DASAR POWER MOSFET

Catatan aplikasi ini membahas tegangan rusaknya, di-perlawanan, transkonduktansi, ambang batas tegangan, tegangan maju dioda, disipasi daya, karakteristik dinamis, gerbang pengisian dan dV / dt kemampuan daya MOSFET.

Diskrit daya MOSFET pemrosesan semikonduktor menggunakan teknik yang mirip dengan sirkuit VLSI hari ini, meskipun perangkat geometri, tingkat tegangan dan arus sangat berbeda dari desain yang digunakan dalam perangkat VLSI. Semikonduktor oksida logam transistor efek medan (MOSFET) didasarkan pada lapangan asli transistor efek diperkenalkan pada tahun 70-an. Gambar 1 menunjukkan skema perangkat, mentransfer perangkat karakteristik dan simbol untuk MOSFET. Penemuan MOSFET daya sebagian didorong oleh keterbatasan daya bipolar junction transistor (BJTs) yang, sampai baru-baru ini, adalah perangkat pilihan dalam aplikasi elektronika daya.

Meskipun tidak mungkin untuk menentukan secara mutlak batas-batas operasi dari perangkat daya, kita akan secara longgar mengacu kepada perangkat daya sebagai salah satu perangkat yang dapat beralih setidaknya 1A. Transistor daya bipolar adalah perangkat dikendalikan saat ini. Drive basis besar arus setinggi seperlima dari arus kolektor diperlukan untuk menjaga perangkat dalam keadaan ON.

Juga, sebaliknya lebih tinggi dasar arus drive yang diperlukan untuk memperoleh cepat mematikan. Walaupun keadaan sangat maju manufacturability dan biaya yang lebih rendah BJTs, keterbatasan ini telah membuat basis drive circuit design lebih rumit dan karena itu lebih mahal daripada daya MOSFET.

Pembatasan BJT lain adalah bahwa kedua elektron dan lubang berkontribusi konduksi. Kehadiran lubang dengan pembawa seumur hidup mereka yang lebih tinggi menyebabkan kecepatan beralih menjadi beberapa kali lipat lebih lambat dibandingkan MOSFET daya dengan ukuran hampir sama dan tegangan rating. Juga, BJTs menderita termal pelarian. Drop tegangan maju mereka berkurang dengan meningkatnya suhu menyebabkan pengalihan arus ke sebuah perangkat tunggal ketika beberapa perangkat paralel. Daya MOSFET, di sisi lain, adalah perangkat pembawa mayoritas tanpa injeksi pembawa minoritas. Mereka unggul dengan BJTs aplikasi frekuensi tinggi di mana kekuasaan beralih kerugian adalah penting. Plus, mereka bisa bertahan secara simultan penerapan arus dan tegangan tinggi tanpa mengalami kegagalan destruktif akibat kerusakan kedua. Daya MOSFET juga dapat sejajar dengan mudah karena jatuh tegangan maju meningkat dengan meningkatnya suhu, menjamin pemerataan saat ini di antara semua komponen.

Namun, pada tegangan breakdown tinggi (> 200V) yang di negara-drop tegangan kekuatan MOSFET menjadi lebih tinggi dari ukuran yang sama perangkat bipolar dengan rating tegangan serupa. Hal ini lebih menarik untuk menggunakan kekuasaan bipolar transistor dengan mengorbankan performa buruk frekuensi tinggi. Gambar 2 menunjukkan tegangan arus sekarang keterbatasan daya MOSFET dan BJTs. Seiring waktu, bahan-bahan baru, struktur dan teknik pengolahan diperkirakan akan menaikkan batas.

Gambar 3 menunjukkan diagram skematik dan Gambar 4 menunjukkan asal fisik komponen parasitik di n-channel daya MOSFET. JFET parasitik muncul di antara dua implan tubuh membatasi arus ketika penipisan lebar dari dua tubuh yang berdekatan dioda memperluas ke wilayah drift dengan peningkatan tegangan drain. Parasitik BJT dapat membuat perangkat rentan terhadap perangkat yang tidak diinginkan dihidupkan dan kerusakan dini. Dasar perlawanan RB harus diminimalkan melalui desain berhati-hati doping dan jarak di bawah wilayah sumber. Ada beberapa kapasitansi parasitik yang terkait dengan daya MOSFET seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Cgs adalah kapasitansi akibat tumpang tindih dari sumber dan saluran daerah oleh gerbang polysilicon dan tidak bergantung pada tegangan yang diberikan. CGD terdiri dari dua bagian, yang pertama adalah kapasitansi terkait dengan tumpang tindih dari gerbang polysilicon dan silikon di bawah di wilayah JFET. Bagian kedua adalah kapasitansi yang terkait dengan daerah penipisan langsung di bawah gerbang. CGD adalah fungsi nonlinear tegangan. Akhirnya, CDS, kapasitansi berhubungan dengan tubuh-drift dioda, berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari drain-sumber bias. Saat ini ada dua desain daya MOSFET, biasanya disebut sebagai planar dan desain parit. Planar desain yang telah diperkenalkan dalam skema pada Gambar 3. Dua variasi daya parit MOSFET ditunjukkan Gambar 5. Teknologi parit memiliki keuntungan dari kepadatan sel yang lebih tinggi tapi lebih sulit untuk memproduksi daripada perangkat planar.

