UMZCH 具有互补场效应晶体管。方案、说明

UMZCH 具有互补场效应晶体管。无线电电子电气工程百科全书

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我们向读者展示了带有场效应晶体管的百瓦 UMZCH 的变体。在此设计中，功率晶体管封装可以安装在通用散热器上，无需绝缘垫，这显着改善了热传递。作为电源的第二个版本，提出了一种强大的脉冲转换器，其应具有足够低的固有噪声水平。

直到最近，场效应晶体管 (FET) 在 UMZCH 中的使用还受到互补晶体管品种少及其工作电压低的限制。通过 FET 上的 UMZCH 再现声音的质量通常达到电子管的水平甚至更高，因为与基于双极晶体管的放大器相比，它们产生的非线性和互调失真更少，并且在过载期间失真增加更平滑。它们在负载阻尼和音频带宽方面均优于电子管放大器。这种没有反馈的放大器的截止频率比双极晶体管上的 UMZCH 的截止频率高得多，这对所有类型的失真都有有利的影响。

UMZCH中的非线性失真主要是由输出级引入的，通常使用常见的OOS来减少它们。输入差分级（用作来自源和普通OOS电路的信号的加法器）中的失真可能很小，但在普通OOS的帮助下不可能减少它们。

场效应晶体管差分级的过载能力比双极晶体管高大约 100 ... 200 倍。

UMZCH输出级采用场效应晶体管，可以放弃传统的两级和三级达林顿中继器的固有缺点。

在输出级使用具有金属电介质半导体（MIS）结构的场效应晶体管可以获得良好的结果。由于输出电路中的电流由输入电压控制（类似于电真空器件），因此在高电流下，开关模式下 MIS 场效应晶体管的级联速度相当高（τ = 50 ns）。此类级联在高频下具有良好的传输性能，并且具有温度自稳定的效果。

场效应晶体管的优点包括：

静态和动态模式下的低控制功率；
无热击穿，对二次击穿的敏感性低；
漏极电流的热稳定性，提供了晶体管并联的可能性；
传递特性接近线性或二次；
开关模式速度快，从而降低动态损耗；
结构中没有多余载流子的积累；
低噪音水平
体积小重量轻，使用寿命长。

但除了优点之外，这些设备也有缺点：

由于电气过压而导致的故障；
低频（低于 100 Hz）可能会发生热变形。在这些频率下，信号变化非常缓慢，以至于在一个半周期内晶体的温度有时间发生变化，从而晶体管的阈值电压和斜率发生变化。

最后一个提到的缺点限制了输出功率，特别是在低电源电压下；出路是晶体管的并联和环保的引入。

值得注意的是，最近国外公司（例如Exicon等）开发了很多适用于音频设备的场效应晶体管：n型沟道的EC-10N20、2SK133-2SK135、2SK175、2SK176； EC-10P20、2SJ48- 2SJ50、2SJ55、2SJ56，带 p 沟道。此类晶体管的特点是斜率（正向传输导纳）对漏极电流和平滑输出 I-V 特性的依赖性较弱。

表中给出了一些场效应晶体管的参数，包括明斯克生产协会“Integral”制造的场效应晶体管。 1.

具有互补场效应晶体管的 UMZCH

大多数晶体管无变压器UMZCH都是根据半桥电路制成的。在这种情况下，负载包含在由放大器的两个电源和两个输出晶体管形成的电桥的对角线上（图1）。

具有互补场效应晶体管的 UMZCH

当没有互补晶体管时，UMZCH输出级主要在具有相同结构的晶体管上执行，负载和电源连接到公共导线（图1，a）。控制输出晶体管的两种可能的选择如图2所示。 XNUMX.

