Hur man utformar MOSFET-förstärkarkretsar - förklarade parametrar

I det här inlägget diskuterar vi olika parametrar som måste beaktas vid utformningen av en MOSFET-effektförstärkarkrets. Vi analyserar också skillnaden mellan bipolära övergångstransistorer (BJT) och MOSFET-egenskaper och förstår varför MOSFETS är mer lämpliga och effektiva för effektförstärkartillämpningar.

Bidrag av Daniel Schultz

Översikt

Vid utformning av en effektförstärkare beaktas inom området 10 till 20 watt integrerade kretsar eller IC-baserade konstruktioner föredras normalt på grund av deras snygga storlek och låga komponentantal.

För högre uteffektområden anses emellertid en diskret konfiguration vara ett mycket bättre val, eftersom de erbjuder högre effektivitet och flexibilitet för designern när det gäller val av uteffekt.

Tidigare berodde effektförstärkare som använde diskreta delar på bipolära transistorer eller BJT. Men med tillkomsten av sofistikerade MOSFET , BJT ersattes långsamt med dessa avancerade MOSFET för att uppnå extremt hög effekt och otroligt begränsat utrymme och nedskalade PCB.

Även om MOSFET kan se ut som en överdrift för att utforma medelstora effektförstärkare, kan dessa användas effektivt för alla storlekar och effektförstärkarspecifikationer.

Nackdelar med att använda BJT i ​​effektförstärkare

Även om bipolära enheter fungerar extremt bra i avancerade ljudeffektförstärkare, innehåller de några nackdelar som faktiskt ledde till införandet av avancerade enheter som MOSFET.

Kanske är den största nackdelen med bipolära transistorer i utgångsstadier av klass B fenomenet som kallas den bortrivna situationen.

BJT inkluderar en positiv temperaturkoefficient och detta ger specifikt upphov till ett fenomen som kallas termisk utsläpp, vilket orsakar en potentiell skada på kraft-BJT på grund av överhettning.

Figuren till vänster ovan visar den väsentliga uppställningen av ett standardklass B-driv- och utgångssteg, där TR1 används som ett vanligt emitterdrivsteg och Tr2 tillsammans med Tr3 som det kompletterande utmatningssteget för emitterföljare.

Jämför BJT vs MOSFET Amplifier Output Stage Configuration

Funktion för förstärkarens utgångssteg

För att utforma en fungerande effektförstärkare är det viktigt att konfigurera dess utgångssteg korrekt.

Målet med utgångssteget är främst att tillhandahålla strömförstärkning (spänningsförstärkningen förblir inte mer än enhet) så att kretsen kan leverera de höga utströmmar som är nödvändiga för att driva en högtalare i högre volymnivå.

1. Med hänvisning till vänster BJT-diagram ovan fungerar Tr2 som en utgångsströmkälla under de positiva pågående utgångscyklerna medan Tr3 levererar utströmmen under de negativa utgångshalvcyklerna.
2. Den grundläggande kollektorbelastningen för ett BJT-drivsteg är utformad med en konstant strömkälla, vilket ger förbättrad linjäritet i motsats till effekterna som uppnås med ett enkelt belastningsmotstånd.
3. Detta inträffar på grund av skillnader i förstärkning (och medföljande förvrängning) som inträffar när en BJT arbetar inom ett brett spektrum av samlarströmmar.
4. Att applicera ett lastmotstånd inuti ett vanligt emittersteg med stora utgångsspänningssvängningar kan utan tvekan utlösa ett extremt stort kollektorströmområde och stora snedvridningar.
5. Tillämpningen av en konstant strömbelastning blir inte helt av med förvrängning, eftersom kollektorspänningen varierar naturligt och transistorförstärkningen kan till viss del bero på kollektorspänningen.
6. Eftersom förstärkningsfluktuationer på grund av kollektorspänningsvariationer tenderar att vara ganska små, är låg distorsion mycket lägre än 1 procent ganska uppnåelig.
7. Förspänningskretsen ansluten mellan baserna på utgångstransistorerna är nödvändig för att ta utgångstransistorerna till positionen där de är precis vid ledtröskeln.
8. Om detta inte händer kanske små variationer i kollektorspänningen för Tr1 inte kan få utgångstransistorerna i ledning och kanske inte möjliggöra någon form av förbättring av utspänningen!
9. Högre spänningsvariationer vid Tr1: s kollektor kan generera motsvarande förändringar i utspänningen, men detta skulle sannolikt missa start- och avslutningsdelarna för varje halvcykel av frekvensen, vilket ger upphov till allvarlig 'crossover distorsion' som det normalt kallas.

