Sådan designes MOSFET-forstærkerkredsløb - Forklarede parametre

I dette indlæg diskuterer vi forskellige parametre, der skal overvejes under design af et MOSFET-forstærkerkredsløb. Vi analyserer også forskellen mellem bipolære junction transistorer (BJT) og MOSFET karakteristika og forstår, hvorfor MOSFETS er mere egnede og effektive til effektforstærker applikationer.

Bidraget af Daniel Schultz

Oversigt

Ved design af en effektforstærker betragtes det inden for området 10 til 20 watt integrerede kredsløb eller IC-baserede design foretrækkes normalt på grund af deres slanke størrelse og lave komponentantal.

For højere effektudgangsområder betragtes en diskret konfiguration imidlertid som et meget bedre valg, da de tilbyder højere effektivitet og fleksibilitet for designeren med hensyn til valg af effektudgang.

Tidligere var effektforstærkere, der bruger diskrete dele, afhængige af bipolære transistorer eller BJT'er. Men med fremkomsten af sofistikerede MOSFET'er Blev BJT'er langsomt udskiftet med disse avancerede MOSFET'er for at opnå ekstremt høj effekt og utroligt begrænset plads og nedskaleret PCB.

Selvom MOSFET'er kan se ud som en overkill til design af mellemstore effektforstærkere, kan disse effektivt anvendes til enhver størrelse og effektforstærkerspecifikationer.

Ulemper ved at bruge BJT i ​​effektforstærkere

Selvom bipolære enheder fungerer ekstremt godt i high-end lydeffektforstærkere, inkluderer de et par ulemper, der faktisk førte til introduktionen af ​​avancerede enheder som MOSFET'er.

Måske er den største ulempe ved bipolære transistorer i klasse B-outputfaser det fænomen, der betegnes som den løbssituation.

BJT'er inkluderer en positiv temperaturkoefficient, og dette giver specifikt anledning til et fænomen kaldet termisk løbsk, hvilket forårsager en potentiel skade på kraft-BJT'erne på grund af overophedning.

Venstre sidetal ovenfor viser den væsentlige opsætning af et standard klasse B driver- og outputtrin, hvor TR1 anvendes som et fælles emitterdriver-trin og Tr2 sammen med Tr3 som det komplementære emitter-follower-outputtrin.

Sammenligning af BJT vs MOSFET Amplifier Output Stage Configuration

Funktion af forstærkerens udgangsfase

For at designe en fungerende effektforstærker er det vigtigt at konfigurere dens outputtrin korrekt.

Målet med udgangstrinnet er primært at tilvejebringe strømforstærkning (spændingsforstærkningen forbliver ikke mere end enhed), således at kredsløbet kan levere de høje udgangsstrømme, der er nødvendige for at drive en højttaler i højere lydstyrkeniveau.

1. Med henvisning til BJT-diagrammet til venstre ovenfor fungerer Tr2 som en udgangsstrømkilde under de positive igangværende outputcyklusser, mens Tr3 leverer udgangsstrømmen under de negative outputhalvcykler.
2. Den grundlæggende samlerbelastning for et BJT-drivertrin er designet med en konstant strømkilde, som giver forbedret linearitet i modsætning til de effekter, der opnås med en simpel belastningsmodstand.
3. Dette sker på grund af forskelle i forstærkning (og ledsagende forvrængning), der sker, når en BJT arbejder inden for en bred vifte af samlerstrømme.
4. Anvendelse af en belastningsmodstand inde i et fælles emittertrin med store udgangsspændingssvingninger kan utvivlsomt udløse et ekstremt stort kollektorstrømsområde og store forvridninger.
5. Anvendelsen af ​​en konstant strømbelastning slipper ikke helt forvrængning, fordi kollektorspændingen naturligt svinger, og transistorforstærkningen kan til en vis grad afhænge af kollektorspændingen.
6. Ikke desto mindre, da forstærkningsudsving på grund af variationer i kollektorspænding tendens til at være ret små, er lav forvrængning meget lavere end 1 procent ret opnåelig.
7. Det forspændingskredsløb, der er forbundet mellem baserne på udgangstransistorerne, er nødvendigt for at tage udgangstransistorer til den position, hvor de lige ved ledertærsklen.
8. I tilfælde af at dette ikke sker, kan små variationer i kollektorspændingen på Tr1 muligvis ikke få udgangstransistorerne i ledning og muligvis muligvis ingen forbedring af udgangsspændingen!
9. Højere spændingsvariationer ved Tr1's kollektor kan generere en tilsvarende ændring i udgangsspændingen, men dette vil sandsynligvis gå glip af start- og slutdele af hver halve cyklus af frekvensen, hvilket giver anledning til alvorlig 'crossover forvrængning', som det normalt omtales.

