Come progettare circuiti di amplificazione di potenza MOSFET - Spiegazione dei parametri

Prova Il Nostro Strumento Per Eliminare I Problemi





In questo post discutiamo vari parametri che devono essere considerati durante la progettazione di un circuito di amplificazione di potenza MOSFET. Analizziamo anche la differenza tra i transistor a giunzione bipolare (BJT) e le caratteristiche dei MOSFET e capiamo perché i MOSFET sono più adatti ed efficienti per le applicazioni di amplificatori di potenza.

Contributo di Daniel Schultz



Panoramica

Quando si progetta un amplificatore di potenza è considerato nella gamma di Da 10 a 20 watt , circuiti integrati o progetti basati su CI sono normalmente preferiti a causa delle loro dimensioni eleganti e del basso numero di componenti.



Tuttavia, per intervalli di potenza di uscita più elevati, una configurazione discreta è considerata una scelta molto migliore, poiché offrono maggiore efficienza e flessibilità per il progettista per quanto riguarda la selezione dell'uscita di potenza.

In precedenza, gli amplificatori di potenza che utilizzavano parti discrete dipendevano dai transistor bipolari o dai BJT. Tuttavia, con l'avvento di MOSFET sofisticati , I BJT sono stati lentamente sostituiti con questi MOSFET avanzati per ottenere una potenza di uscita estremamente elevata e uno spazio incredibilmente limitato e PCB ridimensionati.

Sebbene i MOSFET possano sembrare eccessivi per la progettazione di amplificatori di potenza di medie dimensioni, questi possono essere applicati efficacemente per qualsiasi dimensione e specifiche dell'amplificatore di potenza.

Svantaggi dell'utilizzo di BJT negli amplificatori di potenza

Sebbene i dispositivi bipolari funzionino molto bene negli amplificatori di potenza audio di fascia alta, includono alcuni svantaggi che hanno effettivamente portato all'introduzione di dispositivi avanzati come i MOSFET.

Forse il più grande svantaggio dei transistor bipolari negli stadi di uscita di Classe B è il fenomeno indicato come la situazione di fuga.

I BJT includono un coefficiente di temperatura positivo e questo in particolare dà origine a un fenomeno chiamato fuga termica, causando un potenziale danno ai BJT di potenza a causa del surriscaldamento.

La figura a sinistra in alto mostra la configurazione essenziale di un driver di classe B standard e di uno stadio di uscita, che impiega TR1 come un comune stadio di pilotaggio dell'emettitore e Tr2 insieme a Tr3 come stadio di uscita del follower dell'emettitore complementare.

Confronto tra BJT e configurazione dello stadio di uscita dell'amplificatore MOSFET

Funzione dello stadio di uscita dell'amplificatore

Per progettare un amplificatore di potenza funzionante, è importante configurare correttamente il suo stadio di uscita.

L'obiettivo dello stadio di uscita è principalmente quello di fornire l'amplificazione di corrente (il guadagno di tensione non è superiore all'unità) in modo che il circuito possa fornire le correnti di uscita elevate essenziali per pilotare un altoparlante a un livello di volume più alto.

  1. Facendo riferimento al diagramma BJT sul lato sinistro sopra, Tr2 funziona come una sorgente di corrente di uscita durante i cicli di uscita ad andamento positivo mentre Tr3 fornisce la corrente di uscita durante i semicicli di uscita negativi.
  2. Il carico di base del collettore per uno stadio driver BJT è progettato con una sorgente di corrente costante, che fornisce una maggiore linearità rispetto agli effetti ottenuti con un semplice resistore di carico.
  3. Ciò si verifica a causa delle differenze di guadagno (e distorsione di accompagnamento) che si verificano ogni volta che un BJT funziona all'interno di un'ampia gamma di correnti di collettore.
  4. L'applicazione di un resistore di carico all'interno di uno stadio emettitore comune con grandi oscillazioni della tensione di uscita può senza dubbio innescare un intervallo di corrente del collettore estremamente ampio e grandi distorsioni.
  5. L'applicazione di un carico di corrente costante non elimina completamente la distorsione, perché la tensione del collettore fluttua naturalmente e il guadagno del transistor potrebbe dipendere in una certa misura dalla tensione del collettore.
  6. Tuttavia, poiché le fluttuazioni del guadagno dovute alle variazioni di tensione del collettore tendono ad essere piuttosto minori, è possibile ottenere una bassa distorsione molto inferiore all'1 percento.
  7. Il circuito di polarizzazione collegato tra le basi dei transistor di uscita è necessario per portare i transistor di uscita nella posizione in cui si trovano appena alla soglia di conduzione.
  8. Nel caso in cui ciò non avvenga, piccole variazioni nella tensione di collettore di Tr1 potrebbero non essere in grado di mettere in conduzione i transistor di uscita e potrebbero non consentire alcun tipo di miglioramento della tensione di uscita!
  9. Variazioni di tensione più elevate sul collettore di Tr1 potrebbero generare variazioni corrispondenti nella tensione di uscita, ma questo probabilmente perderebbe le parti di inizio e fine di ogni semiciclo della frequenza, dando origine a una grave 'distorsione di crossover' come viene normalmente chiamata.

