Параллельный усилитель (ПУ) тока, реже «бриллиантовый» повторитель или буфер (калька с ) — четырёхтранзисторный комплементарный эмиттерный повторитель, в котором каждый из двух входных транзисторов управляет выходным транзистором противоположного типа проводимости. Эмиттерные переходы входного и управляемого им выходного транзистора включены навстречу друг другу, поэтому сдвиг напряжения между входом и выходом не превышает нескольких десятков мВ. ПУ не требует схемотехнических мер по тепловой стабилизации тока покоя: достаточно лишь обеспечить тепловую связь между транзисторами. Недостаток базовой схемы ПУ — жёсткое ограничение выходного тока — может быть исправлен либо её усложнением, либо повышением токов покоя входных транзисторов.
Основная функция ПУ — согласование маломощных источников напряжения с низкоомными нагрузками, основная область применения — входные и выходные каскады операционных усилителей с токовой обратной связью. Параллельные повторители также применялись в широкополосных измерительных приборах и в выходных каскадах усилителей мощности звуковой частоты.
История, терминология, применение Параллельный усилитель тока — естественное эволюционное развитие комплементарного эмиттерного повторителя с диодным смещением. В 1971 году Harris Corporation применила четырёхтранзисторное ядро ПУ в выходном каскаде интегрального операционного усилителя HA-2600. Схемы на комплементарных транзисторах оставались экзотикой до конца 1970-х, пока промышленность не научилась создавать высококачественные интегральные pnp-транзисторы, а стоимость комплементарных микросхем не снизилась до уровня обычных ОУ. В 1979 году National Semiconductor выпустила первый серийный интегральный ПУ — буферный усилитель LH3002 c полосой пропускания 50 МГц; к 1982 году подобные схемы широко применялись в устройствах малой мощности.
В конце 1980-х годов произошёл качественный скачок: промышленность освоила технологию кремний на изоляторе, и начала выпуск интегральных операционных усилителей с токовой обратной связью (ОУ ТОС). Первые дискретные ОУ ТОС, использовавшие ПУ, были выпущены компанией Comlinear в начале 1980-х годов, первые интегральные ОУ ТОС появились в 1987 году. Типичный ОУ ТОС содержит два ПУ. Входной повторитель преобразует дифференциальное входное напряжение в ток и управляет каскадом преобразования тока в напряжение. Выходной повторитель согласует высокоомный выход преобразователя тока в напряжение с низкоомной внешней нагрузкой. В то же время продолжалось и развитие специализированных микросхем буферных усилителей. В 1986 году появился HA-5033 (Harris) , в 1993 году BUF634 (Burr-Brown) и так далее.
Около 1990 года компания Burr-Brown впервые назвала ПУ словосочетанием diamond buffer («бриллиантовый» или «ромбовидный» буфер, что отражает топологию четырёхтранзисторного ядра). Словосочетание diamond transistor («бриллиантовый транзистор»), в свою очередь, обозначало на языке Burr-Brown ПУ, управляющий преобразователем напряжения в ток. Рекламное клише закрепилось в языке конструкторов звуковой аппаратуры. В академической литературе ПУ также именуется «смешанной транслинейной ячейкой второго рода» (; «ячейкой первого рода» эти авторы именовали комплементарный повторитель с диодным смещением).
В советской радиолюбительской литературе с 1982 года применялось понятие «линейный параллельный усилитель» или просто «параллельный усилитель». Немецкий учебник Титце и Шенка (12-e издание) рассматривал ПУ лишь как альтернативный способ установки и стабилизации режима («формирователь напряжения смещения с транзисторами») обычного комплементарного повторителя.
