Усилитель mosfet: Описание работы усилителя мощности звука на транзисторах MOSFET

Это не означает, что усилитель является неразрушимым (ни один усилитель не может успешно заявить об этом), но он гораздо более устойчив к сбоям, чем биполярный транзисторный усилитель, и для ограничения тока не требуется ничего, кроме пары стабилитронов. Сказав это, я все же рекомендую избегать короткого замыкания выходных выводов и т.п. — т.е. не испытывайте удачу)

Во время проектирования выяснилось, что компоновка печатной платы является абсолютно важной. Компоновка этого нового усилителя аналогична той, что использовалась в усилителе сабвуфера P68, и имеет некоторые важные преимущества.P68 не имеет права звучать так хорошо, как он есть, и, хотя он разработан для использования с сабвуфером, во время прослушивания и тестирования он показал, что он имеет очень низкий уровень искажений, несмотря на выходные каскады класса B. Все дорожки на печатной плате во входной секции и секции драйвера как можно короче, что сводит к минимуму вероятность захвата шума от других секций схемы, особенно шума / искажений, создаваемых током полуволнового сигнала, обрабатываемого каждым устройством вывода.

Этот усилитель на полевых МОП-транзисторах спроектирован так, чтобы быть максимально гибким, без вредных привычек.Действительно, он будет стабильно работать при напряжении питания от +/- 5 В (совершенно бессмысленно, но интересно) вплоть до абсолютного максимального напряжения питания ± 70 В. Единственное изменение, которое необходимо, — это обрезать потенциометр смещения MOSFET!

При полном напряжении питания ± 70 В (которое не должно быть превышено!), Непрерывная («RMS») мощность составляет около 180 Вт на 8 Ом или 250 Вт на 4 Ом. Кратковременная (или «музыкальная») мощность обычно составляет около 240 Вт на 8 Ом и 380 Вт на 4 Ом. Обратите внимание, что это в очень большой степени зависит от источника питания, а надежный источник питания является требованием для максимальной выходной мощности.Рекомендуемое напряжение питания ± 56 В.

Как уже отмечалось, если вам действительно не нужна максимально возможная мощность, я предлагаю вам использовать напряжение питания ± 56 В, полученное от трансформатора 40 + 40 В. Вы получите около 150 Вт на 8 Ом от этого напряжения питания, но вы также снизите требования, предъявляемые к полевым МОП-транзисторам и радиаторам. Разница между использованием ± 56 В и ± 65 В составляет менее 1 дБ — для дополнительного спокойствия и мягких требований к радиатору это очень небольшая цена.

Поскольку этот усилитель, вероятно, имеет большую мощность, чем вам обычно нужно, даже если вы немного сэкономите на трансформаторе, потери будут очень небольшими. Я должен прояснить одну вещь — это усилитель Hi-Fi. Он не предназначен для профессионального использования усилителя мощности, хотя это возможно, если напряжение питания снижено так, чтобы сохранялось как пиковое, так и длительное рассеивание независимо от того, насколько сильно работает усилитель. Хотя его вполне нормально использовать с сабвуфером, P68 лучше подходит для этой роли.

Стоит отметить, что усилитель с МОП-транзистором всегда будет производить меньше мощности, чем версия с биполярным транзистором, использующая то же напряжение питания. Даже использование вспомогательного источника питания будет иметь лишь небольшое значение (одна из причин, по которой я решил не добавлять дополнительную сложность). Можно ожидать, что биполярная конструкция с питанием ± 70 В даст мощность порядка 270 Вт на 8 Ом и более 500 Вт на 4 Ом. Указанные полевые МОП-транзисторы имеют номинальное напряжение Vds (напряжение насыщения, сток в источник) 12 В при полном токе, которое просто вычитается из значения постоянного напряжения питания.Использование источника питания ± 56 В с боковым усилителем MOSFET всегда будет давать меньшую мощность, чем можно получить при биполярной конструкции (измеренные значения см. Ниже).

Фотография готовой платы усилителя (ранняя версия)

На фото простота печатной платы. Полевые МОП-транзисторы устанавливаются под платой и закрепляются болтами так же, как и платы P3A и P68. Никакой другой монтаж не требуется. Штыри печатной платы или контакты из луженой медной проволоки используются в качестве точек крепления для линии заземления питания (зеленый провод вдоль переднего края), так что основные токопроводящие дорожки не были нарушены из-за прокладки отдельной дорожки (что потребовало бы сокращения размер положительной питающей шины).

Вся передняя часть находится между электролитическими крышками и намеренно сделана настолько компактной, насколько это возможно. Это улучшает характеристики, гарантируя отсутствие длинных дорожек для входного каскада, которые в противном случае могут улавливать шум, который может серьезно ухудшить звучание усилителя.

Характеристики этого усилителя таковы, что многие измерения очень трудны. Некоторые из наиболее простых измерений, как показано ниже, основаны на моих заказных трансформаторах, которые обеспечивают напряжение ± 65 В без нагрузки.За исключением выходной мощности (которая составит ~ 150 Вт на 8 Ом), цифры практически идентичны для источников питания ± 56 В …

В частности, цифры искажений показывают, что нагрузка усилителя вызывает только очень небольшие отклонения, при этом любые гармоники исходят преимущественно от моего звукового генератора. В форме сигнала искажения нет видимых или слышимых компонентов высокого порядка. Выходное сопротивление было измерено на полностью собранном усилителе, включая внутреннюю проводку. Это влечет за собой около 200 мм провода (на канал), поэтому выходное сопротивление самого усилителя, очевидно, ниже указанного.Для нагрузки 8 Ом коэффициент демпфирования на частоте 1 кГц составляет около 800 (8/10 миллиом), что, конечно, совершенно бессмысленно, поскольку любой провод динамика испортит это очень быстро.

Шум был измерен с разомкнутыми входами, и при -54 дБВ может выглядеть не очень хорошо, однако это число очень пессимистично. Помните, что это невзвешенное измерение с полосой пропускания, превышающей 100 кГц. Даже в этом случае отношение сигнал / шум (относящееся к полной мощности) невзвешенное 86 дБ, и усилитель совершенно бесшумный в обычных динамиках.Действительно, даже подключение наушников непосредственно к выходам усилителя показало, что шума не было слышно. Естественно, ваши методы строительства будут отличаться от моих, и вы не сможете получить такую ​​же производительность.

Интермодуляционные искажения невозможно измерить с помощью имеющегося у меня оборудования, но я приложил снимок экрана с тремя выполненными мною измерениями. Большая часть видимых гармоник (в любом случае их не так много) присутствует в двух генераторах, которые я использовал, а усилитель практически ничего не дает.

1 кГц + 2 кГц при + 30 дБВ на выходе (8 Ом)

1 кГц + 2 кГц при -25 дБВ Выход (8 Ом)

10 кГц + 12 кГц при +20 дБВ Выход (8 Ом)

Щелкните любое из изображений выше, чтобы просмотреть версию с полным разрешением.