Problema di distorsione crossover

Anche se i transistor di uscita vengono portati alla soglia di conduzione non rimuove completamente la distorsione di crossover poiché i dispositivi di uscita presentano quantità di guadagno relativamente piccole mentre funzionano a correnti di collettore ridotte.

Ciò fornisce un tipo moderato ma indesiderabile di distorsione crossover. Il feedback negativo potrebbe essere utilizzato per battere la distorsione del crossover in modo naturale, tuttavia per ottenere risultati eccellenti è effettivamente essenziale impiegare una polarizzazione di quiescenza ragionevolmente alta sui transistor di uscita.

È questa grande corrente di polarizzazione che causa complicazioni con la fuga termica.

La corrente di polarizzazione provoca il riscaldamento dei transistor di uscita e, a causa del loro coefficiente di temperatura positivo, ciò fa aumentare la corrente di polarizzazione, generando ancora più calore e un conseguente ulteriore aumento della corrente di polarizzazione.

Questo feedback positivo fornisce quindi un aumento graduale della polarizzazione fino a quando i transistor di uscita diventano troppo caldi e alla fine vengono bruciati.

Nel tentativo di proteggersi da ciò, il circuito di polarizzazione è facilitato da un sistema di rilevamento della temperatura integrato, che rallenta il bias nel caso in cui venga rilevata una temperatura più elevata.

Pertanto, quando il transistor di uscita si riscalda, il circuito di polarizzazione viene influenzato dal calore generato, che lo rileva e interrompe qualsiasi conseguente aumento della corrente di polarizzazione. In pratica, la stabilizzazione del bias potrebbe non essere l'ideale e potresti trovare piccole variazioni, tuttavia, un circuito configurato correttamente può normalmente mostrare una stabilità del bias abbastanza sufficiente.

Perché i MOSFET funzionano in modo più efficiente dei BJT negli amplificatori di potenza

Nella seguente discussione cercheremo di capire perché i MOSFET funzionano meglio nei progetti di amplificatori di potenza, rispetto ai BJT.

Analogamente ai BJT, se impiegati in uno stadio di uscita di Classe B, anche i MOSFET richiedono a polarizzazione in avanti per superare la distorsione crossover. Detto questo, poiché i MOSFET di potenza possiedono un coefficiente di temperatura negativo a correnti prossime a 100 milliampere o più (e un coefficiente di temperatura leggermente positivo a correnti inferiori), consente un driver di Classe B e uno stadio di uscita meno complicati, come mostrato nella figura seguente .

Il circuito di polarizzazione stabilizzato termicamente potrebbe essere sostituito con un resistore perché le caratteristiche di temperatura dei MOSFET di potenza incorporano un controllo termico integrato della corrente di polarizzazione a circa 100 milliampere (che è approssimativamente la corrente di polarizzazione più adatta).

Un'ulteriore sfida sperimentata con i BJT è il guadagno di corrente piuttosto basso compreso tra 20 e 50. Questo può essere abbastanza insufficiente per amplificatori di media e alta potenza. Per questo motivo richiede uno stadio driver estremamente potente. L'approccio tipico per risolvere questo problema consiste nell'utilizzare un file Coppie di Darlington o un progetto equivalente per fornire un guadagno di corrente sufficientemente elevato, in modo da consentire l'impiego di uno stadio di pilotaggio a bassa potenza.

MOSFET di potenza, proprio come qualsiasi altro Dispositivo FET , tendono ad essere dispositivi azionati in tensione piuttosto che azionati in corrente.

L'impedenza di ingresso di un MOSFET di potenza è tipicamente molto alta, il che consente un assorbimento di corrente di ingresso trascurabile con basse frequenze di lavoro. Tuttavia, ad alte frequenze di lavoro l'impedenza di ingresso è molto più bassa a causa della capacità di ingresso relativamente elevata di circa 500 pf.

