コンプリメンタリ電界効果トランジスタを備えたUMZCH。スキーム、説明

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相補型電界効果トランジスタを備えた UMZCH。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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私たちは、電界効果トランジスタを備えた XNUMX ワット UMZCH の変形例を読者に紹介します。この設計では、パワートランジスタパッケージを絶縁パッドなしで共通のヒートシンクに取り付けることができるため、熱伝達が大幅に向上します。電源の XNUMX 番目のバージョンとして、十分に低いレベルの固有ノイズを持つ強力なパルスコンバータが提案されています。

UMZCH での電界効果トランジスタ (FET) の使用は、最近まで相補型トランジスタの品揃えが乏しく、動作電圧が低いという制約がありました。 FET 上の UMZCH を介したサウンド再生の品質は、バイポーラトランジスタをベースとしたアンプと比較して、非線形歪みや相互変調歪みが少なく、また、音の増加もスムーズであるため、真空管のレベルで評価されることが多く、さらにそれ以上と評価されます。過負荷時の歪み。負荷減衰とオーディオ帯域幅の両方において真空管アンプよりも優れた性能を発揮します。フィードバックのないこのようなアンプのカットオフ周波数は、バイポーラトランジスタの UMZCH のカットオフ周波数よりもはるかに高く、あらゆる種類の歪みに有利な影響を与えます。

UMZCH の非線形歪みは主に出力段によって発生し、通常、それらを低減するために共通の OOS が使用されます。ソースからの信号と一般的なOOSの回路の加算器として使用される入力差動段の歪みは小さいかもしれませんが、一般的なOOSの助けを借りてそれを低減することは不可能です。

電界効果トランジスタの差動段の過負荷容量は、バイポーラトランジスタの場合よりも約 100 ～ 200 倍高くなります。

UMZCH 出力段で電界効果トランジスタを使用することにより、固有の欠点を持つ従来の XNUMX 段および XNUMX 段ダーリントンリピータを廃止することが可能になります。

出力段に金属・誘電体・半導体（MIS）構造の電界効果トランジスタを使用すると良好な結果が得られます。出力回路の電流は入力電圧によって制御されるため (電気真空装置と同様)、大電流では、スイッチングモードでの MIS 電界効果トランジスタのカスケードの速度が非常に高くなります (τ = 50)。 ns）。このようなカスケードは高周波で良好な伝送特性を持ち、温度自己安定化の効果があります。

電界効果トランジスタの利点は次のとおりです。

静的および動的モードでの制御力が低い。
熱破壊がなく、二次破壊に対する感受性が低い。
ドレイン電流の熱的安定化により、トランジスタの並列接続が可能になります。
伝達特性は線形または二次に近い。
スイッチングモードでの高速性により、動的損失が軽減されます。
構造内に過剰なキャリアが蓄積しないこと。
低騒音レベル
小さな寸法と重量、長い耐用年数。

ただし、利点に加えて、これらのデバイスには欠点もあります。

電気的過電圧による故障;
熱歪みは低周波数 (100 Hz 以下) で発生する可能性があります。これらの周波数では、信号の変化が非常に遅いため、半サイクル以内にクリスタルの温度が変化する時間があり、その結果、トランジスタのしきい値電圧と傾きが変化します。

指摘された最後の欠点は、特に低電源電圧で出力電力を制限します。解決策は、トランジスタの並列接続と環境保護の導入です。

最近、外国企業 (Exicon など) がオーディオ機器に適した電界効果トランジスタを多数開発していることに注意してください。 EC-10P20、2SJ133-2SJ135、2SJ175、2SJ176 (P チャネル付き)。このようなトランジスタは、ドレイン電流に対する傾き（順方向伝達アドミタンス）の依存性が弱いことと、平滑化された出力 I-V 特性を特徴としています。

ミンスク生産協会「Integral」によって製造されたものを含むいくつかの電界効果トランジスタのパラメータを表に示します。 1.