Crossover distorsionsfråga

Även om utgångstransistorerna tas till ledningströskeln, avlägsnas inte helt överkorsningsförvrängning eftersom utgångsenheterna uppvisar relativt små mängder förstärkning medan de fungerar vid reducerade samlarströmmar.

Detta ger en måttlig men oönskad typ av delningsförvrängning. Negativ återkoppling kan användas för att slå crossover-distorsion naturligt, men för att uppnå utmärkta resultat är det faktiskt viktigt att använda en ganska hög vilande förspänning över utgångstransistorerna.

Det är denna stora förspänningsström som orsakar komplikationer med termisk utsläpp.

Förspänningsströmmen orsakar uppvärmning av utgångstransistorerna, och på grund av deras positiva temperaturkoefficient orsakar detta förspänningsström att öka, genererar ännu mer värme och en resulterande ytterligare höjd i förspänningsströmmen.

Denna positiva återkoppling ger således en gradvis ökning av förspänningen tills utgångstransistorerna blir för heta och så småningom bränns.

I ett försök att skydda mot detta underlättas förspänningskretsen med ett inbyggt temperaturavkänningssystem som saktar upp förspänningen om högre temperatur upptäcks.

Eftersom utgångstransistorn värms upp påverkas därför förspänningskretsen av den alstrade värmen, som detekterar detta och stoppar all efterföljande uppsving i förspänningsströmmen. I praktiken kanske förspänningsstabiliseringen inte är perfekt och du kan hitta små variationer, men en korrekt konfigurerad krets kan normalt uppvisa en tillräckligt tillräcklig förspänningsstabilitet.

Varför MOSFET fungerar mer effektivt än BJT i ​​effektförstärkare

I följande diskussion kommer vi att försöka förstå varför MOSFET fungerar bättre i effektförstärkarkonstruktioner, jämfört med BJT.

I likhet med BJT kräver MOSFET även om de används i ett utgångssteg av klass B framåtförspänning för att övervinna crossover distorsion. Med detta sagt, eftersom effekt-MOSFET har en negativ temperaturkoefficient vid strömmar på nära 100 milliampere eller mer (och en liten positiv temperaturkoefficient i lägre strömmar) tillåter det ett mindre komplicerat klass B-driv- och utgångssteg, vilket visas i följande figur .

Den termiskt stabiliserade förspänningskretsen kan ersättas med ett motstånd eftersom temperaturegenskaperna för effekt-MOSFET innehåller en inbyggd termisk styrning av förspänningsströmmen vid cirka 100 milliampere (vilket är ungefär den bäst lämpade förspänningsströmmen).

En ytterligare utmaning som upplevs med BJT är den relativt låga strömförstärkningen på endast 20 till 50. Detta kan vara ganska otillräckligt för medelstora och höga effektförstärkare. På grund av detta kräver det ett extremt kraftfullt förarsteg. Det typiska tillvägagångssättet för att lösa problemet är att använda en Darlington par eller en motsvarande design för att ge en tillräckligt hög strömförstärkning, så att den möjliggör användning av ett lågeffektdrivsteg.

Driv MOSFET, precis som alla FET-enhet tenderar att vara spänningsstyrda enheter snarare än strömstyrda.

En effekt-MOSFETs ingångsimpedans är vanligtvis mycket hög vilket möjliggör försumbar ingångsström med låga arbetsfrekvenser. Vid höga arbetsfrekvenser är emellertid ingångsimpedansen mycket lägre på grund av den relativt höga ingångskapacitansen på cirka 500 pf.