В звукотехнике XX века ПУ ограниченно применялись в серийных предусилителях (например, Lehmann Cube), и практически не применялись в серийных УМЗЧ. Усилители мощности Accuphase, построенные по топологии ОУ ТОС, использовали ПУ во входных каскадах, но не в выходных. В любительской практике СССР и его преемников, напротив, регулярно публиковались авторские конструкции УМЗЧ с выходными каскадами на параллельных усилителях. В 1990-е годы идею «заново открыли» конструкторы экзотических УМЗЧ без общей обратной связи. Наиболее радикальные конструкции нового поколения использовали два ПУ (входной и выходной) и повышающий трансформатор в роли «усилителя напряжения». Появились составные выходные каскады, в которых ядро ПУ умощнялось обычным или составным комплементарным повторителем. В УМЗЧ XXI века (например, Dartzeel) по-прежнему применяются и простейшие, четырёхтранзисторные выходные каскады.
Характеристики
Параллельный усилитель тока — полностью симметричная, комплементарная схема; для анализа её работы в линейном режиме достаточно рассмотреть её верхнюю (Т1, Т2) или нижнюю (Т3, Т4) половину. Например, верхняя половина образуется последовательным включением двух простейших эмиттерных повторителей на pnp-транзисторе T1 и npn-транзисторе T2. Коэффициент передачи напряжения такой «двойки» несколько меньше единицы, а коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов усиления тока () T1 и Т2. Верхняя и нижняя половины схемы подключены к нагрузке в параллель, что и определило её русское название — линейный параллельный усилитель.
Ток покоя. Тепловая стабилизация режима Ток покоя повторителя на Т1 задан источником стабильного тока; в простейшем варианте (схема LH0002) его роль выполняет резистор R1. Часть тока, протекающего через R1, ответвляется в базу Т2, поэтому R1 одновременно ограничивает и предельный выходной ток (ток эмиттера T2).
Четыре транзистора образуют замкнутый транслинейный контур, охваченный сильной локальной обратной связью. Если T1 и Т2 имеют равные площади эмиттерных переходов, и температуры этих переходов равны, то в состоянии покоя (при отключённой нагрузке) эмиттерный ток Т2 точно повторяет эмиттерный ток Т1, а совокупный ток покоя всех четырёх транзисторов в три раза превышает эмиттерный ток Т1.
При необходимости, ток выходных транзисторов может быть пропорционально уменьшен или увеличен масштабированием (в интегральных схемах) или запараллеливанием (в устройствах на дискретных приборах) самих транзисторов. Кроме того, ток выходного каскада может быть пропорционально уменьшен включением балластных резисторов в эмиттерные цепи выходного каскада (R2, R4 в схеме LH0002), а для увеличения тока выходного каскада балластные резисторы включаются в эмиттерные цепи входного каскада.
Тепловая связь между транзисторами обеспечивается в интегральных схемах — размещением их в непосредственной близости друг от друга, а в устройствах на дискретных транзисторах — установкой их на общий теплоотвод. Наиболее важны тепловые связи внутри пар Т1+Т2 и Т3+Т4, однако в устройствах на мощных транзисторах более оправдана «диагональная связь» в парах Т1+Т4 и Т2+Т3. В каждой «диагональной» паре коллекторы обоих транзисторов подключены к одной и той же шине питания, и потому не нуждаются в электрической изоляции друг от друга).
Сдвиг напряжения
В реальных устройствах напряжения база-эмиттер () npn- и pnp-транзисторов не совпадают, что порождает сдвиг выходного напряжения относительно входного. В наихудшем сценарии, при использовании дискретных транзисторов, сдвиг в состоянии покоя составляет несколько десятков мВ. Разброс величин сдвига устройств, построенных на одной и той же элементной базе, существенно меньше — что позволяет запараллеливать несколько ПУ, работающих на общую нагрузку.
В восьмитранзисторном ядре ПУ каждый из четырёх транзисторов базовой схемы дополнен транзистором противоположного типа проводимости в диодном включении — что полностью компенсирует сдвиг из-за систематической разницы , но ухудшает шумовые и частотные характеристики. На практике такое усложнение схемы не оправдано и применялось редко. Конструкторам проще смириться со сдвигом базовой схемы и либо скомпенсировать его с помощью обратной связи, либо изолировать его от нагрузки разделительным конденсатором.
