Cách thiết kế mạch khuếch đại công suất MOSFET - Giải thích các thông số

Trong bài đăng này, chúng tôi thảo luận về các thông số khác nhau phải được xem xét khi thiết kế mạch khuếch đại công suất MOSFET. Chúng tôi cũng phân tích sự khác biệt giữa các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT) và các đặc tính của MOSFET và hiểu tại sao MOSFETS phù hợp và hiệu quả hơn cho các ứng dụng khuếch đại công suất.

Đóng góp bởi Daniel Schultz

Tổng quat

Khi thiết kế một bộ khuếch đại công suất được xem xét trong phạm vi 10 đến 20 watt , các thiết kế dựa trên mạch tích hợp hoặc vi mạch thường được ưa chuộng do kích thước đẹp và số lượng thành phần thấp.

Tuy nhiên, đối với phạm vi công suất đầu ra cao hơn, cấu hình rời được coi là lựa chọn tốt hơn nhiều, vì chúng mang lại hiệu quả cao hơn và tính linh hoạt cho nhà thiết kế liên quan đến việc lựa chọn đầu ra công suất.

Trước đó, các bộ khuếch đại công suất sử dụng các bộ phận rời phụ thuộc vào các bóng bán dẫn lưỡng cực hoặc BJT. Tuy nhiên, với sự ra đời của MOSFET tinh vi , BJT từ từ được thay thế bằng các MOSFET tiên tiến này để đạt được sản lượng điện cực cao và không gian hạn chế đáng kinh ngạc cũng như thu nhỏ PCB.

Mặc dù, MOSFET có thể trông quá mức cần thiết để thiết kế bộ khuếch đại công suất cỡ trung bình, nhưng chúng có thể được áp dụng hiệu quả cho bất kỳ kích thước và thông số kỹ thuật bộ khuếch đại công suất nào.

Nhược điểm của việc sử dụng BJT trong Bộ khuếch đại công suất

Mặc dù các thiết bị lưỡng cực hoạt động rất tốt trong các bộ khuếch đại công suất âm thanh cao cấp, nhưng chúng có một số nhược điểm thực sự dẫn đến sự ra đời của các thiết bị tiên tiến như MOSFET.

Có lẽ nhược điểm lớn nhất của bóng bán dẫn lưỡng cực trong các giai đoạn đầu ra loại B là hiện tượng được gọi là tình trạng chạy trốn.

BJT bao gồm một hệ số nhiệt độ dương và điều này đặc biệt làm phát sinh một hiện tượng gọi là hiện tượng thoát nhiệt, gây ra thiệt hại tiềm tàng của BJT công suất do quá nóng.

Hình bên trái ở trên cho thấy sự thiết lập cơ bản của giai đoạn đầu ra và trình điều khiển Class B tiêu chuẩn, sử dụng TR1 giống như giai đoạn trình điều khiển bộ phát thông thường và Tr2 cùng với Tr3 làm giai đoạn đầu ra theo bộ phát bổ sung.

So sánh cấu hình giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại BJT và MOSFET

Chức năng của Giai đoạn đầu ra Bộ khuếch đại

Để thiết kế một bộ khuếch đại công suất hoạt động, điều quan trọng là phải định cấu hình chính xác giai đoạn đầu ra của nó.

Mục tiêu của giai đoạn đầu ra chủ yếu là cung cấp khả năng khuếch đại dòng điện (độ lợi điện áp không quá thống nhất) để mạch có thể cung cấp dòng điện đầu ra cao cần thiết để điều khiển loa ở mức âm lượng cao hơn.

1. Đề cập đến sơ đồ BJT bên trái ở trên, Tr2 hoạt động giống như một nguồn dòng điện đầu ra trong các chu kỳ đầu ra tích cực trong khi Tr3 cung cấp dòng điện đầu ra trong nửa chu kỳ đầu ra âm.
2. Tải bộ thu cơ bản cho giai đoạn trình điều khiển BJT được thiết kế với nguồn dòng điện không đổi, cung cấp độ tuyến tính nâng cao trái ngược với các hiệu ứng đạt được với điện trở tải đơn giản.
3. Điều này xảy ra do sự khác biệt về độ lợi (và độ méo đi kèm) xảy ra bất cứ khi nào BJT hoạt động trong một phạm vi rộng của dòng điện thu.
4. Việc áp dụng một điện trở tải bên trong một tầng phát chung với sự thay đổi điện áp đầu ra lớn chắc chắn có thể kích hoạt phạm vi dòng điện cực thu cực lớn và biến dạng lớn.
5. Việc áp dụng tải dòng điện không đổi hoàn toàn không loại bỏ được sự biến dạng, bởi vì điện áp bộ thu dao động tự nhiên và độ lợi của bóng bán dẫn có thể ở một mức độ nào đó phụ thuộc vào điện áp bộ thu.
6. Tuy nhiên, do dao động khuếch đại do các biến thể điện áp bộ thu có xu hướng khá nhỏ, độ méo thấp thấp hơn nhiều dưới 1% là hoàn toàn có thể đạt được.
7. Mạch phân cực được kết nối giữa các chân đế của các bóng bán dẫn đầu ra là cần thiết để đưa các bóng bán dẫn đầu ra đến vị trí mà chúng vừa ở ngưỡng dẫn.
8. Trong trường hợp điều này không xảy ra, sự thay đổi nhỏ trong điện áp bộ thu của Tr1 có thể không thể khiến các bóng bán dẫn đầu ra dẫn điện và có thể không cho phép bất kỳ loại cải thiện nào trong điện áp đầu ra!
9. Các biến thể điện áp cao hơn tại bộ thu của Tr1 có thể tạo ra sự thay đổi tương ứng trong điện áp đầu ra, nhưng điều này có thể bỏ sót phần bắt đầu và phần kết thúc của mỗi nửa chu kỳ tần số, dẫn đến 'méo chéo' nghiêm trọng như nó thường được gọi.

