Hvordan designe MOSFET forsterkerkretser - forklarte parametere

Prøv Instrumentet Vårt For Å Eliminere Problemer





I dette innlegget diskuterer vi forskjellige parametere som må vurderes når vi designer en MOSFET effektforsterkerkrets. Vi analyserer også forskjellen mellom bipolare junction transistors (BJT) og MOSFET-egenskaper og forstår hvorfor MOSFETS er mer passende og effektive for effektforsterkerapplikasjoner.

Bidratt av Daniel Schultz



Oversikt

Ved utforming av en effektforsterker vurderes det i området 10 til 20 watt integrerte krets- eller IC-baserte design foretrekkes normalt på grunn av deres slanke størrelse og lave komponentantall.



Imidlertid anses en diskret konfigurasjon for et mye bedre effektområde for et mye bedre valg, siden de gir høyere effektivitet og fleksibilitet for designeren når det gjelder valg av effekt.

Tidligere var effektforsterkere som brukte diskrete deler avhengig av bipolare transistorer eller BJT-er. Imidlertid med advent av sofistikerte MOSFET-er Ble BJT-er sakte erstattet med disse avanserte MOSFET-ene for å oppnå ekstremt høy effekt og utrolig begrenset plass og nedskalert PCB.

Selv om MOSFET kan se ut som en overkill for å designe mellomstore effektforsterkere, kan disse brukes effektivt for alle størrelses- og effektforsterkerspesifikasjoner.

Ulemper ved å bruke BJT i ​​effektforsterkere

Selv om bipolare enheter fungerer ekstremt bra i avanserte lydeffektforsterkere, inkluderer de noen ulemper som faktisk førte til innføringen av avanserte enheter som MOSFET.

Kanskje den største ulempen med bipolare transistorer i klasse B-utgangstrinn, er fenomenet referert til som den rømningssituasjonen.

BJT inkluderer en positiv temperaturkoeffisient, og dette gir spesifikt opphav til et fenomen som kalles termisk løpsk, og forårsaker potensiell skade på kraft-BJT på grunn av overoppheting.

Figuren til venstre over viser det essensielle oppsettet av et standard klasse B-driver- og utgangstrinn, og bruker TR1 som et vanlig emitterdriverstadium og Tr2 sammen med Tr3 som det komplementære utgangstrinnet for emitterfølger.

Sammenligning av BJT vs MOSFET Amplifier Output Stage Configuration

Funksjonen til forsterkerens utgangstrinn

For å designe en arbeidsforsterker er det viktig å konfigurere utgangstrinnet riktig.

Målet med utgangstrinnet er først og fremst å gi strømforsterkning (spenningsforsterkningen holder seg ikke mer enn enhet) slik at kretsen kan levere de høye utgangsstrømmene som er essensielle for å kjøre en høyttaler i høyere volumnivå.

  1. Med henvisning til BJT-diagrammet på venstre side fungerer Tr2 som en utgangsstrømkilde under de positive gående utgangssyklusene mens Tr3 leverer utgangsstrømmen i løpet av de negative utgangshalvsyklene.
  2. Den grunnleggende samlerbelastningen for et BJT-drivertrinn er designet med en konstant strømkilde, som gir forbedret linearitet i motsetning til effektene som oppnås med en enkel lastmotstand.
  3. Dette skjer på grunn av forskjeller i forsterkning (og tilhørende forvrengning) som skjer når en BJT fungerer innen et bredt spekter av samlerstrømmer.
  4. Å bruke en lastmotstand i et vanlig emittertrinn med store utgangsspenningssvingninger kan utvilsomt utløse et ekstremt stort kollektorstrømområde og store forvrengninger.
  5. Anvendelsen av en konstant strømbelastning blir ikke helt kvitt forvrengning, fordi kollektorspenningen naturlig svinger, og transistorforsterkningen kan til en viss grad avhenge av kollektorspenningen.
  6. Likevel, da gevinstsvingninger på grunn av kollektorspenningsvariasjoner har en tendens til å være ganske små, er lav forvrengning mye lavere enn 1 prosent ganske oppnåelig.
  7. Forspenningskretsen som er koblet mellom basene til utgangstransistorene, er nødvendig for å ta utgangstransistorene til posisjonen der de er like ved lederterskelen.
  8. Hvis dette ikke skjer, kan det hende at små variasjoner i kollektorspenningen til Tr1 ikke klarer å få utgangstransistorene til ledning og muligens ikke tillate noen form for forbedring av utgangsspenningen!
  9. Høyere spenningsvariasjoner på Tr1s kollektor kan generere tilsvarende endringer i utgangsspenningen, men dette vil sannsynligvis gå glipp av start- og sluttdelene av hver halvsyklus av frekvensen, noe som gir opphav til alvorlig 'crossover forvrengning' som det normalt er referert til.

