacji. Kiedy tranzystory działają w bliskim kontakcie termicznym, tranzystory wejściowe stabilizują prąd jałowy pary wyjściowej, eliminując potrzebę stosowania rozpraszacza polaryzacji .
Bufor diamentowy jest używany głównie w stopniach wejściowych i wyjściowych szybkich wzmacniaczy operacyjnych ze sprzężeniem zwrotnym prądu . Obwód jest również podstawowym elementem konstrukcyjnym bipolarnych przenośników prądowych i miał ograniczone zastosowanie w przedwzmacniaczach audio na poziomie liniowym oraz na stopniach wyjściowych wzmacniaczy mocy audio .
Geneza i zastosowania
Wtórnik diamentowy był naturalnym rozwinięciem komplementarnego wtórnika emiterowego z polaryzacją diody. W 1971 roku firma Harris Corporation zastosowała go w stopniu wyjściowym monolitycznego wzmacniacza operacyjnego HA-2600. Amerykańska prasa z lat 70. szczegółowo przeanalizowała HA-2600, ale nie nadała jego stopniowi wyjściowemu konkretnej nazwy. Obwód pozostał rzadki, ponieważ wczesne procesy produkcyjne nie pozwalały na wytworzenie wysokiej jakości tranzystorów pnp. Pierwszy dedykowany diamentowy obwód buforowy, 30-MHz LH0002, został wprowadzony przez National Semiconductor pod koniec lat 70. XX wieku, a następnie został opisany jedynie jako „szerokopasmowy, wysokoprądowy wzmacniacz buforowy o wzmocnieniu jednostkowym”. Do 1982 roku LH0002 i podobne bufory z tranzystorami dyskretnymi były szeroko stosowane w zastosowaniach o małej mocy (1 W lub mniej), szczególnie do celów wideo i oprzyrządowania.
Prawdziwie szybkie zintegrowane bufory stały się rzeczywistością dopiero po wprowadzeniu technologii krzemu na izolatorze pod koniec lat 80., co doprowadziło do opracowania nowoczesnych zintegrowanych wzmacniaczy operacyjnych ze sprzężeniem zwrotnym prądu (CFOA). Dyskretne i hybrydowe CFOA zostały stworzone przez Comlinear Corporation na początku lat 80., ale pierwsze zintegrowane CFOA pojawiły się dopiero w 1987 roku. CFOA zwykle zawiera dwa diamentowe bufory. Bufor wejściowy przetwarza różnicowe napięcie wejściowe na prąd; wyjście tego bufora służy jako wejście odwracające całego CFOA. Prąd dostarczany lub zatapiany na wejściu odwracającym jest wykrywany przez zwierciadła prądowe umieszczone między buforem a jego szynami zasilającymi, a jego lustrzana kopia jest dostarczana lub zatopiona w wewnętrznym węźle o wysokiej impedancji. Wynikowe dodatnie lub ujemne napięcie w tym węźle jest łączone ze światem zewnętrznym za pomocą bufora wyjściowego. Tradycyjne obwody bufora wideo wykorzystujące rdzeń diamentowy (np. 1986 Harris HA5033 lub 1993 Burr-Brown BUF634) zostały opracowane wraz z CFOA.
Około 1990 roku Burr-Brown Corporation użyła terminu „diamentowy bufor” dla swojego układu scalonego OPA660 oraz w powiązanych patentach i notach aplikacyjnych. „Tranzystor diamentowy”, w języku Burr-Browna, oznaczał bufor diamentowy z dodatkowym stopniem wyjściowym prądu o wysokiej impedancji. Terminy marketingowe zostały przyjęte przez projektantów wzmacniaczy audio, pomimo niejednoznaczności związanej z strukturą kryształu diamentu , hipotetycznymi tranzystorami diamentowymi i topologią „diamentowego różniczkowania” sprzedawaną przez firmę Sansui około 1980 r. W anglojęzycznej literaturze akademickiej bufor diamentowy został również zwane „mieszaną komórką transliniową II” lub MTC-II, w celu odróżnienia od zwykłej „mieszanej komórki transliniowej” (inna nazwa naśladowcy emitera z polaryzacją diodową). Poza anglosferą , klasyczny niemiecki podręcznik autorstwa Tietze i Schencka omawia obwód jako jedną z wielu form odchylania obserwatora emitera, bez nadania mu konkretnej nazwy. Autorzy rosyjskojęzyczni niejednoznacznie nazywają to „wzmacniaczem liniowym równoległym” lub po prostu „wzmacniaczem równoległym”.