Sự cố biến dạng chéo

Ngay cả khi các bóng bán dẫn đầu ra được đưa đến ngưỡng dẫn điện cũng không loại bỏ hoàn toàn sự biến dạng chéo vì các thiết bị đầu ra có mức khuếch đại tương đối nhỏ trong khi hoạt động ở dòng thu giảm.

Điều này cung cấp một loại méo chéo vừa phải nhưng không mong muốn. Phản hồi tiêu cực có thể được sử dụng để đánh bại sự biến dạng chéo một cách tự nhiên, tuy nhiên để đạt được kết quả xuất sắc, thực sự cần thiết phải sử dụng độ lệch tĩnh cao hợp lý đối với các bóng bán dẫn đầu ra.

Chính dòng điện phân cực lớn này là nguyên nhân gây ra các biến chứng với quá trình chạy nhiệt.

Dòng điện phân cực gây ra sự nóng lên của các bóng bán dẫn đầu ra và do hệ số nhiệt độ dương của chúng, điều này làm cho dòng điện phân cực tăng lên, tạo ra nhiều nhiệt hơn và dẫn đến sự tăng cao hơn nữa trong dòng phân cực.

Do đó, phản hồi tích cực này cung cấp độ phân cực tăng dần cho đến khi các bóng bán dẫn đầu ra quá nóng và cuối cùng bị đốt cháy.

Trong một nỗ lực để bảo vệ chống lại điều này, mạch phân cực được tạo điều kiện với hệ thống cảm biến nhiệt độ tích hợp, làm chậm sự sai lệch trong trường hợp phát hiện nhiệt độ cao hơn.

Do đó, khi bóng bán dẫn đầu ra nóng lên, mạch phân cực bị tác động bởi nhiệt sinh ra, sẽ phát hiện ra điều này và ngăn chặn bất kỳ sự gia tăng do hậu quả nào của dòng phân cực. Trên thực tế, độ ổn định thiên vị có thể không lý tưởng và bạn có thể tìm thấy một số biến thể nhỏ, tuy nhiên, một mạch được cấu hình thích hợp thường có thể thể hiện độ ổn định thiên vị khá đủ.

Tại sao MOSFET hoạt động hiệu quả hơn BJT trong Bộ khuếch đại công suất

Trong phần thảo luận sau, chúng tôi sẽ cố gắng hiểu tại sao MOSFET hoạt động tốt hơn trong các thiết kế bộ khuếch đại công suất, so với BJT.

Tương tự như BJT, nếu được sử dụng trong giai đoạn đầu ra Loại B, MOSFET cũng yêu cầu thiên vị về phía trước để khắc phục sự biến dạng chéo. Phải nói rằng, bởi vì MOSFET công suất sở hữu hệ số nhiệt độ âm ở dòng điện gần 100 miliampe hoặc hơn (và hệ số nhiệt độ dương nhẹ ở dòng điện thấp hơn) nên nó cho phép trình điều khiển và giai đoạn đầu ra loại B ít phức tạp hơn, như được minh họa trong hình sau .

Mạch phân cực ổn định nhiệt có thể được thay thế bằng điện trở vì các đặc tính nhiệt độ của MOSFET công suất kết hợp điều khiển nhiệt tích hợp của dòng phân cực ở khoảng 100 miliampe (xấp xỉ là dòng phân cực phù hợp nhất).

Một thách thức khác gặp phải với BJT là mức khuếch đại dòng điện khá thấp, chỉ từ 20 đến 50. Điều này có thể không đủ đối với các bộ khuếch đại công suất trung bình và cao. Do đó, nó đòi hỏi một giai đoạn trình điều khiển cực kỳ mạnh mẽ. Cách tiếp cận điển hình để giải quyết vấn đề này là sử dụng Darlington Pairs hoặc một thiết kế tương đương để cung cấp mức khuếch đại dòng điện đủ cao, để nó cho phép sử dụng giai đoạn trình điều khiển công suất thấp.

Power MOSFET, giống như bất kỳ FET thiết bị , có xu hướng là các thiết bị hoạt động bằng điện áp hơn là hoạt động bằng dòng điện.

Trở kháng đầu vào của MOSFET công suất thường rất cao, cho phép dòng điện đầu vào không đáng kể với tần số làm việc thấp. Tuy nhiên, ở tần số làm việc cao, trở kháng đầu vào thấp hơn nhiều do điện dung đầu vào tương đối cao khoảng 500 pf.