Tabung Aplikasi dan Sirkuit (Bagian 7)

Kelas B RF amplifier (Penguat)

Kelas B RF amplifier yang berhubungan erat dengan kelas B audio amplifier. Kelas B RF amplifier digunakan untuk memperkuat yang sudah dimodulasi gelombang. Karena seperti dimodulasi gelombang hingga dua kali nilai pembawa dan turun ke nol. Kelas B RF amplifier harus mampu mereproduksi gelombang ini dalam plate rangkaian, yang pada gilirannya mensyaratkan bahwa grid dari kelas B menjadi bias cutoff atau sedikit kurang dari cutoff untuk digunakan tegangan plate. Untuk operasi kelas B RF tetapi satu tabung dibutuhkan sejak simetri dari gelombang termodulasi dipulihkan oleh kehadiran tank load disetel.

Kelas A, B, AB & D Dasar Audio Amplifier (Bagian 5)

Pengukuran Kinerja Audio

Alat pengukuran audio dengan dinding bata AES17 filter, seperti Audio Precision AP2, diperlukan. Namun audio analyzer klasik seperti HP8903B dapat digunakan dengan tepat tahap pre-stage low pass filter diterapkan. Pertimbangan penting di sini adalah bahwa sinyal output dari penguat Kelas D masih mengandung cukup banyak beralih frekuensi pada gelombang pembawa, yang menyebabkan salah membaca, dan analyzer kekebalan mungkin tidak cukup untuk pembawa bocor dari Kelas D penguat.

Gambar 9 menunjukkan contoh penyaring.

Namun, sempit mati-waktu dapat menjadi sangat berisiko dalam produksi massal. Karena sekali baik tinggi dan rendah adalah MOSFET sisi dihidupkan secara bersamaan, bus tegangan DC akan hubung singkat oleh MOSFET. Sebuah jumlah besar menembak-melalui arus mulai mengalir, yang akan menghasilkan perangkat hancur. Perlu diperhatikan bahwa mati-waktu efektif dapat bervariasi dari unit ke unit variasi dari nilai-nilai komponen dan suhu mati. Gambar 10 menunjukkan hubungan antara panjang waktu mati dan jumlah menembak-melalui charge. Hal ini sangat penting bagi rancangan yang dapat diandalkan Kelas D penguat untuk memastikan bahwa mati-waktu selalu positif dan tidak pernah negatif untuk mencegah MOSFET dari memasuki menembak melalui kondisi.

Ditandai lain penyebab degradasi di Kelas D amplifier adalah bus memompa, yang dapat dilihat ketika jembatan setengah topologi powering frekuensi rendah output ke beban. Selalu diingat bahwa gain dari penguat tahap Kelas D berbanding lurus dengan tegangan bus. Oleh karena itu, fluktuasi bus menciptakan distorsi. Karena energi yang mengalir dalam tahap peralihan Kelas D adalah bi-directional, ada periode dimana feed Kelas D penguat energi kembali ke catu daya. Sebagian besar energi yang mengalir kembali ke pasokan dari energi yang tersimpan dalam induktor dalam output LPF. Biasanya, catu daya tidak memiliki cara untuk menyerap energi kembali dari beban. Akibatnya tegangan bus dipompa ke atas, menciptakan fluktuasi tegangan bus.

Bus memompa tidak terjadi di topologi jembatan penuh karena energi menendang kembali ke catu daya dari satu sisi kaki switching akan dikonsumsi di sisi lain kaki switching.