Även med denna höga ingångskapacitans blir en arbetsström på knappt 10 milliampresser tillräckligt genom förarsteget, även om topputgångsströmmen kan vara cirka tusen gånger denna mängd.

Ett ytterligare problem med bipolära kraftenheter (BJT) är deras något tröga omkopplingstid. Detta tenderar att skapa en mängd olika problem, som t.ex. utlöst snedvriden distorsion.

Det är då en kraftfull högfrekvent signal kan kräva en växlingsutgångsspänning på låt oss säga 2 volt per mikrosekund, medan BJT-utgångssteget möjligen kan tillåta en svänghastighet på endast en volt per mikrosekund. Naturligtvis kommer utgången att kämpa för att leverera en anständig reproduktion av insignalen, vilket leder till en oundviklig distorsion.

En sämre svänghastighet kan också ge en förstärkare en oönskad effektbandbredd, med den högsta möjliga uteffekten som sjunker avsevärt vid högre ljudfrekvenser.

Fasfördröjning och svängningar

En annan oro är fasfördröjningen som sker via förstärkarens utgångssteg med höga frekvenser, och som kan få återkopplingen över det negativa återkopplingssystemet att bli positivt istället för negativt vid extremt höga frekvenser.

Om förstärkaren har tillräcklig förstärkning vid sådana frekvenser kan förstärkaren gå i ett oscillerande läge och brist på stabilitet kommer att fortsätta att märkas även om förstärkningen i kretsen inte är tillräcklig för att utlösa en svängning.

Det här problemet kan korrigeras genom att lägga till element för att avveckla kretsens högfrekventa svar och genom att inkludera faskompensationselement. Dessa överväganden minskar dock förstärkarens effektivitet vid höga insignalfrekvenser.

MOSFET är snabbare än BJT

När vi designar en effektförstärkare måste vi komma ihåg att växlingshastighet för MOSFET: er är i allmänhet 50 till 100 gånger snabbare än en BJT. Därför kan komplikationer med sämre högfrekvent funktionalitet lätt övervinnas genom att använda MOSFET istället för BJT.

Det är faktiskt möjligt att skapa konfigurationer utan några frekvens eller faskompensation delar upprätthåller ändå utmärkt stabilitet och inkluderar en prestandanivå som bibehålls för frekvenser långt över högfrekvent ljudgräns.

Ytterligare en svårighet med bipolära krafttransistorer är sekundär nedbrytning. Detta hänvisar till en typ av en specifik termisk runaway som skapar en 'het zon' i enheten som resulterar i en kortslutning över dess kollektor / emitterstift.

För att säkerställa att detta inte händer behöver BJT endast drivas inom specifika intervall för kollektorström och spänning. Till någon ljudförstärkarkrets denna situation innebär vanligtvis att utgångstransistorerna tvingas fungera väl inom sina värmebegränsningar, och den optimala uteffekten som kan erhållas från kraft-BJT: erna reduceras således avsevärt, mycket lägre än deras högsta avledningsvärden faktiskt tillåter.

Tack vare MOSFETs negativa temperaturkoefficient vid höga dräneringsströmmar har dessa enheter inte problem med sekundär nedbrytning. För MOSFET är den maximalt tillåtna avloppsströmmen och avloppsspänningsspecifikationerna praktiskt taget bara begränsade av deras värmeavledningsfunktion. Följaktligen blir dessa enheter särskilt väl lämpade för applikationer med hög effektljudförstärkare.

MOSFET Nackdelar

Trots ovanstående fakta har MOSFET också några nackdelar, som är relativt mindre i antal och obetydliga. Ursprungligen hade MOSFET varit mycket dyra jämfört med matchande bipolära transistorer. Skillnaden i kostnad har dock blivit mycket mindre nuförtiden När vi överväger det faktum att MOSFET gör det möjligt för komplexa kretsar att bli mycket enklare och en indirekt betydande minskning av kostnaden, gör BJT-motparten ganska trivial även med sin låga kostnad. märka.

Power MOSFETs har ofta en ökad öppen slinga förvrängning än BJT. På grund av deras höga förstärkning och snabba växlingshastigheter tillåter dock kraftfulla MOSFETs att använda en hög nivå av negativ återkoppling över hela ljudfrekvensspektrumet, vilket erbjuder enastående sluten kretsförvrängning effektivitet.