Crossover forvrengningsproblem

Selv om utgangstransistorene blir ført til ledningsterskelen ikke fjerner kryssforvrengning helt, siden utgangsenhetene har relativt liten forsterkning mens de fungerer ved reduserte kollektorstrømmer.

Dette gir en moderat, men uønsket type kryssforvrengning. Negativ tilbakemelding kan brukes til å slå crossover-forvrengning naturlig, men for å oppnå utmerkede resultater er det faktisk viktig å benytte en rimelig høy hvileforstyrrelse over utgangstransistorene.

Det er denne store forspenningsstrømmen som forårsaker komplikasjoner med termisk rømling.

Forspenningsstrømmen forårsaker oppvarming av utgangstransistorene, og på grunn av deres positive temperaturkoeffisient fører dette til at forspenningsstrømmen øker, og genererer enda mer varme og resulterer i ytterligere høyde i forspenningsstrømmen.

Denne positive tilbakemeldingen gir dermed en gradvis økning i skjevhet til utgangstransistorene blir for varme og til slutt blir brent.

I et forsøk på å beskytte mot dette forenkles forspenningskretsen med et innebygd temperaturfølersystem som bremser forspenningen i tilfelle høyere temperatur oppdages.

Derfor, når utgangstransistoren varmer opp, blir forspenningskretsen påvirket av den genererte varmen, som oppdager dette og stopper enhver påfølgende opptur i forspenningsstrømmen. I praksis kan det hende at forspenningsstabiliseringen ikke er ideell, og du kan finne små variasjoner, men en riktig konfigurert krets kan normalt utvise ganske tilstrekkelig forspenningsstabilitet.

Hvorfor MOSFET-er fungerer mer effektivt enn BJT-er i effektforsterkere

I den følgende diskusjonen vil vi prøve å forstå hvorfor MOSFET fungerer bedre i effektforsterkerdesign, sammenlignet med BJT.

I likhet med BJTs krever MOSFETs også om de benyttes i et klasse B-utgangstrinn fremoverskjevhet for å overvinne crossover forvrengning. Når det er sagt, fordi MOSFET-er har en negativ temperaturkoeffisient ved strømmer på nær 100 milliampere eller mer (og en liten positiv temperaturkoeffisient i lavere strømmer), tillater det et mindre komplisert klasse B-driver- og utgangstrinn, som vist i følgende figur .

Den termisk stabiliserte forspenningskretsen kan erstattes med en motstand fordi temperaturegenskapene til kraft-MOSFET inneholder en innebygd termisk kontroll av forspenningsstrømmen på rundt 100 milliampere (som omtrent er den best egnede forspenningsstrømmen).

En ytterligere utfordring med BJT er den ganske lave strømforsterkningen på bare 20 til 50. Dette kan være ganske utilstrekkelig for middels og høy effektforsterker. På grunn av dette krever det et ekstremt kraftig førertrinn. Den typiske tilnærmingen for å løse dette problemet er å bruke en Darlington par eller en tilsvarende konstruksjon for å gi en tilstrekkelig høy strømforsterkning, slik at det tillater ansettelse av et drivkraftstrinn med lav effekt.

Power MOSFET, akkurat som alle andre FET-enhet , pleier å være spenningsdrevne enheter i stedet for strømdrevne.

En MOSFETs inngangsimpedans er vanligvis veldig høy, noe som tillater ubetydelig inngangsstrøm med lave arbeidsfrekvenser. Imidlertid, ved høye arbeidsfrekvenser er inngangsimpedansen mye lavere på grunn av den relativt høye inngangskapasitansen på omtrent 500 pf.

Selv med denne høye inngangskapasitansen blir en arbeidsstrøm på knapt 10 milliampere akkurat nok gjennom førertrinnet, selv om topputgangsstrømmen kan være rundt tusen ganger denne mengden.