Anche con questa elevata capacità di ingresso, una corrente di appena 10 milliampere diventa appena sufficiente attraverso lo stadio driver, sebbene la corrente di uscita di picco potrebbe essere circa mille volte questa quantità.

Un ulteriore problema con i dispositivi di alimentazione bipolare (BJT) è il loro tempo di commutazione piuttosto lento. Questo tende a creare una serie di problemi, come la distorsione innescata da slew.

Questo è quando un potente segnale ad alta frequenza potrebbe richiedere una tensione di uscita di commutazione di diciamo 2 volt per microsecondo, mentre lo stadio di uscita BJT può eventualmente consentire una velocità di variazione di solo un volt per microsecondo. Naturalmente, l'uscita farà fatica a fornire una riproduzione decente del segnale in ingresso, portando a una distorsione inevitabile.

Una velocità di variazione inferiore può anche fornire a un amplificatore una larghezza di banda di potenza indesiderabile, con la massima potenza di uscita ottenibile che cala in modo significativo alle frequenze audio più elevate.

Ritardo di fase e oscillazioni

Un'altra preoccupazione è il ritardo di fase che si verifica tramite lo stadio di uscita dell'amplificatore con le alte frequenze e che potrebbe far sì che il feedback sul sistema di feedback negativo si trasformi in positivo invece che negativo a frequenze estremamente alte.

Se l'amplificatore possiede un guadagno suf fi ciente a tali frequenze, l'amplificatore potrebbe entrare in una modalità oscillante e la mancanza di stabilità continuerà ad essere evidente anche se il guadagno del circuito non è sufficiente per innescare un'oscillazione.

Questo problema potrebbe essere corretto aggiungendo elementi per ridurre la risposta in alta frequenza del circuito e incorporando elementi di compensazione di fase. Tuttavia, queste considerazioni riducono l'efficienza dell'amplificatore ad alte frequenze del segnale di ingresso.

I MOSFET sono più veloci dei BJT

Durante la progettazione di un amplificatore di potenza dobbiamo ricordare che il velocità di commutazione dei MOSFET di potenza è generalmente da 50 a 100 volte più veloce di un BJT. Pertanto, le complicazioni con una funzionalità inferiore ad alta frequenza possono essere facilmente superate utilizzando MOSFET invece di BJT.

In realtà è possibile creare configurazioni senza compensazione di frequenza o fase le parti mantengono comunque un'eccellente stabilità e includono un livello di prestazioni che viene mantenuto per frequenze ben oltre il limite dell'audio ad alta frequenza.

Un'altra difficoltà riscontrata con i transistor di potenza bipolari è il guasto secondario. Ciò si riferisce a una sorta di fuga termica specifica che crea una 'zona calda' all'interno del dispositivo che si traduce in un cortocircuito tra i suoi pin collettore / emettitore.

Per garantire che ciò non accada, il BJT deve essere azionato esclusivamente all'interno di intervalli specifici di corrente e tensione del collettore. A qualsiasi circuito amplificatore audio questa situazione di solito implica che i transistori di uscita siano costretti a lavorare bene all'interno dei loro vincoli termici, e la potenza di uscita ottimale ottenibile dai BJT di potenza viene così notevolmente ridotta, molto inferiore ai loro valori di dissipazione massimi effettivamente consentiti.

Grazie a Coefficiente di temperatura negativa del MOSFET a correnti di drenaggio elevate questi dispositivi non presentano problemi di guasto secondario. Per i MOSFET, la massima corrente di drain consentita e le specifiche della tensione di drain sono praticamente limitate dalla loro funzionalità di dissipazione del calore. Pertanto, questi dispositivi diventano particolarmente adatti per applicazioni di amplificatori audio ad alta potenza.

Svantaggi del MOSFET

Nonostante i fatti di cui sopra, i MOSFET presentano anche alcuni inconvenienti, che sono relativamente meno numerosi e insignificanti. Inizialmente i MOSFET erano molto costosi rispetto ai transistor bipolari corrispondenti. Tuttavia, la differenza nel costo è diventata molto più piccola oggigiorno Se consideriamo il fatto che i MOSFET rendono possibile che circuiti complessi diventino molto più semplici e una significativa riduzione indiretta del costo, rende la controparte BJT abbastanza banale anche con il suo basso costo etichetta.

I MOSFET di potenza spesso presentano un aumento distorsione ad anello aperto rispetto ai BJT. Tuttavia, a causa del loro alto guadagno e delle velocità di commutazione rapide, i MOSFET di potenza consentono l'uso di un alto livello di feedback negativo su tutto lo spettro di frequenze audio, offrendo ineguagliabili distorsione a circuito chiuso efficienza.