Bufor diamentowy był używany w komercyjnych przedwzmacniaczach liniowych i słuchawkowych (np. seria Lehmann Cube i ich klony), ale nie znalazł zbytniego zastosowania w komercyjnych wzmacniaczach mocy audio. Wzmacniacze Accuphase z prądowym sprzężeniem zwrotnym z lat 90. wykorzystywały bufor diamentowy w stopniu wejściowym, ale nie w stopniu wyjściowym. Jednak około 1982 roku prosty diamentowy bufor typu bootstrap stał się powszechny na scenie DIY w byłym Związku Radzieckim , a ulepszone projekty były kontynuowane w XXI wieku. W latach 90. obwód został „ponownie odkryty” przez projektantów półprzewodnikowych wzmacniaczy mocy bez sprzężenia zwrotnego na całym świecie. Powszechny projekt zerowego sprzężenia zwrotnego z tamtego okresu wykorzystywał dwa diamentowe bufory dla stopni wejściowych i wyjściowych oraz szerokopasmowy transformator podwyższający do wzmocnienia napięcia. W mniej radykalnych projektach wybrano tradycyjny ze wspólnym emiterem lub wspólną katodą , który jest wrażliwy na zmiany prądu obciążenia. W takich zastosowaniach, zdaniem Boba Cordella, bufor diamentowy musi być wzmocniony co najmniej jednym dodatkowym stopniem wtórnika emiterowego, tworzącym tzw. stopień amplifikacji. Komercyjne wzmacniacze dużej mocy, takie jak Dartzeel 108, nadal wykorzystują najbardziej podstawowy, czterotranzystorowy, diamentowy stopień wyjściowy.
Operacja
Obwód jest symetryczny, dlatego można go analizować, badając tylko górną (T1, T2) lub dolną (T3, T4) połowę. Dwie połówki działają równolegle (stąd alternatywna nazwa wzmacniacza równoległego ). Każda połowa składa się z dwóch prostych wtórników emiterów połączonych szeregowo. Ich łączne wzmocnienie prądowe jest równe iloczynowi wzmocnień prądowych npn i pnp. Ich łączne wzmocnienie napięciowe, podobnie jak w przypadku każdego wtórnika emitera, jest nieco mniejsze niż jedność. Dokładna wartość wzmocnienia napięcia zależy od prądu obciążenia i temperatury złącza, a także od wartości rezystorów emiter-obciążenie (jeśli występują; rezystory te ustawiają prąd jałowy tranzystorów wyjściowych, poprawiają stabilność i zmniejszają napięcie wejściowe-wyjściowe różnica faz podczas napędzania obciążeń biernych). W przypadku obciążeń czysto rezystancyjnych wzmocnienie nieznacznie wzrasta wraz z napięciem wejściowym, powodując niewielkie, ale nieistotne zniekształcenia nieparzystego rzędu. Jednak przy wysokich prądach wyjściowych wzmocnienie napięcia maleje z powodu spadku beta w tranzystorach wyjściowych.
Punkt pracy i regulacja termiczna
Cztery tranzystory tworzą transliniowy pierścień z silnym lokalnym sprzężeniem zwrotnym, które zapewnia regulację punktu pracy DC. Jeśli T1 i T2 mają takie same obszary złącza baza-emiter i działają przy tej samej temperaturze złącza, to przy braku napięcia wejściowego prąd przepływający przez T1 jest odzwierciedlany w stopniu wyjściowym. Współczynnik replikacji prądu można zmienić, skalując tranzystory lub wstawiając rezystory degeneracyjne szeregowo z emiterami, jak to miało miejsce w przypadku LH0002.