Коэффициент передачи
Точное значение коэффициента передачи напряжения зависит от сопротивления нагрузки, сопротивлений в цепи между эмиттерами выходных транзисторов и нагрузкой, температуры и мгновенного значения выходного тока (два последних параметра определяют выходное сопротивление T2 и Т4). При малых выходных токах, не превышающих ток покоя выходных транзисторов, коэффициент передачи практически постоянен. Нелинейные искажения минимальны, их основная причина — эффект Эрли в выходных транзисторах. С ростом выходного тока плавно возрастает. В выходном сигнале возникают заметные чётные гармоники, но уровень искажений относительно мал (например, для микросхемы LH0002 — не выше 0,1 % во всех штатных режимах). Если выходной ток возрастает до значений, при которых начинается спад выходных транзисторов, то может плавно уменьшаться.
Амплитудное ограничение Токи баз выходных транзисторов ограничены источниками тока в эмиттерных цепях выходных транзисторов (), поэтому выходной ток асимметрично ограничен предельными значениями
(вытекающий ток), (втекающий ток). При достижении верхнего порога база T2 перехватывает весь ток, генерируемый , а ток эмиттера Т1 прерывается; при достижении нижнего порога прерывается ток эмиттера Т3. В обоих случаях на выходе схемы наблюдается жёсткое ограничение выходного тока. Максимальные выходные напряжения, при чисто омической нагрузке, определяются произведениями предельных токов на сопротивление нагрузки; при реактивных или нелинейных нагрузках максимальные выходные напряжения, в общем случае, не определены.
При равных прочих условиях, для достижения наибольших значений выходного тока следует применять выходные транзисторы с высокими значениям и большими площадями эмиттерных переходов — настолько большими, чтобы работа на максимальных выходных токах не сопровождалась существенным снижением . В усилителях мощности предпочтительны транзисторы «линейных» серий с относительно небольшим снижением в пределах всего допустимого диапазона токов. Например, у комплементарных транзисторов серий 2SA1302/2SC3281 на максимальном токе падает не более чем на 10 %, тогда как у «обычных» MJ15024/MJ15025 — на 70 %.
Порог ограничения тока сильно зависит от конфигурации источников токов . Простейшие «источники» на резисторах наименее выгодны, так как с повышением входных и выходных напряжений доступные величины снижаются. В усилителях переменного напряжения этот недостаток можно устранить введением вольтодобавки (следящей обратной связи). Подключение вольтодобавки в эмиттерные цепи T1 и T3 устраняет зависимость от входного переменного (но не постоянного) напряжения; в пределах области линейной работы коэффициент нелинейных искажений уменьшается на порядок. Подключение вольтодобавки к коллекторам Т1 и Т3 устраняет эффект Эрли, дополнительно снижает нелинейные искажения и позволяет использовать низковольтные транзисторы в схемах с относительно большими напряжения питания и сигналов.
Нелинейные искажения Вне областей ограничения тока параллельный усилитель «линеен» в том смысле, что в нормальных условиях все транзисторы работают в активном режиме, не заходя в область отсечки коллекторного тока. Коэффициент нелинейных искажений относительно низок и определяется сочетанием входного напряжения, выходного тока и качества источников тока в эмиттерных цепях входных транзисторов. Однако это действительно только в отсутствие активных сопротивлений между эмиттерами выходных транзисторов и нагрузкой (R2, R4 в схеме LH0002). При больших токах нагрузки падения напряжения на этих сопротивлениях попеременно разрывают транслинейный контур и запирают один из двух выходных транзисторов. Схема переходит из режима А в режим АB, возникают характерные коммутационные искажения.
В практических устройствах, работающих в классе AB, коэффициент нелинейных искажений составляет по заявлениям разработчиков: Для ИС LH0002 — не более 0,1 % при выходном напряжении 5 В эфф., нагрузке 50 Ом и напряжении питаниях ±12 В; Для УМЗЧ без общей обратной связи — не более 0,25 % на 10 кГц