Entwurf von MOSFET-Leistungsverstärkerschaltungen - Erklärte Parameter

In diesem Beitrag diskutieren wir verschiedene Parameter, die beim Entwurf einer MOSFET-Leistungsverstärkerschaltung berücksichtigt werden müssen. Wir analysieren auch den Unterschied zwischen Bipolar Junction Transistors (BJT) und MOSFET-Eigenschaften und verstehen, warum MOSFETs für Leistungsverstärkeranwendungen besser geeignet und effizienter sind.

Beitrag von Daniel Schultz

Überblick

Bei der Auslegung eines Leistungsverstärkers wird im Bereich von berücksichtigt 10 bis 20 Watt Konstruktionen auf der Basis von integrierten Schaltkreisen oder ICs werden normalerweise aufgrund ihrer schlanken Größe und geringen Anzahl von Komponenten bevorzugt.

Für höhere Leistungsbereiche wird jedoch eine diskrete Konfiguration als viel bessere Wahl angesehen, da sie dem Konstrukteur eine höhere Effizienz und Flexibilität hinsichtlich der Auswahl der Leistungsabgabe bietet.

Früher waren Leistungsverstärker, die diskrete Teile verwendeten, von Bipolartransistoren oder den BJTs abhängig. Mit dem Aufkommen von anspruchsvolle MOSFETs BJTs wurden langsam durch diese fortschrittlichen MOSFETs ersetzt, um eine extrem hohe Ausgangsleistung und einen erstaunlich begrenzten Platz zu erzielen und Leiterplatten zu verkleinern.

Obwohl MOSFETs beim Entwurf mittelgroßer Leistungsverstärker als Overkill erscheinen können, können diese effektiv für jede Größe und Leistungsverstärkerspezifikation angewendet werden.

Nachteile der Verwendung von BJT in Leistungsverstärkern

Obwohl bipolare Geräte in High-End-Audio-Leistungsverstärkern sehr gut funktionieren, weisen sie einige Nachteile auf, die tatsächlich zur Einführung fortschrittlicher Geräte wie MOSFETs führten.

Der vielleicht größte Nachteil von Bipolartransistoren in Ausgangsstufen der Klasse B ist das Phänomen, das als Runaway-Situation bezeichnet wird.

BJTs enthalten einen positiven Temperaturkoeffizienten, und dies führt speziell zu einem Phänomen, das als thermisches Durchgehen bezeichnet wird und eine potenzielle Beschädigung der Leistungs-BJTs aufgrund von Überhitzung verursacht.

Die Abbildung oben links zeigt den wesentlichen Aufbau eines Standardtreibers und einer Ausgangsstufe der Klasse B, wobei TR1 wie eine gemeinsame Emittertreiberstufe und Tr2 zusammen mit Tr3 als komplementäre Emitterfolger-Ausgangsstufe verwendet werden.

Vergleich der Konfiguration der Ausgangsstufe des BJT- und MOSFET-Verstärkers

Funktion der Verstärkerendstufe

Um einen funktionierenden Leistungsverstärker zu entwerfen, ist es wichtig, seine Ausgangsstufe korrekt zu konfigurieren.

Das Ziel der Ausgangsstufe besteht hauptsächlich darin, eine Stromverstärkung bereitzustellen (die Spannungsverstärkung bleibt nicht größer als eins), damit die Schaltung die hohen Ausgangsströme liefern kann, die für den Betrieb eines Lautsprechers mit höherer Lautstärke erforderlich sind.

1. In Bezug auf das linke BJT-Diagramm oben arbeitet Tr2 während der positiven Ausgangszyklen wie eine Ausgangsstromquelle, während Tr3 den Ausgangsstrom während der negativen Ausgangshalbzyklen liefert.
2. Die Grundkollektorlast für eine BJT-Treiberstufe ist mit einer Konstantstromquelle ausgelegt, die im Gegensatz zu den mit einem einfachen Lastwiderstand erzielten Effekten eine verbesserte Linearität bietet.
3. Dies tritt aufgrund von Unterschieden in der Verstärkung (und der damit einhergehenden Verzerrung) auf, die auftreten, wenn ein BJT in einem weiten Bereich von Kollektorströmen arbeitet.
4. Das Anlegen eines Lastwiderstands in einer gemeinsamen Emitterstufe mit großen Ausgangsspannungsschwankungen kann zweifellos einen extrem großen Kollektorstrombereich und große Verzerrungen auslösen.
5. Durch das Anlegen einer Konstantstromlast werden Verzerrungen nicht vollständig beseitigt, da die Kollektorspannung natürlich schwankt und die Transistorverstärkung in gewissem Maße von der Kollektorspannung abhängen kann.
6. Da jedoch Verstärkungsschwankungen aufgrund von Schwankungen der Kollektorspannung eher gering sind, ist eine geringe Verzerrung von viel weniger als 1 Prozent durchaus erreichbar.
7. Die zwischen den Basen der Ausgangstransistoren angeschlossene Vorspannungsschaltung ist erforderlich, um die Ausgangstransistoren in die Position zu bringen, in der sie sich gerade auf der Leitschwelle befinden.
8. Sollte dies nicht der Fall sein, können kleine Schwankungen der Kollektorspannung von Tr1 die Ausgangstransistoren möglicherweise nicht in die Leitung bringen und ermöglichen möglicherweise keine Verbesserung der Ausgangsspannung!
9. Höhere Spannungsschwankungen am Kollektor von Tr1 können zu entsprechenden Änderungen der Ausgangsspannung führen. Dies würde jedoch wahrscheinlich die Start- und Endabschnitte jedes Halbzyklus der Frequenz verfehlen und zu ernsthaften „Überkreuzungsverzerrungen“ führen, wie sie normalerweise genannt werden.