Первое, что вы заметите, это то, что я нарушил традицию с этим усилителем, и не указаны значения компонентов. Учитывая производительность схемы и тот факт, что я уже продал пару готовых усилителей, я не собираюсь раскрывать все свои секреты дизайна.Если вам нужны значения компонентов, вы должны приобрести печатную плату. Есть и исключений, поэтому не спрашивайте.

Схема усилителя показана на рис. 1, и она настолько проста, насколько может получить мощный усилитель на полевых МОП-транзисторах — он значительно проще большинства, но не имеет никаких недостатков в производительности. Принципиальная схема опровергает возможности усилителя, поэтому не поддавайтесь соблазну думать, что он не может работать так же хорошо, как более сложные конструкции — он работает и превосходит характеристики многих (если не большинства) из них.Вы увидите, что я решил использовать исходный код начальной загрузки, а не активную версию — разница в стоимости незначительна, но я не хотел вносить столь радикальные изменения после тестирования прототипа и был так впечатлен результатами. (Если не сломано, не чините!)

Передний конец представляет собой обычную пару с длинным хвостом (LTP), использующую нагрузку зеркала тока и активный сток тока в «хвосте». Интересно, что добавление токового зеркала не повлияло на искажение, но уменьшило смещение постоянного тока до менее 25 мВ. Улучшение было таким, что я решил оставить зеркало.

Пока что в тестах (как измерения, так и прослушивание) я не смог обнаружить даже намека на то, что обычно называют «звуком MOSFET». Относительно высокие уровни искажений низкого порядка и восприимчивость к кроссоверу (или « зазубренным » искажениям, которые преследуют многие конструкции MOSFET, полностью отсутствуют — действительно, даже при нулевом смещении на MOSFET, кроссоверные искажения ниже 10 кГц едва ли поддаются измерению, не говоря уже о слышимости !

Внимание:
Самым важным аспектом дизайна является компоновка печатной платы, и очень сомнительно, что если вы сделаете свою собственную плату, вы получите производительность, даже близкую к моей.Выходная мощность практически не изменилась, но искажения и стабильность достигаются за счет компактной и тщательно продуманной компоновки входных каскадов и схем драйверов, которая сводит к минимуму любое неблагоприятное сцепление дорожек печатной платы, которое вызывает гораздо более высокие уровни искажений и может вызвать колебания.

Это не уловка с моей стороны, чтобы заставить людей покупать мои печатные платы — об этом уже позаботились, не указав значения компонентов. Простой факт заключается в том, что если компоновка печатной платы не выполняется с особой тщательностью, любой усилитель может иметь гораздо более высокие уровни искажений и меньший запас стабильности, чем предполагают опубликованные цифры.

Как показано на схемах ниже (рисунки 1 и 2), усилитель может быть выполнен в версии с высоким или низким энергопотреблением, и, хотя в конструкции с низким энергопотреблением есть немного свободного места на печатной плате, его изготовление значительно дешевле и будет более чем достаточно для большинства конструкторов. Если эта версия построена (с использованием только 1 пары полевых МОП-транзисторов), IMO важно ограничить напряжение питания до ± 42 В, чтобы она могла управлять нагрузками 4 и 8 Ом без избыточного рассеивания.При этом напряжении ожидайте около 80 Вт непрерывной на 8 Ом и около 140 Вт на 4 Ом. Естественно, двойные пары MOSFET также могут использоваться при этом напряжении, обеспечивая гораздо лучшие тепловые характеристики (и, следовательно, более холодную работу), гораздо большую пропускную способность по пиковому току и немного более высокую мощность. Эта версия может использоваться при любом напряжении от ± 25 В до ± 42 В.

Рисунок 1 — Версия с низким энергопотреблением (максимум ± 42 В)

В качестве полевых МОП-транзисторов используются боковые устройства Hitachi / Renesas, 2SK1058 (N-канал) и 2SJ162 (P-канал).Они разработаны специально для звука и гораздо более линейны, чем (в настоящее время) более распространенные коммутационные устройства, которые используют многие усилители MOSFET. К сожалению, они не особенно дешевы, но их производительность в аудиосхеме настолько лучше, чем у вертикальных полевых МОП-транзисторов, полевых HEXFET-транзисторов и т. Д., Что нет никакого сравнения. Обратите внимание, что использование полевых HEXFET или любых других вертикальных полевых МОП-транзисторов — это , а не вариант . Они выйдут из строя в этой схеме, поскольку она не предназначена для их использования (и их распиновка поменяна местами!).

Альтернативой (и, возможно, немного лучше, чем серия 2SK / 2SJ) являются Exicon ECX10N20 и ECX10P20 (доступны от Profusion PLC в Великобритании). Они использовались в большинстве усилителей, которые я построил, и работают очень хорошо. Чтобы потенциальные конструкторы могли проверить наличие полупроводников перед покупкой печатной платы, эта информация теперь включена. Вы также можете использовать устройства BUZ901P / BUZ906P или ALF08N16V / ALF08P16V. Минимальное номинальное напряжение 160 В. Все остальные детали вполне стандартные.Renesas также производит боковые полевые МОП-транзисторы 2SK2221 / 2 и 2SJ351 / 2. Это более низкая мощность (рассеиваемая мощность 100 Вт), но по довольно разумной цене, и они должны подходить для пониженных напряжений источника питания. ± 42 В — это рекомендуемое максимальное напряжение для 2 пар в конфигурации высокой мощности, показанной ниже. Вам может сойти с рук, используя их при напряжении ± 56 В, но вы будете доводить их до предела, особенно когда радиатор нагревается. ± 56 В будет нормально, если сопротивление нагрузки будет не менее 8 Ом.

Используется та же плата, но с дополнительной парой полевых МОП-транзисторов. Поскольку устройства работают параллельно, резисторы истока используются для принудительного разделения тока. Хотя их можно заменить на проводные, я не рекомендую этого делать. Эта версия может работать при абсолютном максимальном напряжении питания ± 70 В (рекомендуется ± 56 В) и выдает до 180 Вт RMS на 8 Ом и 250 Вт на 4 Ом. Кратковременная (пиковая) мощность составляет около 240 Вт на 8 Ом и 380 Вт на 4 Ом.Эти цифры во многом зависят от ваших нормативов источника питания, определяемых номинальной мощностью трансформатора в ВА, размером крышек фильтра и т. Д.

Рисунок 2 — Версия повышенной мощности (рекомендуется ± 56 В)

Транзисторы и полевые МОП-транзисторы в этой версии такие же, как и в варианте с низким энергопотреблением. Показанные дополнительные конденсаторы (C11 и C12) предназначены для балансировки емкости затвора. МОП-транзисторы с P-каналом имеют значительно более высокую емкость затвора, чем их аналоги с N-каналом, а колпачки гарантируют, что две стороны усилителя примерно равны.Без этих крышек усилитель почти всегда будет работать нестабильно.

