Мостовой каскодный выходной каскад на полевых транзисторах.

[BesPav]

Захотелось подробнее рассмотреть свойства и характеристики вот такого выходного каскада:


Особенности коротко:
1. Мощные полевики включены по схеме двухтактного истокового повторителя и охвачены динамическими (следящими) каскодами. Напряжение затвор-сток на нижних транзисторах изменяется незначительно (в зависимости от сопротивления нагрузки) и поэтому влияние затворной емкости невелико.
2. Напряжение питания +-35 Вольт позволяет получить немногим меньше 33 Вольт действующего и почти 100 Вольт пик-ту-пик на выходе.
3. Выходной ток ограничен в основном теплорассеянием на выходных транзисторах. Так как напряжение на них в самом плохом случае ~15-18 Вольт, то и работа на 4 Ома нагрузки (даже существенно реактивной) с амплитудным напряжением 50 Вольт не является тяжелым режимом.
4. Мягкий заход и выход из ограничения. Каскод в этом режиме почти не работает, затворная емкость требует "накачки" и полюс может сильно смещаться вниз по частоте.
5. Слабо реагирует на сопротивление и реактивный характер нагрузки.
6. Нетребователен к раскачке со стороны УНа.
7. Позволяет подстраивать частоту основного полюса. Она в основном определяется сопротивлением предыдущего каскада и номиналом затворных резисторов.
8. Стабильные частотные свойства в широком диапазоне режимов.
9. Относительно простая стабилизация теплового режима.
10. Симметричное потребление тока с шин питания и отсутствие токов нагрузки в земле (при условии симметричной раскачки)
11. Слабая зависимость частотных параметров от тока нагрузки. Она есть, так как ток нагрузки дает падение на истоковом резисторе и затворную емкость все-таки приходится немного перезаряжать.
12. Диодная защита уже интегрирована в транзисторы выходного каскада.
13. Недорогие компоненты.
14. Весьма приличная выходная мощность для большинства домашних применений.

Основные недостатки:
1. 8 транзисторов, четыре источника тока.
2. Необходимость дополнительных повышенного и пониженного напряжений (+-10:12 Вольт) для питания цепей смещения.
3. Нетривиальная геометрия и разводка на плате.
4. Теплорассеяние на истоковых резисторах может достигать 20 Ватт.
5. Необходимость симметричной раскачки.
6. Необходимость симметричной ООС.

Скрытый текст

Заход/выход из ограничения, здесь и далее схема симулируется с более-менее реальным эквивалентом нагрузки:


Реакция на изменение активной части сопротивления нагрузки:


Реакция на изменение емкостной составляющей нагрузки:


Реакция на изменение индуктивной составляющей нагрузки:


Реакция на изменение тока в цепях смещения (источники тока):


Реакция на изменение затворных резисторов:


Реакция на изменение выходного сопротивления источников сигнала:


Реакция на изменение тока покоя:

[свернуть]

[теоретизирующий практик]

Есть множество способов, описанных, проверенных.

Самый простой не создавать проблемы, и нормально установить небольшое напряжение на "нижних" ПТ.

Каскод в ВК? Однако...

А что, каскод? Каскод он и есть каскод. Два транзистора дают заметно бОльшую "широкополосность", что позволяет легче получить хорошие импульсные характеристики. При низком напряжении нижних транзисторов затраты на каскод приемлемые. Да ещё подобрать соответствующие транзисторы на первый этаж, а не допотопные 240.

Другой вопрос так ли уж важны эти пресловутые импульсные характеристики, которые оцениваем рассматривая реакцию УНЧ на "клиппинг по времени нарастания меандра"?

Ну и ещё - смысл моста? Если на второй этаж ставить "монстры" с ОЗ?

[mellowman]

Offтопик:

У кого там плата-то была с десятком транзисторов в каждом плече?

Вот он!

[BesPav]

Два транзистора дают заметно бОльшую "широкополосность", что позволяет легче получить хорошие импульсные характеристики.

Помимо просто "широкополосности" они еще и обеспечивают ее в широком диапазоне режимов.

Другой вопрос так ли уж важны эти пресловутые импульсные характеристики

Так они же не сами по себе, а в комплексе со всеми предыдущими каскадами.
1. Позволяют стабильно и предсказуемо располагать полюс выходного каскада.
2. Не имеют зависимости от тока нагрузки.

Ну и ещё - смысл моста? Если на второй этаж ставить "монстры" с ОЗ?

Вдвое выше скорость нарастания, вдвое ниже напряжение питания, существенно шире SOA.
Ну а вдвое больший ток нагрузки не создает проблем с падением беты и девиацией fT в случае полевых транзисторов.
Даже монстрам с точки зрения SOA лучше работать при меньшем напряжении.

[Hennady]

Помимо просто "широкополосности" они еще и обеспечивают ее в широком диапазоне режимов.