Crossover-Verzerrungsproblem

Selbst wenn die Ausgangstransistoren auf die Leitungsschwelle gebracht werden, wird die Überkreuzungsverzerrung nicht vollständig beseitigt, da die Ausgangsvorrichtungen relativ geringe Verstärkungsbeträge aufweisen, während sie bei reduzierten Kollektorströmen arbeiten.

Dies liefert eine moderate, aber unerwünschte Art von Überkreuzungsverzerrung. Eine negative Rückkopplung könnte verwendet werden, um die Überkreuzungsverzerrung auf natürliche Weise zu überwinden. Um jedoch hervorragende Ergebnisse zu erzielen, ist es tatsächlich wesentlich, eine angemessen hohe Ruhevorspannung über den Ausgangstransistoren zu verwenden.

Es ist dieser große Vorspannungsstrom, der Komplikationen beim thermischen Durchgehen verursacht.

Der Vorspannungsstrom bewirkt ein Aufheizen der Ausgangstransistoren, und aufgrund ihres positiven Temperaturkoeffizienten führt dies zu einem Anstieg des Vorspannungsstroms, wodurch noch mehr Wärme und eine daraus resultierende weitere Erhöhung des Vorspannungsstroms erzeugt werden.

Diese positive Rückkopplung liefert somit einen allmählichen Anstieg der Vorspannung, bis die Ausgangstransistoren zu heiß werden und schließlich verbrannt werden.

Um sich dagegen zu schützen, wird die Vorspannungsschaltung durch ein eingebautes Temperaturerfassungssystem erleichtert, das die Vorspannung verlangsamt, falls eine höhere Temperatur erfasst wird.

Wenn sich der Ausgangstransistor erwärmt, wird die Vorspannungsschaltung daher von der erzeugten Wärme beeinflusst, die dies erfasst und einen daraus resultierenden Anstieg des Vorspannungsstroms stoppt. In der Praxis ist die Vorspannungsstabilisierung möglicherweise nicht ideal, und es können geringfügige Abweichungen auftreten. Eine ordnungsgemäß konfigurierte Schaltung weist jedoch normalerweise eine ausreichend ausreichende Vorspannungsstabilität auf.

Warum MOSFETs in Leistungsverstärkern effizienter arbeiten als BJTs

In der folgenden Diskussion werden wir versuchen zu verstehen, warum MOSFETs in Leistungsverstärkerdesigns im Vergleich zu BJTs besser funktionieren.

Ähnlich wie BJTs erfordern MOSFETs, wenn sie in einer Ausgangsstufe der Klasse B eingesetzt werden, auch a Vorwärtsvorspannung Crossover-Verzerrung zu überwinden. Da Leistungs-MOSFETs jedoch einen negativen Temperaturkoeffizienten bei Strömen von nahezu 100 Milliampere oder mehr (und einen leichten positiven Temperaturkoeffizienten bei niedrigeren Strömen) besitzen, ist ein weniger komplizierter Treiber und eine Ausgangsstufe der Klasse B möglich, wie in der folgenden Abbildung gezeigt .

Die thermisch stabilisierte Vorspannungsschaltung könnte durch einen Widerstand ersetzt werden, da die Temperatureigenschaften von Leistungs-MOSFETs eine eingebaute Wärmesteuerung des Vorspannungsstroms bei etwa 100 Milliampere beinhalten (was ungefähr der am besten geeignete Vorspannungsstrom ist).

Eine zusätzliche Herausforderung bei BJTs ist die relativ geringe Stromverstärkung von nur 20 bis 50. Dies kann für Verstärker mittlerer und hoher Leistung völlig unzureichend sein. Aus diesem Grund ist eine extrem leistungsstarke Fahrerstufe erforderlich. Der typische Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, a zu verwenden Darlington-Paare oder ein äquivalentes Design, um eine ausreichend hohe Stromverstärkung bereitzustellen, so dass der Einsatz einer Treiberstufe mit geringer Leistung ermöglicht wird.

Leistungs-MOSFETs, genau wie alle anderen FET-Gerät sind eher spannungsbetriebene als strombetriebene Geräte.

Die Eingangsimpedanz eines Leistungs-MOSFET ist typischerweise sehr hoch, was eine vernachlässigbare Eingangsstromaufnahme bei niedrigen Arbeitsfrequenzen ermöglicht. Bei hohen Arbeitsfrequenzen ist die Eingangsimpedanz jedoch aufgrund der relativ hohen Eingangskapazität von ungefähr 500 pf viel niedriger.

Selbst bei dieser hohen Eingangskapazität reicht ein Arbeitsstrom von kaum 10 Milliampere durch die Treiberstufe gerade noch aus, obwohl der Spitzenausgangsstrom etwa das Tausendfache dieser Größe betragen könnte.