相補型電界効果トランジスタを備えたUMZCH

ほとんどのトランジスタトランスレス UMZCH はハーフブリッジ回路に従って作られています。この場合、負荷はアンプの1つの電源とXNUMXつの出力トランジスタで形成されるブリッジの対角線に含まれます(図XNUMX)。

相補型電界効果トランジスタを備えたUMZCH

相補型トランジスタがなかったとき、UMZCH 出力段は、負荷と電源が共通のワイヤに接続された同じ構造のトランジスタで主に実行されました (図 1、a)。出力トランジスタを制御するための 2 つの可能なオプションが示されています。図の。 XNUMX.

相補型電界効果トランジスタを備えたUMZCH

最初のもの (図 2、a) では、出力段の下アームの制御はより良好な状態にあります。電源電圧の変化が小さいため、ミラー効果（動的入力容量）やアーリー効果（コレクタ電流対エミッタ・コレクタ電圧）はほとんど現れません。ここでは上アーム制御回路が負荷自体と直列に接続されているため、追加の対策（デバイスのカスコードスイッチングなど）を行わなくても、これらの効果が大きく現れます。この原則に従って、多くの成功した UMZCH が開発されています [1-3]。

2,6 番目のオプション (図 4 - このような構造には MIS トランジスタがより適しています) に従って、たとえば [5、5] など、多数の UMZCH も開発されました。ただし、そのようなカスケードであっても、電流発生器 [1] を使用したとしても、出力トランジスタの制御の対称性を確保することは困難です。入力インピーダンスバランシングの別の例は、[6] の準相補スキームまたは相補トランジスタの使用に従ったアンプアームの実装です (図 XNUMX、b を参照)。

同じ導電率のトランジスタで作られたアンプの出力段のアームのバランスをとりたいという要望から、図1の回路による非接地負荷を備えたアンプの開発が行われました。 7、d [9-7]。ただし、ここでも前のカスケードの完全な対称性を達成することはできません。出力段の各アームからの負帰還回路は等しくありません。これらのカスケードの NFB 回路 [8、XNUMX] は、反対側のアームの出力電圧に関連して負荷の電圧を制御します。さらに、このような回路ソリューションには絶縁電源が必要です。これらの欠点のため、広く応用されることはありませんでした。

相補型バイポーラおよび電界効果トランジスタの出現により、UMZCH の出力段は主に図 1 の回路に従って構築されます。 XNUMXb、c。ただし、これらの変形例でも、出力段を駆動するには高電圧デバイスを使用する必要があります。プリ出力段のトランジスタは高い電圧ゲインで動作するため、ミラー効果とアーリー効果の影響を受けやすく、共通の OOS がないと大きな歪みが発生し、トランジスタに高い動的特性が必要になります。前段に増加した電圧を供給すると、アンプの効率も低下します。

図の場合1、b、c では、共通ワイヤとの接続ポイントをブリッジの対角線の反対側の肩に移動すると、図のオプションが得られます。それぞれ 1,e [10] と 1,f。図のスキームによるカスケードの構造では、 1e は、出力トランジスタをケースから絶縁するという問題を自動的に解決します。このような方式に従って作られた増幅器には、列挙された多くの欠点がありません。

アンプ回路の特徴

アマチュア無線家の注目を集めているのは、図の出力段のブロック図に対応する反転 UMZCH (図 3) です。 1、e.