EMI (Electro-Magnetic Interference) di Kelas D desain penguat sulit seperti aplikasi switching lain. Salah satu sumber utama EMI berasal dari kebalikan biaya pemulihan tubuh dari MOSFET dioda yang mengalir dari atas rel ke bawah, mirip dengan menembak-melalui arus. Selama mati-waktu dimasukkan untuk mencegah menembak melalui arus, arus induktor output LPF menyala tubuh dioda. Dalam fase berikutnya ketika sisi lain MOSFET mulai mengaktifkan pada akhir yang mati-waktu, dioda tubuh tetap dalam keadaan melakukan kecuali yang disimpan pembawa minoritas sepenuhnya habis. Pemulihan arus balik ini cenderung memiliki bentuk runcing tajam dan mengarah ke dering yang tidak diinginkan dari induktansi liar di PCB jejak dan paket. Oleh karena itu, PCB layout sangat penting bagi kedua ketidakrataan dari desain dan pengurangan EMI.

Kesimpulan

Sangat efisien Kelas D amplifier sekarang memberikan pertunjukan serupa Kelas AB konvensional penguat jika komponen utama dipilih secara hati-hati dan memperhitungkan tata letak yang halus, namun dampak yang signifikan dari komponen parasitic.

Constant inovasi dalam teknologi semikonduktor meningkatkan penggunaan amplifier Kelas D karena perbaikan dalam efisiensi yang lebih tinggi, meningkatkan daya kepadatan dan performa audio yang lebih baik.

Tabung Aplikasi dan Sirkuit (Bagian 6)

Kelas AB Amplifier (Penguat)

Sebuah penguat (Amplifier) kelas AB adalah salah satu kondisi yang beroperasi di bawah penengah antara kelas A dan kelas B. Bias grid tetap pada nilai antara kelas A bahwa untuk operasi arus cutoff dan plate mengalir dalam setiap rangkaian untuk kurang dari satu siklus tetapi selama lebih dari satu setengah siklus dari tegangan sinyal. Jika normal nilai puncak maksimum dari tegangan sinyal tidak melebihi grid bias dan tidak ada arus yang mengalir pada bagian manapun dari siklus input, penguat dapat ditunjuk sebagai kelas AB1. Jika grid arus yang mengalir pada bagian manapun dari siklus input penguat dapat ditunjuk sebagai kelas AB2. Gambar B14 menunjukkan bagian plate tegangan versus arus sebuah keluarga triode yang digunakan sebagai penguat kelas AB2. Output daya dari dua tabung dapat dihitung kira-kira dari plate salah satu keluarga tabung dengan cara yang sama seperti untuk operasi kelas B. Karakteristik output daya, arus plate , efisiensi dan fluktuasi arus plate dengan kekuatan sinyal dan driving power antara operasi kelas A dan kelas B. Output daya pentodes atau tetrodes dapat digunakan sebagai kelas B atau kelas AB amplifier, dan perkiraan output daya dapat dihitung dari plate tegangan versus arus kurva dengan cara yang sama seperti dalam kasus triodes.

Kelas A, B, AB & D Dasar Audio Amplifier (Bagian 4)

Kerugian Power dalam MOSFET

Kerugian dalam power switches sangat berbeda antara linier amplifier dan Kelas D amplifier. Pertama mari kita melihat kerugian secara linear Class AB amplifier. Kerugian dapat didefinisikan sebagai :

Dimana K adalah rasio dari tegangan keluaran Vbus.

Ini kemudian dapat disederhanakan ke persamaan berikut untuk kerugian linear amplifier Power :

Perlu diketahui bahwa daya yang hilang tidak terkait dengan perangkat output parameter. Gambar 5 di bawah ini menunjukkan daya yang hilang vs K.

Sekarang mari kita melihat kerugian untuk Kelas D penguat. Total daya yang hilang dalam perangkat output untuk Kelas D penguat diberikan oleh :

Psw adalah mengganti kerugian dan diberikan oleh persamaan :

Konduksi Pcond adalah kerugian dan diberikan oleh persamaan :

Pgd adalah gerbang drive kerugian dan diberikan oleh persamaan :

Seperti dapat dilihat dalam Kelas D keluaran penguat kerugian yang tergantung pada parameter-parameter dari perangkat yang digunakan, sehingga optimasi diperlukan untuk memiliki perangkat yang paling efektif, berdasarkan Qg, RDS(on), COSS, dan tf. Gambar 6 di bawah ini menunjukkan kekuatan kerugian vs K untuk Kelas D penguat.