Ein zusätzliches Problem bei bipolaren Leistungsgeräten (BJT) ist ihre etwas langsame Schaltzeit. Dies führt tendenziell zu einer Vielzahl von Problemen, wie z. B. durch Schwenken ausgelöste Verzerrungen.

Dies ist der Fall, wenn ein starkes Hochfrequenzsignal eine Schaltausgangsspannung von beispielsweise 2 Volt pro Mikrosekunde erfordern könnte, während die BJT-Ausgangsstufe möglicherweise eine Anstiegsrate von nur einem Volt pro Mikrosekunde zulässt. Natürlich wird der Ausgang Schwierigkeiten haben, eine anständige Wiedergabe des Eingangssignals zu liefern, was zu einer unvermeidbaren Verzerrung führt.

Eine schlechtere Anstiegsgeschwindigkeit kann einem Verstärker auch eine unerwünschte Leistungsbandbreite verleihen, wobei die höchste erreichbare Leistungsabgabe bei höheren Audiofrequenzen signifikant abfällt.

Phasenverzögerung und Schwingungen

Ein weiteres Problem ist die Phasenverzögerung, die über die Ausgangsstufe des Verstärkers mit hohen Frequenzen stattfindet und dazu führen kann, dass die Rückkopplung über das negative Rückkopplungssystem bei extrem hohen Frequenzen positiv statt negativ wird.

Sollte der Verstärker bei solchen Frequenzen eine ausreichende Verstärkung besitzen, kann der Verstärker in einen oszillierenden Modus übergehen, und ein Mangel an Stabilität wird weiterhin spürbar sein, selbst wenn die Verstärkung der Schaltung nicht ausreicht, um eine Oszillation auszulösen.

Dieses Problem könnte behoben werden, indem Elemente hinzugefügt werden, um den Hochfrequenzgang der Schaltung abzurollen, und indem Phasenkompensationselemente eingebaut werden. Diese Überlegungen verringern jedoch den Wirkungsgrad des Verstärkers bei hohen Eingangssignalfrequenzen.

MOSFETs sind schneller als BJTs

Bei der Entwicklung eines Leistungsverstärkers müssen wir berücksichtigen, dass die Schaltgeschwindigkeit von Leistungs-MOSFETs ist in der Regel etwa 50- bis 100-mal schneller als ein BJT. Daher können Komplikationen mit schlechterer Hochfrequenzfunktionalität leicht überwunden werden, indem MOSFETs anstelle von BJTs verwendet werden.

Es ist tatsächlich möglich, Konfigurationen ohne zu erstellen Frequenz- oder Phasenkompensation Teile behalten dennoch eine ausgezeichnete Stabilität bei und enthalten ein Leistungsniveau, das für Frequenzen beibehalten wird, die weit über dem Hochfrequenz-Audiolimit liegen.

Eine weitere Schwierigkeit bei bipolaren Leistungstransistoren ist der sekundäre Durchschlag. Dies bezieht sich auf eine Art spezifisches thermisches Durchgehen, das eine 'heiße Zone' innerhalb des Geräts erzeugt, die zu einem Kurzschluss zwischen seinen Kollektor- / Emitterstiften führt.

Um dies zu verhindern, muss der BJT ausschließlich in bestimmten Bereichen von Kollektorstrom und -spannung betrieben werden. Zu jedem Audioverstärkerschaltung Diese Situation impliziert normalerweise, dass die Ausgangstransistoren gezwungen sind, innerhalb ihrer thermischen Beschränkungen gut zu arbeiten, und die optimale Ausgangsleistung, die von den Leistungs-BJTs erhalten werden kann, wird somit signifikant reduziert, viel niedriger als ihre höchsten Verlustwerte tatsächlich zulassen.

Dank an Negativer Temperaturkoeffizient des MOSFET Bei hohen Drainströmen haben diese Geräte keine Probleme mit dem sekundären Durchschlag. Bei MOSFETs sind die maximal zulässigen Drainstrom- und Drainspannungsspezifikationen praktisch nur durch ihre Wärmeableitungsfunktionalität begrenzt. Daher eignen sich diese Geräte besonders gut für Hochleistungs-Audioverstärkeranwendungen.

MOSFET Nachteile

Trotz der obigen Tatsachen weist der MOSFET auch einige Nachteile auf, die relativ weniger zahlreich und unbedeutend sind. Anfänglich waren MOSFETs im Vergleich zu passenden Bipolartransistoren sehr teuer. Der Unterschied in den Kosten ist heutzutage jedoch viel kleiner geworden. Wenn man bedenkt, dass MOSFETs es ermöglichen, dass komplexe Schaltungen viel einfacher werden und eine indirekte signifikante Kostenreduzierung erfolgt, ist das BJT-Gegenstück trotz seiner geringen Kosten ziemlich trivial Etikett.

Leistungs-MOSFETs weisen häufig eine erhöhte Leistung auf Open-Loop-Verzerrung als BJTs. Leistungs-MOSFETs ermöglichen jedoch aufgrund ihrer hohen Verstärkung und schnellen Schaltgeschwindigkeiten die Verwendung eines hohen Niveaus negativer Rückkopplung über das gesamte Audiofrequenzspektrum und bieten ein beispielloses Ergebnis Verzerrung im geschlossenen Regelkreis Effizienz.