Crossover forvrængningsproblem

Selvom outputtransistorer føres til ledningstærsklen ikke fjerner crossover forvrængning, da output-enhederne har relativt små forstærkninger, mens de fungerer ved reducerede kollektorstrømme.

Dette giver en moderat, men uønsket form for crossover-forvrængning. Negativ feedback kunne bruges til at slå crossover-forvrængning naturligt, men for at opnå fremragende resultater er det faktisk vigtigt at anvende en rimelig høj, stille bias over outputtransistorer.

Det er denne store forspændingsstrøm, der forårsager komplikationer med termisk løb.

Forspændingsstrømmen forårsager opvarmning af udgangstransistorer, og på grund af deres positive temperaturkoefficient får dette forspændingsstrøm til at stige, hvilket genererer endnu mere varme og en resulterende yderligere stigning i forspændingsstrømmen.

Denne positive feedback giver således en gradvis stigning i bias, indtil output transistorer bliver for varme og til sidst bliver brændt.

I et forsøg på at beskytte mod dette lettes forspændingskredsløbet med et indbygget temperaturfølersystem, der bremser forspændingen, hvis der registreres højere temperatur.

Derfor påvirkes forspændingskredsløbet af den genererede varme, når udgangstransistoren varmer op, hvilket registrerer dette og stopper enhver efterfølgende opsving i forspændingsstrømmen. Praktisk er biasstabiliseringen muligvis ikke ideel, og du kan finde små variationer, men et korrekt konfigureret kredsløb kan normalt udvise en tilstrækkelig biasstabilitet.

Hvorfor MOSFET'er fungerer mere effektivt end BJT'er i effektforstærkere

I den følgende diskussion vil vi forsøge at forstå, hvorfor MOSFET'er fungerer bedre i effektforstærkerdesign sammenlignet med BJT'er.

Svarende til BJT'er, hvis MOSFET'er anvendes i et klasse B-outputfase, kræver også en bias fremad for at overvinde crossover forvrængning. Når det er sagt, fordi effekt-MOSFET'er har en negativ temperaturkoefficient ved strømme på tæt på 100 milliampere eller mere (og en svag positiv temperaturkoefficient i lavere strømme) tillader det en mindre kompliceret klasse B-driver og outputtrin som vist i følgende figur .

Det termisk stabiliserede forspændingskredsløb kunne erstattes med en modstand, fordi temperaturegenskaberne for effekt-MOSFET'er inkorporerer en indbygget termisk styring af forspændingsstrømmen ved omkring 100 milliampere (hvilket ca. er den bedst egnede forspændingsstrøm).

En yderligere udfordring, der opleves med BJT'er, er den ret lave strømforstærkning på kun 20 til 50. Dette kan være ret utilstrækkeligt for mellemstore og høje effektforstærkere. På grund af dette kræver det et ekstremt kraftigt førertrin. Den typiske tilgang til at løse dette problem er at gøre brug af en Darlington par eller et ækvivalent design for at tilvejebringe en tilstrækkelig høj strømforstærkning, så det tillader ansættelse af et drivkraftstrin med lav effekt.

Power MOSFET'er, ligesom enhver FET-enhed , har tendens til at være spændingsdrevne enheder snarere end strømstyrede.

En effekt-MOSFETs indgangsimpedans er typisk meget høj, hvilket tillader ubetydelig indgangsstrømtrækning med lave arbejdsfrekvenser. Imidlertid er indgangsimpedansen meget lavere ved høje arbejdsfrekvenser på grund af den relativt høje indgangskapacitans på ca. 500 pf.

Selv med denne høje inputkapacitans bliver en arbejdsstrøm på knap 10 milliampere lige nok gennem førertrinnet, skønt spidsudgangsstrømmen kan være omkring tusind gange denne mængde.

