إخراج الدفع والسحب

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Push–pull output" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (November 2017) (Learn how and when to remove this message)

مكبر الدفع والسحب هو نوع من الدوائر الإلكترونية التي تستخدم زوجًا من الأجهزة النشطة التي تزود بالتيار الكهربائي بالتناوب أو تمتصه من الحمل المتصل. يمكن لهذا النوع من مكبرات الصوت تعزيز كل من سعة الحمل وسرعة التبديل.

توجد مخرجات الدفع والسحب في الدوائر المنطقية الرقمية TTL و CMOS وفي بعض أنواع مكبرات الصوت ، وعادةً ما يتم تحقيقها بواسطة زوج مكمل من الترانزستورات ، أحدهما يبدد أو يغرق التيار من الحمل إلى الأرض أو مصدر طاقة سلبي، والآخر يزود أو يزود التيار إلى الحمل من مصدر طاقة إيجابي.

إن مكبر الدفع والسحب أكثر كفاءة من مكبر "الفئة أ" أحادي الطرف . إن القدرة الناتجة التي يمكن تحقيقها أعلى من معدل التبديد المستمر لكل من الترانزستور أو الأنبوب المستخدم بمفرده ويزيد من القدرة المتاحة لجهد إمداد معين. إن البناء المتماثل لجانبي مكبر الصوت يعني إلغاء التوافقيات ذات الترتيب الزوجي، مما يمكن أن يقلل التشوه. ^[1] يتم إلغاء التيار المستمر في الإخراج، مما يسمح باستخدام محول إخراج أصغر من ذلك الموجود في مكبر الصوت أحادي الطرف. ومع ذلك، يتطلب مكبر الدفع والسحب مكون تقسيم الطور الذي يضيف تعقيدًا وتكلفة إلى النظام؛ إن استخدام المحولات ذات الصنبور المركزي للإدخال والإخراج هو تقنية شائعة ولكنها تضيف وزنًا وتقيد الأداء. إذا لم يكن للجزأين من مكبر الصوت خصائص متطابقة، فيمكن إدخال التشويه حيث يتم تضخيم نصفي شكل الموجة المدخلة بشكل غير متساوٍ. يمكن إنشاء تشوه التقاطع بالقرب من نقطة الصفر لكل دورة عندما يتم قطع جهاز واحد ويدخل الجهاز الآخر منطقته النشطة.

تُستخدم دوائر الدفع والسحب على نطاق واسع في العديد من مراحل خرج مكبر الصوت. تم وصف زوج من أنابيب الصوت المتصلة بالدفع والسحب في براءة اختراع Edwin H. Colpitts الأمريكية رقم 1137384 الممنوحة عام 1915، على الرغم من أن براءة الاختراع لا تدعي على وجه التحديد اتصال الدفع والسحب. ^[2] كانت التقنية معروفة جيدًا في ذلك الوقت ^[3] وتم المطالبة بالمبدأ في براءة اختراع عام 1895 سبقت مكبرات الصوت الإلكترونية. ^[4] ربما كان أول منتج تجاري يستخدم مكبر صوت دفع وسحب هو مكبر الصوت RCA Balanced الذي تم إصداره في عام 1924 للاستخدام مع جهاز استقبال البث التجديدي Radiola III. ^[5] باستخدام زوج من الأنابيب المفرغة منخفضة الطاقة في تكوين الدفع والسحب، سمح مكبر الصوت باستخدام مكبر صوت بدلاً من سماعات الرأس، مع توفير عمر بطارية مقبول مع استهلاك طاقة احتياطي منخفض. ^[6] لا تزال التقنية مستخدمة في أنظمة الصوت والتردد اللاسلكي والإلكترونيات الرقمية والإلكترونيات القوية اليوم.

الاستخدام الرقمي لتكوين الدفع والسحب هو مخرجات TTL والعائلات ذات الصلة. يعمل الترانزستور العلوي كسحب نشط، في الوضع الخطي، بينما يعمل الترانزستور السفلي رقميًا. لهذا السبب، فهي غير قادرة على توفير قدر كبير من التيار كما يمكنها استنزافه (عادةً أقل بمقدار 20 مرة). نظرًا للطريقة التي يتم بها رسم هذه الدوائر تخطيطيًا، مع ترانزستورين مكدسين رأسيًا، عادةً مع وجود صمام ثنائي متحول المستوى بينهما، يطلق عليها مخرجات " عمود الطوطم ".