Ein zusätzlicher Nachteil von Leistungs-MOSFETs ist ihre geringere Effizienz im Vergleich zu BJTs, wenn sie in den Ausgangsstufen eines Standardverstärkers eingesetzt werden. Der Grund dafür ist eine Hochleistungs-Emitterfolgerstufe, die einen Spannungsabfall von etwa 1 Volt zwischen Eingang und Ausgang erzeugt, obwohl am Eingang / Ausgang einer Quellenfolgerstufe ein Verlust von einigen Volt auftritt. Es gibt keinen einfachen Ansatz, um dieses Problem zu lösen. Dies scheint jedoch eine geringfügige Verringerung der Effizienz zu sein, die nicht berücksichtigt werden sollte und ignoriert werden könnte.

Grundlegendes zum praktischen MOSFET-Verstärkerdesign

Die folgende Abbildung zeigt den Schaltplan einer Funktion 35 Watt Leistungs-MOSFET-Verstärker Schaltkreis. Mit Ausnahme der Anwendung des MOSFET in der Ausgangsstufe des Verstärkers sieht im Grunde alles wie ein sehr verbreitetes MOSFET-Verstärkerdesign aus.

• Tr1 ist als manipuliert gemeinsame Emitter-Eingangsstufe , direkt mit der Tr3-Common-Emitter-Treiberstufe verbunden. Beide Stufen bieten die Gesamtspannungsverstärkung des Verstärkers und weisen eine extrem große Gesamtverstärkung auf.
• Tr2 bildet zusammen mit seinen angebrachten Teilen einen einfachen Konstantstromgenerator mit einem Grenzausgangsstrom von 10 Milliampere. Dies funktioniert wie die Hauptkollektorlast für Tr3.
• R10 wird verwendet, um das Richtige festzustellen Ruhestrom Über die Ausgangstransistoren und wie zuvor erläutert, wird die thermische Stabilisierung für den Vorspannungsstrom in der Vorspannungsschaltung nicht wirklich erreicht, sondern von den Ausgangsvorrichtungen selbst geliefert.
• R8 liefert praktisch 100% Negative Rückmeldung vom Verstärkerausgang zum Tr1-Emitter, wodurch die Schaltung nur eine Spannungsverstärkung von eins erreicht.
• Die Widerstände R1, R2 und R4 arbeiten wie ein potentielles Teilernetzwerk, um die Eingangsstufe des Verstärkers und folglich auch den Ausgang auf ungefähr die Hälfte der Versorgungsspannung vorzuspannen. Dies ermöglicht den höchstmöglichen Ausgangspegel vor dem Abschneiden und dem Beginn einer kritischen Verzerrung.
• R1 und C2 werden wie eine Filterschaltung verwendet, die die Brummfrequenz und andere Formen von Potentialrauschen auf den Versorgungsleitungen daran hindert, über die Vorspannungsschaltung in den Verstärkereingang einzutreten.
• R3 und C5 wirken wie ein HF-Filter Dies verhindert, dass HF-Signale direkt vom Eingang zum Ausgang gelangen und hörbare Störungen verursachen. C4 hilft auch bei der Lösung des gleichen Problems, indem der Hochfrequenzgang des Verstärkers effektiv über die obere Audiofrequenzgrenze abgeschaltet wird.
• Um sicherzustellen, dass der Verstärker bei hörbaren Frequenzen eine gute Spannungsverstärkung erhält, ist dies unbedingt erforderlich Entkoppeln Sie das negative Feedback bis zu einem gewissen Grad.
• C7 erfüllt die Rolle des Entkopplungskondensator , während der Widerstand R6 die Menge der Rückkopplung begrenzt, die gereinigt wird.
• Die Schaltung ist Spannungsverstärkung wird ungefähr durch Teilen von R8 durch R6 oder ungefähr 20-mal (26 dB) mit den zugewiesenen Teilewerten bestimmt.
• Die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers beträgt 16 Volt RMS, was eine Eingangsempfindlichkeit von ungefähr 777 mV RMS ermöglicht, um eine volle Ausgangsleistung zu erzielen. Die Eingangsimpedanz kann mehr als 20k betragen.
• C3 und C8 werden als Eingangs- bzw. Ausgangskopplungskondensatoren verwendet. C1 ermöglicht die Entkopplung für den Versorgungsgleichstrom.
• R11 und C9 dienen ausschließlich dazu, die Stabilität des Verstärkers zu erleichtern und zu steuern, indem sie wie die gängigen arbeiten Zobel-Netzwerk , die häufig um die Ausgangsstufen der meisten Halbleiter-Leistungsverstärker-Designs herum zu finden sind.

Leistungsüberprüfung

Der Prototyp-Verstärker scheint unglaublich gut zu funktionieren, insbesondere erst, wenn wir das relativ einfache Design des Geräts bemerken. Die gezeigte MOSFET-Verstärker-Entwurfsschaltung gibt glücklich einen 35-Watt-Effektivwert an eine 8-Ohm-Last aus.