Ngay cả với điện dung đầu vào cao này, dòng điện làm việc gần như 10 miliampe cũng trở nên vừa đủ qua giai đoạn trình điều khiển, mặc dù dòng điện đầu ra cao nhất có thể gấp khoảng một nghìn lần con số này.

Một vấn đề khác đối với các thiết bị điện lưỡng cực (BJT) là thời gian chuyển đổi hơi chậm chạp của chúng. Điều này có xu hướng tạo ra nhiều vấn đề, chẳng hạn như sự biến dạng được kích hoạt hàng loạt.

Đây là khi một tín hiệu tần số cao mạnh mẽ có thể yêu cầu điện áp đầu ra chuyển đổi, giả sử là 2 volt trên micro giây, trong khi giai đoạn đầu ra BJT có thể cho phép tốc độ quay chỉ là một vôn trên micro giây. Đương nhiên, đầu ra sẽ phải vật lộn để tái tạo tốt tín hiệu đầu vào, dẫn đến sự biến dạng không thể tránh khỏi.

Tốc độ quay kém hơn cũng có thể cung cấp cho bộ khuếch đại một băng thông công suất không mong muốn, với công suất đầu ra cao nhất có thể đạt được sẽ giảm đáng kể ở tần số âm thanh cao hơn.

Độ trễ pha và dao động

Một mối quan tâm khác là độ trễ pha diễn ra thông qua tầng đầu ra của bộ khuếch đại với tần số cao và có thể khiến phản hồi qua hệ thống phản hồi âm chuyển thành tích cực thay vì âm ở tần số cực cao.

Nếu bộ khuếch đại có độ lợi tức thời ở các tần số như vậy, bộ khuếch đại có thể chuyển sang chế độ dao động, và sự thiếu ổn định sẽ tiếp tục đáng chú ý ngay cả khi độ lợi của mạch không đủ để kích hoạt dao động.

Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách thêm các phần tử để tắt đáp ứng tần số cao của mạch và bằng cách kết hợp các phần tử bù pha. Tuy nhiên, những cân nhắc này làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại ở tần số tín hiệu đầu vào cao.

MOSFET nhanh hơn BJT

Trong khi thiết kế bộ khuếch đại công suất, chúng ta phải nhớ rằng tốc độ chuyển đổi của MOSFETs nguồn nói chung nhanh hơn khoảng 50 đến 100 lần so với BJT. Do đó, các biến chứng với chức năng tần số cao kém hơn có thể dễ dàng khắc phục bằng cách sử dụng MOSFET thay vì BJT.

Thực sự có thể tạo cấu hình mà không cần bù tần số hoặc pha các bộ phận vẫn duy trì độ ổn định tuyệt vời và bao gồm mức hiệu suất được giữ lại cho các tần số vượt quá giới hạn âm thanh tần số cao.

Tuy nhiên, một khó khăn khác gặp phải với bóng bán dẫn công suất lưỡng cực là sự cố thứ cấp. Điều này đề cập đến một loại đường dẫn nhiệt cụ thể tạo ra 'vùng nóng' bên trong thiết bị, dẫn đến ngắn mạch qua các chân thu / phát của nó.

Để đảm bảo điều này không xảy ra, BJT cần được vận hành độc quyền trong phạm vi dòng điện và điện áp bộ thu cụ thể. Cho bất kỳ mạch khuếch đại âm thanh tình huống này thường ngụ ý rằng các bóng bán dẫn đầu ra buộc phải hoạt động tốt bên trong các hạn chế nhiệt của chúng, và công suất đầu ra tối ưu có thể đạt được từ các BJT công suất do đó giảm đáng kể, thấp hơn nhiều so với giá trị tiêu tán cao nhất của chúng thực sự cho phép.

Nhờ vào Hệ số nhiệt độ âm của MOSFET ở dòng cống cao các thiết bị này không gặp vấn đề với sự cố thứ cấp. Đối với MOSFET, thông số dòng xả và điện áp xả tối đa cho phép thực tế chỉ bị giới hạn bởi chức năng tản nhiệt của chúng. Do đó, các thiết bị này trở nên đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng khuếch đại âm thanh công suất lớn.

Nhược điểm của MOSFET

Mặc dù có những điều trên, MOSFET cũng có một vài nhược điểm, đó là số lượng tương đối ít và không đáng kể. Ban đầu MOSFET rất đắt so với các bóng bán dẫn lưỡng cực phù hợp. Tuy nhiên, sự khác biệt về chi phí ngày nay đã giảm đi rất nhiều Khi chúng ta xem xét thực tế là MOSFET giúp cho mạch phức tạp trở nên đơn giản hơn nhiều và giảm chi phí đáng kể gián tiếp, làm cho đối tác BJT trở nên khá tầm thường ngay cả với chi phí thấp của nó nhãn.

Power MOSFETs thường có tính năng tăng mở vòng lặp méo hơn BJTs. Tuy nhiên, do độ lợi cao và tốc độ chuyển đổi nhanh, các MOSFET công suất cho phép sử dụng mức phản hồi âm cao trên toàn bộ phổ tần số âm thanh, mang lại khả năng vô song biến dạng vòng kín hiệu quả.