具有互补场效应晶体管的 UMZCH

在第一个中（图2，a），输出级下臂的控制处于更有利的条件下。由于电源电压的变化很小，米勒效应（动态输入电容）和厄利效应（集电极电流与发射极-集电极电压）实际上不会出现。此处上臂控制电路与负载本身串联，因此，在不采取额外措施（例如器件共源共栅切换）的情况下，这些效果在很大程度上表现出来。根据这一原则，已经开发了许多成功的UMZCH[1-3]。

根据第二种选择（图2,6 - MIS晶体管更适合这种结构），还开发了许多UMZCH，例如[4, 5]。然而，即使在这样的级联中，即使使用电流发生器[5]，也很难确保输出晶体管的控制对称性。输入阻抗平衡的另一个例子是根据准互补方案或使用互补晶体管来实现放大器臂（参见[1]中的图6，b）。

为了平衡由相同电导率的晶体管制成的放大器输出级臂的愿望，导致了根据图 1 中的电路的具有不接地负载的放大器的开发。 7，d [9-7]。然而，即使在这里也不可能实现先前级联的完全对称。输出级各臂的负反馈电路不相等；这些级联 [8, XNUMX] 的 NFB 电路根据相对臂的输出电压控制负载电压。此外，这种电路解决方案需要隔离电源。由于这些缺点，它没有得到广泛的应用。

随着互补双极晶体管和场效应晶体管的出现，UMZCH 的输出级主要根据图 1 中的电路构建。 XNUMXb、c. 然而，即使在这些变体中，也必须使用高压器件来驱动输出级。前输出级的晶体管以高电压增益工作，因此会受到米勒效应和厄利效应的影响，并且在没有常见的OOS的情况下，会引入显着的失真，这需要它们具有高动态特性。为初级级提供增加的电压也会降低放大器的效率。

如果如图所示1、b、c将公共线的连接点移至桥对角线的对肩处，得到如图1所示的选项。分别为 10,e [1] 和 1,f。级联结构如图所示。 XNUMXe自动解决了输出晶体管与外壳隔离的问题。根据这样的方案制造的放大器没有所列出的许多缺点。

放大器电路特性

无线电业余爱好者关注的是反相UMZCH（图3），对应于图1中输出级的框图。 XNUMX、e.

（点击放大）

输入差分级采用场效应晶体管（VT1、VT2、DA1）按对称电路制作。它们在差分级中的优点是众所周知的：高线性度和过载能力、低噪声。场效应晶体管的使用极大地简化了级联，因为不需要电流发生器。为了增加开环OS的增益，信号取自差分级的两个肩部，并且晶体管VT3、VT4上的射极跟随器安装在后续电压放大器的前面。

第二级由晶体管VT5-VT10组成，采用带有伺服电源的组合共源共栅电路。这种与OE级联的电源中和了晶体管中的输入动态电容以及集电极电流对发射极-集电极电压的依赖性。该级的输出级采用高频 BSIT 晶体管，与双极晶体管（KP959 与 KT940）相比，其截止频率是双极晶体管的两倍，漏极（集电极）电容是其四倍。

使用由单独的隔离源供电的输出级可以省去前置放大器的低压电源（9V）。

输出级由强大的 MIS 晶体管制成，其漏极末端（以及外壳的散热法兰）连接到一根公共电线，这简化了放大器的设计和组装。

与双极晶体管不同，功能强大的 MIS 晶体管的参数范围较小，这有利于它们的并联连接。器件之间的电流分布主要是由于阈值电压的不平等和输入电容的分布而产生的。在栅极电路中引入电阻为 50-200 欧姆的附加电阻，可以实现开启和关闭延迟的几乎完全均衡，并消除开关期间的电流扩散。

放大器的所有阶段都被当地和一般环保覆盖。

主要技术特点

开环反馈（R6 替换为 22 MΩ，C4 除外）
截止频率，千赫兹......300
电压增益，dB......43
AB模式下的谐波系数，%，没有更多......2

启用操作系统

输出功率，W（4欧姆负载时）......100
负载为 8 欧姆......60
可重现的频率范围，Hz......4...300000
谐波系数，%，不超过......0,2
额定输入电压，V......2
输出级静态电流，A ...... 0,15
输入电阻，kOhm ..... 24