• Das Totale harmonische Verzerrung wird nicht mehr als etwa 0,05% sein. Der Prototyp wurde nur auf Signalfrequenzen um 1 kHz analysiert.
• Allerdings ist die Schaltung Open-Loop-Verstärkung wurde als praktisch konstant innerhalb des gesamten Audiofrequenzbereichs befunden.
• Das Frequenzgang mit geschlossenem Regelkreis wurde bei -2 dB mit ungefähr 20 Hz und 22 kHz Signalen gemessen.
• Der Verstärker Signal-Rausch-Verhältnis (ohne angeschlossenen Lautsprecher) war höher als die Zahl von 80 dB, obwohl tatsächlich die Möglichkeit einer winzigen Menge von besteht Hände summen von der Stromversorgung, die an den Lautsprechern erkannt wird, aber der Pegel ist möglicherweise zu klein, um unter normalen Bedingungen gehört zu werden.

Netzteil

Das obige Bild zeigt eine entsprechend konfigurierte Stromversorgung für das 35-Watt-MOSFET-Verstärkerdesign. Das Netzteil kann ausreichend leistungsfähig sein, um ein Mono- oder Stereomodell des Geräts zu handhaben.

Die Stromversorgung besteht tatsächlich aus ein paar effizienten Push-Pull-Gleichrichter- und Glättungsschaltungen, deren Ausgänge in Reihe geschaltet sind, um eine Gesamtausgangsspannung bereitzustellen, die dem doppelten Potential entspricht, das von einem einzelnen Gleichrichter und einer kapazitiven Filterschaltung angelegt wird.

Die Dioden D4, D6 und C10 bilden einen bestimmten Teil der Stromversorgung, während der zweite Abschnitt von D3, D5 und C11 geliefert wird. Jedes von diesen bietet etwas weniger als 40 Volt ohne angeschlossene Last und eine Gesamtspannung von 80 V ohne Last.

Dieser Wert kann auf ungefähr 77 Volt fallen, wenn der Verstärker durch ein Stereo-Eingangssignal mit einem Ruhezustand betätigt wird, und auf nur ungefähr 60 Volt, wenn zwei Verstärkerkanäle mit voller oder maximaler Leistung betrieben werden.

Konstruktionshinweise

Ein ideales PCB-Layout für den 35-Watt-MOSFET-Verstärker ist in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Dies ist für einen Kanal der Verstärkerschaltung vorgesehen, daher müssen natürlich zwei solcher Karten zusammengebaut werden, wenn ein Stereoverstärker erforderlich wird. Die Ausgangstransistoren sind sicherlich nicht auf der Leiterplatte angebracht, sondern über einem großen Lamellentyp.

Es ist nicht erforderlich, ein Glimmerisolationskit für die Transistoren zu verwenden, während diese auf dem Kühlkörper befestigt werden. Dies liegt daran, dass die MOSFET-Quellen direkt mit ihren Metalllaschen verbunden sind und diese Quellenstifte ohnehin miteinander verbunden bleiben müssen.

Da sie jedoch nicht vom Kühlkörper isoliert sind, kann es sehr wichtig sein, sicherzustellen, dass die Kühlkörper nicht mit verschiedenen anderen Teilen des Verstärkers in elektrischen Kontakt kommen.

Für eine Stereoimplementierung sollten die einzelnen Kühlkörper, die für ein Verstärkerpaar verwendet werden, nicht in elektrische Nähe zueinander gelangen dürfen. Verwenden Sie immer kürzere Kabel von maximal 50 mm, um die Ausgangstransistoren mit der Leiterplatte zu verbinden.

Dies ist besonders wichtig für die Leitungen, die mit den Gate-Anschlüssen der Ausgangs-MOSFETs verbunden sind. Aufgrund der Tatsache, dass Leistungs-MOSFETs bei hohen Frequenzen eine hohe Verstärkung aufweisen, können längere Leitungen das Stabilitätsverhalten des Verstärkers stark beeinträchtigen oder sogar eine HF-Schwingung auslösen, die wiederum eine dauerhafte Beschädigung der Leistungs-MOSFETs verursachen kann.

Allerdings fällt es Ihnen praktisch kaum schwer, das Design so vorzubereiten, dass diese Kabel effektiv kürzer gehalten werden. Es kann wichtig sein zu beachten, dass C9 und R11 außerhalb der Leiterplatte montiert sind und einfach über die Ausgangsbuchse in Reihe geschaltet sind.

Tipps zum Aufbau des Netzteils

Die Stromversorgungsschaltung wird durch Anwenden einer Punkt-zu-Punkt-Verkabelung aufgebaut, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Dies sieht eigentlich ziemlich selbsterklärend aus, es ist jedoch sichergestellt, dass die Kondensatoren C10 und C11 beider Typen aus einem Dummy-Tag bestehen. Falls dies nicht der Fall ist, kann es entscheidend sein, einen Tag-Strip zu verwenden, um einige Verbindungsports zu aktivieren. Ein Lötanhänger wird an einer bestimmten Befestigungsschraube von T1 befestigt, die einen Gehäuseanschlusspunkt für das Netz-Erdungskabel bietet.