Un ulteriore svantaggio dei MOSFET di potenza è la loro minore efficienza rispetto ai BJT quando vengono impiegati negli stadi di uscita di un amplificatore standard. La ragione di ciò è uno stadio inseguitore di emettitore ad alta potenza che genera una caduta di tensione fino a circa 1 volt tra l'ingresso e l'uscita, sebbene esista una perdita di alcuni volt attraverso l'ingresso / uscita di uno stadio inseguitore di sorgente. Non esiste un approccio facile per risolvere questo problema, tuttavia questa sembra essere una piccola riduzione dell'efficienza, che non dovrebbe essere presa in considerazione e potrebbe essere ignorata.

Comprensione di un pratico progetto di amplificatore MOSFET

La figura seguente mostra lo schema del circuito di un funzionale Amplificatore MOSFET da 35 watt circuito. Ad eccezione dell'applicazione del MOSFET nello stadio di uscita dell'amplificatore, tutto sembra fondamentalmente come un progetto di amplificatore MOSFET molto comune.

  • Tr1 è truccato come un file stadio di ingresso emettitore comune , collegato direttamente allo stadio driver emettitore comune Tr3. Entrambi questi stadi offrono il guadagno di tensione totale dell'amplificatore e includono un guadagno totale estremamente ampio.
  • Tr2 insieme alle sue parti collegate creano un semplice generatore di corrente costante che ha una corrente di uscita marginale di 10 milliampere. Funziona come il carico del collettore principale per Tr3.
  • R10 viene utilizzato per stabilire il corretto corrente di polarizzazione quiescente tramite i transistor di uscita e, come discusso in precedenza, la stabilizzazione termica per la corrente di polarizzazione non è realmente realizzata nel circuito di polarizzazione, ma piuttosto è fornita dai dispositivi di uscita stessi.
  • R8 offre praticamente il 100% feedback negativo dall'uscita dell'amplificatore all'emettitore Tr1, consentendo al circuito di raggiungere un guadagno di tensione unitario.
  • I resistori R1, R2 e R4 funzionano come un potenziale divisore di rete per polarizzare lo stadio di ingresso dell'amplificatore, e di conseguenza anche l'uscita, a circa metà della tensione di alimentazione. Ciò consente il massimo livello di uscita ottenibile prima del clipping e dell'inizio della distorsione critica.
  • R1 e C2 sono usati come un circuito di filtro che annulla la frequenza del ronzio e altre forme di potenziali rumori sulle linee di alimentazione che entrano nell'ingresso dell'amplificatore tramite il circuito di polarizzazione.
  • R3 e C5 si comportano come un file Filtro RF che impedisce ai segnali RF di rompersi dall'ingresso all'uscita, causando disturbi udibili. C4 aiuta anche a risolvere lo stesso problema spostando la risposta in alta frequenza dell'amplificatore in modo efficace oltre il limite di frequenza audio superiore.
  • Per garantire che l'amplificatore ottenga un buon guadagno di tensione a frequenze udibili, diventa essenziale disaccoppia il feedback negativo in una certa misura.
  • C7 svolge il ruolo di condensatore di disaccoppiamento , mentre la resistenza R6 limita la quantità di feedback che viene ripulita.
  • Il circuito è guadagno di tensione è approssimativamente determinato dividendo R8 per R6, o circa 20 volte (26dB) con i valori della parte assegnati.
  • La tensione di uscita massima dell'amplificatore sarà di 16 volt RMS, che consente una sensibilità di ingresso di circa 777 mV RMS per ottenere un'uscita completa. L'impedenza di ingresso potrebbe essere superiore a 20k.
  • C3 e C8 sono impiegati rispettivamente come condensatori di accoppiamento di ingresso e di uscita. C1 abilita il disaccoppiamento per l'alimentazione DC.
  • R11 e C9 servono esclusivamente a facilitare e controllare la stabilità dell'amplificatore, funzionando come il popolare Rete Zobel , che si trovano spesso intorno agli stadi di uscita della maggior parte dei progetti di amplificatori di potenza a semiconduttore.

Analisi di performance

L'amplificatore prototipo sembra funzionare incredibilmente bene, in particolare solo dopo aver notato il design abbastanza semplice dell'unità. Il circuito di progettazione dell'amplificatore MOSFET mostrato produrrà felicemente un RMS di 35 watt in un carico di 8 ohm.