Aby zapewnić prawidłowe odbicie lustrzane, T1 i T2 (oraz przeciwstawna para T3 i T4) muszą być umieszczone na kostce w bliskiej odległości lub, w przypadku urządzeń dyskretnych, zamontowane na wspólnym radiatorze. W praktyce tranzystory mocy można łączyć „po skosie” – T1 do T4, a T3 do T2. Oba kolektory w obrębie każdej pary „przekątnej” podłączone są do tej samej szyny zasilającej i nie wymagają od siebie izolacji elektrycznej.
Przesunięcie DC
Napięcia baza-emiter dwóch wtórników działających przy równych prądach idealnie znoszą się nawzajem, więc przesunięcie DC na wyjściu jest pomijalne. Rządzi nim niedopasowanie tranzystorów pnp i npn; w najgorszym przypadku obwody dyskretno-tranzystorowe, bez uprzedniego dopasowania urządzeń, wynosi kilkadziesiąt miliwoltów. Pozwala to na równoległą pracę wielu wtórników we wspólnym obciążeniu.
Przesunięcie może być praktycznie zerowane przez dodanie do każdego z czterech tranzystorów tranzystora z przewodami diodowymi o przeciwnej biegunowości, np. poprzez szeregowe podłączenie diody pnp ze złączem baza-emiter tranzystora pnp i odwrotnie. W praktyce rzadko jest to konieczne, a przesunięcie jest albo pozostawione w spokoju, albo tłumione przez ujemne sprzężenie zwrotne , albo izolowane od obciążenia za pomocą kondensatora sprzęgającego .
Zachowanie przycinania
Zwykłe dwustopniowe („podwójne”) lub trzystopniowe („potrójne”) wtórniki emitera przecinają się , gdy chwilowe napięcie wejściowe zbliża się do dodatniej lub ujemnej szyny zasilającej. Obcinanie spowodowane głodem prądowym stopnia wyjściowego nie stanowi problemu, ponieważ poprzedzające go stopnie prawie zawsze są w stanie dostarczyć wymagane prądy do podstaw tranzystorów wyjściowych, nawet jeśli ich beta spada przy bardzo wysokich prądach wyjściowych. Wtórnik diamentowy zachowuje się inaczej, ponieważ prądy bazowe tranzystorów wyjściowych (T2, T4) są ograniczone przez źródła stałoprądowe (I e1 , I e2 ). Te same źródła prądu dostarczają również prądy kolektor-emiter tranzystorów wejściowych (T1, T3).
Maksymalny prąd wyjściowy do obciążenia o niskiej impedancji jest zatem proporcjonalny do prądu jałowego pierwszego stopnia: I out.max.sourced = I e1 /β T2 lub I out.max.sunk = I e2 /β T4 . W każdym z tych punktów (które są zwykle asymetryczne) podstawa odpowiedniego tranzystora wyjściowego przechwytuje cały prąd dostępny ze źródła, a tranzystor wejściowy wyłącza się, powodując nagłe przesterowanie. Maksymalne napięcie wyjściowe zależy od tych ograniczeń obsługi prądu w połączeniu z impedancją obciążenia oraz od konfiguracji źródeł prądu stałego. W szczególności proste rezystancyjne źródła prądu poważnie ograniczają maksymalne prądy i napięcia. W obwodach z tranzystorami dyskretnymi, które pozwalają na użycie kondensatorów o dużej wartości , oba można poprawić, ładując rezystory ustawiające prąd. Uruchamianie potencjałów zarówno emitera, jak i kolektora T1 i T2 ma dodatkowy efekt w postaci wyeliminowania efektu wczesnego , a tym samym poprawy liniowości. Wtórnik diamentowy z ładowaniem początkowym pozostaje w pełni funkcjonalny przy prądzie stałym, chociaż zalety ładowania pojemnościowego pojawiają się tylko przy sygnałach prądu przemiennego.
Liniowość
Poniżej początku przesterowania całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD) zależy od kombinacji napięcia wejściowego i prądu wyjściowego. Jak to zwykle bywa w obwodach przeciwsobnych, przejście z czystej klasy A do klasy AB powoduje znaczne zniekształcenia zwrotnicy . Charakter i zakres zwrotnicy klasy A/AB w diamentowych buforach był przedmiotem debaty w anglojęzycznej prasie audiofilskiej.