由于开环反馈放大器的截止频率相对较高，反馈深度和谐波失真在整个频率范围内几乎恒定。

从下往上看，UMZCH 的工作频段受电容器 C1 的电容限制，从上往下看，受 C4 的限制（电容为 1,5 pF，截止频率为 450 kHz）。

结构和细节

该放大器是在双面箔玻璃纤维制成的板上制成的（图 4）。

具有互补场效应晶体管的 UMZCH

安装元件一侧的电路板最大限度地填充有连接到公共电线的箔片。晶体管VT8、VT9装有“旗”形小板散热片。活塞安装在强大场效应晶体管漏极端子的孔中；晶体管VT11、VT14的漏极端子从箔片一侧连接到公共线（图中用十字标记）。

活塞安装在板的孔 5-7 中，用于连接电源变压器引线和跳线孔。电阻器R19、R20、R22、R23采用直径为0,5、长度为150毫米的锰铜丝。为了抑制电感，将导线对折并折叠（双线）缠绕在直径为 4 mm 的心轴上。

电感器L1用PEV-2线绕0,8匝，以将2W电阻器（MLT或类似）的整个表面翻转。

电容器C1、C5、C10、C11 - K73-17以及C10和C11从PCB侧焊接至电容器C8和C9的端子。电容器C2、C3——氧化物K50-35；电容器C4-K10-62或KD-2； C12 - K10-17 或 K73-17。

必须选择具有与 DA1 组件中的晶体管大致相同的初始漏极电流的 n 沟道场效应晶体管（VT2、VT1）。就截止电压而言，它们的差异不应超过20%。 Micro assembly DA1 K504NTZB 可用 K504NT4B 替代。可以使用一对匹配的晶体管 KP10ZL（也具有索引 G、M、D）； KP307V - KP307B（也为 A、E）、KP302A 或晶体管组件 KPC315A、KPC315B（在这种情况下，必须对板进行返工）。

在VT8、VT9位置，还可以使用KT851、KT850系列的互补晶体管，以及明斯克协会“Integral”的KT814G、KT815G（截止频率为40 MHz）。

除了表中所示的晶体管之外，您还可以使用以下 MIS 晶体管对：IRF530 和 IRF9530； 2SK216和2SJ79； 2SK133-2SK135和2SJ48-2SJ50； 2SK175-2SK176 和 2SJ55-2SJ56。

对于立体声版本，从单独的变压器向每个放大器供电，最好使用环或棒 (PL) 磁路，功率为 180 ... 200 W。在初级和次级绕组之间，用导线PEV-2 0,5放置一层屏蔽绕组；它的结论之一是连接到一根公共电线上。次级绕组的输出用屏蔽线连接到放大器板，屏蔽线连接到板的公共线。前置放大器整流器的绕组放置在网络变压器之一上。稳压器由 IL7809AC (+9 V)、IL7909AC (-9 V) 微电路制成 - 图中未显示。 ONp-KG-2-9 (XS26) 连接器用于为 3x1 V 电源板供电。

设置时，差分级的最佳电流由调谐电阻器 R3 设置，以最大限度地减少最大功率（大约在工作区域的中间）时的失真。电阻器 R4、R5 设计用于每个臂中约 2...3 mA 的电流，初始漏极电流约为 4...6 mA。如果初始漏极电流较低，这些电阻器的电阻必须按比例增加。

输出晶体管在 120 ... 150 mA 范围内的静态电流由微调电阻器 R3 以及必要时选择电阻器 R13、R14 来设置。

脉冲功率块

对于购买和缠绕大型网络变压器有困难的无线电爱好者，可以为 UMZCH 输出级提供开关电源。在这种情况下，前置放大器可以由低功耗稳定 PSU 供电。

脉冲电源装置（其电路如图5所示）是一种非稳压自发电半桥逆变器。将逆变器晶体管的比例电流控制与可饱和开关变压器结合使用，可以在开关时自动消除有源晶体管的饱和状态。这减少了基极中的电荷耗散时间并消除了直通电流，还减少了控制电路中的功率损耗，提高了逆变器的可靠性和效率。

具有互补场效应晶体管的 UMZCH

UPS 规格

输出功率，W，没有了......360
输出电压......2x40
效率，%，不低于...... 95
转换频率，千赫兹......25

市电整流器的输入端安装有干扰抑制滤波器L1C1C2。电阻R1限制电容器C3的浪涌充电电流。板上的电阻串联有一个跳线 X1，您可以打开一个扼流圈来代替它，以改善滤波并增加输出负载特性的“硬度”。