Как отмечалось выше, печатная плата одинакова для обеих версий, но на рис. 2 она полностью заполнена двумя парами силовых полевых МОП-транзисторов. Версия с высокой мощностью также может использоваться при более низких напряжениях питания, с небольшим увеличением мощности, но значительно более низкими рабочими температурами даже при максимальной мощности и потенциально большей надежности.

В обеих версиях страница конструкторов дает дополнительную информацию, а схемы включают расширенную сеть Zobel на выходе для большей стабильности даже при самой сложной нагрузке.Это предусмотрено на плате и позволяет усилителю оставаться стабильным практически в любых условиях.

Вся схема была оптимизирована для минимального тока в драйвере класса A, при этом обеспечивая достаточную мощность для обеспечения максимальной мощности до 25 кГц. Скорость нарастания в два раза выше, чем требуется для полной мощности при 20 кГц, при 15 В / мкс, и хотя ее довольно легко увеличить дальше, этот усилитель уже превосходит многие другие усилители в этом отношении, и более быстрая работа не требуется и не желательна. .

Примечание — На самом деле есть две крышки с маркировкой C5 и две с маркировкой C6. Это то, что есть на накладке PCB, и естественно не был найден, пока не стало слишком поздно. Поскольку эти колпачки нельзя перепутать, это не вызовет проблем.

В обеих версиях усилителя выбраны R7 и R8 для обеспечения тока 5 мА через каскад усилителя напряжения. Вам нужно будет изменить значение, чтобы использовать другое напряжение питания …

R7 = R8 = Vs / 10 (k) (где Vs — только одно напряжение питания)

R7 = R8 = 42/10 = 4,2k (используйте следующее меньшее стандартное значение — 3,9k)

Как было сказано выше, я настоятельно рекомендую вам приобрести печатную плату для этого усилителя, иначе вы почти наверняка получите результаты, далеко не соответствующие реальным возможностям усилителя. Печатная плата также упрощает сборку, поскольку все, кроме источника питания, установлено на самой плате. Как и многие другие усилители мощности ESP, полевые МОП-транзисторы монтируются под платой, для чего требуется всего два (или четыре) винта для крепления печатной платы и выходных устройств.Как всегда, полная информация о конструкции будет доступна на защищенном сайте ESP при покупке платы (ов).

Радиаторы для такого усилителя всегда будут проблемой. Поскольку усилитель предназначен для использования в формате Hi-Fi, использование вентиляторов нежелательно, поэтому радиатор должен быть значительным. Я предлагаю вам выбрать радиатор с тепловым сопротивлением около 0,4 ° C / Вт для версии с высокой мощностью. Конечно, для версии с низким энергопотреблением он может быть несколько меньше, но я рекомендую не меньше ~ 1 ° C / Вт.

Используемые радиаторы должны иметь полностью плоскую заднюю часть, без каких-либо выступов или чего-либо еще, что препятствует идеальному контакту полевых МОП-транзисторов с радиаторами. Полевые МОП-транзисторы должны быть электрически изолированы от радиатора, и вы можете использовать изоляторы из тонкой слюды , каптона (25 мкм) или оксида алюминия. Не пытайтесь использовать силиконовые прокладки — они обладают слишком большим термическим сопротивлением, что приведет к отказу полевого МОП-транзистора.

Предлагаемый блок питания полностью традиционный.Хотя небольшое количество дополнительной мощности может быть получено с помощью вспомогательного источника питания (для повышения напряжения на шине для ступени возбуждения MOSFET), это происходит за счет большей сложности и большего количества вещей, которые могут пойти не так, и здесь не вариант. Трансформатор питания должен соответствовать ожидаемой мощности, которую вы хотите получить от усилителя.

В следующей таблице показано рекомендованное напряжение трансформатора и номинальная мощность в ВА для одного канала — используйте либо два трансформатора, либо один блок с удвоенной номинальной мощностью в ВА, указанной для стерео.Однако в большинстве случаев вы можете использовать трансформатор меньшего размера, чем тот, который показан на рисунке, не беспокоясь о нормальном домашнем использовании. Постоянная мощность будет снижена, но при использовании типичного материала аудиопрограммы очень сомнительно, что вы услышите какую-либо разницу. Например, трансформатор 40–0–40 В на 300 ВА можно использовать для стерео усилителя мощностью 150 Вт, который используется для Hi-Fi (но , а не для непрерывных мощных приложений).

Вольт переменного тока	Вольт постоянного тока	ВА	Мощность (8 Ом)
20-0-20	± 28 В	100	40	Вероятно, слишком мало для большинства приложений, но идеально подходит для использования требуется только малая мощность
25-0-25	± 35V	100	50	Отлично для использования в Hi-Fi системе с двойным усилением
30-0-30	± 42V	160	80	Максимальное напряжение для маломощной версии
40-0-40	± 56В	200	150	Рекомендуемое напряжение питания
50-0-50	± 70V	300	240	Абсолютный максимум. Можно использовать, но не рекомендуется — по возможности стремитесь к более низкому напряжению

Обратите внимание, что все показанные мощности являются «краткосрочными» или пиковыми — непрерывная мощность всегда будет меньше, так как подача питания прекращается под нагрузкой. Пиковые уровни мощности обычно достигаются (или приближаются) к большинству музыки, потому что их переходные процессы обычно на 6–10 дБ больше, чем средняя выходная мощность. Показанные в ВА трансформатора номиналы трансформатора являются только ориентировочными — могут использоваться блоки большего или меньшего размера с незначительным увеличением или уменьшением пиковой мощности.Всегда используйте по крайней мере размер, указанный для сабвуфера! Значения, выделенные жирным шрифтом, являются предпочтительными и обеспечивают достаточную мощность для большинства систем, а также оптимальную надежность и низкую рабочую температуру.

Рисунок 3 — Схема источника питания

На рис. 3 показана принципиальная схема блока питания с напряжением ± 56 В, и в этом нет ничего нового. Как я всегда рекомендую, мостовой выпрямитель должен быть типом для монтажа на шасси 400 В / 35 А и должен быть правильно установлен на радиаторе (или на шасси, если он алюминий) с использованием радиатора.

Конденсаторы фильтра должны быть рассчитаны на как минимум на номинальное напряжение питания, а желательно выше. По возможности используйте колпачки с номиналом 105 ° C и очень плотно соедините заземленные клеммы, образуя точку заземления звездой.

Примечание — Предохранитель следует выбирать в соответствии с размером силового трансформатора. Для любого тороидального трансформатора мощностью более 300 ВА предусмотрена схема плавного пуска. настоятельно рекомендуется. Используйте предохранитель, рекомендованный производителем трансформатора — если эта информация недоступна, обратитесь к поставщику — не я!

Источник постоянного тока должен поступать от клемм конденсатора, а не от мостового выпрямителя.Использование нескольких небольших конденсаторов даст лучшую производительность, чем один большой, и, как правило, дешевле. Например, производительность конденсаторов 10 x 1000 мкФ намного лучше (во всех отношениях), чем производительность одного конденсатора емкостью 10 000 мкФ, что составляет от 50% до 70% стоимости большого блока. Этот обед платный, но со значительной скидкой.

