Выходные каскады на мощных полевых транзисторах

Полевой транзистор является, по существу дела, полупроводниковым прибором, который управляется напряжением.

Обычно применяемые полевые транзисторы являются полупроводниковыми

приборами обогащенного типа – другими словами, если не приложено

напряжение между затвором и истоком, они остаются в закрытом состоянии (т.е. у них отсутствует проводящий канал). В противоположность им полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, используемые в малосигнальных цепях, являются полупроводниковыми приборами с обеднением, для которых необходимо приложение к электроду затвора отрицательного (относительно истока) напряжения (в случае наиболее часто используемых на практике n-канальных транзисторов), чтобы уменьшить ток стока в необходимой степени.

Мощные полевые транзисторы обладают большой собственной емкостью, как

между затвором и стоком, так и между затвором и истоком. Емкость затвор–исток

эффективно подавляется путем использования схемы с общим стоком, однако

емкость затвор–сток, которая легко может достигать значения 2000 пФ, остается

под воздействием предыдущего каскада. Существует очевидная опасность, что

эта паразитная емкость будет негативно воздействовать на скорость нарастания

напряжения, если каскад усилителя напряжения не спроектирован таким

образом, чтобы противостоять этому воздействию.

Полевые транзисторы обеспечивают более широкую полосу пропускания по

сравнению с биполярными выходными транзисторами.

В самом начале при расчете любого усилителя мощности одним из первых решений, которое должно быть принято, является выбор между типом выходного

каскада, который будет выполнен либо на биполярных, либо на полевых

транзисторах. Такое решение, разумеется, может быть предложено вам раньше экономическим отделом из тех соображений, что рыночная тенденция в целом говорит о том, что, если, в общем случае, полевые транзисторы являются более дорогостоящими приборами, то, следовательно, они должны обладать лучшими характеристиками.

Мощные МДП или МОП полевые транзисторы очень часто провозглашаются

панацеей для решения для всех проблем усилителей, но они обладают своими

собственными недостатками, среди которых не последнее место занимают малая

крутизна характеристики, плохая линейность и высокое значение сопротивления

во включенном состоянии, что делает эффективность работы каскада весьма

посредственной.

Расширенная частотная характеристика полевого транзистора, подобно своим

многим электронным собратьям, является обоюдоострым оружием, если не

сказать еще хуже, а ВЧ мощность означает, что должны быть предприняты особые меры по предупреждению возникновения паразитных колебаний, которые очень часто немедленно следуют за взрывом приводящей в замешательство неистовости.

Преимущества применения полевых транзисторов

1. Для простого выходного каскада с комплементарными МОП полевыми

транзисторами нет необходимости применять предоконечный каскад. Это, правда, сводится на нет необходимостью использовать для защиты затвора стабилитроны.

2. Отсутствует механизм возникновения вторичного пробоя. Это может упростить расчет систем защиты от перегрузки, особенно предназначенных противостоять нагрузкам с высокой реактивной составляющей.

3. Отсутствуют эффекты накопления заряда, приводящие к возникновению искажений, связанных с выключением полупроводниковых приборов.

Недостатки полевых транзисторов

1. Линейность характеристики намного хуже по сравнению с биполярными транзисторами, имеющими точно такую же крутизну за счет ухудшения характеристик. Характеристики проводимости при работе в классе В не обладают гладкостью при пересечении нулевого значения, и поэтому отсутствует

эквивалент условию оптимального задания смещения в режиме работы класса В, которое просто очевидно при работе каскада на биполярных транзисторах.

2. Напряжение (затвор–исток) Uзи, необходимое для образования канала проводимости, составляет, как правило, порядка 4–6 В, что намного больше напряжения величиной 0,6 – 0,8 В, необходимого в биполярном транзисторе для управления базой. Это значительно снижает эффективность выходного каскада по напряжению, если только предыдущие малосигнальные каскады питаются от отдельных и высоковольтных шин питания.

3. Минимальное сопротивление канала проводимости полевого транзистора, обозначаемое как Rпр, велико и определяет дальнейшее снижение эффективности каскада по сравнению с выходными каскадами на биполярных транзисторах.

4. Мощные полевые транзисторы склонны к возникновению паразитных колебаний. В жестких условиях работы приборы в пластмассовых корпусах будут, без всяких преувеличений, взрываться. Обычно этот процесс можно как-то контролировать в простых выходных каскадах на комплементарных полевых транзисторах за счет добавления на затворе ограничивающих резисторов, но он представляет серьезное препятствие для проведения серьезных экспериментов при разработке схем выходных каскадов.

5 Так как разброс значений напряжения Uсм очень велик, это осложняет

параллельное включение приборов для достижения более высокой выходной мощности. При параллельном включении каскадов на биполярных транзисторах редко требуется использовать резисторы общего (совместно используемого) тока, значения сопротивлений которых превышали бы 0,1 Ом, одна ко в случае

использования полевых транзисторов значения сопротивлений должны быть гораздо больше, что еще больше снижает эффективность работы схемы.

6 Существует ещё экономическое препятствие для использования полевых транзисторов. Если взять усилитель с определенной выходной мощностью, то стоимость выходных полупроводниковых приборов возрастает в полтора - два

раза при использовании полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором, IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором, IGBT, представляет сравнительно новую возможность для разработчиков схем усилителей. Он как бы объединил лучшие черты полевых и биполярных транзисторов. Наиболее обескураживающим аспектом относительно биполярных транзисторов с изолированным затвором является присутствие паразитного биполярного транзистора, который с трудом включает прибор при превышении порогового

значения тока. Этот встроенный саморазрушающий механизм будет делать защиту от перегрузки, по крайней мере, очень критичной.