Einstellungen und Einstellungen

1. Überprüfen Sie die Kabelverbindungen umfassend, bevor Sie das Netzteil einschalten, da Verdrahtungsfehler kostspielige Zerstörungen verursachen und mit Sicherheit gefährlich sein können.
2. Bevor Sie den Stromkreis einschalten, stellen Sie sicher, dass Sie R10 trimmen, um einen minimalen Widerstand zu erhalten (drehen Sie ihn vollständig gegen den Uhrzeigersinn).
3. Wenn FS1 vorübergehend herausgenommen und ein Multimeter zur Messung von 500 mA FSD über dem Sicherungshalter angebracht ist, muss bei eingeschaltetem Verstärker ein Messwert von ca. 20 mA auf dem Messgerät angezeigt werden (dies kann 40 mA sein, wenn Zweikanal-Stereo verwendet wird).
4. Falls Sie feststellen, dass der Zählerstand dieser Ausschaltung sofort erheblich unähnlich ist, überprüfen Sie die gesamte Verkabelung erneut. Im Gegenteil, wenn alles in Ordnung ist, bewegen Sie R10 langsam, um den Zählerstand auf einen Wert von 100 mA zu maximieren.
5. Wenn ein Stereoverstärker gewünscht wird, muss R10 über beide Kanäle angepasst werden, um die Stromaufnahme auf 120 mA zu bringen, und R10 im 2. Kanal muss fein abgestimmt werden, um den Stromverbrauch auf 200 mA zu erhöhen. Sobald diese abgeschlossen sind, ist Ihr MOSFET-Verstärker einsatzbereit.
6. Achten Sie beim Einrichten des Verstärkers äußerst darauf, keinen der Netzanschlüsse zu berühren.
7. Alle nicht abgedeckten Kabel oder Kabelverbindungen, die sich möglicherweise auf dem Netzpotential befinden, sollten ordnungsgemäß isoliert werden, bevor das Gerät an das Stromnetz angeschlossen wird.
8. Wie bei jedem mit Wechselstrom betriebenen Stromkreis sollte er natürlich in einem stabilen Schrank eingeschlossen sein, der nur mit Hilfe eines speziellen Schraubendrehers und anderer Instrumente abgeschraubt werden kann, um sicherzustellen, dass es keine schnellen Mittel gibt, um die Gefahr zu erreichen Netzkabel und Unfälle werden sicher beseitigt.

Teileliste für den 35-Watt-MOSFET-Leistungsverstärker

120-W-MOSFET-Verstärker-Anwendungsschaltung

Abhängig von den Netzteilspezifikationen ist das praktisch 120 Watt MOSFET-Verstärker Die Schaltung kann eine Ausgangsleistung im Bereich von etwa 50 und 120 Watt RMS in einen 8-Ohm-Lautsprecher einspeisen.

Dieses Design enthält auch MOSFETs in der Ausgangsstufe, um trotz der großen Einfachheit der Schaltung ein überlegenes Maß an Gesamtleistung bereitzustellen

Die gesamte harmonische Verzerrung des Verstärkers beträgt nicht mehr als 0,05%, jedoch nur, wenn die Schaltung nicht überlastet ist und das Signal-Rausch-Verhältnis 100 dB überlegen ist.

Grundlegendes zu MOSFET-Verstärkerstufen

Wie oben gezeigt, ist diese Schaltung unter Bezugnahme auf ein Hitachi-Layout ausgelegt. Im Gegensatz zum letzten Design verwendet diese Schaltung eine Gleichstromkopplung für den Lautsprecher und enthält eine doppelt symmetrische Stromversorgung mit einer mittleren 0 V und einer Erdungsschiene.

Diese Verbesserung beseitigt die Abhängigkeit von großen Ausgangskopplungskondensatoren sowie die Unterleistung bei der Niederfrequenzleistung, die dieser Kondensator erzeugt. Darüber hinaus ermöglicht dieses Layout der Schaltung auch eine anständige Fähigkeit zur Unterdrückung von Versorgungswelligkeiten.

Neben der DC-Kopplungsfunktion unterscheidet sich das Schaltungsdesign deutlich von dem im früheren Design verwendeten. Hier enthalten sowohl die Eingangs- als auch die Treiberstufe Differenzverstärker.

Die Eingangsstufe wird mit Tr1 und Tr2 konfiguriert, während die Treiberstufe von Tr3 und Tr4 abhängig ist.

Der Transistor Tr5 ist wie folgt konfiguriert Konstantstromkollektorlast für Tr4. Der Signalweg mittels des Verstärkers beginnt mit dem Eingangskopplungskondensator C1 zusammen mit dem HF-Filter R1 / C4. R2 wird zum Vorspannen des Verstärkereingangs auf der zentralen 0-V-Versorgungsspur verwendet.

Tr1 ist als effizientes a verdrahtet gemeinsamer Emitterverstärker Der Ausgang ist direkt mit Tr4 verbunden, das als gemeinsame Emittertreiberstufe verwendet wird. Ab dieser Stufe ist das Audiosignal mit Tr6 und Tr7 verbunden, die als komplementäre Ausgangsstufe für den Quellenfolger ausgelegt sind.

Das Negative Rückmeldung wird aus dem Verstärkerausgang extrahiert und mit der Tr2-Basis verbunden, und trotz der Tatsache, dass keine Signalinversion durch die Tr1-Basis zum Ausgang des Verstärkers erfolgt, besteht eine Inversion über die Tr2-Basis und den Ausgang. Dies liegt daran, dass Tr2, das wie ein Emitterfolger arbeitet, den Emitter von Tr1 perfekt antreibt.

