Zbig MOSFET 3.0 - SyMOS

[Pawel S.]

panie zbig, zapytam wprost - moge juz sprzedawac swoje "janki"?

[bawolek]

Zbigu jasne ze warto dorzucic piny pod plytke zabezpieczeń ;p ... swietna konstrukcja, w sumie bez zadnych modyfikacji do suba jak i pelnopasmowy :) wiec ...tylko zabezpiecze brakuje heh

[Zbig]

Jak spojrzysz na schemat, to już są tam zabezpieczenia. Płytka prototypu też ma zabezpieczenia wbudowane.

[tomq88]

Nie na temat...

Od czego zależy napięcie na kolektorach Q8 i Q5? Mógłby mi ktoś jakoś objaśnić? Biorąc pod uwagę Q8 to: -napięcie emitera jest równe napięciu zasilania (tu nie ma wątpliwości) - napięcie bazy będzie podciągnięte do poziomu o -0,6 niższego (Vzas -0,6V) - a kolektor łączy się tylko z bramką IRFa i z Q5. Jaką rolę pełnią D8 i D9? A jaką D2 i D3? Stopień wejściowy do dla mnie czarna magia:) Sorry za takie prostackie pytania

[Zbig]

U....., będzie trochę opisywania. Ale spróbujemy.... kroczek po kroczku...
Ale opiszę tu tylko to, czego nie opisałem do tej pory przy wzmacniaczach MOSFET1 oraz MOSFET2 - lektura obowiązkowa!

Q8.
Napięcie emitera:
=napięcie zasilania wzmacniacza, minus spadek napięcia na diodzie D2 (ok 0,7V), minus spadek napięcia na oporniku R1 (ok. 0,2V).
napięcie bazy:
=napięcie emitera minus napicie przewodzenia baza-emiter (ok 0,6V)

Analogicznie z Q5 tylko od ujemnego zasilania napięcia dodajemy.

Co do napięcia kolektora Q8 to najprościej byłoby napisać, że jego napięcie zależy od spadku napięcia na oporniku R20. A prąd płynący przez R20
to różnica prądów Q8 i Q5.
Czyli napięcie kolektora Q8
= (prąd Q8 - prąd Q5) razy oporność R20.
Napięcie kolektora Q5 jest mniejsze od napięcia kolektora Q8 o spadek napięcia na Q1 (to układ regulacji prądu spoczynkowego MOSFETÓW)

Do pełnej jasności należałoby dodać, że prądy Q8 i Q5 zależą od tajemniczego układu na wejściu, którego zadaniem m.in. jest to, aby tak wysterować Q8 i Q5, żeby na wyjściu wzmacniacza było 0V. Ta "magiczna umiejetność " nazywa się ujemne sprzężenie zwrotne.
I teraz można powiedzieć tak: jesli na wyjściu jest 0V, a tranzystory końcowe przewodza np. 50mA prądu, to napięcie na bramkach Q2 i Q3 (czyli też na kolektorze Q8):
= 0V plus napięcie przy którym tranzystor MOSFET przewodzi 50mA (spadek napięcia na opornikach R6 i R10 możemy pominąć)
Analogicznie bramki U$1 i u$2 oraz kolektor Q5:
= 0V minus napięcie przy którym tranzystor MOSFET przewodzi 50mA


Działanie D2 i D3 opisałem przy wzmacniaczu MOSFET 2 i tam zajrzyj.
Diody D8 i D9 zabezpieczają bramki MOSFET-ów przed przebiciem. (zbyt dużym napięciem bramki względem źródła)

[tomq88]

Dzięki wielkie za przystępne wyjaśnienie.

Co do diód zenera D2 i D3 to wiążą się one z zasilaniem ukłądu bootstrap:

Zastosowanie diody zenera spowodowało, że obecnie prąd płynacy przez opornik bootstraupu zasila już tylko stopień sterujacy, bo gdy napięcie stopnia sterująceo podnosi się powyzej zasilania, to dioda zenera przestaje przwodzić (do czasu osiągniecia jej progu "zenera" - ograniczając tym samym maksymalny wzrost napięcia stopnia sterujacego).