  • Il Distorsione Armonica Totale non sarà superiore allo 0,05% circa. Il prototipo è stato analizzato solo per frequenze di segnale intorno a 1 kHz.
  • Comunque il circuito è guadagno ad anello aperto è risultato essere praticamente costante all'interno dell'intera gamma di frequenze audio.
  • Il risposta in frequenza ad anello chiuso è stato misurato a -2 dB con segnali di circa 20 Hz e 22 kHz.
  • L'amplificatore rapporto segnale-rumore (senza un altoparlante collegato) era stata superiore alla cifra di 80 dB, anche se in realtà potrebbe esserci la possibilità di una piccola quantità di le mani ronzano dall'alimentatore che viene rilevato dagli altoparlanti, ma il livello potrebbe essere troppo piccolo per essere udito in condizioni normali.

Alimentazione elettrica

L'immagine sopra mostra un alimentatore configurato in modo appropriato per il design dell'amplificatore MOSFET da 35 watt. L'alimentatore può essere sufficientemente potente per gestire un modello mono o stereo dell'unità.

L'alimentatore è in realtà costituito da una efficiente coppia di raddrizzatori push-pull e circuiti di livellamento che hanno le loro uscite collegate in serie per fornire una tensione di uscita totale corrispondente al doppio del potenziale applicato da un singolo circuito raddrizzatore e filtro capacitivo.

I diodi D4, D6 e C10 costituiscono una parte particolare dell'alimentazione mentre la seconda sezione è fornita da D3, D5 e C11. Ognuno di questi offre poco meno di 40 volt senza un carico collegato e una tensione totale di 80 V senza carico.

Questo valore può scendere a circa 77 volt quando l'amplificatore è caricato da un segnale di ingresso stereo con uno stato di quiescenza operativo, e fino a circa 60 volt quando due canali dell'amplificatore vengono azionati a piena o massima potenza.

Suggerimenti per la costruzione

Un layout PCB ideale per l'amplificatore MOSFET da 35 watt è mostrato nelle figure seguenti.

Questo è inteso per un canale del circuito dell'amplificatore, quindi naturalmente due schede di questo tipo devono essere assemblate quando diventa necessario un amplificatore stereo. I transistor di uscita non sono certamente montati sul PCB, piuttosto su un tipo alettato di grandi dimensioni.

Non è necessario utilizzare il kit di isolamento in mica per i transistor fissandoli sul dissipatore. Questo perché le sorgenti MOSFET sono direttamente collegate alle loro linguette metalliche, e questi piedini sorgente devono comunque rimanere collegati tra loro.

Tuttavia, poiché non sono isolati dal dissipatore di calore, può essere veramente vitale assicurarsi che i dissipatori di calore non entrino in contatto elettrico con varie altre parti dell'amplificatore.

Inoltre, per un'implementazione stereo, i singoli dissipatori di calore impiegati per una coppia di amplificatori non dovrebbero essere messi in prossimità elettrica l'uno con l'altro. Assicurarsi sempre di utilizzare cavi più corti di un massimo di circa 50 mm per collegare i transistor di uscita con il PCB.

Ciò è particolarmente cruciale per i conduttori che si collegano ai terminali di gate dei MOSFET di uscita. A causa del fatto che i MOSFET di potenza hanno un guadagno elevato alle alte frequenze, i cavi più lunghi possono influenzare gravemente la risposta di stabilità dell'amplificatore, o addirittura innescare un'oscillazione RF che a sua volta può causare un danno permanente ai MOSFET di potenza.

Detto questo, praticamente non si possono trovare difficoltà nella preparazione del progetto per garantire che questi cavi siano effettivamente ridotti. Potrebbe essere importante notare che C9 e R11 sono montati all'esterno del PCB e sono semplicemente collegati in serie attraverso la presa di uscita.

Suggerimenti per la costruzione di alimentatori

Il circuito di alimentazione è realizzato applicando un cablaggio di tipo punto a punto, come indicato nella figura sottostante.

Questo in realtà sembra abbastanza autoesplicativo, tuttavia è garantito che i condensatori C10 e C11 entrambi i tipi siano costituiti da un tag fittizio. Nel caso in cui non lo siano, può essere fondamentale utilizzare un tag-strip per abilitare alcune porte di connessione. Un tag di saldatura è fissato a un particolare bullone di montaggio di T1, che offre un punto di connessione del telaio per il cavo di terra CA principale.