En ytterligare nackdel med MOSFET: er är deras lägre effektivitet jämfört med BJT när de används i utgångsstegen för standardförstärkare. Anledningen bakom detta är ett emitterföljningssteg med hög effekt som genererar ett spänningsfall så högt som cirka 1 volt mellan ingången och utgången, även om det finns en förlust på några volt över ingången / utgången på ett källföljarsteg. Det finns inget enkelt sätt att lösa detta problem, men detta verkar vara en liten minskning av effektiviteten, som inte bör beaktas och kan ignoreras.

Förstå en praktisk MOSFET-förstärkarsdesign

Bilden nedan visar kretsschemat för en funktion 35 watt MOSFET-förstärkare krets. Förutom MOSFETs applikation i förstärkarens utgångssteg ser allt i princip ut som en mycket vanlig MOSFET-förstärkarkonstruktion.

• Tr1 är riggad som en gemensamt emitterinmatningssteg , direkt ansluten till Tr3-sändarens gemensamma sändarsteg. Båda dessa steg erbjuder förstärkarens totala spänningsförstärkning och inkluderar en extremt stor total förstärkning.
• Tr2 tillsammans med dess bifogade delar skapar en enkel konstantströmsgenerator som har en marginal utström på 10 milliampere. Detta fungerar som huvuduppsamlarbelastningen för Tr3.
• R10 används för att fastställa rätt vilande förspänningsström via utgångstransistorerna, och som diskuterats tidigare, uppnås inte den termiska stabiliseringen för förspänningsströmmen egentligen i förspänningskretsen, utan den levereras snarare av utgångsenheterna själva.
• R8 levererar praktiskt taget 100% negativ feedback från förstärkarutgången till Tr1-sändaren, vilket möjliggör kretsen precis runt en enhetsspänningsförstärkning.
• Motstånden R1, R2 och R4 fungerar som ett potentiellt delningsnätverk för att förspänna förstärkarens ingångssteg, och följaktligen också utgången, till ungefär hälften av matningsspänningen. Detta möjliggör högsta möjliga utgångsnivå före klippning och kritisk distorsion.
• R1 och C2 används som en filterkrets som avbryter brumfrekvensen och andra former av potentiella ljud på matningsledningarna från att komma in i förstärkaringången via förspänningskretsen.
• R3 och C5 fungerar som en RF-filter vilket förhindrar att RF-signaler bryts direkt från ingång till utgång och orsakar hörbara störningar. C4 hjälper också till att lösa samma problem genom att rulla av förstärkarens högfrekventa svar effektivt över den övre ljudfrekvensgränsen.
• För att säkerställa att förstärkaren får en bra spänningsförstärkning vid hörbara frekvenser blir det viktigt att koppla bort den negativa återkopplingen i viss utsträckning.
• C7 fullgör rollen som frikopplingskondensator , medan R6-motståndet begränsar mängden återkoppling som rensas upp.
• Kretsen är spänningsförstärkning bestäms ungefär genom att dela R8 med R6, eller cirka 20 gånger (26dB) med de tilldelade delvärdena.
• Förstärkarens maximala utspänning är 16 volt RMS, vilket möjliggör en ingångskänslighet på ungefär 777mV RMS för att uppnå en full utgång. Ingångsimpedansen kan vara mer än 20k.
• C3 och C8 används som ingångs- och utgångskopplingskondensatorer. C1 möjliggör frikoppling för matningens DC.
• R11 och C9 tjänar uteslutande till att underlätta och kontrollera förstärkarens stabilitet genom att fungera som det populära Zobel-nätverk , som ofta finns runt utgångsstegen i de flesta halvledareffektförstärkarkonstruktioner.

Prestationsanalys

Prototypförstärkaren verkar fungera otroligt bra, speciellt bara när vi märker enhetens ganska enkla design. Den visade MOSFET-förstärkarens designkrets matar gärna en 35 W RMS till en 8 ohm belastning.