Et yderligere problem med bipolære strømforsyningsenheder (BJT) er deres noget triste skiftetid. Dette har tendens til at skabe en række forskellige problemer, såsom dræbt udløst forvrængning.

Dette er, når et kraftigt højfrekvent signal kan kræve en skiftende udgangsspænding på lad os sige 2 volt pr. Mikrosekund, mens BJT-udgangstrinnet muligvis muligvis kun tillader en svinghastighed på kun en volt pr. Mikrosekund. Naturligvis vil output kæmpe for at levere en anstændig gengivelse af indgangssignalet, hvilket fører til en uundgåelig forvrængning.

En ringere svinghastighed kan også give en forstærker en uønsket effektbåndbredde, hvor den højest mulige effektudgang falder markant ved højere lydfrekvenser.

Fase forsinkelse og svingninger

En anden bekymring er faseforsinkelsen, der finder sted via forstærkerens outputtrin med høje frekvenser, og som kan medføre, at tilbagemeldingen over det negative feedback-system bliver til positiv i stedet for negativ ved ekstremt høje frekvenser.

Hvis forstærkeren har tilstrækkelig forstærkning ved sådanne frekvenser, kan forstærkeren gå i en oscillerende tilstand, og manglende stabilitet vil fortsat være synlig, selvom forstærkning af kredsløbet ikke er rigelig til at udløse en svingning.

Dette problem kunne løses ved at tilføje elementer til at afvikle kredsløbets højfrekvente respons og ved at inkorporere fasekompensationselementer. Imidlertid reducerer disse overvejelser effektiviteten af ​​forstærkeren ved høje indgangssignalfrekvenser.

MOSFET'er er hurtigere end BJT'er

Mens vi designer en effektforstærker, skal vi huske, at skiftehastighed for strøm MOSFET'er er generelt omkring 50 til 100 gange hurtigere end en BJT. Derfor overvindes komplikationer med ringere højfrekvent funktionalitet let ved at anvende MOSFET'er i stedet for BJT'er.

Det er faktisk muligt at oprette konfigurationer uden nogen frekvens eller fasekompensation dele, men alligevel opretholder fremragende stabilitet og inkluderer et ydelsesniveau, der bevares for frekvenser langt over højfrekvent lydgrænse.

Endnu et problem, der opleves med bipolære effekttransistorer, er sekundær sammenbrud. Dette refererer til en slags en bestemt termisk løbsk, der skaber en 'varm zone' inden i enheden, hvilket resulterer i en kortslutning på tværs af dens kollektor / emitterstifter.

For at sikre, at dette ikke sker, skal BJT udelukkende betjenes inden for bestemte områder for kollektorstrøm og spænding. Til enhver lydforstærker kredsløb denne situation indebærer normalt, at udgangstransistorer er tvunget til at arbejde godt inden for deres termiske begrænsninger, og den optimale udgangseffekt, der kan opnås fra BJT'erne, reduceres således betydeligt, meget lavere end deres højeste spredningsværdier rent faktisk tillader.

Tak til MOSFETs negative temperaturkoefficient ved høje afløbsstrømme har disse enheder ikke problemer med sekundær nedbrydning. For MOSFET'er er den maksimalt tilladte afløbsstrøm og afløbsspændingsspecifikationer praktisk talt kun begrænset af deres varmeafledningsfunktionalitet. Derfor bliver disse enheder specielt velegnede til højeffektive lydforstærkerapplikationer.

MOSFET Ulemper

På trods af ovenstående har MOSFET også nogle få ulemper, som er relativt mindre i antal og ubetydelige. Oprindeligt havde MOSFET'er været meget dyre sammenlignet med en matchende bipolær transistor. Forskellen i omkostningerne er dog blevet meget mindre i dag Når vi overvejer det faktum, at MOSFET'er gør det muligt for komplekse kredsløb at blive meget enklere og en indirekte signifikant reduktion i omkostninger, gør BJT-modparten ganske triviel, selv med sine lave omkostninger tag.

Power MOSFET'er har ofte en øget åben sløjfe forvrængning end BJT'er. På grund af deres høje forstærkning og hurtige skiftehastigheder tillader power MOSFET'er imidlertid brugen af ​​et højt niveau af negativ feedback på tværs af hele lydfrekvensspektret, hvilket giver enestående forvrængning med lukket sløjfe effektivitet.