Regolazione e impostazioni

  1. Assicurarsi di esaminare in modo completo i collegamenti del cablaggio prima di accendere l'alimentazione, poiché gli errori di cablaggio potrebbero causare una distruzione costosa e potrebbero certamente essere pericolosi.
  2. Prima di accendere il circuito assicurarsi di regolare R10 per ottenere una resistenza minima (ruotare completamente in senso antiorario).
  3. Con FS1 momentaneamente estratto e un multimetro fissato per misurare 500mA FSD attaccato sopra il portafusibile, una lettura di circa 20mA deve essere vista sullo strumento mentre l'amplificatore è acceso (questo può essere 40mA quando si utilizza stereo a due canali).
  4. Nel caso in cui la lettura del contatore sia sostanzialmente dissimile da questa, scollegare immediatamente l'alimentazione e riesaminare l'intero cablaggio. Al contrario, se tutto va bene, spostare lentamente R10 per massimizzare la lettura del contatore fino a un valore di 100mA.
  5. Se si desidera un amplificatore stereo, R10 su entrambi i canali deve essere ottimizzato per ottenere l'assorbimento di corrente fino a 120 mA, quindi R10 nel 2 ° canale deve essere regolato per aumentare l'utilizzo di corrente a 200 mA. Una volta completati, il tuo amplificatore MOSFET è pronto per l'uso.
  6. Prestare estrema attenzione a non toccare nessuno dei collegamenti di rete CA durante le procedure di configurazione dell'amplificatore.
  7. Tutti i fili scoperti o le connessioni dei cavi che possono trovarsi al potenziale di rete CA devono essere adeguatamente isolati prima di collegare il dispositivo alla rete di alimentazione.
  8. Inutile dire che, come con ogni circuito azionato in CA, dovrebbe essere racchiuso in un armadio robusto che può essere svitato solo con l'aiuto di un cacciavite dedicato e altri set di strumenti, per garantire che non ci siano mezzi rapidi per raggiungere il pericoloso cablaggio di rete e gli incidenti vengono eliminati in modo sicuro.

Elenco delle parti per l'amplificatore di potenza MOSFET da 35 watt

Circuito di applicazione dell'amplificatore MOSFET da 120 W.

A seconda delle specifiche di alimentazione, il pratico Amplificatore MOSFET da 120 watt è in grado di offrire una potenza di uscita compresa tra circa 50 e 120 watt RMS in un altoparlante da 8 ohm.

Questo design incorpora anche MOSFET nello stadio di uscita per fornire un livello superiore di prestazioni complessive anche con la grande semplicità del circuito

La distorsione armonica totale dell'amplificatore non è superiore allo 0,05%, ma solo quando il circuito non è sovraccarico e il rapporto segnale / rumore è superiore a 100 dB.

Capire le fasi dell'amplificatore MOSFET

Come mostrato sopra, questo circuito è progettato con riferimento a un layout Hitachi. Contrariamente all'ultimo progetto, questo circuito utilizza l'accoppiamento CC per l'altoparlante e contiene un doppio alimentatore bilanciato con uno 0V centrale e una sbarra di terra.

Questo miglioramento elimina la dipendenza dai condensatori di accoppiamento di grande uscita, nonché le prestazioni inferiori nelle prestazioni a bassa frequenza generate da questo condensatore. Inoltre, questo layout consente anche al circuito una discreta capacità di reiezione dell'ondulazione di alimentazione.

Oltre alla funzione di accoppiamento CC, il progetto del circuito appare piuttosto diverso da quello utilizzato nel progetto precedente. Qui, sia lo stadio di ingresso che quello di driver incorporano amplificatori differenziali.

Lo stadio di ingresso è configurato utilizzando Tr1 e Tr2 mentre lo stadio di pilotaggio dipende da Tr3 e Tr4.

Il transistor Tr5 è configurato come un file carico corrente costante del collettore per Tr4. Il percorso del segnale tramite l'amplificatore inizia utilizzando il condensatore di accoppiamento di ingresso C1, insieme al filtro RF R1 / C4. R2 viene utilizzato per polarizzare l'ingresso dell'amplificatore sulla traccia di alimentazione 0V centrale.

Tr1 è cablato come un efficiente a amplificatore a emettitore comune che ha la sua uscita direttamente collegata a Tr4 che viene applicata come un comune stadio driver dell'emettitore. Da questo stadio in poi il segnale audio è collegato a Tr6 e Tr7 che sono configurati come stadio di uscita follower sorgente complementare.

Il feedback negativo viene estratto dall'uscita dell'amplificatore e collegato con la base Tr2, e nonostante il fatto che non ci sia inversione di segnale attraverso la base Tr1 all'uscita dell'amplificatore, esiste un'inversione tra la base Tr2 e l'uscita. È perché Tr2 funzionando come un inseguitore di emettitore guida perfettamente l'emettitore di Tr1.