Mirip dengan konvensional Class AB amplifier, amplifier Kelas D dapat dikategorikan ke dalam dua topologi, setengah-jembatan dan jembatan penuh konfigurasi. Setiap topologi memiliki pro dan kontra. Singkat, setengah-jembatan secara potensial lebih sederhana, sementara jembatan penuh lebih baik dalam performa audio. Jembatan penuh topologi memerlukan dua setengah jembatan penguat, dan dengan demikian, lebih komponen. Namun, perbedaan struktur output jembatan topologi secara inheren dapat membatalkan bahkan urutan distorsi harmonik komponen dan DC offset, seperti dalam Class AB amplifier. Sebuah topologi jembatan penuh memungkinkan penggunaan yang lebih baik skema modulasi PWM (Pulse Width Modulated), seperti tingkat tiga PWM (Pulse Width Modulated) yang pada dasarnya memiliki lebih sedikit kesalahan karena kuantisasi.

Dalam topologi setengah jembatan, listrik mungkin menderita dari energi yang dipompa kembali dari penguat, yang mengakibatkan fluktuasi tegangan bus parah ketika output penguat sinyal audio frekuensi rendah ke beban. menendang kembali ini energi untuk listrik adalah karakteristik mendasar Kelas D amplifikasi. Komplementer switching kaki di jembatan penuh cenderung mengkonsumsi energi dari sisi lain kaki, sehingga tidak ada energi yang dipompa kembali ke catu daya.

Tabel 1 menunjukkan ringkasan dari perbandingan.

Ideal tahap memperkuat Kelas D tidak mempunyai distorsi dan tidak ada suara terdengar generasi di audible band, bersama dengan menyediakan 100% efisiensi. Namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, praktis Kelas D amplifier memiliki ketidaksempurnaan yang menghasilkan distorsi dan kebisingan. Ketidaksempurnaan disebabkan oleh beralih terdistorsi gelombang yang dihasilkan oleh Kelas D. Penyebabnya adalah :

1. Non-linear dalam sinyal PWM (Pulse Width Modulated) dari modulasi untuk tahap switching karena keterbatasan resolusi dan / atau jitter dalam waktu.
2. Timing kesalahan ditambahkan oleh gerbang driver, seperti mati-waktu, ton/toff, dan tr/tf.
3. Karakteristik yang tidak diinginkan pada perangkat switching, seperti perlawanan ON terbatas, kecepatan switching terbatas atau badan karakteristik dioda.
4. Komponen parasitic yang menyebabkan transien berdering di tepi.
   Fluktuasi tegangan listrik karena impedansi keluaran yang terbatas dan daya reaktif yang mengalir melalui bus DC.
5. Non-linearitas dalam output LPF.

Secara umum, waktu switching kesalahan dalam sinyal gerbang adalah penyebab utama dari non-linear. Kesalahan penghitungan waktu karena waktu mati-khususnya memiliki kontribusi paling signifikan non-linear dalam Kelas D. Sejumlah kecil di mati-waktu puluhan nano-detik dapat dengan mudah menghasilkan lebih dari 1% THD (Total Harmonic Distortion). Waktu switching yang akurat selalu menjadi perhatian utama.

Mari kita lihat bagaimana mati-waktu mempengaruhi non-linear.

Modus operasi dalam Kelas D tingkat keluaran dapat dikelompokkan menjadi tiga wilayah yang berbeda berdasarkan pada bagaimana bentuk gelombang output mengikuti input waktu. Dalam tiga wilayah operasi yang berbeda, gelombang keluaran berikut tepi-tepi yang berbeda di sisi tinggi dan sisi rendah masukan sinyal.

Mari kita periksa wilayah operasi pertama di mana mengalir arus keluaran dari Kelas D tahap ke beban ketika jumlah arus lebih besar daripada riak arus induktor. Pada saat sisi tinggi turn-off dan sebelum sisi rendah turn-on, output node diantar ke bus DC negatif. Tindakan ini secara otomatis disebabkan oleh pergantian arus dari Demodulation induktor, terlepas dari sisi rendah turn-on waktu. Oleh karena itu waktu di gelombang keluaran tidak dipengaruhi oleh mati-waktu dimasukkan ke dalam turn-on di sisi tepi rendah, dan selalu mengikuti sisi tinggi masukan waktu. Akibatnya, gelombang PWM yang dipersingkat hanya oleh mati-waktu dimasukkan ke gerbang samping yang tinggi sinyal, menghasilkan gain tegangan sedikit lebih rendah seperti yang diharapkan dari siklus input.

Situasi serupa terjadi pada operasi negatif daerah di mana mengalir arus keluaran dari beban ke Kelas D. Jumlah arus lebih besar daripada riak arus induktor. Dalam kasus ini, waktu dalam gelombang keluaran tidak dipengaruhi oleh waktu mati dimasukkan ke dalam turn-on di tepi sisi yang tinggi, dan selalu mengikuti rendah input sisi waktu. Akibatnya, gelombang PWM (Pulse Width Modulated) yang dipersingkat hanya oleh mati-waktu dimasukkan ke gerbang samping sinyal rendah.