Một nhược điểm khác liên quan đến MOSFET công suất là hiệu suất thấp hơn của chúng so với BJT khi được sử dụng trong các giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại tiêu chuẩn. Lý do đằng sau điều này là một giai đoạn theo bộ phát công suất cao tạo ra sự sụt giảm điện áp cao khoảng 1 volt giữa đầu vào và đầu ra, mặc dù tồn tại sự mất mát một số volt trên đầu vào / đầu ra của giai đoạn theo nguồn. Không có cách tiếp cận dễ dàng để giải quyết vấn đề này, tuy nhiên điều này dường như là một sự giảm thiểu nhỏ về hiệu quả, điều này không nên được tính đến và có thể được bỏ qua.

Hiểu thiết kế bộ khuếch đại MOSFET thực tế

Hình dưới đây cho thấy sơ đồ mạch của một chức năng Bộ khuếch đại MOSFET công suất 35 watt mạch điện. Ngoại trừ ứng dụng của MOSFET trong giai đoạn đầu ra của bộ khuếch đại, mọi thứ về cơ bản trông khá giống một thiết kế bộ khuếch đại MOSFET rất phổ biến.

• Tr1 được cho là một giai đoạn đầu vào bộ phát chung , được kết nối trực tiếp với giai đoạn trình điều khiển bộ phát chung Tr3. Cả hai giai đoạn này đều cung cấp mức tăng điện áp tổng của bộ khuếch đại, và bao gồm mức tăng tổng cực kỳ lớn.
• Tr2 cùng với các bộ phận kèm theo của nó tạo ra một máy phát điện không đổi đơn giản có dòng ra biên là 10 miliampe. Điều này hoạt động giống như tải thu chính cho Tr3.
• R10 được sử dụng để thiết lập độ chính xác xu hướng yên tĩnh hiện tại thông qua các bóng bán dẫn đầu ra, và như đã thảo luận trước đây, việc ổn định nhiệt cho dòng điện phân cực không thực sự được thực hiện trong mạch phân cực, mà nó được cung cấp bởi chính các thiết bị đầu ra.
• R8 thực tế mang lại 100% phản hồi tiêu cực từ đầu ra bộ khuếch đại đến bộ phát Tr1, cho phép mạch chỉ xung quanh mức tăng điện áp thống nhất.
• Các điện trở R1, R2 và R4 hoạt động giống như một mạng phân chia tiềm năng để làm sai lệch tầng đầu vào của bộ khuếch đại, và do đó, đầu ra cũng xấp xỉ một nửa điện áp nguồn. Điều này cho phép mức đầu ra có thể đạt được cao nhất trước khi cắt và bắt đầu biến dạng nghiêm trọng.
• R1 và C2 được sử dụng giống như một mạch lọc loại bỏ tần số tiếng ồn và các dạng nhiễu tiềm năng khác trên đường cung cấp đi vào đầu vào của bộ khuếch đại thông qua mạch phân cực.
• R3 và C5 hoạt động giống như một Bộ lọc RF điều này ngăn chặn tín hiệu RF đánh chặn ngay từ đầu vào đến đầu ra, gây ra nhiễu âm thanh. C4 cũng hỗ trợ giải quyết vấn đề tương tự bằng cách tắt đáp ứng tần số cao của bộ khuếch đại một cách hiệu quả trên giới hạn tần số âm thanh trên.
• Để đảm bảo rằng bộ khuếch đại có được mức tăng điện áp tốt ở các tần số âm thanh, điều cần thiết là tách các phản hồi tiêu cực đến một mức độ nào.
• C7 hoàn thành vai trò của tụ tách , trong khi điện trở R6 giới hạn số lượng phản hồi được làm sạch.
• Mạch của tăng điện áp được xác định gần đúng bằng cách chia R8 cho R6, hoặc khoảng 20 lần (26dB) với các giá trị bộ phận được ấn định.
• Điện áp đầu ra tối đa của bộ khuếch đại sẽ là 16 volt RMS, cho phép độ nhạy đầu vào khoảng 777mV RMS để đạt được đầu ra đầy đủ. Trở kháng đầu vào có thể hơn 20k.
• C3 và C8 được sử dụng làm tụ ghép đầu vào và đầu ra tương ứng. C1 cho phép tách nguồn DC.
• R11 và C9 phục vụ riêng để tạo điều kiện và kiểm soát độ ổn định của bộ khuếch đại, bằng cách hoạt động giống như Mạng Zobel , thường được tìm thấy xung quanh các giai đoạn đầu ra của hầu hết các thiết kế bộ khuếch đại công suất bán dẫn.

Phân tích hiệu suất

Bộ khuếch đại nguyên mẫu dường như hoạt động cực kỳ tốt, đặc biệt chỉ khi chúng tôi nhận thấy thiết kế khá đơn giản của thiết bị. Mạch thiết kế bộ khuếch đại MOSFET được hiển thị sẽ vui vẻ xuất ra RMS 35 watt thành tải 8 ohm.