En yderligere ulempe, der er involveret i strøm-MOSFET'er, er deres lavere effektivitet sammenlignet med BJT'er, når de anvendes i udgangstrinnene på standardforstærkeren. Årsagen bag dette er et højeffekt-emitterfølger-trin, der genererer et spændingsfald så højt som omkring 1 volt mellem input og output, skønt der findes et tab på nogle volt over input / output fra et kilde-follower-trin. Der er ikke en nem tilgang til at løse dette problem, men dette ser ud til at være en lille reduktion i effektivitet, som ikke bør tages i betragtning og kunne ignoreres.

Forståelse af et praktisk MOSFET forstærkerdesign

Figuren nedenfor viser kredsløbsdiagrammet for en funktionel 35 watt effekt MOSFET forstærker kredsløb. Bortset fra MOSFETs anvendelse i forstærkerens outputtrin ser alt stort set ud som et meget almindeligt MOSFET-forstærkerdesign.

• Tr1 er rigget som en fælles emitterindgangstrin , direkte tilsluttet Tr3's fælles emitterdriverfase. Begge disse trin tilbyder forstærkerens samlede spændingsforstærkning og inkluderer en ekstrem stor total forstærkning.
• Tr2 sammen med de tilknyttede dele skaber en simpel konstantstrømgenerator, som har en marginal udgangsstrøm på 10 milliampere. Dette fungerer som hovedopsamlerbelastningen for Tr3.
• R10 anvendes til at fastslå det korrekte hvilende forspændingsstrøm via udgangstransistorer, og som diskuteret tidligere opnås den termiske stabilisering af forspændingsstrømmen ikke rigtig i forspændingskredsløbet, men den leveres snarere af selve outputindretningerne.
• R8 leverer næsten 100% negativ feedback fra forstærkerudgangen til Tr1-emitter, hvilket giver kredsløbet lige omkring en enhedsspændingsforstærkning.
• Modstande R1, R2 og R4 fungerer som et potentielt opdelingsnetværk til forspænding af forstærkerens indgangstrin, og følgelig også output til omtrent halvdelen af ​​forsyningsspændingen. Dette muliggør det højest opnåelige outputniveau inden klipning og start af kritisk forvrængning.
• R1 og C2 bruges som et filterkredsløb, der annullerer brumfrekvens og andre former for potentielle lyde på forsyningsledningerne fra at komme ind i forstærkerindgangen via forspændingskredsløbet.
• R3 og C5 fungerer som en RF-filter som forhindrer RF-signaler, der går i stykker lige fra input til output, hvilket forårsager hørbare forstyrrelser. C4 hjælper også med at løse det samme problem ved at rulle forstærkerens højfrekvensrespons effektivt ud over den øvre lydfrekvensgrænse.
• For at sikre, at forstærkeren får en god spændingsforstærkning ved hørbare frekvenser, bliver den afgørende for afkoble den negative feedback til en vis grad.
• C7 opfylder rollen som afkoblingskondensator , mens R6-modstanden begrænser mængden af ​​feedback, der ryddes op.
• Kredsløbet er spændingsforøgelse bestemmes omtrent ved at dividere R8 med R6 eller omkring 20 gange (26dB) med de tildelte delværdier.
• Forstærkerens maksimale udgangsspænding er 16 volt RMS, hvilket tillader en indgangsfølsomhed på omkring 777mV RMS for at opnå en fuld output. Indgangsimpedansen kan være mere end 20k.
• C3 og C8 anvendes som henholdsvis indgangs- og udgangskoblingskondensatorer. C1 muliggør afkobling af DC-forsyningen.
• R11 og C9 tjener udelukkende til at lette og kontrollere forstærkerens stabilitet ved at arbejde som det populære Zobel-netværk , som ofte findes omkring outputtrinene i de fleste design af halvledereffektforstærkere.

Ydelsesanalyse

Prototypeforstærkeren ser ud til at fungere utroligt godt, specifikt kun når vi bemærker enhedens ret enkle design. Det viste MOSFET-forstærkerdesignkredsløb sender med glæde en 35 watt RMS til en 8 ohm belastning.