Ada wilayah antara dua modus operasi yang telah dijelaskan sebelumnya di mana waktu keluaran tidak tergantung pada mati-waktu. Ketika arus keluaran lebih kecil daripada induktor riak arus keluaran waktu mengikuti turn-off tepi tiap input karena, di daerah ini, turn-on dibuat oleh ZVS (Zero Voltage Switching) operasi. Oleh karena itu, tidak ada distorsi di wilayah tengah ini.

Sebagai arus keluaran bervariasi sesuai dengan sinyal input audio, Kelas D tahap mengubah daerah operasi, yang masing-masing memiliki keuntungan yang sedikit berbeda. Gelombang keluaran akan terdistorsi oleh ketiga memperoleh berbagai daerah dalam siklus sinyal audio.

Gambar 8 menunjukkan bagaimana waktu mati secara signifikan mempengaruhi kinerja THD (Total Harmonic Distortion). Sebuah waktu mati 40nS bisa menciptakan 2% THD (Total Harmonic Distortion). Ini dapat ditingkatkan menjadi 0,2% dengan memperketat waktu mati ke 15nS. Ini menyela pentingnya mulus sisi tinggi dan rendah beralih sisi linearitas yang lebih baik.

Tabung Aplikasi dan Sirkuit (Bagian 5)

Kelas B Amplifiers (Penguat)

Di kelas B penguat (amplifier) AF tahap kedua tabung atau dua bagian dari tabung kembar digunakan dalam rangkaian tarik dorong. Grid bias tetap pada kira-kira nilai cutoff dan plate arus mengalir di setiap plate alternatif rangkaian pada setengah siklus tegangan sinyal ketika grid positif. Karena grid kelas B tabung mengayunkan cukup positif selama bagian dari siklus, biasanya arus mengalir grid untuk bagian dari siklus. Grid mewakili tegangan dan arus listrik yang harus disediakan oleh tabung sebelumnya disebut driver tabung. Output daya driver tabung sering menjadi faktor pembatas dalam menentukan output daya kelas B. Karena rata-rata arus plate kelas B bervariasi dengan tegangan sinyal, pasokan tegangan plate harus mempunyai peraturan untuk mencegah penurunan yang berlebihan di DC plate dan keterbatasan tegangan output sebagai tegangan sinyal dibangkitkan.

Gambar 12 menunjukkan bagian plate tegangan versus arus sebuah keluarga triode yang digunakan sebagai penguat (amplifier) kelas B. Dalam operasi kelas B plate arus satu tabung praktis terputus selama setengah siklus masing-masing alternatif dan memberikan kontribusi yang sangat sedikit dengan daya keluaran. Daya keluaran dari dua tabung dapat dihitung kira-kira dari plate keluarga salah satu tabung dan sama dengan jumlah output daya yang diwakili oleh perpanjangan dari garis beban di kedua sisi titik operasi, 0.

Karena arus plate satu tabung praktis terputus selama setengah siklus setiap alternatif, rumus (BX) dapat dikurangi dengan pendekatan lebih lanjut.

Output daya yang sebenarnya agak lebih tinggi dari yang ditunjukkan oleh hubungan ini karena efek dari ketiga dan aneh lainnya harmonik. Gambar 13 khas menunjukkan variasi dari output daya, plate arus dan distorsi dengan tegangan input sinyal untuk kelas B AF amplifier. Distorsi terutama yang ketiga dan aneh lainnya harmonik. Efisiensi plate, 50% hingga 65%, dan kepekaan daya output daya penuh keduanya relatif tinggi.

Kelas A, B, AB & D Dasar Audio Amplifier (Bagian 3)

Analogi ke Synchronous Buck Converter

Sebuah analogi sederhana dapat dibuat antara Kelas D penguat dan konverter buck sinkron. Topologi dasarnya sama dapat dilihat di bawah ini dalam gambar 4.

Perbedaan utama antara kedua rangkaian adalah bahwa sinyal referensi untuk synchronous buck converter adalah perubahan yang lambat sinyal dari rangkaian umpan balik (voltase tetap), dalam kasus Kelas D referensi penguat sinyal sinyal audio yang secara terus menerus berubah. Ini berarti bahwa siklus relatif tetap selaras synch buck converter, sedangkan tugas secara terus-menerus berubah di Kelas D penguat dengan tugas rata-rata 50%.