• De total harmonisk distorsion kommer inte att vara mer än cirka 0,05%. Prototypen analyserades endast för signalfrekvenser runt 1 kHz.
• Men kretsens öppen slinga förstärkning befanns vara praktiskt taget konstant inom hela ljudfrekvensområdet.
• De frekvenssvar med sluten slinga mättes vid -2 dB med cirka 20 Hz och 22 kHz signaler.
• Förstärkaren signal / brusförhållande (utan ansluten högtalare) hade varit högre än siffran 80 dB, men faktiskt kan det finnas en möjlighet till en liten mängd händer brumma från strömförsörjningen som upptäcks på högtalarna, men nivån kan vara för liten för att höra under normala förhållanden.

Strömförsörjning

Bilden ovan visar en korrekt konfigurerad strömförsörjning för MOSFET-förstärkarens design på 35 watt. Strömförsörjningen kan vara tillräckligt kraftfull för att hantera en mono- eller stereomodell av enheten.

Strömförsörjningen består faktiskt av ett effektivt par push-pull-likriktare och utjämningskretsar som har sina utgångar kopplade i serie för att ge en total utspänning motsvarande dubbelt så stor potential som en enskild likriktare och kapacitiv filterkrets tillför.

Dioderna D4, D6 och C10 utgör en viss del av strömförsörjningen medan den andra sektionen levereras av D3, D5 och C11. Var och en av dessa erbjuder något under 40 volt utan en ansluten belastning och en total spänning på 80 V avlastad.

Detta värde kan sjunka till cirka 77 volt när förstärkaren laddas av en stereoingångssignal med ett viloläge i drift, och till strax runt 60 volt när två förstärkarkanaler drivs med full eller maximal effekt.

Tips om konstruktion

En idealisk PCB-layout för MOSFET-förstärkaren på 35 watt visas i figurerna nedan.

Detta är avsett för en kanal i förstärkarkretsen, så naturligtvis måste två sådana kort monteras när en stereoförstärkare blir nödvändig. Utgångstransistorerna är verkligen inte monterade på kretskortet, snarare än en stor finnad typ.

Det är inte nödvändigt att använda glimmerisoleringssats för transistorerna medan du fäster dem på kylflänsen. Detta beror på att MOSFET-källorna är direkt anslutna till sina metallflikar, och dessa källstift måste ändå förbli anslutna till varandra.

Eftersom de inte är isolerade från kylflänsen kan det emellertid vara mycket viktigt att säkerställa att kylflänsarna inte kommer i elektrisk kontakt med olika andra delar av förstärkaren.

För en stereoimplementering bör de enskilda kylflänsarna som används för ett par förstärkare inte heller få komma i elektrisk närhet med varandra. Se alltid till att använda kortare ledningar på maximalt cirka 50 mm för att ansluta utgångstransistorerna med kretskortet.

Detta är särskilt viktigt för ledningarna som ansluter till portterminalerna på utgångsmosfeterna. På grund av det faktum att Power MOSFET har hög förstärkning vid höga frekvenser kan längre ledningar påverka förstärkarens stabilitetsrespons eller till och med utlösa en RF-svängning som i sin tur kan orsaka permanenta skador på effekt-MOSFET.

Med detta sagt kan du praktiskt taget inte hitta någon svårighet att förbereda designen för att säkerställa att dessa ledningar hålls kortare. Det kan vara viktigt att notera att C9 och R11 monteras utanför kretskortet och helt enkelt är seriekopplade över utgången.

Tips om konstruktion av strömförsörjning

Strömförsörjningskretsen byggs genom att använda en ledning från punkt till punkt, som anges i nedanstående bild.

Detta ser faktiskt ganska självförklarande ut. Ändå säkerställs att kondensatorerna C10 och C11 båda typerna består av en dummy-tagg. Om de inte är det kan det vara viktigt att använda en tag-strip för att möjliggöra några anslutningsportar. En lödbricka är fäst vid en speciell monteringsbult på T1, som erbjuder en chassianslutningspunkt för nätkabeln.