من عيوب مخرجات الدفع والسحب البسيطة أنه لا يمكن توصيل اثنين أو أكثر منها معًا، لأنه إذا حاول أحدهما السحب بينما حاول الآخر الدفع، فقد تتلف الترانزستورات. لتجنب هذا القيد، تحتوي بعض مخرجات الدفع والسحب على حالة ثالثة يتم فيها إيقاف تشغيل كلا الترانزستورين. في هذه الحالة، يُقال إن المخرج عائم (أو، لاستخدام مصطلح خاص، ثلاثي الحالة ).

البديل لمخرجات الدفع والسحب هو مفتاح واحد يفصل الحمل أو يربطه بالأرض (يسمى مخرج المجمع المفتوح أو مخرج الصرف المفتوح )، أو مفتاح واحد يفصل الحمل أو يربطه بمصدر الطاقة (يسمى مخرج الباعث المفتوح أو مخرج المصدر المفتوح).

تُسمى أحيانًا مرحلة مكبر الصوت التقليدية التي لا تعتمد على الدفع والسحب بمرحلة أحادية النهاية لتمييزها عن دائرة الدفع والسحب.

في مكبرات القدرة التناظرية ذات الدفع والسحب، يعمل جهازا الإخراج في طور مضاد (أي 180 درجة منفصلة). يتم توصيل مخرجي الطور المضاد بالحمل بطريقة تتسبب في إضافة مخرجات الإشارة، ولكن يتم طرح مكونات التشوه بسبب عدم الخطية في أجهزة الإخراج من بعضها البعض؛ إذا كان عدم الخطية في كلا جهازي الإخراج متشابهًا، يتم تقليل التشوه كثيرًا. يجب أن تلغي دوائر الدفع والسحب المتماثلة التوافقيات ذات الترتيب الزوجي، مثل 2f و4f و6f وبالتالي تعزز التوافقيات ذات الترتيب الفردي، مثل f و3f و5f عند دفعها إلى النطاق غير الخطي.

ينتج مكبر الدفع والسحب تشويهًا أقل من مكبر أحادي الطرف. يسمح هذا لمكبر الدفع والسحب من الفئة A أو AB بالحصول على تشويه أقل لنفس الطاقة مثل نفس الأجهزة المستخدمة في التكوين أحادي الطرف. يمكن أن يحدث التشويه في اللحظة التي يتم فيها تبديل المخرجات: "التسليم" ليس مثاليًا. هذا ما يسمى بالتشويه المتبادل. تبدد الفئة AB والفئة B طاقة أقل لنفس الناتج من الفئة A؛ يمكن الحفاظ على التشويه العام منخفضًا من خلال التغذية الراجعة السلبية ، ويمكن تقليل تشوه التقاطع عن طريق إضافة "تيار تحيز" لتنعيم التسليم.

إن مكبر الدفع والسحب من الفئة B أكثر كفاءة من مكبر الطاقة من الفئة A لأن كل جهاز إخراج يضخم نصف شكل الموجة الناتج فقط وينقطع أثناء النصف المقابل. يمكن إظهار أن كفاءة الطاقة الكاملة النظرية (طاقة التيار المتردد في الحمل مقارنة بطاقة التيار المستمر المستهلكة) لمرحلة الدفع والسحب تبلغ حوالي 78.5٪. يُقارن هذا بمكبر من الفئة A الذي تبلغ كفاءته 25٪ إذا كان يقود الحمل مباشرة ولا يزيد عن 50٪ لمخرج مقترن بالمحول. ^[7] يستهلك مكبر الدفع والسحب القليل من الطاقة مع إشارة صفرية، مقارنة بمكبر من الفئة A يستهلك طاقة ثابتة. يبلغ تبديد الطاقة في أجهزة الإخراج حوالي خمس تصنيف طاقة الإخراج للمكبر. ^[7] على النقيض من ذلك، يجب أن يستخدم مكبر من الفئة A جهازًا قادرًا على تبديد عدة أضعاف طاقة الإخراج.

يمكن توصيل خرج مكبر الصوت مباشرة بالحمل، أو توصيله بمحول، أو توصيله عبر مكثف حجب التيار المستمر. وفي حالة استخدام مصادر الطاقة الموجبة والسالبة، يمكن إرجاع الحمل إلى نقطة المنتصف (الأرض) لمصادر الطاقة. يسمح المحول باستخدام مصدر طاقة أحادي القطبية، ولكنه يحد من استجابة التردد المنخفض لمكبر الصوت. وبالمثل، مع مصدر طاقة واحد، يمكن استخدام مكثف لحجب مستوى التيار المستمر عند خرج مكبر الصوت. ^[8]

في حالة استخدام ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب، يجب أن تعوض شبكة التحيز معامل درجة الحرارة السالب لجهد قاعدة الترانزستور إلى الباعث. ويمكن القيام بذلك عن طريق تضمين مقاومة ذات قيمة صغيرة بين الباعث والمخرج. كما يمكن أن تحتوي دائرة القيادة على ثنائيات سيليكون مثبتة في اتصال حراري مع ترانزستورات المخرج لتوفير التعويض.