Wenn ein Eingangssignal an den Tr1-Emitter angelegt wird, wirken die Transistoren erfolgreich wie a gemeinsame Grundstufe . Obwohl die Inversion nicht mittels Tr1 und Tr2 stattfindet, erfolgt die Inversion daher über Tr4.

Außerdem tritt keine Phasenänderung über die Ausgangsstufe auf, was bedeutet, dass der Verstärker und die Tr2-Basis dazu neigen, phasenverschoben zu sein, um die erforderliche erforderliche negative Rückkopplung auszuführen. Die im Diagramm vorgeschlagenen R6- und R7-Werte liefern eine Spannungsverstärkung von ungefähr dem 28-fachen.

Wie wir aus unseren vorherigen Diskussionen erfahren haben, besteht ein kleiner Nachteil von Leistungs-MOSFETs darin, dass sie weniger effizient als BJTs werden, wenn sie über eine herkömmliche Ausgangsstufe der Klasse B verdrahtet werden. Außerdem wird die relative Effizienz von Leistungs-MOSFETs bei Hochleistungsschaltungen, die erfordern, dass die Gate- / Source-Spannung für hohe Source-Ströme mehrere Spannungen aufweist, ziemlich schlecht.

Es kann angenommen werden, dass der maximale Ausgangsspannungshub gleich der Versorgungsspannung abzüglich der maximalen Gate-Source-Spannung des einzelnen Transistors ist, und dies ermöglicht sicherlich einen Ausgangsspannungshub, der erheblich niedriger sein kann als die angelegte Versorgungsspannung.

Ein einfaches Mittel, um eine höhere Effizienz zu erzielen, besteht darin, grundsätzlich ein paar ähnliche MOSFETs einzubauen, die parallel über jeden der Ausgangstransistoren geschaltet sind. Die höchste Strommenge, die von jedem Ausgangs-MOSFET verarbeitet wird, wird dann ungefähr um die Hälfte reduziert, und die maximale Source-Gate-Spannung jedes MOSFET wird angemessen verringert (zusammen mit einem proportionalen Wachstum des Ausgangsspannungshubs des Verstärkers).

Ein ähnlicher Ansatz funktioniert jedoch nicht, wenn er auf bipolare Geräte angewendet wird, und dies ist im Wesentlichen auf deren zurückzuführen positiver Temperaturkoeffizient Eigenschaften. Wenn ein bestimmter Ausgangs-BJT anfängt, übermäßigen Strom als der andere zu ziehen (weil keine zwei Transistoren genau identische Eigenschaften haben), wird ein Gerät heißer als das andere.

Diese erhöhte Temperatur führt dazu, dass die Emitter / Basis-Schwellenspannung des BJT verringert wird und infolgedessen ein viel größerer Teil des Ausgangsstroms verbraucht wird. Die Situation bewirkt dann, dass der Transistor heißer wird, und dieser Prozess wird unendlich fortgesetzt, bis einer der Ausgangstransistoren beginnt, die gesamte Last zu handhaben, während der andere inaktiv bleibt.

Diese Art von Problem kann bei Leistungs-MOSFETs aufgrund ihres negativen Temperaturkoeffizienten nicht gesehen werden. Wenn ein MOSFET aufgrund seines negativen Temperaturkoeffizienten heißer wird, beginnt die ansteigende Wärme, den Stromfluss durch seinen Drain / Source zu beschränken.

Dies verschiebt den überschüssigen Strom in Richtung des anderen MOSFET, der jetzt heißer wird, und in ähnlicher Weise bewirkt die Wärme, dass der Strom durch ihn proportional abnimmt.

Die Situation schafft einen ausgeglichenen Stromanteil und eine ausgeglichene Verlustleistung zwischen den Geräten, wodurch der Verstärker sehr effizient und zuverlässig arbeitet. Dieses Phänomen erlaubt auch MOSFETs sollen parallel geschaltet werden Einfach durch Verbinden von Gate-, Source- und Drain-Leitungen ohne große Berechnungen oder Bedenken.

Netzteil für 120 Watt MOSFET-Verstärker

Eine entsprechend ausgelegte Stromversorgungsschaltung für den 120-Watt-MOSFET-Verstärker ist oben angegeben. Dies ähnelt stark der Stromversorgungsschaltung für unser früheres Design.

Der einzige Unterschied bestand darin, dass die Mittenabgriffversorgung des Transformators an der Verbindungsstelle der beiden Glättungskondensatoren zunächst nicht berücksichtigt wurde. Für das vorliegende Beispiel ist dies gewohnt, die mittlere 0-V-Erdungsversorgung bereitzustellen, während die Netzerde anstelle der negativen Versorgungsschiene auch an dieser Verbindungsstelle angeschlossen wird.

Sie können feststellen, dass Sicherungen sowohl auf der positiven als auch auf der negativen Schiene installiert sind. Die vom Verstärker gelieferte Ausgangsleistung hängt weitgehend von den Spezifikationen des Netztransformators ab. Für die meisten Anforderungen sollte ein Ringkerntransformator mit 35 - 0 - 35 Volt und 160 VA eigentlich ausreichen.