Quando un segnale di ingresso viene applicato all'emettitore Tr1, i transistor agiscono correttamente come a stadio base comune . Pertanto, sebbene l'inversione non avvenga tramite Tr1 e Tr2, l'inversione avviene tramite Tr4.

Inoltre, il cambio di fase non avviene tramite lo stadio di uscita, il che significa che l'amplificatore e la base Tr2 tendono ad essere fuori fase per eseguire il feedback negativo richiesto. I valori R6 e R7 suggeriti nel diagramma forniscono un guadagno di tensione di circa 28 volte.

Come abbiamo appreso dalle nostre discussioni precedenti, un piccolo svantaggio dei MOSFET di potenza è che diventano meno ef fi cienti dei BJT quando sono cablati attraverso il tradizionale stadio di uscita di Classe B. Inoltre, l'efficienza relativa dei MOSFET di potenza diventa piuttosto negativa con circuiti ad alta potenza che richiedono che la tensione gate / source sia di diverse tensioni per correnti di sorgente elevate.

La massima oscillazione della tensione di uscita può essere assunta pari alla tensione di alimentazione meno la massima tensione gate to source del singolo transistor, e questo certamente consente un'oscillazione della tensione di uscita che può essere notevolmente inferiore alla tensione di alimentazione applicata.

Un modo semplice per ottenere una maggiore efficienza sarebbe fondamentalmente incorporare un paio di MOSFET simili collegati in parallelo su ciascuno dei transistor di uscita. La quantità massima di corrente gestita da ciascun MOSFET di uscita verrà quindi ridotta all'incirca della metà e la tensione massima da source a gate di ciascun MOSFET viene abbassata in modo appropriato (insieme a una crescita proporzionale dell'oscillazione della tensione di uscita dell'amplificatore).

Tuttavia, un approccio simile non funziona quando applicato a dispositivi bipolari, e questo è essenzialmente dovuto al loro coefficiente di temperatura positivo caratteristiche. Se una particolare uscita BJT inizia ad assorbire una corrente eccessiva rispetto all'altra (perché non ci sono due transistor che avranno caratteristiche esattamente identiche), un dispositivo inizia a surriscaldarsi più dell'altro.

Questo aumento della temperatura fa sì che la tensione di soglia dell'emettitore / base del BJT si riduca e di conseguenza inizia a consumare una porzione molto più grande della corrente di uscita. La situazione fa quindi surriscaldare il transistor e questo processo continua all'infinito finché uno dei transistor di uscita inizia a gestire tutto il carico, mentre l'altro rimane inattivo.

Questo tipo di problema non può essere visto con i MOSFET di potenza a causa del loro coefficiente di temperatura negativo. Quando un MOSFET inizia a diventare più caldo, a causa del suo coefficiente di temperatura negativo, il calore crescente inizia a limitare il flusso di corrente attraverso il suo drain / source.

Questo sposta la corrente in eccesso verso l'altro MOSFET che ora inizia a diventare più caldo, e in modo abbastanza simile il calore fa sì che la corrente attraverso di esso si riduca proporzionalmente.

La situazione crea una quota di corrente bilanciata e una dissipazione tra i dispositivi, rendendo l'amplificatore molto efficiente e affidabile. Questo fenomeno consente anche MOSFET da collegare in parallelo semplicemente unendo gate, source e drain porta insieme senza troppi calcoli o preoccupazioni.

Alimentatore per amplificatore MOSFET da 120 watt

Sopra è indicato un circuito di alimentazione progettato in modo appropriato per l'amplificatore MOSFET da 120 watt. Questo assomiglia molto al circuito di alimentazione del nostro progetto precedente.

L'unica differenza era che l'alimentazione della presa centrale del trasformatore alla giunzione dei due condensatori di livellamento era stata inizialmente ignorata. Per il presente esempio, questo è abituato a fornire l'alimentazione di terra a 0 V centrale, mentre la terra della rete si collega anche a questo punto di giunzione invece che alla barra di alimentazione negativa.

È possibile trovare fusibili installati su entrambi i binari positivo e negativo. La potenza erogata dall'amplificatore dipende in gran parte dalle specifiche del trasformatore di rete. Per la maggior parte dei requisiti, un trasformatore di rete toroidale da 35 - 0 - 35 volt 160VA dovrebbe essere effettivamente sufficiente.

Se funzionamento stereo è preferibile, il trasformatore dovrà essere sostituito con un trasformatore più pesante da 300 VA. In alternativa, è possibile realizzare alimentatori isolati utilizzando un trasformatore da 160 VA ciascuno per ogni canale.

