Унч схема на полевых транзисторах: Усилители мощности на полевых транзисторах

Содержание

cxema.org — Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах


Давно, еще года два назад, приобрел я старый советский динамик 35ГД-1. Несмотря на его первоначально плохое состояние, я его восстановил, покрасил в красивый синий цвет и даже сделал для него ящик из фанеры. Большая коробка с двумя фазоинверторами сильно улучшила его акустические качества. Осталось дело за хорошим усилителем, который будет качать эту колонку. Решил сделать не так, как делает большинство людей – купить готовый усилитель D–класса из Китая и установить его. Я решил сделать усилитель сам, но не какой-нибудь общепринятый на микросхеме TDA7294, да и вообще не на микросхеме, и даже не легендарный Ланзар, а очень даже редкий усилитель на полевых транзисторах. Да и в сети очень мало информации об усилителях на полевиках, вот и стало интересно, что это такое и как он звучит.




Сборка


Данный усилитель имеет 4 пары выходных транзисторов. 1 пара – 100 Ватт выходной мощности, 2 пары – 200 Ватт, 3 – 300 Ватт и 4, соответственно, 400 Ватт. Мне все 400 Ватт пока не нужны, но я решил поставить все 4 пары, дабы распределить нагрев и уменьшить рассеиваемую каждым транзистором мощность.


Схема выглядит так:


Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, принципиальная схема


На схеме подписаны именно те номиналы компонентов, которые установлены у меня, схема проверена и работает исправно. Печатную плату прилагаю. Плата в формате Lay6.


Внимание! Все силовые дорожки обязательно залудить толстым слоем припоя, так как по ним будет течь весьма большой ток. Паяем аккуратно, без соплей, флюс отмываем. Силовые транзисторы необходимо установить на теплоотвод. Плюс данной конструкции в том, что транзисторы можно не изолировать от радиатора, а лепить все на один. Согласитесь, это здорово экономит слюдяные теплопроводящие прокладки, ведь на 8 транзисторов их ушло бы 8 штук (удивительно, но факт)! Радиатор является общим стоком всех 8 транзисторов и звуковым выходом усилителя, поэтому при установке в корпус не забудьте как-нибудь изолировать его от корпуса. Несмотря на отсутствие необходимости установки между фланцами транзисторов и радиатором слюдяных прокладок, это место необходимо промазать термопастой.


Внимание! Лучше сразу всё проверить перед установкой транзисторов на радиатор. Если вы прикрутите транзисторы к радиатору, а на плате будут какие либо сопли или непропаяные контакты, будет неприятно снова откручивать транзисторы и измазываться термопастой. Так что проверяйте всё сразу.


Биполярные транзисторы: T1 – BD139, T2 – BD140. Тоже нужно прикрутить к радиатору. Они греются не сильно, но все таки греются. Их тоже можно не изолировать от теплоотводов.


Итак, приступаем непосредственно к сборке. Детали располагаются на плате следующим образом:


Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, расположение деталей


Теперь я прилагаю фото разных этапов сборки усилителя. Для начала вырезаем кусок текстолита по размерам платы.


Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТМощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТ


Затем накладываем изображение платы на текстолит и сверлим отверстия под радиодетали. Зашкуриваем и обезжириваем. Берем перманентный маркер, запасаемся изрядным количеством терпения и рисуем дорожки (ЛУТом делать не умею, вот и мучаюсь).


Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТМощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТ


Далее кидаем плату в раствор хлорного железа и ждём, пока оно сделает своё дело. Затем вынимаем, оттираем маркер щёткой для сковород и плата готова.


Вооружаемся паяльником, берём флюс, припой и лудим.


Отмываем остатки флюса, берём мультиметр и прозваниваем на предмет замыкания между дорожками там, где его быть не должно. Если всё в норме, приступаем к монтажу деталей.

Возможные замены.