Et ekstra problem med bipolare kraftenheter (BJT) er deres litt svake byttetid. Dette har en tendens til å skape en rekke problemer, for eksempel drept utløst forvrengning.

Dette er når et kraftig høyfrekvent signal kan kreve en koblingsutgangsspenning på la oss si 2 volt per mikrosekund, mens BJT-utgangstrinnet muligens kan tillate en svinghastighet på bare en volt per mikrosekund. Naturligvis vil utgangen slite med å levere en anstendig reproduksjon av inngangssignalet, noe som fører til en uunngåelig forvrengning.

En dårligere svinghastighet kan også gi en forsterker en uønsket kraftbåndbredde, med den høyest oppnåelige effektutgangen som faller betydelig ved høyere lydfrekvenser.

Faseforsinkelse og svingninger

En annen bekymring er faseforsinkelsen som skjer via forsterkerens utgangstrinn med høye frekvenser, og som kan føre til at tilbakemeldingen over det negative tilbakemeldingssystemet blir til positiv i stedet for negativ ved ekstremt høye frekvenser.

Hvis forsterkeren har tilstrekkelig forsterkning ved slike frekvenser, kan forsterkeren gå i en oscillerende modus, og mangel på stabilitet vil fortsette å være merkbar selv om kretsforsterkningen ikke er god til å utløse en svingning.

Dette problemet kan løses ved å legge til elementer for å avvikle kretsens høyfrekvensrespons, og ved å inkorporere fasekompensasjonselementer. Imidlertid reduserer disse betraktningene effektiviteten til forsterkeren ved høye inngangssignalfrekvenser.

MOSFET er raskere enn BJT

Mens vi designer en effektforsterker, må vi huske at byttehastighet for MOSFET-er er vanligvis rundt 50 til 100 ganger raskere enn en BJT. Derfor kan komplikasjoner med dårligere høyfrekvent funksjonalitet lett overvinnes ved å bruke MOSFET i stedet for BJT.

Det er faktisk mulig å lage konfigurasjoner uten noen frekvens eller fasekompensasjon deler, men fremdeles opprettholder utmerket stabilitet, og inkluderer et ytelsesnivå som beholdes for frekvenser langt over høyfrekvent lydgrense.

Nok en annen vanskelighetsgrad som oppleves med bipolare krafttransistorer er sekundær sammenbrudd. Dette refererer til en slags en spesifikk termisk rømling som skaper en 'varm sone' i enheten som resulterer i kortslutning over samler- / emitterpinnene.

For å sikre at dette ikke skjer, må BJT opereres utelukkende innenfor spesifikke områder for kollektorstrøm og spenning. Til hva som helst lydforsterkerkrets denne situasjonen innebærer vanligvis at utgangstransistorene blir tvunget til å fungere godt innenfor sine termiske begrensninger, og den optimale utgangseffekten som kan oppnås fra kraft-BJT-ene blir dermed betydelig redusert, mye lavere enn deres høyeste spredningsverdier faktisk tillater.

Takk til MOSFETs negative temperaturkoeffisient ved høye dreneringsstrømmer har ikke disse enhetene problemer med sekundær sammenbrudd. For MOSFET er den maksimalt tillatte avløpsstrømmen og avløpsspenningsspesifikasjonene praktisk talt begrenset av deres varmespredningsfunksjonalitet. Derfor blir disse enhetene spesielt godt egnet for høyeffekts lydforsterkerapplikasjoner.

MOSFET Ulemper

Til tross for de ovennevnte fakta, har MOSFET også noen ulemper, som er relativt mindre og ubetydelige. Opprinnelig hadde MOSFETs vært veldig dyre sammenlignet med matchende bipolare transistorer. Forskjellen i kostnadene har imidlertid blitt mye mindre i dag Når vi vurderer det faktum at MOSFETs gjør det mulig for komplekse kretsløp å bli mye enklere og en indirekte betydelig reduksjon i kostnadene, gjør BJT-motparten ganske triviell selv med lave kostnader. stikkord.

Power MOSFETs har ofte økt åpen sløyfe forvrengning enn BJT. På grunn av den høye forsterkningen og de hurtige byttehastighetene tillater kraftige MOSFET-er imidlertid bruk av et høyt nivå av negativ tilbakemelding over hele lydfrekvensspekteret, og tilbyr enestående forvrengt lukket sløyfe effektivitet.