• Các tổng méo hài sẽ không quá 0,05%. Nguyên mẫu chỉ được phân tích tần số tín hiệu khoảng 1 kHz.
• Tuy nhiên mạch của mở vòng lặp được thấy là thực tế không đổi trong toàn bộ dải tần số âm thanh.
• Các đáp ứng tần số vòng kín được đo ở mức -2 dB với các tín hiệu xấp xỉ 20 Hz và 22 kHz.
• Bộ khuếch đại của tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (không có loa được kết nối) đã cao hơn con số 80 dB, mặc dù thực tế có thể có một lượng nhỏ tay vo ve từ nguồn điện đang được phát hiện trên loa, nhưng mức này có thể quá nhỏ để nghe được trong điều kiện bình thường.

Nguồn cấp

Hình ảnh trên minh họa nguồn điện được cấu hình thích hợp cho thiết kế bộ khuếch đại MOSFET 35 watt. Nguồn điện có thể đủ mạnh để xử lý âm thanh mono hoặc mô hình âm thanh nổi của thiết bị.

Nguồn điện thực sự được tạo thành từ một vài mạch chỉnh lưu đẩy kéo và làm trơn hiệu quả có các đầu ra của chúng mắc nối tiếp để cung cấp tổng điện áp đầu ra tương ứng với hai lần điện thế được áp dụng bởi một mạch chỉnh lưu riêng lẻ và mạch lọc điện dung.

Điốt D4, D6 và C10 tạo thành một phần cụ thể của nguồn điện trong khi phần thứ hai được cung cấp bởi D3, D5 và C11. Mỗi loại trong số này cung cấp dưới 40 vôn một chút khi không có tải được kết nối và tổng điện áp không tải là 80 V.

Giá trị này có thể giảm xuống xấp xỉ 77 vôn khi bộ khuếch đại được tải bởi tín hiệu đầu vào âm thanh nổi có trạng thái tĩnh hoạt động và chỉ còn khoảng 60 vôn khi hai kênh bộ khuếch đại hoạt động ở mức công suất tối đa hoặc tối đa.

Gợi ý xây dựng

Cách bố trí PCB lý tưởng cho bộ khuếch đại MOSFET 35 watt được trình bày trong Hình bên dưới.

Điều này có nghĩa là cho một kênh của mạch khuếch đại, vì vậy, đương nhiên hai bảng như vậy phải được lắp ráp khi cần thiết một bộ khuếch đại âm thanh nổi. Các bóng bán dẫn đầu ra chắc chắn không được trang bị trên PCB, thay vào đó là một loại có vây lớn.

Không cần thiết phải sử dụng bộ cách điện mica cho các bóng bán dẫn trong khi cố định chúng trên bộ tản nhiệt. Điều này là do các nguồn MOSFET được kết nối trực tiếp với các tab kim loại của chúng và các chân nguồn này dù sao cũng phải được kết nối với nhau.

Tuy nhiên, vì chúng không được cách điện với bộ tản nhiệt nên việc đảm bảo rằng bộ tản nhiệt không tiếp xúc điện với các bộ phận khác của bộ khuếch đại có thể thực sự quan trọng.

Ngoài ra, đối với việc triển khai âm thanh nổi, các bộ tản nhiệt riêng lẻ được sử dụng cho một cặp bộ khuếch đại không được phép mắc vào vị trí gần nhau về điện. Luôn đảm bảo sử dụng các dây dẫn ngắn hơn, tối đa khoảng 50 mm để kết nối các bóng bán dẫn đầu ra với PCB.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với các dây dẫn kết nối với các thiết bị đầu cuối cổng của MOSFET đầu ra. Do thực tế là MOSFET công suất có độ lợi cao ở tần số cao, dây dẫn dài hơn có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến phản ứng ổn định của bộ khuếch đại, hoặc thậm chí kích hoạt dao động RF, do đó có thể gây ra hư hỏng vĩnh viễn cho MOSFET công suất.

Phải nói rằng, trên thực tế, bạn có thể thấy hầu như không gặp khó khăn nào trong việc chuẩn bị thiết kế để đảm bảo rằng các đầu mối này được giữ ngắn hơn một cách hiệu quả. Điều quan trọng cần lưu ý là C9 và R11 được gắn bên ngoài PCB và được kết nối đơn giản với nhau qua ổ cắm đầu ra.

Mẹo xây dựng cung cấp điện

Mạch cung cấp điện được xây dựng bằng cách áp dụng loại dây nối điểm - điểm, như được chỉ ra trong hình bên dưới.

Điều này thực sự trông khá dễ hiểu, tuy nhiên người ta đảm bảo rằng cả hai loại tụ điện C10 và C11 đều có một thẻ giả. Trong trường hợp không có thì điều quan trọng có thể là sử dụng dải thẻ để kích hoạt một vài cổng kết nối. Một thẻ hàn được Kẹp vào một bu lông lắp cụ thể của T1, cung cấp điểm kết nối khung cho dây nối đất AC nguồn.