При покупке печатной платы вы не только получите все значения компонентов, но также получите доступ к информации об источнике питания, оптимизированном для обеспечения наилучшей производительности для обычного источника питания.В «продвинутой» схеме питания нет ничего особенно инновационного, но общие результаты вас удивят.

Подключите к подходящему источнику питания — помните, что заземление источника питания должно быть подключено! При первом включении используйте «предохранительные» резисторы от 10 до 22 Ом последовательно с каждым источником питания, чтобы ограничить ток, если вы допустили ошибку в подключении.

Для более подробного описания общих процессов тестирования (а также информации по поиску и устранению неисправностей, если усилитель не работает), пожалуйста, обратитесь к Руководству по поиску и устранению неисправностей и ремонту.В этой статье содержится гораздо более подробная информация, чем я могу включить на каждую страницу проекта.

Страница создана и авторские права © Род Эллиотт, 07 января 2004 г. / Обновлено 1 февраля 2004 г. — добавлены результаты измерений. / 21 апреля 12 — небольшое переформатирование страницы и добавлена ​​информация о радиаторе.

MOSFET усилитель для генератора сигналов DDS

На втором этапе используется МОП-транзистор IRF510A, потому что я не пробовал один раньше, как и все остальное. Но они тоже дешевые. В схема основана на одной в EMRFD, но я играл со стадией смещения просто ради забавы. Версия EMRFD смещена для AB и может использоваться для SSB. Если вы немного увеличите мое смещение, эта схема может то же самое, если не чрезмерно. Но я хотел, чтобы ток холостого хода был низким, поэтому я смещал полевой МОП-транзистор примерно в точку, где начинается проводимость.Я действительно провел несколько тестов на моем конкретном MOSFET, чтобы придумать Значение. Я думаю у меня ток холостого хода 5 или 10 мА против 100 мА используется для класса AB. Хотя с моим радиатором я уверен, что смогу бежать А.Б., если бы я хотел. Заменив резисторы 1 кОм и 2,2 кОм на горшок, вы мог легко регулировать ток холостого хода.

Вход имеет два параллельно включенных резистора для обеспечения нагрузки 50 Ом. Таким образом, большая часть мощности привода «тратится» там. Но помните, что затвор имеет большую емкость относительно земли и в интересах стабильность и чистота формы волны, такое затопление — это хорошо.

Выходная сеть на обоих этапах представляет собой знакомый трансформатор 4: 1 с бифилярная обмотка, преобразующая нагрузку 50 Ом до 200 Ом для на первой ступени и до 12,5 Ом на второй ступени. В количество оборотов не критично, но выбирается так, чтобы индуктивность на самом нижнем диапазоне (80 метров). Вы можете или не можете хочу добавить несколько оборотов для работы на 160. Попробуй.

Имейте в виду, что моя вторая ступень не имеет фильтра гармоник. Причина в том, что я намеревался управлять передатчиком, где Управляемый каскад скорее всего будет умножителем частоты.Так гармонично контент может быть желательным на этой ранней стадии. Чтобы использовать этот этап в качестве передатчика добавьте фильтр гармоник, рассчитанный на вход 50 Ом и выходное сопротивление.

Схема трубчатого типа HT-40 передатчик

У меня старый передатчик Hallicrafters HT-40 для начинающих. До найдя подходящий VFO, я поэкспериментировал с его ездой на своем самодельном QRP-передатчик «Ugly Weekender». Я определил, что HT-40 Вход VFO имел высокий импеданс, вероятно, несколько тысяч Ом.Так что я подумал, что я использую простую сеть «L», чтобы преобразовать его в 50 Ом. Но, изучая схему HT-40, я увидел, что она уже имеет конденсатор 22 пФ, соединяющий сеть с землей. Этот конденсатор был одним ножка буквы L, так что все, что мне было нужно, это индуктор. После этого логики, я заменил выходной трансформатор 4: 1 на катушку индуктивности 18uH для этот тест. Он работал нормально. Ток в сети был примерно на половину шкалы и Я получил полную мощность от HT-40.

Должны быть лучшие способы сделать это, чтобы дать больше гибкость.Например, у меня есть EFHW (полуволна с торцевым питанием) тюнер, который, вероятно, мог бы сопоставить неизмененную 2-ю ступень с парой тысяч Ом на входе лампового ТХ.

Один человек спросил, зачем вам вообще нужна энергия, чтобы управлять сетью трубки, так как сопротивление практически бесконечно. Это правда, но думаю если въехать в регион где сетка проводит и в течение части цикла есть сетевой ток, вам необходимо подать реальный сила.

Выбор и значения компонентов

Одно опасение, которое я испытываю при «публикации» чего-то подобного в сети, это чтобы читатели могли подумать, что каждая ценность или выбор компонента священны и нужно внимательно следить, когда многое было именно тем, что у меня было в junkbox, что было удобно и с чем было бы весело поиграть.И даже добавлялись вещи, в которых не было необходимости.

Я выбрал транзистор RCA4013, потому что у меня было несколько (немаркированных) из Дэна в моем ящике для мусора. Предполагается, что он похож на 2N3553. Используйте то, что у вас есть, если вы думаете, что он может выдержать 600 мВт рассеивание и самая высокая частота, на которой вы собираетесь его использовать.

У меня есть байпасные конденсаторы 10 мкФ на питании +12 В, которые на самом деле танталы. Здесь есть история. Я тщетно пытался проехал на моем HT-40 на 6 метров (DDS на 8.348 МГц), но никуда не денешься кроме некоторых низкочастотных шпор. Я думаю, что эти лишние крышки были попытаться разобраться с этой проблемой. Вероятно, они вам не нужны.

Я выбрал IRF510, потому что, как я уже сказал, многие радиолюбители их используют, а я не пока имел удовольствие. И они дешевые. Но они могут быть проблема, когда речь идет о постоянном усилении и / или выходной мощности через широкий диапазон частотных диапазонов. Я не особо беспокоился о поэтому я выбрал MOSFET.

Схема смещения — это отдельная история. Я использовал TL431C 2,5 вольта регулятор, потому что они дешевые, и у меня есть некоторые в моем мусорном ящике. Конечно, не заказывайте эту деталь особо. Метод Зенера в EMRFD подойдет, и даже простой резистивный делитель подойдет, если ваш Питание 12 В хорошо регулируется. Для резистора серии 9,1 кОм — 10 кОм было бы хорошо.

Схема усилителя на 100-ваттном МОП-транзисторе «Сделай сам»

МОП-транзисторов, как мы все знаем, выдающиеся по своим звуковым качествам, и они могут легко превзойти по производительности другие аналоги на силовых транзисторах или линейных ИС.

Зачем использовать МОП-транзисторы в усилителях

Усилители на основе МОП-транзисторов не всегда легко спроектировать или изготовить.