（クリックして拡大）

入力差動段は、対称回路に従って電界効果トランジスタ (VT1、VT2、および DA1) で作成されます。差動段におけるそれらの利点はよく知られており、高い直線性と過負荷容量、低ノイズです。電界効果トランジスタを使用すると、電流発生器が必要なくなるため、このカスケードが大幅に簡素化されました。オープンループ OS でゲインを高めるには、差動段の両肩から信号を取り出し、後続の電圧アンプの前にトランジスタ VT3、VT4 のエミッタフォロワを取り付けます。

第 5 段階は、サーボ電源と組み合わせたカスコード回路に従って、トランジスタ VT10 ～ VT959 で行われます。このような OE を備えたカスケード電源は、トランジスタの入力動的容量と、エミッタ - コレクタ電圧に対するコレクタ電流の依存性を中和します。この段の出力段には高周波 BSIT トランジスタが使用されており、バイポーラトランジスタ (KP940 対 KTXNUMX) と比較して、カットオフ周波数が XNUMX 倍、ドレイン (コレクタ) 容量が XNUMX 倍になっています。

独立した絶縁電源から電力を供給される出力段を使用することで、プリアンプ用の低電圧電源 (9 V) を不要にすることができました。

出力段は強力な MOS トランジスタで構成されており、そのドレインの終端 (およびハウジングの熱除去フランジ) が共通のワイヤに接続されているため、アンプの設計と組み立てが簡素化されています。

強力な MIS トランジスタは、バイポーラのものとは異なり、パラメータの広がりが小さいため、並列接続が容易になります。デバイス間の電流の主な広がりは、しきい値電圧の不均衡と入力容量の広がりによって発生します。ゲート回路に追加の 50 ～ 200 オームの抵抗を導入すると、ターンオン遅延とターンオフ遅延がほぼ完全に等化され、スイッチング時の電流拡散がなくなります。

アンプのすべての段階は、ローカルおよび一般的な環境保護によってカバーされています。

主な技術的特徴

開ループフィードバック (R6 を 22 MΩ に置き換え、C4 を除く)
カットオフ周波数、kHz......300
電圧利得、dB......43
AB モードの高調波係数、%、これ以上......2

OSが有効な場合

出力電力、負荷 4 オームで W......100
8オームの負荷で......60
再現可能な周波数範囲、Hz......4...300000
高調波係数、%、これ以上……0,2
定格入力電圧V......2
出力段の自己消費電流、A ...... 0,15
入力抵抗、kΩ ..... 24

開ループ帰還アンプのカットオフ周波数は比較的高いため、帰還の深さと高調波歪みは周波数応答全体にわたってほぼ一定です。

UMZCH の動作周波数帯域は、下からはコンデンサ C1 の静電容量によって制限され、上からは C4 (静電容量が 1,5 pF、カットオフ周波数は 450 kHz です) によって制限されます。

構造と詳細

アンプは両面フォイルグラスファイバー製の基板上に作られています（図4）。

相補型電界効果トランジスタを備えたUMZCH

要素が取り付けられている側の基板には、共通のワイヤに接続された箔が最大限に充填されます。トランジスタ VT8、VT9 には、「フラッグ」の形をした小さなプレートヒートシンクが装備されています。ピストンは、強力な電界効果トランジスタのドレイン端子用の穴に取り付けられています。トランジスタ VT11、VT14 のドレイン端子は、フォイルの側面 (図の×印) から共通のワイヤに接続されます。

ピストンは、主変圧器のリード線とジャンパー穴を接続するために、ボードの穴 5 ～ 7 に取り付けられています。抵抗器 R19、R20、R22、R23 は直径 0,5、長さ 150 mm のマンガニン線でできています。インダクタンスを抑えるため、線材を半分に折り、直径4mmのマンドレルに折り曲げ（バイファイラー）巻き付けています。

インダクタ L1 は、2 W 抵抗器 (MLT または同様のもの) の表面全体を覆うように、PEV-0,8 ワイヤで 2 ターン巻かれています。

コンデンサ C1、C5、C10、C11 ～ K73-17、および C10 と C11 は、PCB 側からコンデンサ C8 と C9 の端子にはんだ付けされます。コンデンサC2、C3 - 酸化物K50-35; コンデンサ C4 - K10-62 または KD-2; C12 - K10-17 または K73-17。

n チャネルの電界効果トランジスタ (VT1、VT2) は、DA1 アセンブリのトランジスタとほぼ同じ初期ドレイン電流で選択する必要があります。カットオフ電圧に関しては、両者の差が 20% を超えてはなりません。マイクロアセンブリ DA1 K504NTZB は K504NT4B に置き換えることができます。一致したトランジスタのペア KP10ZL (インデックスも G、M、D) を使用することが可能です。 KP307V - KP307B (A、E とも)、KP302A またはトランジスタアセンブリ KPC315A、KPC315B (この場合、ボードを再加工する必要があります)。