Điều chỉnh và Cài đặt

1. Đảm bảo kiểm tra toàn diện các kết nối dây trước khi BẬT nguồn điện, bởi vì sai lầm về dây có thể gây ra sự phá hủy tốn kém và chắc chắn có thể nguy hiểm.
2. Trước khi bật mạch, đảm bảo cắt R10 để có điện trở tối thiểu (xoay hoàn toàn theo hướng ngược chiều kim đồng hồ).
3. Với FS1 ngay lập tức được lấy ra và một đồng hồ vạn năng được cố định để đo FSD 500mA được gắn trên giá đỡ cầu chì, số đọc khoảng 20mA phải được nhìn thấy trên đồng hồ khi bộ khuếch đại được bật nguồn (có thể là 40mA khi sử dụng âm thanh nổi hai kênh).
4. Trong trường hợp bạn thấy chỉ số của đồng hồ về cơ bản khác với công tắc này, hãy tắt nguồn ngay lập tức và kiểm tra lại toàn bộ hệ thống dây điện. Ngược lại, nếu tất cả đều tốt thì chuyển động từ từ R10 để số đọc của đồng hồ cực đại lên đến giá trị 100mA.
5. Nếu muốn có một bộ khuếch đại âm thanh nổi, R10 trên cả hai kênh phải được tinh chỉnh để có được dòng điện lên đến 120mA, sau đó R10 ở kênh thứ 2 phải được tinh chỉnh để tăng mức sử dụng hiện tại lên 200mA. Sau khi hoàn thành những điều này, bộ khuếch đại MOSFET của bạn đã sẵn sàng để sử dụng.
6. Hết sức cẩn thận để không chạm vào bất kỳ kết nối nguồn AC nào trong khi thực hiện các quy trình cài đặt cho bộ khuếch đại.
7. Tất cả các kết nối dây hoặc cáp không được che đậy có thể ở điện thế nguồn AC phải được cách điện thích hợp trước khi nối thiết bị với nguồn điện lưới.
8. Không cần phải nói, như với mọi mạch hoạt động xoay chiều, nó phải được bao bọc trong một tủ chắc chắn chỉ có thể được vặn với sự trợ giúp của tuốc nơ vít chuyên dụng và các bộ dụng cụ khác, để đảm bảo rằng không có bất kỳ phương tiện nhanh chóng nào tiếp cận nơi nguy hiểm hệ thống dây điện và tai nạn được loại bỏ an toàn.

Danh sách các bộ phận cho Bộ khuếch đại công suất MOSFET 35 watt

Mạch ứng dụng MOSFET Ampli 120W

Tùy thuộc vào thông số kỹ thuật cung cấp điện, thực tế Bộ khuếch đại MOSFET 120 watt mạch có khả năng cung cấp công suất đầu ra trong khoảng 50 và 120 watt RMS vào một loa 8 ohm.

Thiết kế này cũng kết hợp MOSFET trong giai đoạn đầu ra để cung cấp mức hiệu suất tổng thể vượt trội ngay cả với sự đơn giản tuyệt vời của mạch

Tổng độ méo hài của bộ khuếch đại không quá 0,05%, nhưng chỉ khi mạch không được tải quá tải và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu vượt trội hơn 100dB.

Hiểu các giai đoạn của Bộ khuếch đại MOSFET

Như được hiển thị ở trên, mạch này được thiết kế tham chiếu đến cách bố trí của Hitachi. Trái ngược với thiết kế cuối cùng, mạch này sử dụng khớp nối DC cho loa và chứa nguồn điện cân bằng kép với 0V ở giữa và thanh nối đất.

Cải tiến này giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào các tụ điện ghép đầu ra lớn, cũng như hiệu suất kém hơn ở hiệu suất tần số thấp mà tụ điện này tạo ra. Hơn nữa, cách bố trí này cũng cho phép mạch có khả năng loại bỏ gợn sóng cung cấp tốt.

Bên cạnh tính năng ghép nối DC, thiết kế mạch xuất hiện khá khác biệt so với thiết kế được sử dụng trong thiết kế trước đó. Ở đây, cả giai đoạn đầu vào và trình điều khiển đều kết hợp bộ khuếch đại vi sai.

Giai đoạn đầu vào được cấu hình bằng cách sử dụng Tr1 và Tr2 trong khi giai đoạn trình điều khiển phụ thuộc vào Tr3 và Tr4.

Transistor Tr5 được cấu hình giống như một tải thu dòng điện không đổi cho Tr4. Đường dẫn tín hiệu nhờ bộ khuếch đại bắt đầu sử dụng tụ ghép đầu vào C1, cùng với bộ lọc RF R1 / C4. R2 được sử dụng để phân cực đầu vào của bộ khuếch đại trên đường cung cấp 0V trung tâm.

Tr1 có dây như một bộ khuếch đại phát chung fi er có đầu ra của nó được kết nối trực tiếp với Tr4, được áp dụng như một giai đoạn trình điều khiển bộ phát chung. Từ giai đoạn này trở đi, tín hiệu âm thanh được liên kết với Tr6 và Tr7, chúng được thiết kế như là giai đoạn đầu ra theo nguồn bổ sung.

Các phản hồi tiêu cực được trích xuất từ ​​đầu ra của bộ khuếch đại và được kết nối với đế Tr2, và mặc dù thực tế là không có sự đảo ngược tín hiệu qua đế Tr1 đến đầu ra của bộ khuếch đại, vẫn tồn tại sự nghịch đảo giữa đế Tr2 và đầu ra. Đó là bởi vì Tr2 hoạt động giống như một người theo dõi bộ phát nên đã điều khiển hoàn hảo bộ phát của Tr1.

