مخرج دفع-سحب

مضخم الدفع والسحب هو نوع من الدوائر الإلكترونية التي تستخدم زوجًا من الأجهزة النشطة التي تقوم بالتناوب بتزويد الحمل المتصل بالتيار أو امتصاصه منه. يمكن لهذا النوع من المضخمات تحسين كل من سعة الحمل وسرعة التبديل.

توجد مخارج الدفع والسحب في دوائر المنطق الرقمي TTL و CMOS وفي بعض أنواع مكبرات الصوت ، وعادة ما يتم تحقيقها بواسطة زوج متكامل من الترانزستورات ، أحدهما يبدد أو يسحب التيار من الحمل إلى الأرض أو مصدر طاقة سالب، والآخر يزود أو يزود التيار إلى الحمل من مصدر طاقة موجب.

يُعدّ مُضخّم الدفع والسحب أكثر كفاءة من مُضخّم الفئة A أحادي الطرف . إذ تتجاوز قدرة الخرج المُمكنة قدرة التبديد المُستمر لأيٍّ من الترانزستورات أو الصمامات المُستخدمة منفردة، مما يزيد من القدرة المُتاحة لجهد تغذية مُحدد. ويُتيح التصميم المُتماثل لجانبي المُضخّم إلغاء التوافقيات الزوجية، ما يُقلل من التشوه. ^{[ 1 ]} كما يُلغى تيار التيار المُستمر في الخرج، ما يسمح باستخدام مُحوّل خرج أصغر من المُحوّل المُستخدم في المُضخّم أحادي الطرف. مع ذلك، يتطلب مُضخّم الدفع والسحب مُكوّنًا لفصل الطور، ما يُضيف تعقيدًا وتكلفةً للنظام؛ ويُعدّ استخدام مُحوّلات ذات نقطة مركزية للإدخال والإخراج تقنية شائعة، لكنها تُضيف وزنًا وتُقيّد الأداء. إذا لم تتطابق خصائص جزئي المُضخّم، فقد يحدث تشوه نتيجةً لتضخيم نصفي موجة الإدخال بشكل غير مُتساوٍ. وقد يتكوّن تشوه التقاطع بالقرب من نقطة الصفر لكل دورة، حيث يتم قطع أحد الأجهزة ودخول الجهاز الآخر إلى منطقة التشغيل.

مضخم صوت أنبوبي مفرغ مقترن بمحول من عام 1924. أنبوبا الإخراج الثلاثيان موجودان على اليمين.

يستخدم مضخم صوت ستيريو من نوع ماجنافوكس، يعمل بتقنية الدفع والسحب، ويعود تاريخه إلى حوالي عام 1960، أنبوبي إخراج من نوع 6BQ5 لكل قناة. ويمكن رؤية زوجي أنابيب الدفع والسحب أمام محولات الإخراج.

Push–pull circuits are widely used in many amplifier output stages. A pair of audion tubes connected in push–pull is described in Edwin H. Colpitts' US patent 1137384 granted in 1915, although the patent does not specifically claim the push–pull connection.^[2] The technique was well known at that time ^[3] and the principle had been claimed in an 1895 patent predating electronic amplifiers.^[4] Possibly the first commercial product using a push–pull amplifier was the RCABalanced amplifier released in 1924 for use with their Radiola III regenerative broadcast receiver.^[5] By using a pair of low-power vacuum tubes in push–pull configuration, the amplifier allowed the use of a loudspeaker instead of headphones, while providing acceptable battery life with low standby power consumption.^[6] The technique continues to be used in audio, radio frequency, digital, and power electronics systems today.

In digital logic families such as TTL, the output stage often uses a push–pull configuration known as a totem-pole output. The upper transistor provides active pull-up drive. The lower transistor provides active pull-down drive. This gives low output impedance in both logic states and faster switching than passive pull-up designs. Because the two transistors are drawn stacked vertically in schematics, the arrangement is called a “totem-pole” output.^[7][8]

من عيوب مخارج الدفع والسحب البسيطة عدم إمكانية توصيلها مباشرةً ببعضها. فإذا كان أحد المخارج يعمل بمستوى عالٍ بينما يعمل الآخر بمستوى منخفض، فقد تتدفق تيارات كبيرة، ويكون مستوى المنطق الناتج غير محدد. وللسماح بالتوصيل بناقل مشترك، توفر بعض الأجهزة المنطقية حالة ثالثة يكون فيها كلا ترانزستوري الإخراج مطفأين. في هذه الحالة، يُظهر الإخراج مقاومة عالية ويُسمى ثلاثي الحالات. ^{[ 9 ]}

يُعد المفتاح الواحد الذي يفصل أو يوصل الحمل بالأرض (يسمى مخرج المجمع المفتوح أو مخرج المصرف المفتوح ) بديلاً عن مخرج الدفع والسحب ، أو مفتاح واحد يفصل أو يوصل الحمل بمصدر الطاقة (يسمى مخرج الباعث المفتوح أو مخرج المصدر المفتوح)، وعادةً ما يكون مزودًا بمقاومة سحب لأعلى أو مقاومة سحب لأسفل تسحب الإشارة بشكل سلبي في الاتجاه المعاكس.

تُسمى مرحلة مكبر الصوت التقليدية التي ليست من نوع الدفع والسحب أحيانًا بمرحلة أحادية الطرف لتمييزها عن دائرة الدفع والسحب.