• Det total harmonisk forvrængning vil ikke være mere end omkring 0,05%. Prototypen blev kun analyseret for signalfrekvenser omkring 1 kHz.
• Men kredsløbet er åben sløjfe gevinst blev fundet praktisk talt konstant inden for hele lydfrekvensområdet.
• Det frekvensrespons med lukket sløjfe blev målt til -2 dB med ca. 20 Hz og 22 kHz signaler.
• Forstærkerens signal / støj-forhold (uden tilsluttet en højttaler) havde været højere end tallet på 80 dB, selvom der faktisk kan være en mulighed for en lille mængde hænder brummen fra strømforsyningen, der registreres på højttalerne, men niveauet kan være for lille til at høres under normale forhold.

Strømforsyning

Ovenstående billede viser en passende konfigureret strømforsyning til MOSFET-forstærkerdesignet på 35 watt. Strømforsyningen kan være tilstrækkelig kraftig til at håndtere en mono- eller stereomodel af enheden.

Strømforsyningen består faktisk af et effektivt et par push-pull-ensrettere og udjævningskredsløb, der har deres udgange tilsluttet i serie for at tilvejebringe en samlet udgangsspænding svarende til det dobbelte af potentialet, der anvendes af et individuelt ensretter- og kapacitivt filterkredsløb.

Dioder D4, D6 og C10 udgør en bestemt del af strømforsyningen, mens den anden sektion leveres af D3, D5 og C11. Hver af disse tilbyder lidt under 40 volt uden en tilsluttet belastning og en samlet spænding på 80 V aflæst.

Denne værdi kan falde til ca. 77 volt, når forstærkeren indlæses af et stereoindgangssignal med en hvilende tilstand, og til lige omkring 60 volt, når to forstærkerkanaler betjenes ved fuld eller maksimal effekt.

Tip til byggeri

Et ideelt printkortlayout til MOSFET-forstærkeren på 35 watt er vist i nedenstående figurer.

Dette er beregnet til en kanal i forstærkerkredsløbet, så naturligvis skal to sådanne kort samles, når en stereoforstærker bliver nødvendig. Outputtransistorer er bestemt ikke monteret på printkortet, snarere end en stor finnetype.

Det er ikke nødvendigt at bruge glimmerisoleringssæt til transistorer, mens de fastgøres på kølelegemet. Dette skyldes, at MOSFET-kilderne er direkte forbundet til deres metalfaner, og disse kildestifter skal alligevel forblive forbundet til hinanden.

Da de imidlertid ikke er isoleret fra kølelegemet, kan det virkelig være vigtigt at sikre, at kølelegemerne ikke kommer i elektrisk kontakt med forskellige andre dele af forstærkeren.

Også for en stereoimplementering bør de enkelte køleplader, der er anvendt til et par forstærkere, ikke få lov til at komme i elektrisk nærhed med hinanden. Sørg altid for at bruge kortere ledninger på maksimalt ca. 50 mm til at tilslutte udgangstransistorer med printkortet.

Dette er specifikt afgørende for de ledninger, der forbinder med portterminalerne på output-MOSFET'erne. På grund af det faktum, at Power MOSFET'er har høj forstærkning ved høje frekvenser, kan længere ledninger alvorligt påvirke forstærkerens stabilitetsrespons eller endda udløse en RF-oscillation, som igen kan forårsage permanent skade på MOSFET'erne.

Når det er sagt, kan du næsten ikke finde nogen vanskeligheder med at forberede designet for at sikre, at disse ledninger effektivt holdes kortere. Det kan være vigtigt at bemærke, at C9 og R11 monteret uden for printkortet og simpelthen er forbundet i serie på tværs af udgangsstikket.

Tip til konstruktion af strømforsyning

Strømforsyningskredsløbet er bygget ved at anvende en ledningsføring fra punkt til punkt, som angivet i nedenstående figur.

Dette ser faktisk ret selvforklarende ud, men det sikres, at kondensatorerne C10 og C11 begge typer består af et dummy-mærke. Hvis de ikke er det, kan det være afgørende at anvende en tag-strip for at aktivere et par forbindelsesporte. Et loddemærke er fastgjort til en bestemt monteringsbolte på T1, som tilbyder et chassisforbindelsespunkt til netledningens jordledning.