En ekstra ulempe involvert i MOSFET-er er deres lavere effektivitet sammenlignet med BJT når de brukes i utgangstrinnene til standardforsterker. Årsaken bak dette er et høyeffekt emitterfølger-trinn som genererer et spenningsfall så høyt som rundt 1 volt mellom inngangen og utgangen, selv om det eksisterer et tap på noen volt over inngangen / utgangen til et kildefølgerstadium. Det er ikke en enkel tilnærming for å løse dette problemet, men dette ser ut til å være en liten reduksjon i effektivitet, som ikke bør tas i betraktning og kan ignoreres.

Forstå en praktisk MOSFET forsterkerdesign

Figuren nedenfor viser kretsskjemaet for en funksjonell 35 watt MOSFET-forsterker krets. Med unntak av MOSFETs applikasjon i forsterkerens utgangstrinn, ser alt i utgangspunktet ganske ut som en veldig vanlig MOSFET-forsterkerdesign.

  • Tr1 er rigget som en vanlig emitterinngangstrinn , direkte koblet til Tr3 common emitter driver stage. Begge disse trinnene gir den totale spenningsforsterkningen til forsterkeren, og inkluderer en ekstremt stor total forsterkning.
  • Tr2 sammen med de tilknyttede delene skaper en enkel konstantstrømgenerator som har en marginal utgangsstrøm på 10 milliampere. Dette fungerer som hovedoppsamlerbelastningen for Tr3.
  • R10 er ansatt for å fastslå det riktige hvilestrøm via utgangstransistorene, og som diskutert tidligere, oppnås egentlig ikke den termiske stabiliseringen for forspenningsstrømmen i forspenningskretsen, men den leveres heller av utgangsenhetene selv.
  • R8 gir praktisk talt 100% negativ tilbakemelding fra forsterkerutgangen til Tr1-emitter, slik at kretsen kan rettes rundt en enhetsspenningsforsterkning.
  • Motstandene R1, R2 og R4 fungerer som et potensielt delernettverk for å forspenne forsterkers inngangstrinn, og følgelig også utgangen, til omtrent halvparten av forsyningsspenningen. Dette muliggjør høyest oppnåelige utgangsnivå før klipping og start av kritisk forvrengning.
  • R1 og C2 brukes som en filterkrets som avbryter brumfrekvens og andre former for potensielle lyder på forsyningslinjene fra å komme inn i forsterkerinngangen via forspenningskretsen.
  • R3 og C5 fungerer som en RF-filter som forhindrer at RF-signaler spretter rett fra inngang til utgang, og forårsaker hørbare forstyrrelser. C4 hjelper også til å løse det samme problemet ved å rulle av forsterkerens høyfrekvensrespons effektivt over den øvre lydfrekvensgrensen.
  • For å sikre at forsterkeren får en god spenningsforsterkning ved hørbare frekvenser blir den viktig for koble fra den negative tilbakemeldingen til en viss grad.
  • C7 oppfyller rollen som frakobling kondensator , mens R6-motstanden begrenser mengden tilbakemelding som blir ryddet opp.
  • Kretsen er spenningsforsterkning bestemmes omtrent ved å dele R8 med R6, eller rundt 20 ganger (26dB) med de tildelte delverdiene.
  • Forsterkerens maksimale utgangsspenning vil være 16 volt RMS, noe som gir en inngangsfølsomhet på omtrent 777mV RMS for å oppnå full effekt. Inngangsimpedansen kan være mer enn 20k.
  • C3 og C8 brukes som henholdsvis inngangs- og utgangskoblingskondensatorer. C1 muliggjør frakobling for DC-forsyning.
  • R11 og C9 tjener utelukkende til å forenkle og kontrollere forsterkerens stabilitet, ved å fungere som den populære Zobel-nettverk , som ofte finnes rundt utgangstrinnene i de fleste design av halvledereffektforsterkere.

Ytelsesanalyse

Prototypeforsterkeren ser ut til å fungere utrolig bra, spesielt bare når vi merker den ganske enkle utformingen av enheten. Den viste MOSFET-forsterkerens designkrets vil gjerne sende en 35 watt RMS til en 8 ohm belastning.