Pada synch buck converter beban arah arus selalu menuju beban, tetapi dalam Kelas D arus mengalir di kedua arah.

Perbedaannya adalah yang terakhir dalam cara MOSFET dioptimalkan. Synch buck converter dioptimalkan berbeda untuk sisi tinggi dan rendah MOSFET, dengan rendah RDS(on) untuk lebih lama Qg tugas dan rendah untuk tugas pendek. Kelas D penguat memiliki pengoptimalan yang sama untuk kedua dari MOSFET, sama dengan RDS(on) untuk sisi tinggi dan rendah.

Tabung Aplikasi dan Sirkuit (Bagian 4)

Kelas A Amplifier (Penguat)

Tahap amplifier diklasifikasikan sehubungan dengan kondisi operasi tabung dan hubungan antara grid bias dan maksimum nilai normal tegangan sinyal AC, yang menentukan fraksi AC siklus di mana arus mengalir plate. Dalam tahap amplifier kelas A, plate arus mengalir selama siklus AC lengkap, bias grid biasanya yang tetap pada kira-kira setengah dari memotong bias, bias grid yang diperlukan untuk mengurangi arus plate praktis nol. Biasanya normal maksimum nilai puncak dari tegangan sinyal AC kira-kira sama dengan grid bias dan tidak ada arus yang mengalir pada bagian manapun dari siklus, meskipun hal ini tidak kondisi yang diperlukan untuk operasi kelas A. Subskrip saya, seperti pada kelas A, kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan bahwa tidak ada grid arus mengalir selama setiap bagian dari siklus masukan.

Gambar B7 menunjukkan bagian plate tegangan versus arus plate sebuah keluarga triode dioperasikan sebagai kelas A amplifier. Beban garis mewakili hubungan antara nilai-nilai sesaat tegangan grid, plate tegangan dan arus selama siklus. Kemiringannya secara numerik sama dengan kebalikan dari impedansi AC efektif dalam plate eksternal sirkuit. Karena impedansi ini adalah terutama resistif, maka sering disebut sebagai resistansi beban, R1. Titik operasi, 0, menunjukkan nilai-nilai statis plate tegangan, E0, dan arus, I0, dengan tidak ada sinyal. Garis beban plate berakhir pada kurva saat ini yang sesuai dengan maksimum dan minimum nilai sesaat tegangan grid sinyal diberi nilai penuh, dalam grid ayunan tegangan yang sama pada kedua arah dari titik operasi dan bahwa pada kedua ujung garis beban sama dengan kira-kira nilai puncak tegangan keluaran AC dikembangkan di seluruh beban perlawanan. Nilai rms tegangan keluaran AC akan 0.707 kali tegangan puncak yang diperoleh dari kurva. Daya keluaran kemudian dapat dihitung kira-kira dari hubungan :

Rumus yang lebih akurat yang meliputi kedua bagian dari siklus adalah :

Nilai Emax, Emin, Imax dan Imin dibaca dari kurva seperti ditunjukkan pada Gambar B7. Jika nilai-nilai Emax dan Emin dinyatakan dalam volt, nilai-nilai Imax dan Imin harus dinyatakan dalam ampere untuk memberikan output daya dalam watt.

Distorsi harmonis kedua, dinyatakan dalam persen, dapat dihitung dari rumus :

I0 adalah nilai-nilai plat DC arus di titik operasi dan dibaca dari kurva. Semua nilai-nilai arus dalam persamaan (BIV) harus dinyatakan dalam satuan yang sama, miliamperes atau ampere. Gambar B8 khas menunjukkan variasi dari output daya, plate saat ini dan distorsi harmonis dengan tegangan masukan sinyal untuk dioperasikan sebagai triode kelas A amplifier. Bervariasi output daya kira-kira sebagai kuadrat dari tegangan input dan distorsi rendah dan terutama harmonik kedua.

Plate efisiensi adalah persentase rasio dari output daya untuk produk rata-rata DC plate tegangan dan arus DC pada sinyal penuh.

Di kelas A triode amplifier plate efisiensi relatif rendah, 15% hingga 25%.

Daya sensitivitas adalah rasio dari output daya dengan kuadrat tegangan sinyal input, Eg.