Justering og indstillinger

1. Sørg for at undersøge ledningsforbindelserne grundigt, inden du tænder for strømforsyningen, da ledningsfejl kan medføre dyre ødelæggelser og kan helt sikkert være farlige.
2. Inden du tænder for kredsløbet, skal du sørge for at trimme R10 for at få minimal modstand (drej i retning mod uret).
3. Med FS1 kortvarigt taget ud og et multimeter fastgjort til at måle 500mA FSD fastgjort over sikringsholderen, skal en aflæsning på omkring 20mA ses på måleren, mens forstærkeren er tændt (dette kan være 40mA, når der anvendes tokanals stereo).
4. Hvis du finder, at måleraflæsningen er meget forskellig fra denne, skal du straks slukke for strømmen og undersøge hele ledningen igen. Tværtimod, hvis alt er godt, skal du langsomt flytte R10 for at maksimere måleraflæsningen op til en værdi på 100 mA.
5. Hvis der ønskes en stereoforstærker, skal R10 på tværs af kanalerne justeres for at få den aktuelle trækning op til 120 mA, og derefter skal R10 i 2. kanal finjusteres for at øge den aktuelle brug til 200 mA. Når disse er opnået, er din MOSFET-forstærker klar til brug.
6. Vær meget forsigtig med ikke at røre ved nogen af ​​vekselstrømsforbindelserne, mens du udfører konfigurationsprocedurerne for forstærkeren.
7. Alle udækkede ledninger eller kabelforbindelser, der kan være ved vekselstrømsledningens potentiale, skal isoleres ordentligt, før enheden tilsluttes lysnettet.
8. Det er overflødigt at sige, som med alle vekselstrømsdrevne kredsløb, skal det være lukket inde i et robust skab, som kun kunne skrues ud ved hjælp af dedikeret skruetrækker og andre sæt instrumenter for at sikre, at der ikke er nogen hurtige midler til at nå det farlige netledninger, og ulykker elimineres sikkert.

Deleliste til MOSFET-forstærkeren på 35 watt

120W MOSFET forstærkerapplikationskredsløb

Afhængigt af strømforsyningsspecifikationerne, det praktiske 120 watt MOSFET forstærker kredsløbet er i stand til at tilbyde en udgangseffekt på i området omkring 50 og 120 watt RMS til en 8 ohm højttaler.

Dette design inkorporerer også MOSFET'er i outputfasen for at give et overlegen niveau af samlet ydelse selv med kredsløbets store enkelhed

Forstærkerens samlede harmoniske forvrængning er ikke mere end 0,05%, men kun når kredsløbet ikke er overbelastet, og signal / støjforholdet er bedre end 100 dB.

Forståelse af MOSFET forstærkerfaser

Som vist ovenfor er dette kredsløb designet med henvisning til et Hitachi-layout. I modsætning til det sidste design bruger dette kredsløb DC-kobling til højttaleren og indeholder dobbeltbalanceret strømforsyning med en mellem 0V og jordskinne.

Denne forbedring slipper af afhængigheden af ​​store udgangskoblingskondensatorer såvel som underpræstationen i lavfrekvent ydeevne, som denne kondensator genererer. Desuden giver dette layout også kredsløbet en anstændig forsyningsevne til afvisning af forsyning.

Udover DC-koblingsfunktionen ser kredsløbsdesignet ret anderledes ud end det, der blev brugt i det tidligere design. Her inkluderer både input- og driver-trin differentierede forstærkere.

Indgangstrinnet er konfigureret ved hjælp af Tr1 og Tr2, mens førertrinet er afhængigt af Tr3 og Tr4.

Transistor Tr5 er konfigureret som en konstant strømopsamlerbelastning til Tr4. Signalstien ved hjælp af forstærkeren begynder ved hjælp af indgangskoblingskondensator C1 sammen med RF-filteret R1 / C4. R2 bruges til forspænding af forstærkerens indgang på det centrale 0V forsyningsspor.

Tr1 er kablet som en effektiv a fælles emitterforstærker som har sin udgang direkte forbundet til Tr4, som anvendes som et fælles emitterdriver-trin. Fra dette trin er lydsignalet forbundet til Tr6 og Tr7, som er rigget som komplementær kildefølgerudgangstrin.

Det negativ feedback ekstraheres fra forstærkerens output og er forbundet med Tr2-basen, og på trods af at der ikke er nogen signalinversion gennem Tr1-basen til output fra forstærkeren, findes der en inversion på tværs af Tr2-basen og output. Det er fordi Tr2 fungerer som en emitter-tilhænger, der perfekt driver emitteren til Tr1.