Более того, после сборки прототипа проверка до совершенства всегда остается проблемой для начинающих любителей электроники.

Возможно, вы встречали много сложных Hi-Fi-усилителей на основе МОП-транзисторов, но, возможно, не осмелились бы сделать это только по вышеуказанным причинам.

Простая принципиальная схема усилителя MOSFET очень проста в сборке, но при этом обеспечит вам кристально чистую мощность 100 Вт необработанной музыки, которую все слушатели будут ценить долгое время.

Идея была разработана исследователями Hitachi давным-давно, и до сих пор остается одной из самых любимых разработок всех времен, учитывая важность простоты и качества.

Как усилитель спроектирован для работы

Глядя на рисунок, мы можем понять схему со следующими точками:

Присутствующая простота также определенно означает, что некоторые из идеальных характеристик схемы были принесены в жертву в конструкции, так как Например, отсутствует источник постоянного тока для дифференциального усилителя на входном каскаде усилителя.

Но это не оказывает серьезного влияния на конструкцию.

Дифференциальный усилитель обеспечивает достаточное усиление входного сигнала до некоторых разумных уровней, подходящих для питания следующего каскада драйвера.

Управляющий каскад состоит из хорошо сбалансированного высоковольтного транзисторного каскада, который обязательно размещается для управления МОП-транзисторами выходной мощности.

Поток, расположенный между двумя секциями каскада драйвера, используется для установки тока покоя схемы.

Выходной каскад — это обычный двухтактный МОП-транзистор, который, наконец, обеспечивает усиление для усиления подаваемой музыки с низким сигналом в 100-ваттную музыку с громким звуком через динамик 8 Ом.

Показанные детали сегодня могут быть устаревшими, поэтому их можно заменить следующим образом:

Дифференциальный транзистор можно заменить на BC556.

Драйверные транзисторы можно заменить на MJE350 / MJE340.

МОП-транзисторы могут быть заменены на 2SJ162 / 2SK1058

Приведенная ниже диаграмма является оригинальной конструкцией Hitachi, см. Предустановку для настройки тока покоя.Вы должны отрегулировать эту предустановку, чтобы установить нулевой ток покоя перед подключением динамика.

Я изменил вышеуказанный дизайн, добавив пару диодов 1N4148 вместо предустановленных. Это избавляет от предустановленных настроек и позволяет пользователю напрямую включать усилитель с подключенным динамиком.

Список деталей

Резисторы

Все резисторы имеют мощность 1/4 Вт, CFR 5%, если не указано иное.

• 100 Ом = 7 шт.
• 100 кОм = 1 шт.
• 47 кОм = 1 шт.
• 5.1k = 2nos
• 62k = 1no
• 22k = 1no
• 2.2k = 1no
• 12k = 1no
• 1k = 1no
• 4,7 Ом = 1no
• 0,2 Ом / 5 Вт = 4000 Конденсаторы

Все конденсаторы должны иметь номинальное напряжение не менее 100 В

• 1 мкФ = 1 нет электролитический
• 100 мкФ = 3 шт. Электролитический
• 15 пФ = 1 шт. Полиэстер
• 30 пФ = 1 шт. Полиэстер
• 0,22 мкФ = 3 шт.

  Полупроводники

  • Q1, Q2 = BC546
  • Q3 = MJE350
  • Q4, Q5 = MJE340
  • Q6, Q7 = 2SK1058
  • Q812
    • 2

      2

      2 908 148 Разное 2SJ8168

      Индуктор = 1 мкГн, 20 витков 1 мм суперэмалированного медного провода с закрытой намоткой и диаметром 10 мм (воздушный сердечник)

      Примечание. Значения резистора и конденсатора не критичны, подойдет небольшое увеличение и уменьшение l не причиняет никакого вреда работе усилителя

      Детали, изображения печатных плат и прототип

      1) На первом изображении показана печатная плата, которая использовалась для схемы усилителя на 100 Вт mosfet , проект

      2) На втором рисунке показана паяная часть собранной схемы.

      3) Третье изображение иллюстрирует сторону компонентов собранной платы

      4) Четвертое изображение относится к некоторым компонентам, участвующим в создании схемы.

      5) Пятый рисунок показывает динамики, которые использовались для тестирования усилителя с удивительным уровнем четкости и превосходной выходной мощностью: p

      Я использовал только пару МОП-транзисторов, которые могли генерировать выходную мощность более 100 Вт RMS, подключив больше параллельные числа могут легко позволить этой схеме выйти за отметку 1000 ватт.

      Если вы собираетесь купить готовый усилитель мощности для своего дома, я бы посоветовал вам построить его вместо него и стать счастливым обладателем этого выдающегося домашнего усилителя мощности, который, вероятно, будет служить вам долгие годы.

      Дизайн, который я построил

      Схема, которую я тестировал, была взята из eeweb, и диаграмма показана ниже. Он похож на вышеуказанный оригинальный дизайн от Hitachi. Однако, поскольку это тот, который я тестировал, я бы порекомендовал вам пойти с этим.

      Принципиальная схема с увеличенными значениями деталей

      Дорожки печатной платы и схемы расположения компонентов

      Кредит на Original Creator

      Размеры печатной платы: 120 мм x 78 мм

      О компании Swagatam

      Я инженер-электронщик ( dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
      Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемами, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

      Глава 15. Приложения MOSFET: [Analog Devices Wiki]

      В этой главе мы рассмотрим некоторые приложения для устройств MSOFET, отличные от каскадов линейных усилителей.

      15.1 MOSFET как аналоговый переключатель

      Аналоговые переключатели на основе MOSFET режима расширения используют канал транзистора как низкое сопротивление для прохождения аналоговых сигналов при включении и как высокое сопротивление при выключении.Сигналы могут течь в любом направлении через переключатель MOSFET. В этом приложении сток и исток полевого МОП-транзистора меняются местами в зависимости от напряжений каждого электрода по сравнению с напряжением затвора и направления тока. Для простого полевого МОП-транзистора без встроенного диода от истока к стоку (или заднего затвора или вывода корпуса, привязанного к истоку) исток является более отрицательной стороной для NMOS или более положительной стороной для PMOS. Все эти переключатели ограничены в том, какие сигналы они могут передавать при включении или блокировать, когда выключены, их напряжениями затвор-исток, затвор-сток и исток-сток, а также токами исток-сток; превышение этих пределов напряжения или тока потенциально может повредить коммутатор.

      15.1.1 Одинарный переключатель MOSFET

      В этом аналоговом переключателе используется простой четырехконтактный полевой МОП-транзистор типа P или N. В случае переключателя N-типа клемма корпуса или заднего затвора подключается к наиболее отрицательному источнику питания (обычно GND в системах с одним источником питания), а затвор используется в качестве управления переключателем. Когда напряжение затвора превышает напряжение источника, по крайней мере, на пороговое напряжение, полевой МОП-транзистор проводит ток. Чем выше напряжение затвора по отношению к источнику, тем меньше сопротивление переключателя.Коммутатор NMOS пропускает все напряжения ниже ( В, _{, вентиль} — В, _, ). Когда переключатель находится в проводящем состоянии, он обычно работает в линейной (или триодной) области работы, поскольку напряжения истока и стока обычно примерно равны.