VT8、VT9 の位置では、KT851、KT850 シリーズ、およびミンスク協会「Integral」の KT814G、KT815G (カットオフ周波数 40 MHz) の相補型トランジスタを使用することもできます。

表に示されているものに加えて、たとえば、IRF530 と IRF9530 の MIS トランジスタのペアを使用できます。 2SK216および2SJ79。 2SK133-2SK135および2SJ48-2SJ50; 2SK175～2SK176、2SJ55～2SJ56。

ステレオバージョンの場合、電力は、できればリングまたはロッド（PL）磁気回路を備えた別個の変圧器から、180 ... 200 Wの電力で各アンプに供給されます。一次巻線と二次巻線の間に、シールド巻線の層がワイヤ PEV-2 0,5 で配置されます。その結論の 7809 つは共通のワイヤに接続されています。二次巻線の出力はシールド線でアンプ基板に接続され、シールドは基板の共通線に接続されます。プリアンプの整流器の巻線は、ネットワーク変圧器の 9 つに配置されます。電圧安定器は、IL7909AC (+9 V)、IL2AC (-9 V) マイクロ回路で作られています - 図には示されていません。 ONp-KG-26-3 (XS1) コネクタは、XNUMXxXNUMX V 電源ボードに電力を供給するために使用されました。

セットアップ時に、差動段の最適な電流は同調抵抗器 R3 によって設定され、最大電力 (動作領域のほぼ中央) での歪みを最小限に抑えます。抵抗 R4、R5 は、各アームの電流が約 2 ～ 3 mA、初期ドレイン電流が約 4 ～ 6 mA になるように設計されています。初期ドレイン電流が低いと、これらの抵抗の抵抗も比例して増加する必要があります。

出力トランジスタの静止電流は 120 ～ 150 mA の範囲で、トリミング抵抗 R3 によって設定され、必要に応じて抵抗 R13、R14 を選択します。

インパルスパワーブロック

大型のネットワークトランスの購入と巻線が難しいアマチュア無線家のために、UMZCH 出力段用のスイッチング電源が提供されています。この場合、プリアンプは低電力安定化 PSU から電力を供給できます。

パルス電源ユニット (その回路は図 5 に示されています) は、非安定化自己生成ハーフブリッジインバーターです。インバータトランジスタの比例電流制御を可飽和スイッチングトランスと組み合わせて使用すると、スイッチング時までにアクティブなトランジスタを飽和状態から自動的に取り除くことが可能になります。これにより、ベースでの電荷の放散時間が短縮され、貫通電流が排除され、制御回路での電力損失も低減され、インバータの信頼性と効率が向上します。

相補型電界効果トランジスタを備えたUMZCH

UPS の仕様

出力電力、W、これ以上......360
出力電圧......2x40
効率、％、少なくとも...... 95
変換周波数、kHz ...... 25

干渉抑制フィルタ L1C1C2 が主電源整流器の入力に取り付けられています。抵抗 R1 はコンデンサ C3 の突入充電電流を制限します。ジャンパ X1 は基板上の抵抗と直列に設けられており、その代わりにチョークをオンにしてフィルタリングを改善し、出力負荷特性の「硬さ」を高めることができます。

インバータには 1 つの正帰還回路があります。2 つ目は電圧によるもの (変圧器 T2 の巻線 II と T3 の巻線 III を使用)。 1番目 - 電流による（変流器を使用：変圧器T2のターン4〜5と巻線2〜XNUMX、XNUMX〜XNUMX）。