This section needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources in this section. Unsourced material may be challenged and removed. (November 2012) (Learn how and when to remove this message)

تتضمن الفئات ما يلي:

من النادر جدًا الآن استخدام محولات الإخراج مع مكبرات الترانزستور، على الرغم من أن مثل هذه المكبرات توفر أفضل فرصة لمطابقة أجهزة الإخراج (مع الحاجة فقط إلى أجهزة PNP أو NPN).

يمكن ترتيب ترانزستورين متطابقين من نفس القطبية لتزويد نصفين متقابلين لكل دورة دون الحاجة إلى محول إخراج، على الرغم من أن دائرة التشغيل غالبًا ما تكون غير متماثلة عند القيام بذلك وسيتم استخدام ترانزستور واحد في تكوين باعث مشترك بينما يتم استخدام الآخر كمتابع للباعث . هذا الترتيب أقل استخدامًا اليوم مما كان عليه خلال السبعينيات؛ يمكن تنفيذه باستخدام عدد قليل من الترانزستورات (ليس مهمًا جدًا اليوم) ولكن من الصعب نسبيًا موازنته والحفاظ على تشوه منخفض.

كل نصف من زوج الإخراج "يعكس" الآخر، حيث أن جهاز NPN (أو N-Channel FET ) في أحد النصفين سيتم مطابقته بجهاز PNP (أو P-Channel FET ) في النصف الآخر. يميل هذا النوع من الترتيب إلى إعطاء تشويه أقل من المراحل شبه المتماثلة لأن التوافقيات المتساوية يتم إلغاؤها بشكل أكثر فعالية مع تناسق أكبر.

في الماضي، عندما كانت مكملات PNP عالية الجودة لترانزستورات السيليكون NPN عالية القدرة محدودة، كان الحل البديل هو استخدام أجهزة إخراج NPN متطابقة، ولكن يتم تغذيتها من دوائر تشغيل PNP وNPN تكميلية بطريقة تجعل التركيبة قريبة من التناظر (ولكنها لا تصل أبدًا إلى جودة التناظر في جميع الأنحاء). يمكن أن يكون التشوه الناتج عن عدم تطابق المكسب في كل نصف من الدورة مشكلة كبيرة.

إن استخدام بعض التكرار في دائرة التشغيل بأكملها، للسماح بدوائر تشغيل متناظرة، يمكن أن يحسن المطابقة بشكل أكبر، على الرغم من أن عدم تناسق السائق يشكل جزءًا صغيرًا من عملية توليد التشوه. يسمح استخدام ترتيب الحمل المرتبط بالجسر بدرجة أكبر بكثير من المطابقة بين النصفين الموجب والسالب، مما يعوض عن الاختلافات الصغيرة الحتمية بين أجهزة NPN وPNP.

يتم تكوين أجهزة الإخراج، عادةً MOSFETs أو الصمامات المفرغة ، بحيث تلغي خصائص النقل الخاصة بها (التي تولد تشوهًا توافقيًا ثانيًا إذا تم استخدامها في دائرة ذات طرف واحد) التشوه إلى حد كبير. أي أنه مع زيادة جهد بوابة المصدر لترانزستور واحد، يتم تقليل الدفع إلى الجهاز الآخر بنفس المقدار ويصحح تغير تيار الصرف (أو اللوحة) في الجهاز الثاني تقريبًا عدم الخطية في زيادة الأول. ^[9]

لا تتوفر الصمامات المفرغة في أنواع تكميلية (مثل الترانزستورات PNP/NPN)، لذا فإن مكبر الصوت ذو الدفع والسحب الأنبوبي يحتوي على زوج من أنابيب الإخراج المتطابقة أو مجموعات من الأنابيب مع شبكات التحكم التي تعمل في طور مضاد. تدفع هذه الأنابيب التيار عبر نصفي الملف الأساسي لمحول الإخراج ذي الصنبور المركزي. تضاف تيارات الإشارة، بينما تطرح إشارات التشويه بسبب المنحنيات المميزة غير الخطية للأنابيب. تم تصميم هذه المكبرات لأول مرة قبل فترة طويلة من تطوير الأجهزة الإلكترونية ذات الحالة الصلبة؛ ولا تزال قيد الاستخدام من قبل كل من محبي الصوت والموسيقيين الذين يعتبرونها أفضل صوتًا.