في مضخمات الطاقة التناظرية من نوع الدفع والسحب، يعمل جهازا الإخراج بطورين متعاكسين (أي بفارق 180 درجة). يتم توصيل هذين المخرجين المتعاكسين بالحمل بطريقة تؤدي إلى جمع إشارات الإخراج، مع طرح مكونات التشوه الناتجة عن اللاخطية في جهازي الإخراج من بعضهما البعض؛ فإذا كانت اللاخطية في كلا جهازي الإخراج متشابهة، يقل التشوه بشكل كبير. يجب على دوائر الدفع والسحب المتناظرة إلغاء التوافقيات الزوجية، مثل 2f و4f و6f، وبالتالي تعزيز التوافقيات الفردية، مثل f و3f و5f، عند إدخالها في النطاق اللاخطي.

يُنتج مُضخّم الدفع والسحب تشويهاً أقل من مُضخّم أحادي الطرف. وهذا يسمح لمُضخّم الدفع والسحب من الفئة A أو AB بإنتاج تشويه أقل لنفس القدرة مقارنةً بالأجهزة نفسها المستخدمة في التكوين أحادي الطرف. قد يحدث التشويه لحظة تبديل المخارج: حيث لا يكون الانتقال سلساً تماماً. يُسمى هذا التشويه بتشويه التقاطع. تُبدد الفئتان AB و B طاقة أقل لنفس خرج الفئة A؛ ويمكن الحفاظ على مستوى منخفض من التشويه العام باستخدام التغذية الراجعة السالبة ، كما يُمكن تقليل تشويه التقاطع بإضافة تيار انحياز لتنعيم الانتقال.

A class-B push–pull amplifier is more efficient than a class-A power amplifier because each output device amplifies only half the output waveform and is cut off during the opposite half. It can be shown that the theoretical full power efficiency (AC power in load compared to DC power consumed) of a push–pull stage is approximately 78.5%. This compares with a class-A amplifier which has efficiency of 25% if directly driving the load and no more than 50% for a transformer coupled output.^[10] A push–pull amplifier draws little power with zero signal, compared to a class-A amplifier that draws constant power. Power dissipation in the output devices is roughly one-fifth of the output power rating of the amplifier.^[10] A class-A amplifier, by contrast, must use a device capable of dissipating several times the output power.

The output of the amplifier may be direct-coupled to the load, coupled by a transformer, or connected through a dc blocking capacitor. Where both positive and negative power supplies are used, the load can be returned to the midpoint (ground) of the power supplies. A transformer allows a single polarity power supply to be used, but limits the low-frequency response of the amplifier. Similarly, with a single power supply, a capacitor can be used to block the DC level at the output of the amplifier.^[11]

Where bipolar junction transistors are used, the bias network must compensate for the negative temperature coefficient of the transistors' base to emitter voltage. This can be done by including a small value resistor between emitter and output. Also, the driving circuit can have silicon diodes mounted in thermal contact with the output transistors to provide compensation.

Push–pull transistor output stages

Categories include:

Transformer-output transistor power amplifiers

The GE 1964 Transistor manual shows a 12 Volt audio amplifier, using a pair of (PNP) 2N1415 output transistors. The input and the output are both transformer coupled, 500 mW of audio output is claimed.^[12]

This topology is used in RF amplifiers, where the required transformers are small. A March 1999 QST article notes that even harmonics are largely cancelled, but that odd harmonics must be filtered out.^[13]

Totem pole push–pull output stages

Two matched transistors of the same polarity can be arranged to supply opposite halves of each cycle without the need for an output transformer.. Patent US3417339A describes an audio amplifier with totem-pole NPN transistors. The circuit is described as allowing for the use of lower-cost semiconductors.^[14]

Symmetrical push–pull

Each half of the output pair "mirror" the other, in that an NPN (or N-Channel FET) device in one half will be matched by a PNP (or P-Channel FET) in the other. This type of arrangement tends to give lower distortion than quasi-symmetric stages because even harmonics are cancelled more effectively with greater symmetry.

The Hafler DH-220 is a full-symmetrical push-pull audio amplifier outputing 260W into a 4 ohm load. Circuit analysis in an Audio Xpress article.^[15]

Quasi-symmetrical push–pull

In the past, when good-quality PNP complements for high-power NPN silicon transistors were limited, many designs used identical NPN output devices, but fed them from complementary PNP and NPN driver circuits (typically one Darlington pair and one Sziklai pair). The combination can behave close to symmetrical, though never as good as a circuit having full symmetry (two Darlington pairs or two Sziklai pairs). Mismatched gain on the halves of each cycle could increase distortion.^[16]

Super-symmetric output stages

Employing some duplication in the whole driver circuit, to allow symmetrical drive circuits, can improve matching further, although driver asymmetry is a small fraction of the distortion generating process. Using a bridge-tied load arrangement allows a much greater degree of matching between positive and negative halves, compensating for the inevitable small differences between NPN and PNP devices.

Square-law push–pull

The output devices, usually MOSFETs or vacuum tubes, are configured so that their square-law transfer characteristics (that generate second-harmonic distortion if used in a single-ended circuit) cancel distortion to a large extent. That is, as one transistor's gate-source voltage increases, the drive to the other device is reduced by the same amount and the drain (or plate) current change in the second device approximately corrects for the non-linearity in the increase of the first.^[17]

• جامع مفتوح
• للحصول على مزيد من التفاصيل حول التنفيذ، راجع محول الدفع والسحب.
• صمام ثلاثي أحادي الطرف