Justering och inställningar

1. Se till att du noggrant undersöker ledningsanslutningarna innan du slår på strömförsörjningen, eftersom ledningsfel kan orsaka kostsamma förstöringar och kan verkligen vara farligt.
2. Innan du slår på kretsen, se till att trimma R10 för att få minimalt motstånd (rotera i motsols riktning).
3. När FS1 tillfälligt tas ut och en multimeter fixerad för att mäta 500mA FSD ansluten över säkringshållaren måste en avläsning på cirka 20mA ses på mätaren medan förstärkaren är påslagen (detta kan vara 40mA när tvåkanals stereo används).
4. Om du tycker att mätaravläsningen är väsentligen olik den här stänger du av strömmen omedelbart och undersöker hela ledningarna igen. Tvärtom, om allt är bra, flytta långsamt R10 för att maximera mätaravläsningen upp till ett värde av 100 mA.
5. Om en stereoförstärkare önskas måste R10 tvärs över båda kanalerna justeras för att strömmen ska bli upp till 120 mA, sedan måste R10 i den andra kanalen finjusteras för att öka strömförbrukningen till 200 mA. När dessa har uppnåtts är din MOSFET-förstärkare redo att användas.
6. Var extra försiktig så att du inte rör vid någon av nätanslutningarna medan du gör inställningarna för förstärkaren.
7. Alla otäckta ledningar eller kabelanslutningar som kan vara vid nätströmspotentialen bör vara ordentligt isolerade innan enheten ansluts till elnätet.
8. Självfallet bör det, som med alla växelströmskretsar, vara inneslutet i ett robust skåp som bara kan skruvas loss med hjälp av dedikerad skruvmejsel och andra instrument för att säkerställa att det inte finns några snabba medel för att nå det farliga nätkablar och olyckor elimineras säkert.

Dellista för MOSFET-förstärkaren på 35 watt

120W MOSFET-applikationskrets för förstärkare

Beroende på specifikationerna för strömförsörjningen, det praktiska 120 W MOSFET-förstärkare kan erbjuda en uteffekt på cirka 50 och 120 watt RMS till en 8 ohm högtalare.

Denna design innehåller också MOSFET i utgångssteget för att ge en överlägsen nivå av total prestanda även med kretsens stora enkelhet

Förstärkarens totala harmoniska distorsion är inte mer än 0,05%, men bara när kretsen inte är överbelastad och signal / brusförhållandet är överlägset 100dB.

Förstå MOSFET-förstärkarstadier

Som visas ovan är denna krets utformad med hänvisning till en Hitachi-layout. I motsats till den senaste designen använder denna krets likströmskoppling för högtalaren och innehåller dubbelt balanserad strömförsörjning med en mellersta 0V och jordskena.

Denna förbättring blir av med beroendet av stora utgångskopplingskondensatorer, liksom underprestandan i lågfrekventa prestanda som kondensatorn genererar. Dessutom tillåter denna layout kretsen en anständig förmåga att avvisa försörjning av krusningar.

Förutom DC-kopplingsfunktionen verkar kretsdesignen ganska distinkt från den som användes i den tidigare designen. Här innehåller både ingångs- och drivsteg differentiella förstärkare.

Ingångssteget konfigureras med hjälp av Tr1 och Tr2 medan förarsteget är beroende av Tr3 och Tr4.

Transistor Tr5 är konfigurerad som en konstant strömfångarbelastning för Tr4. Signalvägen med hjälp av förstärkaren börjar med användning av ingångskopplingskondensator C1, tillsammans med RF-filtret R1 / C4. R2 används för att förspänna förstärkarens ingång på det centrala 0V-försörjningsspåret.

Tr1 är kopplad som en effektiv a vanlig emitterförstärkare som har sin utgång direkt ansluten till Tr4 som tillämpas som ett vanligt emitterdrivsteg. Från och med detta steg är ljudsignalen länkad till Tr6 och Tr7, vilka är riggade som kompletterande utgångssteg för källföljare.

De negativ feedback extraheras från förstärkarutgången och är ansluten till Tr2-basen, och trots att det inte finns någon signalinversion genom Tr1-basen till utgången från förstärkaren, finns det en inversion över Tr2-basen och utgången. Det beror på att Tr2 fungerar som en emitterföljare perfekt driver emittenten till Tr1.