تستخدم مكبرات الدفع والسحب ذات الصمام المفرغ عادةً محول إخراج، على الرغم من وجود مراحل أنبوب بدون محول إخراج (OTL) (مثل SEPP/SRPP و White Cathode Follower أدناه). ^{[ بحاجة لمصدر ]} عادةً ما تكون مرحلة مقسم الطور عبارة عن أنبوب مفرغ آخر، ولكن تم استخدام محول بملف ثانوي بنقطة مركزية أحيانًا في بعض التصميمات. نظرًا لأن هذه أجهزة قانون التربيع بشكل أساسي، فإن التعليقات المتعلقة بإلغاء التشوه المذكورة أعلاه تنطبق على معظم تصميمات أنبوب الدفع والسحب عند تشغيلها في الفئة A (أي لا يتم دفع أي جهاز إلى حالته غير الموصلة).

مرحلة إخراج دفع-سحب ذات نهاية واحدة ( SEPP أو SRPP أو متتبع mu ^[10] )، والتي كانت تسمى في الأصل مكبر الصوت المتوازن على التوالي (براءة اختراع أمريكية رقم 2,310,342، فبراير 1943). تشبه ترتيب القطب الطوطم للترانزستورات حيث يوجد جهازان في سلسلة بين قضبان مصدر الطاقة، ولكن محرك الإدخال يذهب فقط إلى أحد الأجهزة، وهو الجهاز السفلي من الزوج؛ ومن هنا جاء وصف النهاية الواحدة (المتناقض على ما يبدو). يتم أخذ الإخراج من الكاثود للجهاز العلوي (غير الموجه مباشرة)، والذي يعمل في منتصف الطريق بين مصدر تيار ثابت ومتتبع كاثود ولكنه يتلقى بعض الدفع من دائرة اللوحة (الأنود) للجهاز السفلي. لذلك قد لا يكون الدفع لكل أنبوب متساويًا، ولكن الدائرة تميل إلى إبقاء التيار عبر الجهاز السفلي ثابتًا إلى حد ما طوال الإشارة، مما يزيد من كسب الطاقة ويقلل التشويه مقارنة بمرحلة إخراج أحادية النهاية ذات أنبوب واحد حقيقي.

يعود تاريخ الدائرة الخالية من المحولات ذات الأنبوبين الرباعيين إلى عام 1933: "استخدام الأنبوب المفرغ كمعاوقة تغذية اللوحة" بقلم JWHorton في مجلة معهد فرانكلين 1933 المجلد 216 العدد 6

إن متتبع الكاثود الأبيض (براءة الاختراع 2,358,428، سبتمبر 1944 بواسطة ELC White) يشبه تصميم SEPP أعلاه، ولكن يتم إدخال الإشارة إلى الأنبوب العلوي ، حيث يعمل كمتتبع كاثود، ولكن الأنبوب السفلي (في تكوين الكاثود المشترك) يتم تغذيته (عادةً عبر محول رفع الجهد) من التيار في اللوحة (الأنود) للجهاز العلوي. إنه يعكس بشكل أساسي أدوار الجهازين في SEPP. يعمل الأنبوب السفلي في منتصف الطريق بين مغسلة التيار المستمر وشريك متساوٍ في عبء العمل بالدفع والسحب. مرة أخرى، قد لا يكون الدفع لكل أنبوب متساويًا.

توجد إصدارات ترانزستور من SEPP والتابع الأبيض، ولكنها نادرة.

يستخدم مكبر الدفع والسحب الخطي الفائق ما يسمى إما خماسي أو رباعي مع تغذية شبكة الشاشة الخاصة بهم من نسبة مئوية من الجهد الأساسي على محول الإخراج. وهذا يوفر كفاءة وتشويهًا يمثلان حلاً وسطًا جيدًا بين دوائر مكبر الطاقة الثلاثية (أو المربوطة بالثلاثي ) ودوائر الإخراج الخماسية أو الرباعية التقليدية حيث يتم تغذية الشاشة من مصدر جهد ثابت نسبيًا.

• ثلاثي القطب أحادي الطرف
• محول الدفع والسحب لمزيد من التفاصيل حول التنفيذ
• جامع مفتوح