To już jasne, pozostaje jednak kwestia diód D8 i d9:

Diody D8 i D9 zabezpieczają bramki MOSFET-ów przed przebiciem. (zbyt dużym napięciem bramki względem źródła)

W jaki sposób dioda włączona zaporowo między bramke a źródło chroni przed zbyt wysokim napieciem? Przecież do przepłyniecia jakiegokolwiek prądu przez tą diodę potrzeba by ujemnego spolaryzowania bramki względem źródłą/wyjścia wzmacniacza, co w normalnych warunkach pracy nie jest możliwe(?). Gdyby to była zenerka to ok, rozumiem - zgodnie ze swoimi właściwościami nie dopuściłaby do pojawiania się napięcia wyższego niż swoje nominalne, co chroniłoby przed przekroczeniem Ugsmax.

[Zbig]

Dobrze kombinujesz. To w takim razie nie odpowiem wprost, tylko Cię naprowadzę.
Na bramce u$1 i u$2 jest powiedzmy -4V, a na bramce Q2 i Q3 +4V.
Lub inaczej: miedzy bramkami mosfetów jest zawsze ok 8V - zapewnia to Q1 - regulacja biasu.

Pytanie jest takie:
-przy jakim napięciu na bramce Q2/Q3 zacznie przewodzić dioda D8 ?
-przy jakim napięciu na bramce u$1/u$2 zacznie przewodzić dioda D9?

Własnie dlatego na bramce Q2/Q3 napięcie nigdy nie spadnie poniżej -0,6V i nie wzrośnie powyżej +8,6V w stosunku do źródła (zaniedbując spadek napięcia na oporniku w źródle)

Można by tam wstawić zenerki, gdyby ktoś potrzebował silniejszego wysterowania MOSFET-ów, ale zenerki powinny być ze zwykłymi diodami szeregowo (ale zwykłe diody w przeciwnym kierunku niż zenerka)

[tomq88]

Pytanie jest takie:
-przy jakim napięciu na bramce Q2/Q3 zacznie przewodzić dioda D8 ?

Napięcie -1,2V? Tzn żeby zaczęła najpierw przewodzić D9, a na niej odłoży się te 0,6v, więc potrzeba jeszcze -0,6V? Czy może tylko -0,6V, bo trzeba wziąc pod uwagę jeszcze q5?



Stopień wejściowy chyba jednak zrozumiałem, tam są dwa wzmacniacze różnicowe, jeden (q13 i q4) steruje q8, a drugi (q6 i q7) steruje q5? Świadomie zrezygnowałeś ze stosowania źródeł prądowych dla wejścia? Czy to wiąże się z zastosowaniem sstabilizacji na diodach zenera (d1 i d10)? Z tego co widzę to bootstrap ma wpływ tylko na tranzystory sterujące q5 i q8.

W stopniu napięciowym są tranzystory w.cz. BF470/469, przeznaczone do układów szybkich wzmacniaczy wysokonapięciowych.
Mają 100mA prądu, 1,8W (spoko) i tylko 2,5pF pojemności B-C - są dużo szybsze od MJE i to pięknie widać na oscylogramach, szczególnie dla pobudzenia impulsowego.

To jest tak, że ktoś kto ma versję 1.0 lub 2.0 Twojego Mosfeta to może po prostu pomyśleć "biorę lutownice, wywalam MJE, a wstawiam BF i będzie ok"? Czy jednak szybsze tranzystory = większe ryzyko wzbudzania, więc ich użycie powinno być uwzględnione już podczas projektowania układu?