W wartościach bezwzględnych producent LH002 określił THD w otwartej pętli na poziomie 0,1% przy napięciu wyjściowym 5 V RMS przy obciążeniu 50 omów przy napięciu zasilania ±12 V (klasa AB). Projektanci hybrydowych wzmacniaczy mocy audio klasy AB bez sprzężenia zwrotnego, wykorzystujących niezmodyfikowany czterotranzystorowy stopień wyjściowy, zadeklarowali THD na poziomie 0,1% przy 3 kHz i 0,25% przy 20 kHz. Projektanci czysto półprzewodnikowych wzmacniaczy klasy AB z globalnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym twierdzili, że THD w pętli zamkniętej nie przekracza 0,003% w całym zakresie audio.
Wzmacniacze buforowe o najniższych zniekształceniach wykorzystują kombinację napięciowego wzmacniacza operacyjnego i gotowego diamentowego bufora IC, zamkniętego we wspólnej pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Według Burr-Browna takie podejście działa dobrze tylko przy niskich częstotliwościach (100 kHz lub mniej dla BUF634). Przy wyższych częstotliwościach rezystancja wewnętrzna bufora wzrasta wraz z nieuchronnym wzrostem zniekształceń. Można temu zaradzić, łącząc równolegle wiele buforów diamentowych.
Szybkość narastania
Szybkość narastania (SR) prostego bufora diamentowego jest ograniczona przez Ie1 przy SR=Ie1 / Cint1 , gdzie pojemność wewnętrzna Cint1 jest całkowitą pojemnością „widzianą” przez źródło prądu Ie1 we wspólnym węźle podstawa T2 i emiter T1 (lub, w przypadku Ie2 , we wspólnym węźle podstawy T4 i emitera T3). Na przykład źródło prądowe 0,5 mA załadowane do węzła o pojemności 10 pF ma SR 50 V/μs. Ujemne i dodatnie współczynniki zmiany mogą być wyraźnie asymetryczne. Pasmo mocy dla szczytowego napięcia wyjściowego Vp jest ograniczone przez najmniejszą z tych dwóch szybkości narastania przy Fmax = SR/(2πVp ) .
Jeśli szybkość narastania sygnału wejściowego przekracza SR diamentowego bufora, w obwodzie może wystąpić niekontrolowany wzrost temperatury – potencjalnie destrukcyjny scenariusz, gdy zarówno T2, jak i T4 przewodzą. Częstotliwość, która wyzwala niekontrolowany wzrost temperatury dla danego szczytowego napięcia wejściowego Vp, jest zdefiniowana tym samym wzorem, co szerokość pasma mocy, Fmax = SR/(2πVp ) .
Pochodne prądu o dużej mocy wyjściowej
Przesterowanie spowodowane głodem prądowym tranzystorów wejściowych jest szczególnie wyraźne w obwodach z prostymi rezystancyjnymi „źródłami prądu” oraz w obwodach, w których T2, T4 działają z dość dużą gęstością prądu, a zatem wykazują silny spadek beta. Zastosowanie elektronicznych źródeł prądu stałego i tranzystorów wyjściowych o przedłużonej fazie beta o dużej powierzchni opóźnia początek przesterowania, ale nie zmienia wzorca. Wzrost prądów jałowych umożliwia proporcjonalny wzrost obsługi prądu, jednak wysokie prądy jałowe niezmiennie zwiększają zużycie energii i wymagania dotyczące radiatora. Na przykład każdy kanał komercyjnego wzmacniacza audio Dartzeel 108 dostarcza do 160 W przy obciążeniu 4 omów z prostego niezmodyfikowanego diamentu, kosztem rozproszenia około 40 W mocy na biegu jałowym i ważenia 15 kg. Jeśli wydajność i koszt są krytyczne, obwód można dodatkowo ulepszyć, aby obsługiwał wyższe prądy przy niskich prądach jałowych.