När en ingångssignal matas till Tr1-sändaren fungerar transistorerna framgångsrikt som en gemensamt bassteg . Därför, även om inversionen inte sker med hjälp av Tr1 och Tr2, sker inversion genom Tr4.

Fasändring sker inte heller via utgångssteget, vilket innebär att förstärkaren och Tr2-basen tenderar att vara out-of-phase för att utföra den nödvändiga negativa återkopplingen. R6- och R7-värdena som föreslagits i diagrammet ger en spänningsförstärkning på cirka 28 gånger.

Som vi lärde oss av våra tidigare diskussioner är en liten nackdel med MOSFET: er att de blir mindre effektiva än BJT när de kopplas via traditionellt klass B-utgångssteg. Dessutom blir den relativa effektiviteten av kraft-MOSFET ganska dålig med högeffektkretsar som kräver grind / källspänning att ha flera spänningar för höga källströmmar.

Den maximala utgångsspänningssvingningen kan antas vara lika med matningsspänningen minus den maximala grind till källspänningen för den enskilda transistorn, och detta möjliggör säkert en utgångsspänningssvängning som kan vara betydligt lägre än den applicerade matningsspänningen.

Ett enkelt sätt att få högre effektivitet skulle vara att i grunden införliva ett par liknande MOSFETs fästa parallellt över var och en av utgångstransistorerna. Den högsta mängden ström som hanteras av varje utgång MOSFETs kommer sedan att reduceras ungefär med hälften, och den maximala källan till grindspänningen för varje MOSFET sänks på lämpligt sätt (tillsammans med en proportionell tillväxt i förstärkarens utgångsspänningssvängning).

Ett liknande tillvägagångssätt fungerar dock inte när det tillämpas på bipolära enheter, och detta beror huvudsakligen på deras positiv temperaturkoefficient egenskaper. Om en viss utgång BJT börjar dra överström än den andra (eftersom inga två transistorer kommer att ha exakt samma karaktäristik) börjar en enhet bli varmare än den andra.

Denna ökade temperatur gör att BJT: s emitter / baströskelspänning minskar och som ett resultat börjar den konsumera en mycket större del av utströmmen. Situationen får sedan transistorn att bli varmare, och denna process fortsätter oändligt tills en av utgångstransistorn börjar hantera all belastning, medan den andra förblir inaktiv.

Denna typ av problem kan inte ses med kraft-MOSFET på grund av deras negativa temperaturkoefficient. När en MOSFET börjar bli varmare, på grund av dess negativa temperaturkoefficient, börjar den tilltagande värmen att begränsa strömflödet genom avloppet / källan.

Detta förskjuter den överflödiga strömmen mot den andra MOSFET som nu börjar bli varmare, och på liknande sätt får värmen strömmen genom den att minska proportionellt.

Situationen skapar en balanserad strömdelning och avledning över enheterna vilket gör att förstärkaren fungerar mycket effektivt och pålitligt. Detta fenomen tillåter också MOSFET: er som ska anslutas parallellt helt enkelt genom att ansluta grind, källa och dräneringsledningar tillsammans utan mycket beräkningar eller bekymmer.

Strömförsörjning för 120 W MOSFET-förstärkare

En lämpligt utformad strömförsörjningskrets för MOSFET-förstärkaren på 120 watt anges ovan. Det här ser ut som strömförsörjningskretsen för vår tidigare design.

Den enda skillnaden var att transformatorns kranförsörjning vid korsningen mellan de två utjämningskondensatorerna ursprungligen hade ignorerats. För det aktuella exemplet är detta vant att tillhandahålla den mellersta 0V-jordförsörjningen, medan nätjorden också ansluts vid denna korsning istället för till den negativa matningsskenan.

Du kan hitta säkringar som installeras över både de positiva och de negativa skenorna. Effekten som levereras av förstärkaren beror till stor del på specifikationerna för transformatorn. För de flesta kraven borde en 35 - 0 - 35 volts 160VA toroidformad transformator vara tillräckligt.