Mam nadzieję, że się nie pogrążam tymi pytaniami, ale na przykładzie tego wzmacniacza mógłbym zrozumieć zależności jakie mają miejsce w innych układach (bądź, co bądź prawa fizyki są dla wszystkich jednakowe).

[Zbig]

Napięcie -1,2V?

Nie.

Przecież sam na to pytanie odpowiedziałem :-)

Własnie dlatego na bramce Q2/Q3 napięcie nigdy nie spadnie poniżej -0,6V i nie wzrośnie powyżej +8,6V w stosunku do źródła (zaniedbując spadek napięcia na oporniku w źródle)

= 0,6V napięcie przewodzenia diody D8, dodać 8V napięcie układu biasu = 8,6V maksimum na bramce Q2/Q3, powyżej się nie podniesie bo cały nadmiarowy prąd sterujący zostanie "zwarty" przez diodę D8 do wyjścia.

Stopień wejściowy chyba jednak zrozumiałem (...)

Tak.

Świadomie zrezygnowałeś ze stosowania źródeł prądowych dla wejścia? Czy to wiąże się z zastosowaniem sstabilizacji na diodach zenera (d1 i d10)?

Tak, stosunkowo wysokie napięcie zasilajace opornik daje wystarczająco dobre "źródło pradowe" bez tętnień od zasilania.

Z tego co widzę to bootstrap ma wpływ tylko na tranzystory sterujące q5 i q8.

Tak.

To jest tak, że ktoś kto ma versję 1.0 lub 2.0 Twojego Mosfeta to może po prostu pomyśleć "biorę lutownice, wywalam MJE, a wstawiam BF i będzie ok"? Czy jednak szybsze tranzystory = większe ryzyko wzbudzania, więc ich użycie powinno być uwzględnione już podczas projektowania układu?

Rodzaj tranzystorów powinien być uwzględniony. Na BF były testowane wersje 1 i 2 - są stabilne.
Tu jest zmiana też w zakresie ich wysterowania (klasa AB versus klasa A w 1 i 2) i wyeliminowaniu opóźnień wprowadzanych przez lustra prądowe. Z tego powodu wersje 1 i 2 nie osiągną takiej szybkości jak 3-ka.

Mam nadzieję, że się nie pogrążam

Abosolutnie nie.

[tomq88]

Nie na temat...

= 0,6V napięcie przewodzenia diody D8, dodać 8V napięcie układu biasu = 8,6V maksimum na bramce Q2/Q3, powyżej się nie podniesie bo cały nadmiarowy prąd sterujący zostanie "zwarty" przez diodę D8 do wyjścia. Rozumiem już o co chodzi :) To tyle pytań z z mojej strony, przynajmniej na razie. Nie ma jakiegoś wielkiego doświadczenia w budowaniu wzmacniaczy, ale trochę schematów już widziałem i muszę przyznać, że o ile stopień wyjściowy to klasyczna klasyka, o tyle reszta ukłądu jest conajmniej pomysłowa

[raven1985]

Dlaczego podłączyłeś kolektory q4/7 do +-10v a nie do bsootrapowanego zasilnia ?
Wydaje mi się że było by to korzystne.

[Zbig]

Hmmm, dobre pytanie.
Bootstrapowane zasilanie wprowadza pewne, minimalne sprzężenie zwrotne, wynikajace z charakterystyki wyjściowej tranzystorów pary różnicowej. Wpięcie zasilania na +10V eliminuje ten efekt przynajmniej dla jednego tranzystora.
Pisząc "korzystne" masz pewnie na myśli to, ze w jakimś stopniu sprzeżenia kompensowałyby się wzajmenie w parze różnicowej.
Być może, nie sprawdzałem tego. Przyjąłem że im mniej pasożytniczych sprzeżeń, tym lepiej dla układu.
Dodatkową zaletą jest to, że użyte tranzystory maja mniejsze szumy przy niższym napięciu (choć akurat tego raczej się nie usłyszy :-) )
Gdyby jednak wpinać się w bootstrapowane napięcie, to sugerowałbym wpięcie w emiter stopnia napięciowego - zawsze to trochę poprawi wzmocnienie :-)

[raven1985]

Pisząc "korzystne"

Pisząc korzystne mam na myśli tłumienie tętnień zasilania głównie .
Paradoksalnie może być ono lepsze przy podłączeniu tych kolektorów do "brudnego" zasilania niż odfiltrowanego.
Można podłączyć też przed boostrapem.