      Рисунок 15.1.1 Поперечное сечение полевого МОП-транзистора

      В случае PMOS корпус или задний затвор подключен к наиболее положительному напряжению, а затвор приводится к более низкому потенциалу, чтобы включить переключатель.Коммутатор PMOS пропускает все напряжения выше, чем ( В, _{, затвор} + | В, _{, tp} |). Пороговое напряжение ( В, _, ) обычно отрицательное в случае PMOS.

      Рисунок 15.1.2 Кривые MOS I _ds и V _ds

      Переключатель PMOS будет иметь примерно в три раза большее сопротивление, чем устройство NMOS равных размеров, потому что электроны имеют примерно в три раза большую подвижность дырок в кремнии.

      Рисунок 15.1.4 Характеристики включения NMOS и PMOS

      15.1.2 Переключатель MOSFET комплементарного (CMOS) типа, шлюз передачи

      Этот «дополнительный» или CMOS-тип переключателя использует один PMOS и один NMOS FET, чтобы противодействовать ограничениям включения однотипного переключателя. Стоки и источники полевых транзисторов соединены параллельно, корпус PMOS подключен к высокому потенциалу ( В, _DD ), а корпус NMOS подключен к низкому потенциалу (GND).Чтобы включить переключатель, затвор PMOS переводится в низкий потенциал, а затвор NMOS переводится в высокий потенциал. Для напряжений между ( В _DD — В _tn ) и (GND + V _tp ) оба полевых транзистора проводят сигнал, для напряжений ниже (GND + V _tp ) NMOS проводит только и для напряжений выше ( В _DD — В _tn ) PMOS проводит самостоятельно.

      Рисунок 15.1.5 Сопротивление переключателя в зависимости от приложенного напряжения. NMOS, PMOS, CMOS

      Единственными ограничениями для этого переключателя являются пределы напряжения затвор-исток, затвор-сток и исток-сток для обоих полевых транзисторов. Кроме того, PMOS обычно в три раза шире NMOS, поэтому сопротивление включения будет уравновешено по напряжению сигнала.

      Схема с тремя состояниями, используемая в цифровой логике или шинах данных, иногда включает переключатель CMOS MOSFET на своем выходе для обеспечения низкоомного полнодиапазонного выхода при включении и высокоомного сигнала среднего уровня при выключении.

      ADALM1000 Lab Activity 18, Аналоговые переключатели CMOS

      ADALM2000 Lab Activity 18, Аналоговые переключатели CMOS

      Прецизионные операционные усилители 15.2, стабилизированные прерыванием (автоматическое обнуление)

      Для минимальных характеристик смещения и дрейфа усилители со стабилизацией с помощью прерывателя (или с автоматической установкой нуля) могут быть лучшим решением. Лучшие биполярные усилители предлагают напряжение смещения 25 мкВ и дрейф 0,1 мкВ / ° C. Напряжения смещения менее 5 мкВ практически без измеримого дрейфа смещения можно получить с помощью методов стабилизации прерывателя, хотя и с некоторыми недостатками.

      15.2.1 Базовый прерыватель-усилитель

      Базовая схема чоппер-усилителя показана на рисунке 15.2.1 ниже. Это типичный пример, в котором аналоговый переключатель CMOS, который мы только что обсудили в разделе 15.1, может найти хорошее применение. Когда переключатели находятся в положении «Z» (автоматическое обнуление), конденсаторы C ₂ и C ₃ заряжаются до входного и выходного напряжения смещения усилителя соответственно. Когда переключатели находятся в положении «S» (образец), V _IN подключен к V _OUT через путь, состоящий из R ₁ , R ₂ , C ₂ , усилитель, C ₃ и R ₃ .Частота, используемая для прерывания, обычно составляет от нескольких сотен Гц до нескольких кГц , и следует отметить, что, поскольку это система дискретизации, входная частота должна быть намного меньше половины частоты прерывания, чтобы предотвратить ошибки. из-за алиасинга. Комбинация R ₁ -C ₁ служит фильтром сглаживания. Также предполагается, что после достижения устойчивого состояния во время циклов переключения переносится только минимальное количество заряда.Выходной «запоминающий» конденсатор C ₄ и нагрузка R _L должны быть выбраны таким образом, чтобы было минимальное падение В _OUT во время цикла автоматического обнуления.

      Рисунок 15.2.1: Классический чоппер-усилитель

      ADALM2000 КМОП-усилитель для лабораторных работ

      15.2.2 Стабилизированный OP AMP с автоматическим обнулением прерывателя

      Базовый чоппер-усилитель на рисунке 15.2.1 может пропускать только частоты ниже половины частоты прерывания из-за входной фильтрации, необходимой для предотвращения наложения спектров.В отличие от этого, архитектура, стабилизированная с помощью прерывателя, показанная на рисунке 15.2.2, наиболее часто используется в реализациях операционных усилителей с прерывателем.

      Рисунок 15.2.2: Операционный усилитель с автоматическим обнулением (стабилизированный прерывателем)

      В этой схеме A ₁ является основным усилителем, а A ₂ — усилителем обнуления. Оба усилителя считаются идентичными, и оба имеют дополнительный нулевой входной терминал. В режиме выборки (переключается в положение «S») обнуляющий усилитель A ₂ контролирует входное напряжение смещения A ₁ и сбрасывает свой выход на ноль, применяя подходящее корректирующее напряжение на A ₁ ‘ s Нулевой штифт.Однако обратите внимание, что A ₂ также имеет входное напряжение смещения, поэтому он должен исправить свою собственную ошибку, прежде чем пытаться обнулить смещение A ₁ . Это достигается в режиме автоматического обнуления (переключатели в положении «Z») путем мгновенного отключения A ₂ от A ₁ , замыкания его входов вместе и подключения его выхода к собственному нулевому контакту. Во время режима автоматического обнуления напряжение коррекции для A ₁ на мгновение удерживается C ₁ . Точно так же C ₂ поддерживает напряжение коррекции для A ₂ во время режима выборки.В операционных усилителях со встроенной интегральной схемой, стабилизированной с помощью прерывателя, оба усилителя и накопительные конденсаторы C ₁ и C ₂ находятся на одной микросхеме.

      Обратите внимание, что в этой архитектуре входной сигнал всегда подключается к выходу через A ₁ . Таким образом, полоса пропускания A ₁ определяет общую ширину полосы сигнала, а входной сигнал не ограничивается менее чем половиной частоты прерывания, как в случае традиционной архитектуры прерывистого усилителя.Однако при переключении возникают небольшие переходные процессы на частоте прерывания, которые могут смешиваться с частотой входного сигнала и вызывать интермодуляционные искажения.