Metode menghitung perkiraan output daya dan distorsi untuk pentode atau tetrode, dioperasikan sebagai amplifier kelas A, adalah sama dengan untuk triodes. Gambar B9 menunjukkan keluarga plate kurva karakteristik khas pentode untuk kelas A amplifier. Daya keluaran kira-kira dapat dihitung dari rumus :

Nilai-nilai yang dibaca dari kurva pada titik-titik yang ditunjukkan pada Gambar B9. Nilai-nilai iy dan Ix ditentukan oleh perpotongan garis beban dengan kurva arus plate sesuai dengan grid bias dari 0.293 Ex0 dan 1.707 Eg0 masing-masing, di mana Eg0, adalah nilai grid bias pada titik operasi, 0.

Distorsi harmonis kedua, dinyatakan dalam persen, dapat dihitung dari rumus :

Distorsi harmonik ketiga, dalam persen, dinyatakan dengan rumus :

Gambar B10 menunjukkan variasi dari output daya, plate arus, layar distorsi arus dan tegangan masukan dengan sinyal dan gambar B11 menunjukkan variasi dari kuantitas yang sama dengan beban hambatan untuk pentode khas kelas A amplifier. Sebuah pentode biasanya dengan resistansi beban kira-kira nilai di mana harmonik kedua adalah minimum. Dalam beberapa kasus, resistensi beban disesuaikan dengan nilai yang lebih rendah harmonik ketiga dan harmonik kedua diseimbangkan dengan menggunakan dua tabung dalam push pull atau dengan memperkenalkan suatu jumlah menyeimbangkan harmonik kedua dalam tahap sebelumnya. Tabung beam sering dioperasikan dengan nilai-nilai yang lebih rendah daripada beban resistensi pentodes untuk mengurangi distorsi harmonik yang aneh. Kelas A pentode amplifier plate umumnya memiliki efisiensi yang lebih tinggi, 35% hingga 45%, dan kepekaan daya yang lebih tinggi daripada kelas A triode. Distorsi juga umumnya lebih tinggi dan sebagian besar terdiri dari ketiga dan harmonik yang lebih tinggi.

Kelas A, B, AB & D Dasar Audio Amplifier (Bagian 2)

Topologi Perbandingan - Linear versus Kelas D

Dalam bagian ini kita akan membahas perbedaan antara linear (Kelas A dan Kelas AB) amplifier, dan Kelas D digital power amplifier. Utama dan Perbedaan utama antara linear dan Kelas D amplifier adalah efisiensi. Ini adalah seluruh alasan untuk penemuan Kelas D amplifier. Linear amplifier yang secara inheren sangat linier dalam hal performa, tetapi juga sangat tidak efisien sekitar 50% biasanya untuk Kelas AB amplifier, sedangkan Kelas D penguat ini jauh lebih efisien, dengan nilai-nilai dalam urutan 90% dalam praktek desain. Gambar 3 di bawah ini menunjukkan kurva efisiensi khas untuk linear dan Kelas D amplifier.

Gain
Dengan penguat Linear gain konstan tegangan bus terlepas dari variasi, namun dengan Kelas D amplifier gain sebanding dengan tegangan bus. Ini berarti bahwa penolakan catu daya rasio (PSRR) dari Kelas D penguat adalah 0dB, sedangkan PSRR dari penguat linear sangat baik. Hal ini sering terjadi pada Kelas D penguat menggunakan umpan balik untuk mengimbangi variasi tegangan bus.

Energi Arus
Dalam penguat linier aliran energi selalu dari pasokan ke beban, dan dalam Kendali jembatan Kelas D amplifier ini juga benar. Setengah jembatan Namun penguat Kelas D berbeda, sebagai aliran energi dapat bi-directional, yang mengarah ke "Bus memompa" fenomena, yang menyebabkan kapasitor bus yang akan dikenakan oleh aliran energi dari beban kembali ke memasok. Hal ini terjadi terutama pada frekuensi audio rendah yaitu di bawah 100Hz.

Kelas A, B, AB & D Dasar Audio Amplifier (Bagian 1)

Apa yang dimaksud dengan Kelas A, B, AB & D Audio Amplifier-Teori Operasi

Kita akan melihat definisi untuk klasifikasi utama sebagai perkenalan :

Kelas A
Dalam Kelas A penguat, perangkat output untuk terus menerus melakukan seluruh siklus, atau dengan kata lain selalu ada bias arus yang mengalir dalam perangkat output. Topologi ini memiliki paling sedikit distorsi dan merupakan yang paling linear, tetapi pada saat yang sama adalah yang paling efisien sekitar 20%. Desain biasanya tidak komplementer dengan tinggi dan rendah output samping perangkat.