Når der tilføres et indgangssignal til Tr1-emitteren, fungerer transistorer med succes som en fælles basetrin . Derfor, selvom inversionen ikke finder sted ved hjælp af Tr1 og Tr2, sker inversion gennem Tr4.

Faseskift forekommer heller ikke via udgangstrinnet, hvilket betyder, at forstærkeren og Tr2-basen har tendens til at være ude af fase for at udføre den krævede krævede negative feedback. R6- og R7-værdierne som foreslået i diagrammet giver en spændingsforstærkning på ca. 28 gange.

Som vi lærte af vores tidligere diskussioner, er en lille ulempe ved magt-MOSFET'er, at de bliver mindre effektive end BJT'er, når de kables gennem det traditionelle klasse B-outputtrin. Også den relative effektivitet af effekt-MOSFET'er bliver temmelig dårlig med kredsløb med høj effekt, der kræver gate / kilde spænding til at være af flere spændinger for høje kildestrømme.

Den maksimale udgangsspændingssving kan antages at være lig med forsyningsspændingen minus den maksimale gate til kildespænding for den enkelte transistor, og dette tillader bestemt en udgangsspændingssving, der kan være betydeligt lavere end den anvendte forsyningsspænding.

Et ligetil middel til at få en højere effektivitet ville være at dybest set inkorporere et par lignende MOSFET'er, der er fastgjort parallelt på tværs af hver af udgangstransistorer. Den højeste mængde strøm, der håndteres af hver udgangs-MOSFET, reduceres derefter groft med halvdelen, og den maksimale kilde til gate-spænding for hver MOSFET sænkes passende (sammen med en proportional vækst i forstærkerens udgangsspændingssving).

Imidlertid fungerer en lignende tilgang ikke, når den anvendes på bipolære enheder, og det skyldes hovedsageligt deres positiv temperaturkoefficient egenskaber. Hvis en bestemt udgang BJT begynder at trække for stor strøm end den anden (fordi ingen to transistorer vil have nøjagtigt den samme karakteristik), begynder den ene enhed at blive mere varm end den anden.

Denne øgede temperatur får BJT's emitter / basetærskelspænding til at blive reduceret, og som et resultat begynder den at forbruge en meget større del af udgangsstrømmen. Situationen får derefter transistoren til at blive varmere, og denne proces fortsætter uendeligt, indtil en af ​​udgangstransistoren begynder at håndtere hele belastningen, mens den anden forbliver inaktiv.

Denne form for problem kan ikke ses med MOSFET'er på grund af deres negative temperaturkoefficient. Når en MOSFET begynder at blive varmere, på grund af sin negative temperaturkoefficient begynder den stigende varme at begrænse strømmen gennem dens afløb / kilde.

Dette forskyder den overskydende strøm mod den anden MOSFET, som nu begynder at blive varmere, og på lignende måde får varmen strømmen igennem den til at reducere forholdsmæssigt.

Situationen skaber en afbalanceret strømandel og spredning på tværs af enhederne, hvilket gør forstærkeren meget effektiv og pålidelig. Dette fænomen tillader også MOSFET'er skal forbindes parallelt simpelthen ved at forbinde gate, kilde og drænledninger sammen uden meget beregninger eller bekymringer.

Strømforsyning til 120 watt MOSFET forstærker

Et passende designet strømforsyningskredsløb til MOSFET-forstærkeren på 120 watt er angivet ovenfor. Dette ligner meget strømforsyningskredsløbet til vores tidligere design.

Den eneste forskel er, at transformatorcentrets tapforsyning ved krydset mellem de to udjævningskondensatorer var oprindeligt blevet ignoreret. I dette eksempel er dette vant til at levere den midterste 0V jordforsyning, mens hovedjorden også tilsluttes ved dette kryds i stedet for til den negative forsyningsskinne.

Du kan finde sikringer, der installeres på tværs af både de positive og negative skinner. Effekten, som leveres af forstærkeren, afhænger i vid udstrækning af nettransformatorens specifikationer. For de fleste krav skulle en 35 - 0 - 35 volt 160VA toroidal strømforsyning faktisk være helt nok.

Hvis stereo-betjening foretrækkes, skal transformeren udskiftes med en tungere 300 VA transformer. Alternativt kunne isolerede strømforsyningsenheder bygges ved hjælp af 160VA transformer hver til hver kanal.