W najprostszej postaci obwód jest wzbogacony o diodę rewersyjną podłączoną do podstaw tranzystorów wyjściowych. Przy wysokich prądach wyjściowych dioda otwiera się, a diament działa jak konwencjonalny dwustopniowy wtórnik emiterowy. W HA-2600 zastosowano podobne rozwiązanie wykorzystujące dwie diody rewersyjne, które łączyły węzeł wejściowy z emiterami tranzystorów wyjściowych. Przejście między tymi dwoma trybami generuje ostre zniekształcenia zwrotnicy . Mniej radykalne, ale liniowe podejście sugeruje podłączenie kondensatora o dużej wartości między podstawami T2 i T4; dodatek przekształca T1, T3 w prawdziwą parę przeciwsobną, podwajając prąd podstawowy AC stopnia wyjściowego.
Wtórnik hybrydowy dodaje dwa proste wtórniki emiterowe T5, T6 do stopnia wejściowego. Gdy ten ostatni się wyłącza, jeden z dodanych tranzystorów dostarcza wymagany prąd bazowy do stopnia wyjściowego. Pomysł został wykorzystany na przykład w szybkim buforze IC Burr-Brown OPA633 z 1987 roku. Ten obwód również cierpi z powodu zniekształceń zwrotnicy. Szybkość narastania przy małych prądach wejściowych pozostaje niezmieniona, ale wzrasta w sposób nieliniowy, przerywany, gdy włączają się T5 lub T6. Wtórnik zbudowany z tranzystorów małosygnałowych i pobierający prąd jałowy 1 mA może z łatwością osiągnąć wysoki poziom szybkości narastania 1000 V/μs. Jednak gdy napięcie wejściowe spada, szybkość narastania gwałtownie spada do znacznie niższej (niskiego poziomu) wartości naturalnej.
W konfiguracji quasi-Darlingtona dodane tranzystory T5, T6 wykrywają prądy płynące ze źródeł prądowych do podstaw tranzystorów wyjściowych T2, T4 i wprowadzają dodatkowe prądy do ich podstaw, zapobiegając w ten sposób głodzeniu T1, T3. Układ nie jest prawdziwym obwodem Darlingtona, ponieważ T5, T6 włączają się tylko chwilowo, przy bardzo dużych prądach wyjściowych. Zaproponowano również prawdziwe wyjścia Darlingtona, aczkolwiek ograniczone do działania klasy B.
Wreszcie bufor diamentowy nie musi bezpośrednio napędzać ładunku. Dodatkowe tranzystory wysokoprądowe można wstawić między bufor a obciążenie, zapewniając wymaganą rezerwę prądową. W konfiguracji „diamentowego bufora potrójnego” dodane tranzystory tworzą konwencjonalny wtórnik emiterowy. Wadą jest to, że obwód wymaga własnego rozpraszacza polaryzacji do regulacji termicznej. Rezystory emiterowe w stopniu wyjściowym nie są konieczne do zapewnienia stabilności termicznej, ale mają kluczowe znaczenie dla zminimalizowania zniekształceń zwrotnicy . Najmniejsze zniekształcenia uzyskuje się, gdy spadek napięcia na każdym rezystorze emiterowym przy prądzie jałowym jest równy napięciu termicznemu (26 mV przy 300 K).
Prostszym rozwiązaniem jest zastąpienie urządzeń wyjściowych dwiema parami Sziklai , które nie wymagają rozpraszacza polaryzacji i nie wprowadzają znacznego dryftu termicznego do podstawowej struktury diamentu. Tranzystory T1-T4 muszą być ze sobą połączone termicznie, ale T5 i T6 powinny znajdować się poza tą termiczną pętlą sprzężenia zwrotnego. Prądy jałowe T3, T4 są regulowane za pomocą czysto elektrycznego lokalnego sprzężenia zwrotnego przez rezystory emiterowe Re1, Re2. Ponownie, napięcie na każdym rezystorze powinno być ustawione na 26 mV.
Notatki
- Intersil (1996). AN548: Przewodnik projektantów bufora wideo HA-5033 . Nota. Renesas Corporation (dosłowny przedruk).
- Cordell, Bob (2011). Projektowanie wzmacniaczy mocy audio . McGraw-Hill. ISBN 9780071640251 .