トリガーデバイスはユニジャンクショントランジスタVT3で作られています。コンバータの起動後、R15C6 回路の時定数が変換期間よりもはるかに大きいため、VD8 ダイオードの存在によりコンバータはオフになります。

インバータの特徴は、低電圧整流器が大きなフィルタ容量で動作する場合、スムーズな起動が必要であることです。ブロックのスムーズな開始は、チョーク L2 と L3、およびある程度の抵抗 R1 によって促進されます。

電源は、厚さ 2 mm の片面フォイルグラスファイバー製のプリント基板上に作られています。基板図を図に示します。 6.

（クリックして拡大）

トランスの巻線データと磁気回路に関する情報を表に示します。 2. すべての巻線は PEV-2 ワイヤで作られています。

相補型電界効果トランジスタを備えたUMZCH

変圧器を巻く前に、リングの鋭い端をサンドペーパーまたは棒で鈍くし、ニスを塗った布で包む必要があります（T1の場合 - リングは1層に折り畳まれます）。この前処理が行われていない場合、ワニスを塗布した生地が押し込まれ、ワイヤーの巻線が磁気回路に短絡する可能性があります。その結果、無負荷電流が急激に増加し、トランスが発熱します。巻線 2-5、6-7-8、および 9-10-2 の間では、PEV-0,31 1 ワイヤが 2 層で巻かれ、シールド巻線が巻かれ、その一端 (EXNUMX、EXNUMX) は共通に接続されます。 UMZCHワイヤー。

変圧器 T2 の巻線 3 ～ 2 は、巻線 1 ～ 6 の上にある直径 7 mm のワイヤのコイルで、端がプリント回路基板にはんだ付けされています。

インダクタ L2 および L3 は、2000NM フェライトで作られた BZO 装甲磁気コアで作られています。チョークの巻線は、フレームが PEV-2 0,8 ワイヤで満たされるまで 0,3 本のワイヤで巻かれます。チョークが DC バイアスで動作することを考慮すると、カップの間に厚さ XNUMX mm の非磁性材料のスペーサーを挿入する必要があります。

L1 チョークは D13-20 タイプで、L30、L2 チョークと同様に B3 装甲磁気回路で作成することもできますが、ガスケットは使用せず、フレームが埋まるまで 0,14 本の MGTF-XNUMX ワイヤで巻線を巻くことにより、。

トランジスタ VT1 と VT2 は、寸法 55x50x15 mm のリブ付きアルミニウムプロファイルで作られたヒートシンクに絶縁ガスケットを介して取り付けられています。図に示されているトランジスタの代わりに、MJE8126 と同様に、Minsk ソフトウェア「Integral」の KT13007A トランジスタを使用できます。 40 V あたり 40 μF の容量を持つ追加の酸化物コンデンサ K1-2 (図には示されていません) が、PSU 出力 +50 V、-6 V とその「」中間点 (ST2000 および ST50) の間に接続されています。寸法 140x100 mm の Textolite プレートに取り付けられ、強力なトランジスタのヒートシンクにネジで固定されます。

コンデンサC1、C2 - K73-17（電圧630 V用）、C3 - 酸化物K50-35B（350 V用）、C4、C7 - K73-17（250 V用）、C5、C6 - K73-17（400 V用）、C8 - K10 -17 。

パルス PSU は、コンデンサ C6 ～ C11 の端子のすぐ近くで PA ボードに接続されます。この場合、PA ボードには VD5-VD8 ダイオードブリッジが実装されていません。

電源投入時に発生する過渡現象が減衰するまで音響システムの UMZCH への接続を遅らせ、アンプの出力に任意の極性の定電圧が現れたときにスピーカーをオフにするには、最も単純な [ 10]以上の複雑な保護装置。

文学

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著者: A.ペトロフ、モギレフ、ベラルーシ

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