Так они же не сами по себе, а в комплексе со всеми предыдущими каскадами.
1. Позволяют стабильно и предсказуемо располагать полюс выходного каскада.
2. Не имеют зависимости от тока нагрузки.



Вдвое выше скорость нарастания, вдвое ниже напряжение питания, существенно шире SOA.
Ну а вдвое больший ток нагрузки не создает проблем с падением беты и девиацией fT в случае полевых транзисторов.
...

у меня аналогичная схема усилителя , только не мостом и на Дарлингтонах вместо ИРФов , просто по половинке моста как в старт топике на каждый канал , ну и законченный вид выглядит несколько иначе и намного проще чем разрисовано, но в качестве идеи схемка хорошая - мне понравилась необычностью...


P.S. у меня в схеме R1-R4 как бы перекочевали в "стоки" .....

---------- Сообщение добавлено 15:32 ---------- Предыдущее сообщение было 12:37 ----------

фух, запустил на ИРФах.... не в мостовом.
питание 80 вольт двуполярное
нач. ток 358мА
ограничение несимметричное - (нижняя полуволна первая) - скорее всего из-за этого мост...
Rвх = 2,3кОма
Rвых = 0,58 Ома
....

[BesPav]

ограничение несимметричное - (нижняя полуволна первая)

А напряжения насыщения у ваших дарлингтонов, поди, отличаются?
;)

у меня в схеме R1-R4 как бы перекочевали в "стоки"

Эк вы с ними жестоко... Неужто заслужили?

[Hennady]

А напряжения насыщения у ваших дарлингтонов, поди, отличаются? ;)

а они при чем? у них симметричное
это уже на ИРФах несимметричное...

...Эк вы с ними жестоко... Неужто заслужили?

схема решения такая - выходное сопротивление ниже ... проблем нет.

[MAXIM_A]

Р полевики всегда раньше входят в насыщение....

[BesPav]

а они при чем? у них симметричное

Ну немного-то должно отличаться, иначе там нечему давать несимметричное ограничение.
У популярных PNP MJL21193 на токе в 10 А насыщение ~1 Вольт и дальше резко растет, а NPN MJL21194 при 10 А нужно ~полвольта.

схема решения такая - выходное сопротивление ниже ...

Покажите, пожалуйста, если это не коммерческий проект, интересно.
Конкретно здесь от резисторов в стоках пользы быть не должно, посмотрю на днях. Будет лишнее падение в несколько вольт, подрастет теплорассеяние и снизится напряжение ограничения вместе с выходной мощностью.

Р полевики всегда раньше входят в насыщение....

Так у них Rds(on) и затворные емкости обычно раза в два больше, чем у N-пары при сопоставимой крутизне. Либо, при равных емкостях, крутизна будет вдвое меньше.

[Hennady]

Конкретно здесь от резисторов в стоках пользы быть не должно, посмотрю на днях. Будет лишнее падение в несколько вольт, подрастет теплорассеивание и снизится напряжение ограничения вместе с выходной мощностью.

уже УН приделал, и да, с перестановкой в исток действительно стало "легче", добавилось симметрии .... с Дарлингтонами нет, остается как и было ...

P.S. cейчас С1 "глушит" схему, убрал - ок....

разделил C1 параллельно D1 и D2 - заработало...

[MAXIM_A]

Чтобы улучшить симметрию надо ставить в каждое плечо тразисторы разной проводимости.

[BesPav]

уже УН приделал, и да, с перестановкой в исток действительно стало "легче", добавилось симметрии

В истоках они еще и термостабилизации помогут, предлагаю и ее сделать симметричной и закаскодить!

Чтобы улучшить симметрию надо ставить в каждое плечо тразисторы разной проводимости.

Или сделать мост, тогда даже при переключении плеч все равно остаются два транзистора разной проводимости.
;)
Собственно это одна из главных фишек такого ВК.

[Hennady]

Чтобы улучшить симметрию надо ставить в каждое плечо тразисторы разной проводимости.

ИМХО не вариант.

---------- Сообщение добавлено 21:05 ---------- Предыдущее сообщение было 20:56 ----------

В истоках они еще и термостабилизации помогут,

есть такое

...предлагаю и ее сделать симметричной и закаскодить!

в моем случае УН в этом смысла нет, и естественно он симметричный...

....Или сделать мост, тогда даже при переключении плеч все равно остаются два транзистора разной проводимости.
;)

+ ИРФов в отличии от Дарлингтонов, в том что нужно все два каскада для раскачки, у Дарлингтонов - три....

....Собственно это одна из главных фишек такого ВК.

так мощность зачем такая для Доместик Аудио?

[BesPav]

в моем случае УН в этом смысла нет, и естественно он симметричный...