  • De total harmonisk forvrengning vil ikke være mer enn rundt 0,05%. Prototypen ble bare analysert for signalfrekvenser rundt 1 kHz.
  • Men kretsen er åpen løkke gevinst ble funnet å være praktisk talt konstant innenfor hele lydfrekvensområdet.
  • De frekvensrespons med lukket sløyfe ble målt til -2 dB med omtrent 20 Hz og 22 kHz signaler.
  • Forsterkeren signal til støyforhold (uten tilkoblet høyttaler) hadde vært høyere enn tallet på 80 dB, men det kan faktisk være en mulighet for en liten mengde hendene brummer fra strømforsyningen som blir oppdaget på høyttalerne, men nivået kan være for lite til å høres under normale forhold.

Strømforsyning

Bildet ovenfor viser en riktig konfigurert strømforsyning for 35 watt MOSFET forsterkerdesign. Strømforsyningen kan være tilstrekkelig kraftig til å håndtere en mono- eller stereomodell av enheten.

Strømforsyningen består faktisk av et effektivt par push-pull-likeretter- og utjevningskretser som har sine utganger koblet i serie for å gi en total utgangsspenning som tilsvarer det dobbelte av potensialet som brukes av en individuell likeretter og kapasitiv filterkrets.

Dioder D4, D6 og C10 utgjør en bestemt del av strømforsyningen mens den andre delen leveres av D3, D5 og C11. Hver av disse tilbyr litt under 40 volt uten en tilkoblet last, og en total spenning på 80 V.

Denne verdien kan synke til omtrent 77 volt når forsterkeren blir lastet av et stereoinngangssignal med en hviletilstand, og til omtrent 60 volt når to forsterkerkanaler drives med full eller maksimal effekt.

Tips om konstruksjon

Et ideelt PCB-oppsett for MOSFET-forsterkeren på 35 watt er vist i figurene nedenfor.

Dette er ment for en kanal i forsterkerkretsen, så det er naturlig at to slike kort må settes sammen når en stereoforsterker blir nødvendig. Utgangstransistorene er absolutt ikke montert på PCB, snarere enn en stor finnetype.

Det er ikke nødvendig å bruke glimmerisolasjonssett til transistorene mens du fester dem på kjøleribben. Dette er fordi MOSFET-kildene er direkte koblet til metallflikene, og disse kildepinnene må uansett forbli koblet til hverandre.

Men siden de ikke er isolert fra kjøleribben, kan det være veldig viktig å sikre at kjøleribber ikke kommer i elektrisk kontakt med forskjellige andre deler av forsterkeren.

For en stereoimplementering bør de enkelte varmeavlederen som brukes for et par forsterkerne, heller ikke få komme i elektrisk nærhet til hverandre. Sørg alltid for å bruke kortere ledninger på maksimalt 50 mm for å koble utgangstransistorene med kretskortet.

Dette er spesielt viktig for ledningene som kobles til portterminalene til utgangs-MOSFET-ene. På grunn av det faktum at Power MOSFET har høy forsterkning ved høye frekvenser, kan lengre ledninger alvorlig påvirke forsterkerens stabilitetsrespons, eller til og med utløse en RF-svingning som igjen kan forårsake permanent skade på MOSFET-ene.

Når det er sagt, kan du nesten ikke finne noen vanskeligheter med å forberede designet for å sikre at disse ledningene effektivt holdes kortere. Det kan være viktig å merke seg at C9 og R11 montert utenfor PCB, og rett og slett er koblet i serie over uttaket.

Tips om bygging av strømforsyning

Strømforsyningskretsen er bygget ved å bruke en ledning fra punkt til punkt-type, som vist i figuren nedenfor.

Dette ser faktisk ganske selvforklarende ut, men det er sikret at kondensatorene C10 og C11 begge typer består av en dummy-tag. Hvis de ikke er det, kan det være viktig å bruke en tag-stripe for å aktivere noen få tilkoblingsporter. En loddebrikke er festet til en bestemt monteringsbolter på T1, som tilbyr et chassis-tilkoblingspunkt for strømledningen.