Ciò consente una tensione di alimentazione di circa 50 V in condizioni di riposo, sebbene a pieno carico questo livello possa scendere a un livello molto inferiore. Ciò consente di acquisire un'uscita fino a circa 70 watt RMS tramite altoparlanti da 8 ohm.

Un punto cruciale da notare è che i diodi 1N5402 utilizzati nel raddrizzatore a ponte hanno una corrente nominale massima tollerabile di 3 ampere. Questo può essere sufficiente per un amplificatore a canale singolo, ma potrebbe non essere sufficiente per una versione stereo. Per una versione stereo i diodi devono essere sostituiti con diodi da 6 ampere o diodi da 6A4.

Layout PCB

Puoi trovare un PCB completo, per costruire il tuo circuito amplificatore MOSFET da 120 watt. I 4 dispositivi MOSFET indicati devono essere collegati con grandi dissipatori di calore alettati, che devono essere classificati a un minimo di 4,5 gradi Celsius per watt.

Precauzioni per il cablaggio

  • Assicurati di mantenere i terminali di pinout del MOSFET il più corti possibile, che non devono essere più lunghi di circa 50 mm.
  • Se vuoi tenerli un po 'più a lungo di questo, assicurati di aggiungere un resistore di basso valore (potrebbe essere un 50 ohm 1/4 watt) con il gate di ciascuno dei MOSFET.
  • Questo resistore risponderà con la capacità di ingresso del MOSFET e agirà come un filtro passa-basso, garantendo una migliore stabilità di frequenza per l'ingresso del segnale ad alta frequenza.
  • Tuttavia, con segnali di ingresso ad alta frequenza, questi resistori potrebbero produrre qualche effetto sulle prestazioni di uscita, ma questo potrebbe essere effettivamente troppo piccolo e difficilmente percettibile.
  • Il transistor Tr6 in realtà è costituito da due MOSFET a canale n collegati in parallelo, lo stesso vale per Tr7, che ha anche una coppia di MOSFET a canale p in parallelo.
  • Per implementare questa connessione parallela, il gate, il drain e il source delle rispettive coppie di MOSFET vengono semplicemente uniti l'uno con l'altro, tutto qui è così semplice.
  • Inoltre, tieni presente che il condensatore C8 e il resistore R13 sono installati direttamente sulla presa di uscita e non assemblati sul PCB.
  • Forse il metodo più efficace per costruire l'alimentatore è il cablaggio, come per l'alimentatore come per l'amplificatore precedente. Il cablaggio è più o meno lo stesso di questo circuito precedente.

Regolazioni e impostazioni

  1. Prima di accendere il circuito dell'amplificatore completo, assicurarsi di esaminare attentamente ogni singolo cablaggio più volte.
  2. Verificare in modo specifico il cablaggio di alimentazione e le relative interconnessioni tra i MOSFET di potenza in uscita.
  3. I guasti intorno a questi collegamenti potrebbero portare rapidamente a danni permanenti all'amplificatore.
  4. Inoltre, sarà necessario eseguire alcune regolazioni precedenti prima di accendere la scheda completata.
  5. Inizia ruotando il preset R11 completamente in senso antiorario e non collegare inizialmente un altoparlante all'uscita dell'unità.
  6. Quindi, invece di un altoparlante, collega le sonde del multimetro (impostato su un intervallo CC a bassa tensione) attraverso i punti di uscita dell'amplificatore e assicurati che mostri che è disponibile la bassa tensione di uscita a riposo.
  7. Potresti trovare il misuratore che mostra una tensione frazionaria o potrebbe non esserci alcun voltaggio, il che va bene.
  8. Nel caso in cui lo strumento indichi una tensione CC elevata, è necessario spegnere immediatamente l'amplificatore e ricontrollare eventuali errori nel cablaggio.

Conclusione

Nell'articolo sopra abbiamo discusso in modo esauriente i molti parametri che giocano un ruolo cruciale nel garantire il corretto e ottimale funzionamento di un amplificatore di potenza.

Tutti questi parametri sono standard e quindi possono essere utilizzati e applicati efficacemente durante la progettazione di qualsiasi circuito di amplificazione di potenza MOSFET, indipendentemente dalle specifiche di wattaggio e tensione.

Le diverse caratteristiche dettagliate per quanto riguarda i dispositivi BJT e MOSFET potrebbero essere utilizzate dal progettista per implementare o personalizzare un circuito amplificatore di potenza desiderato.




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