逆变器有两个正反馈电路：第一个 - 通过电压（使用变压器 T1 中的绕组 II 和 T2 中的 III）；第二个 - 通过电流（使用电流互感器：变压器 T2 的 3-1 匝和绕组 2-4、5-2）。

触发装置由单结晶体管VT3制成。启动转换器后，由于 VD15 二极管的存在，转换器关闭，因为 R6C8 电路的时间常数远大于转换周期。

逆变器的特点是，低压整流器在大滤波容量下运行时，需要平滑启动。扼流圈 L2 和 L3 以及在某种程度上电阻器 R1 有助于该块的平稳启动。

电源由 2 毫米厚的单面箔玻璃纤维制成的印刷电路板制成。板图如图所示。 6.

（点击放大）

表中给出了变压器的绕组数据和磁路信息。 2. 所有绕组均采用PEV-2线材。

具有互补场效应晶体管的 UMZCH

在缠绕变压器之前，必须用砂纸或棒子将环的锋利边缘磨钝，并用漆布包裹（对于 T1 - 环折叠在一起为三层）。如果不进行这种预处理，则涂漆织物可能会被压穿，并且导线的匝数可能会与磁路短路。其结果是，空载电流急剧增大，变压器发热。在绕组1-2、5-6-7和8-9-10之间，屏蔽绕组用PEV-2 0,31导线一层匝地绕制，其一端（E1、E2）连接到一根公共UMZCH导线上。

变压器T2的绕组3-2是绕在绕组1-6上的直径为7mm的线圈，其端部焊接到印刷电路板上。

电感器 L2 和 L3 采用由 2000NM 铁氧体制成的 BZO 铠装磁芯制成。扼流圈的绕组缠绕在两根导线中，直到框架充满 PEV-2 0,8 导线。鉴于扼流圈在直流偏压下工作，有必要在杯之间插入 0,3 毫米厚的非磁性材料垫片。

L1 扼流圈为 D13-20 型，也可以与 L30、L2 扼流圈类似，在 B3 铠装磁路上制作，但不带垫圈，通过将绕组缠绕在两根 MGTF-0,14 线中直至框架充满。

晶体管VT1和VT2通过绝缘垫片安装在尺寸为55x50x15mm的肋状铝型材制成的散热器上。您可以使用 Minsk 软件“Integral”的 KT8126A 晶体管以及 MJE13007 代替图中所示的晶体管。在 PSU 输出 +40 V、-40 V 和“其”中点（CT1 和 CT2）之间，连接了额外的氧化物电容器 K50-6（图中未显示），容量为每 2000 V 50 微法。这四个电容器安装在尺寸为 140x100 mm 的 Textolite 板上，用螺钉固定在大功率晶体管的散热器上。

电容器 C1、C2 - K73-17 用于 630 V 电压，C3 - 氧化物 K50-35B 用于 350 V，C4、C7 - K73-17 用于 250 V，C5、C6 - K73-17 用于 400 V，C8 - K10-17。

脉冲 PSU 连接到 PA 板，靠近电容器 C6-C11 的端子。在这种情况下，VD5-VD8 二极管电桥未安装在 PA 板上。

为了延迟音响系统与 UMZCH 的连接，以衰减加电期间发生的瞬态，并在放大器输出端出现任何极性的恒定电压时关闭扬声器，您可以使用最简单的 [10] 或更复杂的保护装置。

文学

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Kolosov V. 现代业余录音机。 - M.：能源，1974 年。
Borisov S. 低频放大器中的 MOS 晶体管。 - 收音机。 1983 年，第 11 期，第36-39。
Dorofeev M. AF 功率放大器中的 B 模式。 - 广播，1991 年，第 3 期，第 53 页。 XNUMX.
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Yakimenko N. UMZCH 桥中的场效应晶体管。 - 收音机。 1986 年，第 9 期，第38、39。
Vinogradov V. AU 保护装置。 - 广播，1987 年，第 8 期。三十。

作者：A.Petrov，莫吉廖夫，白俄罗斯

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