Justering og innstillinger

  1. Sørg for å undersøke ledningsforbindelsene grundig før du slår på strømforsyningen, fordi ledningsfeil kan forårsake kostbar ødeleggelse og kan absolutt være farlig.
  2. Før du slår på kretsen, må du sørge for å trimme R10 for å få minimal motstand (roter i retning mot klokken).
  3. Med FS1 kortvarig tatt ut og et multimeter fiksert for å måle 500mA FSD festet over sikringsholderen, må en avlesning på rundt 20mA sees på måleren mens forsterkeren er slått på (dette kan være 40mA når tokanals stereo brukes).
  4. Hvis du synes at måleravlesningen er vesentlig ulik denne, må du slå av strømmen umiddelbart og undersøke hele ledningen igjen. Tvert imot, hvis alt er bra, flytt sakte R10 for å maksimere måleravlesningen opp til en verdi på 100 mA.
  5. Hvis en stereoforsterker er ønsket, må R10 på tvers av begge kanalene justeres for å få strømmen til 120mA, og deretter må R10 i 2. kanal finjusteres for å øke strømforbruket til 200mA. Når disse er oppnådd, er MOSFET-forsterkeren klar til bruk.
  6. Vær ekstrem forsiktig så du ikke berører noen av vekselstrømstilkoblingene mens du gjør konfigureringsprosedyrene for forsterkeren.
  7. Alle avdekkede ledninger eller kabelforbindelser som kan være i vekselstrømspotensialet, bør isoleres ordentlig før du kobler enheten til strømforsyningen.
  8. Unødvendig å si, som med alle vekselstrømsdrevne kretser, bør den være lukket i et solid skap som bare kan skrus ut ved hjelp av dedikert skrutrekker og andre sett med instrumenter, for å sikre at det ikke er noen raske måter å nå det farlige strømledninger og ulykker elimineres trygt.

Deleliste for 35 watt MOSFET forsterker

120W MOSFET-applikasjonskrets forsterker

Avhengig av spesifikasjonene for strømforsyningen, er det praktiske 120 watt MOSFET-forsterker kretsen er i stand til å tilby en utgangseffekt på rundt 50 og 120 watt RMS til en 8 ohm høyttaler.

Denne designen inneholder også MOSFET-er i utgangstrinnet for å gi et overordnet nivå av total ytelse selv med kretsens store enkelhet

Forsterkerens totale harmoniske forvrengning er ikke mer enn 0,05%, men bare når kretsen ikke er overbelastet, og signal / støyforholdet er bedre enn 100 dB.

Forstå MOSFET forsterkerstadier

Som vist ovenfor er denne kretsen designet med referanse til et Hitachi-oppsett. I motsetning til den siste designen, bruker denne kretsen likestrømskobling for høyttaleren og inneholder dobbel balansert strømforsyning med en midtre 0V og jordskinne.

Denne forbedringen blir kvitt avhengigheten av store utgangskoblingskondensatorer, samt underytelsen i lavfrekvent ytelse denne kondensatoren genererer. Videre tillater denne utformingen også kretsen en anstendig evne til å avvise forsyningsring.

I tillegg til DC-koblingsfunksjonen, ser kretsdesignen ganske ut som den som ble brukt i den tidligere designen. Her inkluderer både inngangs- og drivertrinn differensialforsterkere.

Inngangstrinnet er konfigurert ved hjelp av Tr1 og Tr2 mens førertrinnet er avhengig av Tr3 og Tr4.

Transistor Tr5 er konfigurert som en konstant strømoppsamlerbelastning for Tr4. Signalveien ved hjelp av forsterkeren begynner å bruke inngangskoblingskondensator C1, sammen med RF-filteret R1 / C4. R2 brukes til å forspenne forsterkerens inngang på det sentrale 0V forsyningssporet.

Tr1 er kablet som en effektiv a vanlig emitterforsterker som har sin utgang direkte koblet til Tr4 som brukes som et vanlig emitter driver-trinn. Fra dette trinnet og utover er lydsignalet koblet til Tr6 og Tr7 som er rigget som komplementær kildefølgerutgangstrinn.

De negativ tilbakemelding ekstraheres fra forsterkerutgangen og kobles til Tr2-basen, og til tross for at det ikke er noen signalinversjon gjennom Tr1-basen til forsterkerens utgang, eksisterer det en inversjon over Tr2-basen og utgangen. Det er fordi Tr2 fungerer som en emitterfølger, perfekt driver emitteren til Tr1.