Kolejna sprawa to symetria par różnicowych :) (inne napięcia VCE , moc tracona :) )

I jeszcze jedno:
Konwencjonalny taki boostrap działa trochę jak kaskodowanie i pomaga ograniczyć wpływ napięcia Earlyego.
Podłączając do boostrapowanego zasilania poprawi się nieco liniowość i zyska się może jakieś dB wzmocnienia :)
Nie wiem jak będzie to w tym układzie, zastosowałeś diody zamiast rezystorów w układzie boostrap a wiec napięcie na liniach zasilania nie będzie już kopią napięcia wyjściowego tylko będzie zniekształcone co nie jest korzystne.

zawsze to trochę poprawi wzmocnienie :-)

Dobry pomysł :) Zysk nie będzie jednak zbyt duży :)

[Zbig]

Uwaga o mocy traconej jest warta przemyślenia - wzmocnienie tranzystorów zależy od temperatury - a to może pogarszać "parowanie".
Wprawdzie tu dla prądu niezrównoważenia wejścia ważniejsze jest parowanie P z N - a tu pary pracują w identycznych warunkach zasilania.

[raven1985]

Nie tylko ta jest warta uwagi :)
Spr. swoje teoryje w symulatorze i on jest tego samego zadania :)

PSRR:

Jak widać po podłączeniu do bootstrapowanego zasilania zysk ~20dB i to darmowy :)

(Jak ktoś nie wie dlaczego to niech narysuje sobie schemat dla AC gdzie źródło sygnału jest w linii zasilania :) )

Teraz wzmocnienie pętli nfb.
czerwona - oryginał
zielony - po podłączeniu do bootstrpowanego zasilania - zysk marny ~2dB
niebieski po zamianie twojego "diodowego" bootsrapu na zwykły "rezystorowy" tutaj zysk już sporawy bo całe 6dB - zwróć uwagę że na wysokich częstotliwościach wzmacnianie praktycznie nie wzrosło.
Ogólnie wzmacniacz jest bardzo szybki, UGF (częstotliwość przy której wzmocnienie osiąga 1 ) 4Mhz.
Pasmo 3dB pętli też jest automatycznie duże i dostępne wzmocnienie rozciągnięte na całe pasmo audio.
To był celowy zabieg ? :)




Teraz THD diodowy vs. rezystorowy bootstrap.
THD 1Khz dla 200W (4om)




Zysk symboliczny i wynika ze wzrostu wzmocnienia.
Warto zwrócić jednak uwagę na znacznie niższy udział wyższych harmonicznych.


THD dla 20Khz





Dla wysokich częstotliwości zysk już nie jest symboliczny i nie może być tłumaczony wzrostem głębokości nfb (bo nie wzrosło :)
Musiała poprawić się liniowość wzmacniacza :)
Również tutaj zawracam uwagę na rozkład harmonicznych (rosną wraz częstotliwościową zamiast maleć)

[Zbig]

Super symulacje. Dzięki!
A więc trzeba będzie przepiąć kolektor.

Ogólnie wzmacniacz jest bardzo szybki, UGF (częstotliwość przy której wzmocnienie osiąga 1 ) 4Mhz.
Pasmo 3dB pętli też jest automatycznie duże i dostępne wzmocnienie rozciągnięte na całe pasmo audio.
To był celowy zabieg ? :)

Zamiana MJE na BF była jak najbardziej celowa i świadoma.
A dokładniej to najpierw przesunąłem punkt pracy stopnia napięciowego głębiej w stronę AB i stwierdziłem, że brak efektu przy pobudzeniu impulsowym - po krótkim badaniu wyszło, że MJE nie nadążają, stąd szybka decyzja: sprawdzić BF czyli tranzystory w.cz. z bardzo mała pojemnością Ucb (1,5pF) - no i bingo!