Khi một tín hiệu đầu vào được áp dụng cho bộ phát Tr1, các bóng bán dẫn hoạt động thành công giống như giai đoạn cơ sở chung . Do đó, mặc dù sự nghịch đảo không diễn ra ở Tr1 và Tr2, nhưng sự nghịch đảo xảy ra qua Tr4.

Ngoài ra, sự thay đổi pha không xảy ra thông qua giai đoạn đầu ra, có nghĩa là bộ khuếch đại và đế Tr2 có xu hướng lệch pha để thực hiện phản hồi âm cần thiết. Giá trị R6 và R7 như được đề xuất trong sơ đồ cung cấp mức tăng điện áp xấp xỉ 28 lần.

Như chúng ta đã học được từ các cuộc thảo luận trước đây, một nhược điểm nhỏ của MOSFET công suất là chúng trở nên kém hiệu quả hơn so với BJT khi chúng được nối dây qua giai đoạn đầu ra Class B truyền thống. Ngoài ra, hiệu suất tương đối của MOSFET công suất trở nên khá tệ với các mạch công suất cao yêu cầu điện áp cổng / nguồn bằng một số điện áp đối với dòng nguồn cao.

Điện áp đầu ra tối đa có thể được giả định bằng điện áp nguồn trừ đi điện áp nguồn tối đa của bóng bán dẫn riêng lẻ, và điều này chắc chắn cho phép dao động điện áp đầu ra có thể thấp hơn đáng kể so với điện áp nguồn được áp dụng.

Một phương tiện đơn giản để đạt được hiệu suất cao hơn về cơ bản sẽ là kết hợp một vài MOSFET tương tự được gắn song song trên mỗi bóng bán dẫn đầu ra. Lượng dòng điện cao nhất được xử lý bởi mỗi MOSFET đầu ra sau đó sẽ giảm gần một nửa và điện áp nguồn tối đa đến cổng của mỗi MOSFET được hạ xuống một cách thích hợp (cùng với sự tăng trưởng tương ứng trong xung điện áp đầu ra của bộ khuếch đại).

Tuy nhiên, một cách tiếp cận tương tự không hoạt động khi áp dụng cho các thiết bị lưỡng cực và điều này về cơ bản là do hệ số nhiệt độ dương nét đặc trưng. Nếu một đầu ra cụ thể BJT bắt đầu tạo ra dòng điện quá mức so với đầu ra kia (vì không có hai bóng bán dẫn nào có đặc tính giống hệt nhau), một thiết bị bắt đầu nóng hơn thiết bị kia.

Nhiệt độ tăng lên này làm cho điện áp ngưỡng phát / cơ sở của BJT bị giảm và kết quả là nó bắt đầu tiêu thụ một phần lớn hơn nhiều của dòng điện đầu ra. Tình hình sau đó làm cho bóng bán dẫn trở nên nóng hơn, và quá trình này tiếp tục vô hạn cho đến khi một trong các bóng bán dẫn đầu ra bắt đầu xử lý tất cả tải, trong khi bóng bán dẫn kia vẫn không hoạt động.

Loại vấn đề này không thể được nhìn thấy với MOSFETs nguồn vì hệ số nhiệt độ âm của chúng. Khi một MOSFET bắt đầu nóng hơn, do hệ số nhiệt độ âm của nó, nhiệt nghiêng bắt đầu hạn chế dòng điện chạy qua cống / nguồn của nó.

Điều này làm dịch chuyển dòng điện dư về phía MOSFET khác mà bây giờ bắt đầu nóng hơn, và tương tự như vậy nhiệt làm cho dòng điện qua nó giảm tương ứng.

Tình hình này tạo ra một sự chia sẻ và phân tán dòng điện cân bằng trên các thiết bị làm cho bộ khuếch đại hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy. Hiện tượng này cũng cho phép MOSFET được kết nối song song chỉ đơn giản bằng cách ghép cổng, nguồn và dây dẫn cống lại với nhau mà không cần tính toán hay lo lắng nhiều.

Nguồn cung cấp cho Bộ khuếch đại MOSFET 120 watt

Mạch cung cấp điện được thiết kế thích hợp cho bộ khuếch đại MOSFET 120 watt được chỉ ra ở trên. Điều này trông giống như mạch cung cấp năng lượng cho thiết kế trước đó của chúng tôi.

Sự khác biệt duy nhất là nguồn cung cấp vòi trung tâm của máy biến áp tại điểm giao nhau của hai tụ điện làm mịn ban đầu đã bị bỏ qua. Đối với ví dụ hiện tại, điều này đã quen với việc cung cấp nguồn cung cấp đất 0V ở giữa, trong khi nguồn điện lưới cũng nối với đường giao nhau này thay vì với đường ray cung cấp âm.

Bạn có thể tìm thấy các cầu chì đang được lắp đặt trên cả đường ray dương và âm. Công suất đầu ra do bộ khuếch đại phân phối phần lớn phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của máy biến áp nguồn. Đối với đa số các yêu cầu, máy biến áp nguồn hình xuyến 35 - 0 - 35 volt 160VA thực sự là đủ.

Nếu hoạt động âm thanh nổi được ưu tiên, máy biến áp sẽ cần được thay thế bằng máy biến áp 300 VA nặng hơn. Ngoài ra, có thể xây dựng các đơn vị cấp điện cách ly sử dụng máy biến áp 160VA cho mỗi kênh.