Når et inngangssignal påføres Tr1-emitteren, fungerer transistorene vellykket som en felles basetrinn . Derfor, selv om inversjonen ikke finner sted ved hjelp av Tr1 og Tr2, skjer inversjon gjennom Tr4.

Faseendring skjer heller ikke via utgangstrinnet, noe som betyr at forsterkeren og Tr2-basen har en tendens til å være ut-av-fase for å utføre den nødvendige negative tilbakemeldingen. R6- og R7-verdiene som foreslått i diagrammet gir en spenningsforsterkning på omtrent 28 ganger.

Som vi lærte av våre tidligere diskusjoner, er en liten ulempe med MOSFETs for kraft at de blir mindre effektive enn BJT når de kobles til gjennom tradisjonelt klasse B-utgangstrinn. Dessuten blir den relative effekten av MOSFET-er ganske dårlig med kretser med høy effekt som krever at gate / kildespenning er av flere spenninger for høy kildestrøm.

Den maksimale utgangsspenningssvingningen kan antas å være lik forsyningsspenningen minus den maksimale porten til kildespenningen til den enkelte transistoren, og dette tillater absolutt en utgangsspenningssving som kan være betydelig lavere enn den tilførte spenningen.

En grei måte å få høyere effektivitet på ville være å i utgangspunktet inkorporere et par lignende MOSFET-er festet parallelt over hver av utgangstransistorene. Den høyeste mengden strøm som håndteres av hver utgangs-MOSFET vil deretter reduseres omtrent med halvparten, og den maksimale kilden til port-spenningen til hver MOSFET senkes riktig (sammen med en proporsjonal vekst i forsterkerens utgangsspenningssvingning).

Imidlertid fungerer en lignende tilnærming ikke når den brukes på bipolare enheter, og dette skyldes i hovedsak deres positiv temperaturkoeffisient kjennetegn. Hvis en bestemt utgang BJT begynner å trekke for mye strøm enn den andre (fordi ingen to transistorer vil ha nøyaktig identisk karakteristikk), begynner den ene enheten å bli mer varm enn den andre.

Denne økte temperaturen fører til at BJTs emitter / baseterskelspenning blir redusert, og som et resultat begynner den å konsumere en mye større del av utgangsstrømmen. Situasjonen får da transistoren til å bli varmere, og denne prosessen fortsetter uendelig til en av utgangstransistoren begynner å håndtere all belastningen, mens den andre forblir inaktiv.

Denne typen problemer kan ikke sees med MOSFET-kraft på grunn av deres negative temperaturkoeffisient. Når en MOSFET begynner å bli varmere, begynner den økende varmen å begrense strømmen gjennom avløpet / kilden på grunn av sin negative temperaturkoeffisient.

Dette forskyver overskytende strøm mot den andre MOSFET som nå begynner å bli varmere, og ganske likt får varmen strømmen gjennom den til å redusere proporsjonalt.

Situasjonen skaper en balansert strømandel og spredning på tvers av enhetene, slik at forsterkeren fungerer mye effektivt og pålitelig. Dette fenomenet tillater også MOSFET skal kobles parallelt ganske enkelt ved å gå sammen gate, kilde og avløpsledere sammen uten mye beregninger eller bekymringer.

Strømforsyning for MOSFET-forsterker på 120 watt

En passende utformet strømforsyningskrets for MOSFET-forsterkeren på 120 watt er angitt ovenfor. Dette ser ut som strømforsyningskretsen for vårt tidligere design.

Den eneste forskjellen var at transformatorens kranforsyning i krysset mellom de to utjevningskondensatorene først ble ignorert. For dette eksemplet er dette vant til å gi den midterste 0V jordforsyningen, mens nettjorda også kobles til ved dette krysset i stedet for til den negative forsyningsskinnen.

Du kan finne sikringer som blir installert på tvers av både positive og negative skinner. Effekten som leveres av forsterkeren er i stor grad avhengig av spesifikasjonene for strømtransformatoren. For de fleste kravene bør en 35 - 0 - 35 volt 160VA toroidal nettstransformator faktisk være ganske nok.

Hvis stereooperasjon er foretrukket, må transformatoren byttes ut med en tyngre 300 VA transformator. Alternativt kan isolerte strømforsyningsenheter bygges med 160VA transformator hver for hver kanal.