Добавил:


Тепловой коэффициент датчиков температуры ~1-2 мВ/град, умножается на ~6, крутизна выходников при ~150 мА порядка 0,1-1 А/Вольт (очень сильно меняется, в этой точке близкая к экспоненциальной зависимость крутизны от напряжения на затворе).
Итого цепь термостабилизации обеспечивает регулировку тока покоя в диапазоне от 250 мА ("холодное" значение) до 80-150 мА ("горячее" значение).
По желанию в цепи базы и коллекторов можно добавить конденсаторы 0,1-1 мкФ.

Как вариант, можно сделать раскачку ВК путем подачи тока в эмиттеры транзисторов цепи термостабилизации. В зависимости от тока покоя этой цепи получится изрядно своеобразный I/U.

так мощность зачем такая для Доместик Аудио?

А она тут сама собой получается, на сдачу.
Даже при скромных +-15 Вольтах питания на выходе может быть ~50-55 Вольт пик-ту-пик и ~100-120 Ватт RMS на 4 Ома.
Это уже как минимум корпуса ТО-220/I-pak.

[mellowman]

Добавил:
https://uploads.tapatalk-cdn.com/201...bf1b3a0933.jpg

А почему бы R21+18 и 20+24 не объединить? Или BSP129 к ним поставить, чтобы от напряжения питания не зависело

[BesPav]

А почему бы R21+18 и 20+24 не объединить?

Так наверняка будет удобнее на плате - один виас на слой противоположного питания и не надо тянуть дорожку к противополодному плечу.
Один корпус типа 1206/Minimelf на стоимость не повлияет.

Оба источника будут немного гулять от температуры и скорее всего P и N типы совсем несинхронно, разница их токов даже будет уходить в выход усилителя.

Источник тока можно выбрать любой:

Эта реализация выбрана из-за простоты, дешевизны и малого падения напряжения. Каскодный ИТ с двумя транзисторами и двумя светодиодами наверное лучше (особенно если сделать RC-фильтр), но потребует побольше напряжения.
ИТ на JFET-транзисторе/ах может быть ограничен по предельному напряжению питания (~25-30 Вольт), высоковольтные JFETы - редкость. В принципе можно и на них сделать каскод, но это уже 8 относительно дорогих транзисторов.
ИТ на Depletion MOSFETах будет простым, но тоже наверняка окажется существенно дороже.
Можно использовать 100-вольтовые CRD, но у них во-первых - грустные ценники, во-вторых - малое теплорассеяние и в-третьих - малые токи.
Можно поставить и простое токовое зеркало, но как-то не хочется зависеть от разброса Vbe.

При установке тока покоя желательно проконтролировать теплорассеяние на основном транзисторе источника тока, при настойчивом желании "поддать жару" - использовать ТО-126/220 и/или закреплять их на общем радиаторе.

[mellowman]

Так наверняка будет удобнее на плате - один виас на слой противоположного питания и не надо тянуть дорожку к противополодному плечу.

А тут сколько слоёв на плате? Обычно, когда питание по краям и выход между + и -, то протянуть 2 противоположных питания менее удобно, чем соединить резистором 2 вывода ИТ.

[BesPav]

А тут сколько слоёв на плате?

Два, но стоят Depletion Mosfet*ы с вот такой характеристикой насыщения:

Поэтому тянуть ничего не требуется.

На токах в 50 мА и меньше они по падению напряжения дадут фору почти всем другим вариантам (минус только один - $2,5 штучка), но на бОльших токах и с целью удешевления имеет смысл делать биполярные варианты, а при возможности бОльшего падения напряжения - каскодные варианты.

[Hennady]

Добавил:
https://uploads.tapatalk-cdn.com/201...bf1b3a0933.jpg
....
Итого цепь термостабилизации ...
Как вариант, можно сделать раскачку ВК путем подачи тока в эмиттеры транзисторов цепи термостабилизации.
В зависимости от тока покоя этой цепи получится изрядно своеобразный I/U.
.....

грустно все это - я понимаю классика, для приборостроения самое оно, для звука ИМХО не звучащая....

[MAXIM_A]

Два, но стоят Depletion Mosfet*ы с вот такой характеристикой насыщения:
https://uploads.tapatalk-cdn.com/201...c1cda36bb8.jpg
Поэтому тянуть ничего не требуется.

На токах в 50 мА и меньше они по падению напряжения дадут фору почти всем другим вариантам (минус только один - $2,5 штучка), но на бОльших токах и с целью удешевления имеет смысл делать биполярные варианты, а при возможности бОльшего падения напряжения - каскодные варианты.

Какие классные транзюки, прямо ламповый триод, отсечка -4 вольта.

[BesPav]

Какие классные транзюки

DN2535N5
http://ww1.microchip.com/downloads/e...%20B062813.pdf

Считай BSP129, но допустимое напряжение побольше и теплорассеяние до 15 Ватт.