Również tutaj zawracam uwagę na rozkład harmonicznych (rosną wraz częstotliwościową zamiast maleć)

Z częstotliwością maleje nfb, więc pewnie zaczynają się ujawniać większe nieliniowości MOSFET-ów ( Id = f(Ugs) ) niż np. bipolarnych wtórników ( Ic = f(Ube) ) w stopniu mocy
W zasadzie sens pomiaru THD kończy się na 10kHz, bo już nikt 2-giej harmonicznej (20kHz) nie usłyszy. Ale zawsze warto wiedzieć, co się dzieje ze wzmacniaczem w całym paśmie.

[raven1985]

Z częstotliwością maleje nfb, więc pewnie zaczynają się ujawniać większe nieliniowości MOSFET-ów ( Id = f(Ugs) ) niż np. bipolarnych wtórników ( Ic = f(Ube) ) w stopniu mocy

Tak ale tutaj w obu przypadkach nfb na wysokich częstotliwościach było takie samo.

W zasadzie sens pomiaru THD kończy się na 10kHz, bo już nikt 2-giej harmonicznej (20kHz) nie usłyszy. Ale zawsze warto wiedzieć, co się dzieje ze wzmacniaczem w całym paśmie.

tak wysokich harmonicznych oczywiście bezpośrednio nie słychać. Ale wszystko co jest na wyjściu wraca przez nfb z powrotem na wejście i ponownie przechodzi przez wzmacniacz . Wyniku napotkanych nieliniowości powstaną produkty IMD które będą już w paśmie audio.

[Zbig]

Jak podajesz sygnał na wejście i obserwujesz (mierzysz) to co jest na wyjściu, to masz już tam wszystko: zniekształcenia nieliniowe i intermodulacyjne, z uwzględnieniem sprzeżenia zwrotnego.
Polemizowałbym ze stwierdzeniem "ponownie". To stwierdzenie sugerowałoby, że tak samo dzieje się z użytecznym sygnałem, czyli "najpierw przechodzi sygnał zniekształcony, potem jest korygowany przez nbf i pojawia się jako sygnał różnicowy a nastepnie jeszcze różnica znowu przechodzi przez wzmacniacz" - takie analizowanie wzmacniacza m.cz. nie ma sensu. Sam wzmacniacz i nbf jest tak szybkie w stosunku do częstotliwości sygnału użytecznego, że pomijamy opóźnienia, chyba, że chcesz analizować odpowiedź impulsową (do tego bez filtra LP na wejsciu), wówczas to jak najbardziej ma sens i również zdanie w cudzusłowiu jest prawdziwe. Nie mieszajmy jednak ludziom w głowach

[raven1985]

Jak podajesz sygnał na wejście i obserwujesz (mierzysz) to co jest na wyjściu, to masz już tam wszystko:

Oczywiście. Źle się wyraziłem :blushing:

Polemizowałbym ze stwierdzeniem "ponownie".

Broń Boże nie miałem nic takiego na myśli :)

Nie wiem dlaczego tak napisałem :blushing:

Po prostu powstające zniekształcenia IMD mogą już być w paśmie audio.
Jak będę miał chwilę czasu zobaczę jak będzie wyglądać IMD 19k+20k.
W nowej wersji symulatora można chyba na wejście plik .wave podać :)
Ale jeszcze nie zainstalowałem.

[El_liero]

Nie na temat...

W nowej wersji symulatora można chyba na wejście plik .wave podać Ale jeszcze nie zainstalowałem. Multisim? (dziesięć znaków)