      15.2.3 Уровень шума для OP AMPS, стабилизированного прерывателем

      Интересно рассмотреть влияние усилителя-прерывателя на низкочастотный шум 1 / f. Если частота прерывания значительно выше, чем граничная частота входного шума 1 / f, усилитель со стабилизацией прерыванием непрерывно обнуляет шум 1 / f для каждой выборки.Следовательно, теоретически операционный усилитель с прерывателем не имеет шума 1 / f. Однако прерывание приводит к возникновению широкополосного шума переключения, который обычно намного хуже, чем у прецизионного биполярного операционного усилителя, и его необходимо отфильтровать.

      Чтобы воспользоваться отсутствием в операционном усилителе прерывателя шума 1 / f, требуется большая фильтрация, в противном случае общий шум прерывателя всегда будет хуже, чем у хорошего биполярного операционного усилителя. Поэтому следует использовать усилители, стабилизированные с помощью прерывателя, из-за их низкого напряжения смещения и температурного дрейфа смещения, не обязательно из-за отсутствия в них шума 1 / f.

      15.3 Схемы переключаемых конденсаторов

      Переключаемый конденсатор — это элемент электронной схемы, используемый в системах обработки сигналов с дискретным временем. Он работает, передавая заряд в конденсатор и из него, когда переключатели открываются и закрываются. Это еще один пример, в котором аналоговый переключатель CMOS, описанный в разделе 15.1, используется почти исключительно. Обычно для управления переключателями используются неперекрывающиеся сигналы, часто называемые переключением «Разрыв перед замыканием», так что все переключатели разомкнуты на очень короткое время во время переходов переключения.Дискретные временные фильтры, реализованные с помощью этих элементов, называются «фильтрами с переключаемыми конденсаторами». В отличие от аналоговых фильтров непрерывного действия, которые должны состоять из резисторов, конденсаторов, а иногда и катушек индуктивности, значения которых точно известны, фильтры с переключаемыми конденсаторами зависят только от соотношения между емкостями и частотой переключения. Это делает их гораздо более подходящими для использования в интегральных схемах, где точно заданные абсолютные значения компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, не экономичны в изготовлении.

      15.3.1 Коммутируемый резистор конденсатора:

      Самая основная схема переключаемого конденсатора, показанная на рисунке 15.3.1, — это резистор переключаемого конденсатора. Он состоит из одного конденсатора C ₁ и двух переключателей S ₁ и S ₂ , которые поочередно подключают конденсатор ко входу В, _IN и выходу, В, _{, OUT} .

      Рисунок 15.3.1, Базовый коммутируемый конденсаторный резистор

      Каждый цикл переключения передает заряд? Q от входа к выходу с частотой переключения F.Напомним, что заряд q на конденсаторе C с напряжением В между пластинами определяется выражением:

      Где В, — напряжение на конденсаторе. Следовательно, когда S ₁ закрыт, а S ₂ открыт, заряд, передаваемый от источника ввода в C, составляет:

      И когда S ₂ закрыт, а S ₁ открыт, заряд, переданный с C ₁ на выход, равен:

      Заряд Δq, переносимый в каждом цикле, равен:

      Поскольку заряд? Q передается со скоростью F, скорость передачи заряда в единицу времени составляет:

      Обратите внимание, что для этой величины используется I, символ электрического тока.Это должно продемонстрировать, что непрерывная передача заряда от одного узла к другому аналогична току. Подставляя Δq в приведенное выше уравнение, мы получаем:

      Мы определяем ΔV, напряжение в цепи от входа до выхода, как:

      Теперь у нас есть взаимосвязь между I и V , которую мы можем изменить, чтобы получить эквивалентное сопротивление R:

      Таким образом, схема ведет себя как резистор, номинал которого зависит от C ₁ и F.

      Коммутируемый конденсаторный резистор часто используется в качестве замены простых резисторов в интегральных схемах, потому что его легче надежно изготовить с широким диапазоном значений. Это также имеет то преимущество, что эквивалентное сопротивление резистора можно регулировать путем изменения частоты переключения.

      Эта же схема может использоваться в системах с дискретным временем (таких как аналого-цифровые преобразователи) в качестве схемы отслеживания и удержания. Во время соответствующей фазы тактового сигнала конденсатор производит выборку аналогового напряжения через первый переключатель и во второй фазе передает это сохраненное значение выборки следующей части электронной системы для дальнейшей обработки.

      15.3.2 Пример переключаемого конденсаторного фильтра низких частот

      Теперь мы можем изучить пример схемы, использующей переключаемый конденсатор в качестве резистора. Добавив второй конденсатор C ₂ к выходу рисунка 15.3.1, мы получим RC-цепь нижних частот, показанную на рисунке 15.3.2.

      Рисунок 15.3.2, RC-фильтр нижних частот с переключаемым конденсатором

      Из предыдущего раздела мы получаем уравнение для эквивалентного резистора R:

      Частотная характеристика 3 дБ однополюсного RC-фильтра нижних частот:

      Подставляя переключаемый резистор конденсатора Req в АЧХ, получаем:

      Таким образом, мы можем видеть, что частотная характеристика 3 дБ напрямую связана с тактовой частотой и отношением C ₁ к C ₂ .

      На следующих двух графиках показана частотная характеристика для базового фильтра нижних частот с коммутируемым конденсатором из рисунка 15.3.2 со значением C ₁ , равным 100 пФ, и со значением C ₂ , равным 4,7 нФ для C _{1. Отношение} к C ₂ от 1 до 47. На рисунке 15.3.3 показана зависимость амплитуды от частотной характеристики для тактовых импульсов F , равных 100, 200 и 500 кГц. На рисунке 15.3.4 показан график зависимости фазы от частоты для тех же трех тактовых частот.

      Рисунок 15.3.3 График зависимости амплитуды выходного сигнала фильтра от частоты для трех различных частот переключения

      Рисунок 15.3.4 График зависимости выходной фазы фильтра от частоты для трех разных частот переключения

      Обратите внимание, что кривая амплитуды для частоты переключения 200 кГц пересекает линию -5 дБ ровно на двойной входной частоте, чем кривая 100 кГц. И кривая 500 кГц пересекает частоту, в 2,5 раза превышающую частоту кривой 200 кГц.

      ADALM2000 Цепи переключаемых конденсаторов лабораторных работ

      15.3.3 Дифференциальная схема переключаемого конденсатора

      Переключаемый конденсаторный дифференциал к несимметричной конфигурации показан на рисунке 15.3.5. В этой цепи конденсатор C ₁ заряжается до дифференциального напряжения, приложенного к В _{IN $ s $ + $ s $} и V _{IN $ s $ — $ s $} в течение первой половины такта. цикл, когда переключатели S ₁ и S ₂ замкнуты, как показано на рисунке, в положение 1.Во второй половине тактового цикла переключатели S ₁ и S ₂ перемещаются в положение 2, соединяя конденсатор C ₁ параллельно с конденсатором C ₂ . Один конец C ₂ соединен с землей, так что напряжение, наблюдаемое при В _OUT , привязано к земле и в устойчивом состоянии будет равно В _{IN $ s $ + $ s $} — V _{IN $ s $ — $ s $} . Значения конденсаторов C ₁ и C ₂ , как правило, могут быть в любом соотношении, но часто они равны, или размер конденсаторов C ₂ больше, чем C ₁ , в зависимости от характера нагрузки, которую может использовать схема. должен работать при В _ВЫХ .