Wenn Stereobetrieb bevorzugt wird, muss der Transformator durch einen schwereren 300 VA Transformator ersetzt werden. Alternativ könnten isolierte Netzteile mit jeweils 160 VA Transformator für jeden Kanal gebaut werden.

Dies ermöglicht eine Versorgungsspannung von ungefähr 50 V im Ruhezustand, obwohl dieser Pegel bei Volllast auf einen viel niedrigeren Pegel abfallen kann. Dies ermöglicht die Erfassung einer Leistung von bis zu 70 Watt RMS über 8-Ohm-Lautsprecher.

Ein entscheidender Punkt ist, dass die im Brückengleichrichter verwendeten 1N5402-Dioden einen maximal tolerierbaren Strom von 3 Ampere haben. Dies mag für einen Einkanalverstärker ausreichend sein, für eine Stereoversion jedoch möglicherweise nicht. Bei einer Stereo-Version müssen die Dioden durch 6-Ampere-Dioden oder 6A4-Dioden ersetzt werden.

Leiterplattenlayouts

Sie finden eine vollwertige Leiterplatte für den Aufbau Ihrer eigenen 120-Watt-MOSFET-Verstärkerschaltung. Die angegebenen 4 MOSFET-Bauelemente sollten mit großen Lamellenkühlkörpern ausgestattet sein, die eine Mindestleistung von 4,5 Grad Celsius pro Watt haben müssen.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Verkabelung

• Stellen Sie sicher, dass die MOSFET-Pinbelegungsklemmen so kurz wie möglich sind und nicht länger als etwa 50 mm sein dürfen.
• Wenn Sie sie etwas länger halten möchten, stellen Sie sicher, dass Sie dem Gate jedes der MOSFETs einen Widerstand mit niedrigem Wert (möglicherweise 50 Ohm 1/4 Watt) hinzufügen.
• Dieser Widerstand reagiert mit der Eingangskapazität des MOSFET und wirkt wie ein Tiefpassfilter, wodurch eine bessere Frequenzstabilität für den Hochfrequenzsignaleingang gewährleistet wird.
• Bei hochfrequenten Eingangssignalen können diese Widerstände jedoch einen gewissen Einfluss auf die Ausgangsleistung haben, dies kann jedoch tatsächlich zu klein und kaum wahrnehmbar sein.
• Der Transistor Tr6 besteht tatsächlich aus zwei parallel geschalteten n-Kanal-MOSFETs, ebenso wie Tr7, der auch einige p-Kanal-MOSFETs parallel hat.
• Um diese Parallelschaltung zu implementieren, werden Gate, Drain und Source der jeweiligen MOSFET-Paare einfach miteinander verbunden, das ist alles, was so einfach ist.
• Beachten Sie außerdem, dass der Kondensator C8 und der Widerstand R13 direkt auf der Ausgangsbuchse installiert und nicht auf der Platine montiert sind.
• Die wahrscheinlich effektivste Methode zum Aufbau der Stromversorgung ist die Festverdrahtung, wie bei der Stromversorgung wie beim vorherigen Verstärker. Die Verkabelung ist ähnlich wie bei dieser vorherigen Schaltung.

Anpassungen und Einstellungen

1. Überprüfen Sie vor dem Einschalten des fertigen Verstärkerschaltkreises jede einzelne Verkabelung mehrmals sorgfältig.
2. Überprüfen Sie insbesondere die Stromversorgungskabel und die entsprechenden Verbindungen zwischen den Ausgangsleistungs-MOSFETs.
3. Fehler an diesen Anschlüssen können schnell zu dauerhaften Schäden an der Verstärkereinheit führen.
4. Außerdem müssen Sie einige vorherige Anpassungen vornehmen, bevor Sie die fertige Karte einschalten.
5. Drehen Sie zunächst die Voreinstellung R11 vollständig gegen den Uhrzeigersinn und schließen Sie zunächst keinen Lautsprecher an den Ausgang des Geräts an.
6. Schließen Sie als Nächstes anstelle eines Lautsprechers Ihre Multimeter-Sonden (auf Niederspannungs-Gleichstrombereich eingestellt) an die Ausgangspunkte des Verstärkers an und stellen Sie sicher, dass die niedrige Ruheausgangsspannung verfügbar ist.
7. Möglicherweise zeigt das Messgerät eine gebrochene Spannung an oder es liegt überhaupt keine Spannung vor, was ebenfalls in Ordnung ist.
8. Wenn das Messgerät eine große Gleichspannung anzeigt, müssen Sie den Verstärker sofort ausschalten und erneut auf mögliche Fehler in der Verkabelung prüfen.

Fazit

Im obigen Artikel haben wir die vielen Parameter, die eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der korrekten und optimalen Funktion eines Leistungsverstärkers spielen, umfassend erörtert.

Alle diese Parameter sind Standardparameter und können daher beim Entwurf einer beliebigen MOSFET-Leistungsverstärkerschaltung unabhängig von den Leistungs- und Spannungsspezifikationen effektiv verwendet und angewendet werden.

Die verschiedenen Eigenschaften, die in Bezug auf BJT- und MOSFET-Bauelemente detailliert sind, könnten vom Konstrukteur verwendet werden, um eine gewünschte Leistungsverstärkerschaltung zu implementieren oder anzupassen.