Dette tillader en forsyningsspænding på ca. 50 V ved stille forhold, selvom dette niveau ved fuld belastning kan falde til et meget lavere niveau. Dette gør det muligt at opnå et output på op til omkring 70 watt RMS via 8 ohm-højttalere.

Et afgørende punkt, der skal bemærkes, er, at 1N5402-dioderne, der anvendes i broensretteren, har en maksimal acceptabel strømværdi på 3 ampere. Dette kan være rigeligt for en enkelt kanals forstærker, men dette er muligvis ikke tilstrækkeligt til en stereoversion. For en stereoversion skal dioderne udskiftes med 6 ampere eller 6A4-dioder.

Printkortlayout

Du kan finde et fuldt udbygget printkort til opbygning af dit eget MOSFET-forstærkerkredsløb på 120 watt. De angivne 4 MOSFET-enheder skal tilsluttes med store finned-køleplader, som skal være mindst 4,5 grader Celsius pr. Watt.

Forholdsregler ved ledningsføring

• Sørg for at holde MOSFET pinout-terminalerne så korte som muligt, som ikke må være mere end 50 mm lange.
• Hvis du vil beholde dem lidt længere end dette, skal du sørge for at tilføje en modstand med lav værdi (kan være en 50 ohm 1/4 watt) med porten til hver af MOSFET'erne.
• Denne modstand vil reagere med MOSFET's indgangskapacitans og fungere som et lavpasfilter, hvilket sikrer en bedre frekvensstabilitet for højfrekvenssignalindgangen.
• Imidlertid kan disse modstande ved højfrekvente indgangssignaler medføre en vis indflydelse på outputydelsen, men dette kan faktisk være for lille og næppe mærkbar.
• Transistoren Tr6 består faktisk af to n-kanal MOSFET'er forbundet parallelt, det samme er for Tr7, som også har et par p-kanal MOSFET'er parallelt.
• For at implementere denne parallelle forbindelse er porten, afløbet, kilden til de respektive MOSFET-par simpelthen forbundet med hinanden, det er alt, det er så simpelt som det.
• Bemærk også, at kondensatoren C8 og modstanden R13 er installeret direkte på udgangsstikket og ikke samlet på printkortet.
• Måske er den mest effektive metode til opbygning af strømforsyningen ved hjælp af hard-ledninger, som for strømforsyningen, som det er gjort for den forrige forstærker. Ledningerne er meget de samme som for dette tidligere kredsløb.

Justeringer og indstillinger

1. Inden du tænder for det færdige forstærkerkredsløb, skal du sørge for nøje at undersøge hver af ledningerne flere gange.
2. Kontroller specifikt strømforsyningsledningerne og de relevante sammenkoblinger på tværs af udgangseffekt-MOSFET'erne.
3. Fejl omkring disse tilslutninger kan hurtigt føre til permanent skade på forstærkerenheden.
4. Du skal også udføre et par forudgående justeringer, før du tænder for det færdige kort.
5. Start med at dreje R11-forudindstillingen helt mod uret, og tilslut først en højttaler til enhedens output.
6. Derefter skal du i stedet for en højttaler tilslutte dit multimeter (indstillet til lavspændings DC-rækkevidde) sonder på tværs af forstærkerens udgangspunkter, og sørg for at det viser, at den lave hvilende udgangsspænding er tilgængelig.
7. Du kan finde, at måleren viser brøkspænding eller måske ikke er nogen spænding overhovedet, hvilket også er fint.
8. Hvis en stor DC-spænding er angivet af måleren, skal du straks slukke for forstærkeren og kontrollere igen for eventuelle fejl i ledningerne.

Konklusion

I ovenstående artikel har vi grundigt diskuteret de mange parametre, som spiller en afgørende rolle for at sikre en korrekt og optimal funktion af en effektforstærker.

Alle disse parametre er standard og kan derfor effektivt bruges og anvendes under design af ethvert MOSFET-forstærkerkredsløb, uanset watt- og spændingsspecifikationerne.

De forskellige egenskaber, der er beskrevet detaljeret vedrørende BJT- og MOSFET-enheder, kunne bruges af designeren til at implementere eller tilpasse et ønsket effektforstærkerkredsløb.