Om stereodrift är att föredra kommer transformatorn att behöva bytas ut mot en tyngre 300 VA transformator. Alternativt kan isolerade nätaggregat byggas med 160VA transformator vardera för varje kanal.

Detta möjliggör en matningsspänning på cirka 50 V vid viloläge, även om den vid full belastning kan sjunka till en mycket lägre nivå. Detta möjliggör en effekt på upp till cirka 70 watt RMS som kan erhållas via 8 ohm-högtalare.

En avgörande punkt att notera är att 1N5402-dioderna som används i brygglikriktaren har en maximal tolerans på 3 ampere. Detta kan vara gott för en enstaka kanalförstärkare, men det är inte tillräckligt för en stereoversion. För en stereoversion måste dioderna bytas ut mot 6 amp-dioder eller 6A4-dioder.

PCB-layouter

Du kan hitta en fullfjädrad kretskort för att bygga din egen 120 W MOSFET-förstärkarkrets. De angivna 4 MOSFET-enheterna ska anslutas med stora flänsade kylflänsar, som måste vara nominella till minst 4,5 grader Celsius per watt.

Ledningsföreskrifter

• Se till att hålla MOSFET-uttagsterminalerna så korta som möjligt, som inte får vara mer än 50 mm långa.
• Om du vill behålla dem lite längre än så, se till att lägga till ett motstånd med lågt värde (kan vara en 50 ohm 1/4 watt) med porten till varje MOSFET.
• Detta motstånd svarar med MOSFET: s ingångskapacitans och fungerar som ett lågpassfilter, vilket säkerställer en bättre frekvensstabilitet för högfrekvenssignalingången.
• Men vid högfrekventa ingångssignaler kan dessa motstånd orsaka viss påverkan på utgångens prestanda, men det kan faktiskt vara för litet och knappast märkbart.
• Transistorn Tr6 består faktiskt av två n-kanals MOSFETs anslutna parallellt, samma är för Tr7, som också har ett par p-kanals MOSFETs parallellt.
• För att implementera denna parallella anslutning är porten, avloppet, källan till respektive MOSFET-par helt enkelt förenade med varandra, det är allt det är så enkelt som det.
• Observera också att kondensatorn C8 och motståndet R13 är installerade direkt på utgången och inte monterade på kretskortet.
• Kanske är den mest effektiva metoden för att bygga strömförsörjningen genom hårdkoppling, som för strömförsörjningen som gjord för den tidigare förstärkaren. Kablarna är ungefär desamma som för den här tidigare kretsen.

Justeringar och inställningar

1. Innan du slår på den färdiga förstärkarkretsen, se till att noggrant undersöka alla ledningar flera gånger.
2. Kontrollera specifikt strömförsörjningsledningarna och relevanta sammankopplingar över MOSFET: erna för uteffekt.
3. Fel kring dessa anslutningar kan snabbt leda till permanent skada på förstärkarenheten.
4. Du måste också utföra några tidigare justeringar innan du slår på det färdiga kortet.
5. Börja med att vrida R11-förinställningen helt moturs och anslut inte först en högtalare till enhetens utgång.
6. Därefter, istället för en högtalare, anslut din multimeter (inställd på lågspännings DC-intervall) sonder över förstärkarens utgångspunkter och se till att den visar att den låga vilande utspänningen är tillgänglig.
7. Det kan hända att mätaren visar bråkspänning eller inte alls, vilket också är bra.
8. Om mätaren anger en stor likspänning måste du omedelbart stänga av förstärkaren och kontrollera om eventuella fel i ledningarna är felaktiga.

Slutsats

I artikeln ovan har vi utförligt diskuterat de många parametrarna som spelar en avgörande roll för att säkerställa att en effektförstärkare fungerar korrekt och optimalt.

Alla dessa parametrar är standard och kan därför effektivt användas och tillämpas vid utformning av valfri MOSFET-effektförstärkarkrets, oavsett watt- och spänningsspecifikationer.

De olika egenskaper som beskrivs angående BJT- och MOSFET-enheter kan användas av konstruktören för att implementera eller anpassa en önskad effektförstärkarkrets.