      Рисунок 15.3.5 Дифференциальный вход к несимметричной выходной цепи

      Конденсатор, используемый для передачи входного напряжения на выход в этих схемах, обычно известен как «летающий конденсатор».

      Другие применения летающих конденсаторов:

      В дополнение к функции дифференциала в несимметричный, которую мы видели на рисунке 15.3.5, конфигурации летающих конденсаторов могут удвоить входное напряжение, утроить напряжение, уменьшить наполовину напряжение, инвертировать напряжение, дробно умножить или масштабировать напряжения, такие как x3 / 2, x4 / 3, x2 / 3 и т. Д.и генерировать произвольные напряжения в зависимости от соотношения конденсаторов и топологии схемы. Ниже приведены дополнительные полезные варианты схемы летающего конденсатора из рисунка 15.3.5.

      Первый — это инвертор напряжения, у которого выходное напряжение В _OUT является отрицательным для В _IN , В _OUT = — В _IN , как показано на рисунке 15.3.6. Очень похоже на первую конфигурацию, но с тем, что было В _{IN $ s $ — $ s $} , теперь подключено к земле и земле на выходной стороне, теперь подключено к одному выводу S ₁ , и теперь принимается инвертированное выходное напряжение на одном терминале S ₂ .

      Рисунок 15.3.6 Инвертор напряжения

      Цепь летающего конденсатора также может быть сконфигурирована как прецессионный делитель на 2 делителя напряжения, как показано на рисунке 15.3.7. В течение первой половины тактового цикла, когда переключатели S ₁ и S ₂ находятся в положении 1, два конденсатора, C ₁ и C ₂ , подключаются последовательно через В, _IN . Если C ₁ в точности равно C ₂ , то они будут действовать как делитель напряжения с В _OUT , равным половине В _IN .Это предполагает, что ни на одном из конденсаторов не было заряда. Во второй половине тактового цикла, когда S1 и S2 находятся в положении 2, два конденсатора подключаются параллельно. Это приведет к тому, что напряжение на обоих конденсаторах станет равным и, таким образом, перераспределится любая ранее существовавшая разница зарядов для равного распределения между двумя конденсаторами. После нескольких тактовых циклов напряжения на каждом конденсаторе будут равны друг другу и будут равны половине В _IN .

      Рисунок 15.3.7 Разделение В _IN на 2 цепи

      Точно так же схема на рисунке 15.3.7 может быть сконфигурирована как прецессионное умножение на 2 умножителя напряжения, как мы видим на рисунке 15.3.8. В этом примере конденсатор C ₁ заряжается до В _IN в течение первой половины тактового цикла, когда переключатели S ₁ и S ₂ находятся в положении 1. Во время второй половины тактового цикла, когда переключатели S ₁ и S ₂ находятся в позиции 2, ранее заземленный конец C ₁ теперь подключен к V _IN .Другой конец C ₁ , который ранее был подключен к V _IN , теперь подключен к V _OUT . Теперь В _OUT будет равно V _IN плюс V _IN , хранящимся на конденсаторе C ₁ или 2xV _IN . Конденсатор C ₂ потребует несколько тактовых циклов для зарядки до 2xV _IN и будет служить для хранения или поддержания напряжения на уровне В _OUT при 2xV _IN , когда переключатели находятся в положении 1, выборка V _IN на C ₁ .

      Рисунок 15.3.8 Умножитель напряжения

      До сих пор в этом разделе мы предполагали, что V _IN — это некоторый изменяющийся произвольный сигнал, который предположительно несет какую-то информацию в системе. VIN может также легко быть напряжением источника питания постоянного тока, которое мы хотим увеличить или уменьшить для использования в другом месте в системе. В этом случае схемы с летающими конденсаторами часто называют преобразователями постоянного / постоянного тока. Поскольку мы пытаемся передать мощность от В _IN к В _OUT в этом приложении, МОП-транзисторы намного больше, чтобы нести более высокие токи с низким сопротивлением, а конденсаторы имеют гораздо более высокие значения для хранения большего заряда и доставить его к нагрузке в течение половины тактового цикла, когда заряд не передается от входного источника питания.

      Основная концепция преобразователя постоянного тока в постоянный на основе конденсатора показана ниже на рисунке 15.3.9. Как мы уже говорили, их часто называют «летающими конденсаторами» или преобразователями постоянного / постоянного тока с «накачкой заряда». Операция чередуется между двумя конфигурациями, показанными на рисунке 15.3.9, который фактически является двумя копиями схемы, которую мы видели на рисунке 15.3.8. Слева переключатели S ₁ и S ₅ замкнуты, соединяя C ₁ между массой и V _IN .Справа замкнуты переключатели S ₄ и S ₈ , соединяющие C ₂ между V _IN и V _OUT . Для показанного полупериода конденсатор C ₁ заряжается до напряжения В _IN и В _OUT представляет собой сумму напряжения при В _IN и напряжения на конденсаторе C ₂ . Для второго полупериода переключатели меняются местами. Теперь с S ₂ и S ₆ закрыт C ₁ подключен между V _IN и V _OUT .Также переключатели S ₃ и S ₇ теперь будут замкнуты, соединяя C ₂ между землей и V _IN . Итак, теперь мы видим, что после нескольких циклов В _OUT , напряжение на конденсаторе C ₃ будет равно удвоенному В _IN . Как вы можете видеть, конденсаторы «летают» туда и обратно между В _IN и В _OUT , отсюда и название «летающий конденсатор». Можно также видеть, что в действительности происходит заряд конденсаторов C ₁ и C ₂ , попеременно передающийся или накачиваемый на конденсатор C ₃ , заряжая его до двухкратного увеличения В _IN .Это действие приводит к появлению второго названия «зарядный насос».

      Рисунок 15.3.9 Конденсаторный удвоитель напряжения с идеальными переключателями

      Теперь мы заменим идеальные переключатели на схеме переключателями MOSFET. Следующая диаграмма, рисунок 15.3.10, показывает прямую замену NMOS (S ₁ , S ₃ , S ₅ , S ₇ ) и PMOS (S ₂ , S ₄ , S ₆ , S ₈ ) устройства для переключателей на первой схеме.Можно отметить, что переключатели S ₁ и S ₂ образуют дополнительную пару и принимают ту же форму, что и логический вентиль инвертора CMOS. Остальные три набора переключателей образуют аналогичные дополнительные пары.

      Рисунок 15.3.10 Удвоитель напряжения CMOS

      Вернуться к предыдущей главе

      Перейти к следующей главе

      Вернуться к содержанию

      университет / курсы / электроника / текст / глава-15.