Kelas B
Penguat jenis ini beroperasi dalam cara yang berlawanan untuk Kelas A amplifier. Output perangkat hanya melakukan setengah siklus sinusoidal (satu melakukan di wilayah positif, dan satu melakukan di wilayah negatif), atau dengan kata lain, jika tidak ada sinyal input maka tidak ada arus di perangkat output. Penguat kelas ini jelas lebih efisien daripada Kelas A, pada sekitar 50%, namun memiliki beberapa masalah dengan linearitas pada titik potong, karena waktu yang dibutuhkan untuk mengaktifkan salah satu perangkat dan giliran yang lain perangkat.

Kelas AB
Penguat jenis ini merupakan kombinasi dari dua tipe di atas, dan saat ini salah satu yang paling umum jenis power amplifier yang ada. Berikut kedua perangkat tersebut diizinkan untuk melakukan pada saat yang sama, tetapi hanya sejumlah kecil di dekat titik crossover. Maka tiap-tiap perangkat yang melakukan selama lebih dari setengah siklus tetapi kurang dari seluruh siklus, sehingga bawaan non-linearitas desain Kelas B diatasi, tanpa inefisiensi dari Kelas A desain. Efisiensi untuk Kelas AB amplifier adalah sekitar 50%.

Kelas D
Penguat kelas ini adalah sebuah switching atau PWM penguat seperti yang disebutkan di atas. Penguat kelas ini adalah fokus utama dari aplikasi ini catatan. Dalam jenis ini penguat, yang saklar sepenuhnya baik atau sepenuhnya off, secara signifikan mengurangi kerugian daya di perangkat output. Efisiensi 90-95% adalah mungkin. Sinyal audio digunakan untuk memodulasi sinyal pembawa yang PWM yang drive perangkat output, dengan tahap terakhir menjadi rendah pass filter untuk menghilangkan frekuensi tinggi carrier frekuensi PWM. Sebuah Kelas D penguat audio pada dasarnya merupakan switching PWM penguat atau amplifier. Ada beberapa kelas yang berbeda dari amplifier. Kelas D penguat mengambil berbagai bentuk, beberapa dapat memiliki input digital dan beberapa dapat memiliki input analog. Di sini kita akan fokus pada jenis yang memiliki analog input.

Dari klasifikasi penguat di atas, kelas A, B dan AB adalah semua apa yang disebut linier amplifier. Kami akan mendiskusikan perbedaan antara Linier dan Kelas D amplifier pada bagian berikutnya. Diagram blok penguat linear ditunjukkan di bawah ini pada Gambar 1. Dalam penguat sinyal linier selalu tetap di analog domain, dan output transistor bertindak sebagai regulator linier memodulasi keluaran tegangan. Hal ini menghasilkan jatuh tegangan output perangkat, yang mengurangi efisiensi.

Gambar 1 di atas memperlihatkan diagram blok dasar untuk Jembatan Setengah Kelas D amplifier, dengan bentuk gelombang pada setiap tahap. Rangkaian ini menggunakan umpan balik dari output dari setengah jembatan untuk membantu mengkompensasi variasi tegangan bus.

Jadi bagaimana Kelas D penguat bekerja ? Kelas D penguat Sebuah karya yang sangat banyak cara yang sama sebagai power supply PWM (kami akan menunjukkan analogi nanti). Mari kita mulai dengan asumsi bahwa sinyal input audio merupakan standar sinyal line level. Line level audio ini sinyal sinusoidal dengan frekuensi mulai dari 20Hz to 20kHz biasanya. Sinyal ini dibandingkan dengan frekuensi tinggi segitiga atau bentuk gelombang gigi gergaji untuk menciptakan sinyal PWM seperti yang terlihat dalam Gambar 2a di bawah ini. Sinyal PWM ini kemudian digunakan untuk menggerakkan kekuatan panggung, menciptakan diperkuat sinyal digital, dan akhirnya pass filter yang rendah diterapkan pada sinyal untuk menyaring frekuensi carrier yang PWM sinusoidal dan mengambil sinyal audio (juga terlihat dalam gambar 2b).

Tabung Aplikasi dan Sirkuit (Bagian 3)

Sebuah Fase Inverter

Twin fase triode inverter

Rangkaian ditunjukkan pada gambar B6. Tegangan sinyal untuk triode R adalah diperoleh dari keran P, pada resistor, Rg, dalam rangkaian output triode lain. Keran ini harus disesuaikan sehingga sinyal tegangan triode R adalah sama dengan sinyal input pada grid triode L. Sebagai contoh, jika tegangan gain triode L adalah 25, keran, P, harus disesuaikan untuk memenuhi 1 / 25 dari Rg tegangan pada grid triode R.