На практике существуют три основных типа выходных каскадов на полевых транзисторах представлены на рисунке 1.43.

В большинстве усилителей на полевых транзисторах используется простейшая схема с общим стоком, представленная на рисунке 1.43,а; зависимость усиления для режима большого сигнала показывает, что для данного значения нагрузки усиление оказывается меньше (0,83 по сравнению

со значением 0,97 для биполярного транзистора при величине нагрузки 8 Ом), это

происходит из-за более низкого значения крутизны, что наравне с более высоким значением сопротивления во включенном состоянии значительно уменьшает

к. п. д. на выходе схемы. Искажения для режима с разомкнутой цепью значительно выше; при этом отсутствует эквивалент спаду усиления, характерного для биполярного транзистора. Для области перехода сигнала через нулевое значение характерно более резкое и высокое отклонение, чем для каскада, выполненного на биполярных транзисторах, и выглядит оно достаточно угрожающе;

а) б) в)

а – схема с общим стоком

б – гибридная квазикомплементарная схема

в - гибридная комплементарная схема

Рисунок 1.43 – Три основные схемы выходных каскадов, выплненых на МОП

транзисторах

На рисунке 1.43, б представлен гибридный (т.е. выполненный на биполярном и на полевом транзисторах) квазикомплементарный выходной каскад, который впервые был описан Селфом (Self). Данный вариант схемы предназначен достичь скорее максимальной экономии, чем эффективности работы, так как выбор был сделан (в основном из рыночных соображений) в пользу того, чтобы использовать полевые транзисторы, причем, в качестве обоих выходных приборов использовать более дешевые n-канальные транзисторы;

комплементарные МОП полевые транзисторы все еще остаются более дорогими и более редкими. Базовая схема имеет ярко выраженную асимметричность, нижняя половина гибридной схемы обеспечивает более высокое и постоянное усиление, чем верхняя половина каскада, выполненного по схеме с общим стоком, увеличение значение R_e2 обеспечивает достаточное согласование между значениями усиления двух половин схемы, однако при этом оставляет непрерывность процесса перехода сигнала через нулевое значение.

Гибридная комплементарная схема, представленная на рисунке 1.43 в, была предложена с целью получить максимальную производительность при использовании полевых транзисторов, путем линеаризации выходных приборов с использованием локальной обратной связи и уменьшения изменении значения тока в рабочей точке I₀. Благодаря более низкому значению рассеиваемой мощности биполярных транзисторов, применяемых в схеме предоконечного каскада. Схему характеризует очень высокая линейность характеристики, в ней

отсутствует спад усиления при высоких нагрузках, она предвещает отсутствие искажений, связанных с выключением приборов; однако, как показывает опыт, она достаточно неэффективна в отношении максимального значения размаха амплитуд напряжений. Область, связанная с переходом сигнала через нулевой уровень, все еще имеет неприятные резкие изгибы, но общее отклонение усиления (0,96 – 0,97 при величине нагрузки 8 Ом) намного меньше, чем для квази-гибридной схемы (0,78 – 0,90), поэтому энергия сигнала генерируемых гармоник высоких порядков оказывается меньше.

Усилители мощности Класса G

Этот режим был предложен фирмой Hitachi в 1976 году с целью сокращения рассеиваемой усилителем мощности. Аудиосигналы имеют высокое отношение максимум/среднее значение, при этом большая часть времени расходуется на

низкие уровни, поэтому рассеиваемую на выходном транзисторе мощность можно значительно снизить за счет перехода от низковольтных шин питания к высоковольтным.

Усилители класса G имеют две пары шин питания (высоковольтную и

низковольтную), как показано на рисунке 1.44. При малой амплитуде выходного сигнала питание осуществляется низковольтной шиной E₁. Когда уровень сигнала превышает напряжение 15 В, диод VD₃ или VD₄ (для положительной и отрицательной полуволны соответственно) закрывается, открывается транзистор VT₆ или VT₈ и в работу включается высоковольтная шина Е₂. В это время транзисторы VT₆ и VT₃ (для положительной полуволны) или VT₈ и VT₄ (для отрицательной) включены последовательно, в результате мощность, рассеиваемая на каждом из них, снижается. Внутренние транзисторы VT₃ и VT₄ обычно работают в режиме класса B, хотя может использоваться также режим класса AB или A, для этого надо увеличить напряжение смещения. Внешние транзисторы VT₆ и VT₈ работают в режиме класса C, находясь в открытом состоянии менее 50% периода усиливаемого синусоидального сигнала.

Вообще говоря, скачок напряжения на коллекторах транзисторов не должен

сильно сказываться на уровне выходного сигнала, но на практике усилители

класса G имеют меньшую линейность, чем усилители класса B, потому что в результате переключения диодов и перезаряда их паразитных емкостей возникают

дополнительные помехи.

Очевидным обобщением описанного методы снижения рассеиваемой на транзисторах мощности является дальнейшее увеличение числа шин питания. На практике обычно используется не более трех пар. Внутренние транзисторы, как и раньше, работают в режиме класса B/AB, а промежуточные и внешние транзисторы – в режиме класса C, причем последние находятся в открытом состоянии меньшее время, чем первые.

По - видимому, в последовательном включении суммарное падение напряжения на транзисторах становилось слишком большим и схема уже не обеспечивает эффективного усиления. Кроме того, в этом случае имеется шесть шин питания и необходимо применять шесть выходных транзисторов, через каждый из которых течет весь выходной ток.

Рисунок 1.43 – Принципиальная схема усилителя мощности класса G

Дата добавления: 2014-01-07