Dette tillater en forsyningsspenning på omtrent 50 V ved stille forhold, selv om dette nivået kan falle til et mye lavere nivå ved full belastning. Dette gjør det mulig å oppnå en ytelse på opptil 70 watt RMS gjennom 8 ohm-høyttalere.

Et viktig poeng å merke seg er at 1N5402-diodene som brukes i broensretteren, har en maksimal toleransestrøm på 3 ampere. Dette kan være rikelig for en enkeltkanalsforsterker, men dette er kanskje ikke tilstrekkelig for en stereoversjon. For en stereoversjon må diodene byttes ut med 6 ampere eller 6A4-dioder.

PCB-oppsett

Du kan finne en fullverdig kretskort for å bygge din egen MOSFET-forsterkerkrets på 120 watt. De angitte 4 MOSFET-enhetene skal festes med store finned heatsinks, som må være vurdert til minst 4,5 grader Celsius per watt.

Forholdsregler for ledninger

  • Sørg for å holde MOSFET pinout-terminalene så korte som mulig, som ikke må være mer enn 50 mm lange.
  • Hvis du vil beholde dem litt lenger enn dette, må du sørge for å legge til en motstand med lav verdi (kan være en 50 ohm 1/4 watt) med porten til hver av MOSFETene.
  • Denne motstanden vil reagere med MOSFETs inngangskapasitans og fungere som et lavpasfilter, noe som sikrer bedre frekvensstabilitet for høyfrekvent signalinngang.
  • Imidlertid, ved høyfrekvente inngangssignaler, kan disse motstandene gi noen innvirkning på utgangsytelsen, men dette kan faktisk være for lite og knapt merkbart.
  • Transistoren Tr6 består faktisk av to n-kanals MOSFET-er koblet parallelt, det samme er for Tr7, som også har et par p-kanals MOSFET-er parallelt.
  • For å implementere denne parallelle forbindelsen, er porten, avløpet, kilden til de respektive MOSFET-parene ganske enkelt sammenføyd, det er alt det er så enkelt som det.
  • Vær også oppmerksom på at kondensatoren C8 og motstanden R13 er installert direkte på utgangen, og ikke montert på kretskortet.
  • Kanskje den mest effektive metoden for å bygge strømforsyningen er ved å koble til hardt, som for strømforsyningen som gjort for forrige forsterker. Ledningene er omtrent de samme som for denne forrige kretsen.

Justeringer og innstillinger

  1. Før du slår på den fullførte forsterkerkretsen, må du undersøke alle ledningene nøye flere ganger.
  2. Sjekk spesifikt ledningene til strømforsyningen og de relevante sammenkoblingene på tvers av MOSFET-utgangseffekten.
  3. Feil rundt disse tilkoblingene kan raskt føre til permanent skade på forsterkerenheten.
  4. Du må også utføre noen tidligere justeringer før du slår PÅ det fullførte kortet.
  5. Begynn med å rotere R11-forhåndsinnstillingen helt mot klokken, og ikke koble først en høyttaler til utgangen på enheten.
  6. Deretter, i stedet for en høyttaler, kobler du multimeteret ditt (innstilt på lavspent DC-område) sonder over forsterkerens utgangspunkter, og sørg for at det viser at den lave, stille utgangsspenningen er tilgjengelig.
  7. Du kan oppdage at måleren viser brøkspenning eller ikke er noen spenning i det hele tatt, noe som også er greit.
  8. Hvis en stor DC-spenning er indikert av måleren, må du straks slå av forsterkeren og sjekke om det er mulig feil i ledningene.

Konklusjon

I artikkelen ovenfor har vi grundig diskutert de mange parametrene som spiller en avgjørende rolle for å sikre riktig og optimal bruk av en effektforsterker.

Alle disse parametrene er standard og kan derfor brukes effektivt og brukes under utforming av hvilken som helst MOSFET-forsterkerkrets, uavhengig av watt- og spenningsspesifikasjonene.

De forskjellige egenskapene som er beskrevet med hensyn til BJT- og MOSFET-enheter, kan brukes av designeren til å implementere eller tilpasse en ønsket effektforsterkerkrets.




Forrige: Op Amp Preamplifier Circuits - For MIC, gitarer, pick-ups, buffere Neste: Enkel digital tidtakerkrets med 2-sifret skjerm