Điều này cho phép điện áp cung cấp xấp xỉ 50 V ở điều kiện tĩnh, mặc dù ở mức đầy tải, mức này có thể giảm xuống mức thấp hơn nhiều. Điều này cho phép thu được công suất đầu ra lên đến khoảng 70 watt RMS thông qua các loa có định mức 8 ohm.

Một điểm quan trọng cần lưu ý là các điốt 1N5402 được sử dụng trong bộ chỉnh lưu cầu có định mức dòng điện tối đa có thể chịu được là 3 ampe. Điều này có thể là đủ cho một bộ khuếch đại một kênh, nhưng điều này có thể không đủ cho một phiên bản âm thanh nổi. Đối với phiên bản âm thanh nổi, các điốt phải được thay thế bằng điốt 6 amp hoặc điốt 6A4.

Bố cục PCB

Bạn có thể tìm thấy một PCB chính thức để xây dựng mạch khuếch đại MOSFET 120 watt của riêng bạn. 4 thiết bị MOSFET được chỉ định phải được gắn với bộ tản nhiệt lớn có vây, phải được đánh giá ở mức tối thiểu 4,5 độ C trên mỗi watt.

Biện pháp phòng ngừa về dây điện

• Đảm bảo giữ các đầu nối sơ đồ chân MOSFET càng ngắn càng tốt, chiều dài không quá 50 mm.
• Nếu bạn muốn giữ chúng lâu hơn một chút, hãy đảm bảo thêm một điện trở có giá trị thấp (có thể là 50 ohm 1/4 watt) với cổng của mỗi MOSFET.
• Điện trở này sẽ đáp ứng với điện dung đầu vào của MOSFET và hoạt động giống như một bộ lọc thông thấp, đảm bảo ổn định tần số tốt hơn cho đầu vào tín hiệu tần số cao.
• Tuy nhiên, ở các tín hiệu đầu vào tần số cao, các điện trở này có thể tạo ra một số ảnh hưởng đến hiệu suất đầu ra, nhưng điều này thực sự có thể quá nhỏ và khó nhận thấy.
• Bóng bán dẫn Tr6 thực sự bao gồm hai MOSFET kênh n được kết nối song song, tương tự đối với Tr7, cũng có một vài MOSFET kênh p song song.
• Để thực hiện kết nối song song này, cổng, cống, nguồn của các cặp MOSFET tương ứng chỉ đơn giản là được nối với nhau, chỉ đơn giản như vậy thôi.
• Ngoài ra, xin lưu ý rằng tụ điện C8 và điện trở R13 được lắp trực tiếp trên ổ cắm đầu ra, và không được lắp ráp trên PCB.
• Có lẽ phương pháp hiệu quả nhất để xây dựng bộ nguồn là đi dây cứng, đối với bộ nguồn như đã làm cho bộ khuếch đại trước đó. Hệ thống dây điện cũng giống như mạch trước này.

Điều chỉnh và Cài đặt

1. Trước khi BẬT nguồn cho mạch khuếch đại hoàn chỉnh, hãy đảm bảo kiểm tra cẩn thận từng dây một trong số các dây dẫn vài lần.
2. Đặc biệt kiểm tra hệ thống dây điện của nguồn điện và các kết nối liên quan trên các MOSFET công suất đầu ra.
3. Các lỗi xung quanh các kết nối này có thể nhanh chóng dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn cho bộ khuếch đại.
4. Ngoài ra, bạn sẽ cần thực hiện một vài điều chỉnh trước khi BẬT bảng hoàn chỉnh.
5. Bắt đầu bằng cách xoay hoàn toàn cài đặt trước R11 ngược chiều kim đồng hồ và ban đầu không kết nối loa với đầu ra của thiết bị.
6. Tiếp theo, thay vì loa, hãy kết nối đầu dò vạn năng của bạn (đặt ở dải DC điện áp thấp) qua các điểm đầu ra của bộ khuếch đại và đảm bảo rằng nó hiển thị điện áp đầu ra tĩnh thấp khả dụng.
7. Bạn có thể thấy đồng hồ hiển thị điện áp phân đoạn hoặc có thể không có điện áp nào, điều này cũng ổn.
8. Trong trường hợp đồng hồ chỉ ra điện áp một chiều lớn, bạn phải tắt ngay bộ khuếch đại và kiểm tra lại xem có thể mắc lỗi nào trong hệ thống dây điện hay không.

Phần kết luận

Trong bài viết trên, chúng ta đã thảo luận toàn diện về nhiều thông số đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động chính xác và tối ưu của bộ khuếch đại công suất.

Tất cả các thông số này là tiêu chuẩn và do đó có thể được sử dụng và áp dụng hiệu quả trong khi thiết kế bất kỳ mạch khuếch đại công suất MOSFET nào, bất kể thông số kỹ thuật về công suất và điện áp.

Các đặc điểm khác nhau được trình bày chi tiết về thiết bị BJT và MOSFETs có thể được nhà thiết kế sử dụng để thực hiện hoặc tùy chỉnh một mạch khuếch đại công suất mong muốn.