Первым делом я прикреплю список деталей:

C1 = 1u

C2, C3 = 820p

C4, C5 = 470u

C6, C7 = 1u

C8, C9 = 1000u

C10, C11 = 220n


D1, D2 = 15V

D3, D4 = 1N4148


OP1 = КР54УД1А

R1, R32 = 47k

R2 = 1k

R3 = 2k

R4 = 2k

R5 = 5k

R6, R7 = 33

R8, R9 = 820

R10-R17 = 39

R18, R19 = 220

R20, R21 = 22k

R22, R23 = 2.7k

R24-R31 = 0.22


T1 = BD139

T2 = BD140

T3 = IRFP9240

T4 = IRFP240

T5 = IRFP9240

T6 = IRFP240

T7 = IRFP9240

T8 = IRFP240

T9 = IRFP9240

T10 = IRFP240


Первым делом можно заменить операционный усилитель на любой другой, даже импортный, с аналогичным расположением выводов. Конденсатор C3 нужен для подавления самовозбуждения усилителя. Можно поставить и побольше, что я и сделал впоследствии. Стабилитроны любые на 15 В и мощностью от 1 Вт. Резисторы R22, R23 можно ставить исходя из расчета R=(Uпит.-15)/Iст., где Uпит. – напряжение питания, Iст. – ток стабилизации стабилитрона. Резисторы R2, R32 отвечают за коэффициент усиления. С данными номиналами он где то 30 – 33. Конденсаторы C8, C9 – емкости фильтра – можно ставить от 560 до 2200 мкФ с напряжением не ниже чем Uпит.* 1.2 дабы не эксплуатировать их на пределе возможностей. Транзисторы T1, T2 – любая комплементарная пара средней мощности, с током от 1 А, например наши КТ814-815, КТ816-817 или импортные BD136-135, BD138-137, 2SC4793-2SA1837. Истоковые резисторы R24-R31 можно ставить и на 2 Вт, хоть и нежелательно, с сопротивлением от 0.1 до 0.33 ом. Силовые ключи менять не желательно, хотя можно и IRF640-IRF9640 или IRF630-IRF9630; можно на транзисторы с аналогичными пропускаемыми токами, емкостями затворов и, разумеется, таким же расположением выводов, хотя если паять на проводках, значение это не имеет. Больше менять тут вроде и нечего.


Первый запуск и настройка.


Первый запуск усилителя производим через страховочную лампу в разрыв сети 220 В. Обязательно закорачиваем вход на землю и не подключаем нагрузку. В момент включения лампа должна вспыхнуть и погаснуть, причем погаснуть полностью: спираль не должна светиться вообще. Включаем, держим секунд 20, затем выключаем. Проверяем, нет ли нагрева чего-либо (хотя если лампа не горит, вряд ли что-нибудь греется). Если действительно ничего не греется, включаем снова и меряем постоянное напряжение на выходе: оно должно быть в пределах 50 – 70 мВ. У меня, к примеру, 61.5 мВ. Если всё в пределах нормы, подключаем нагрузку, подаём сигнал на вход и слушаем музыку. Не должно быть никаких помех, посторонних гулов и т. п. Если ничего этого нет, переходим к настройке.


Настраивается всё это дело крайне просто. Необходимо лишь выставить ток покоя выходных транзисторов с помощью вращения движка подстроечного резистора. Он должен быть примерно 60 – 70 мА для каждого транзистора. Делается это так же как и на Ланзаре. Ток покоя считается по формуле I = Uпад./R, где Uпад. – падение напряжения на одном из резисторов R24 – R31, а R – сопротивление этого самого резистора. Из этой формулы выводим напряжение падение на резисторе, необходимое для установки такого тока покоя. Uпад. = I*R. Например в моем случае это = 0.07*0.22 = где то 15 мВ. Ток покоя выставляется на “тёплом” усилителе, то есть радиатор должен быть тёплым, усилитель должен поиграть несколько минут. Усилитель прогрелся, отключаем нагрузку, закорачиваем вход на общий, берем мультиметр и проводим ранее описанную операцию.




Характеристики и особенности:


Напряжение питания – 30-80 В

Рабочая температура – до 100-120 град.

Сопротивление нагрузки – 2-8 Ом

Мощность усилителя – 400 Вт/4 Ом

КНИ – 0.02-0.04% при мощности 350-380 Вт

Коэффициент усиления – 30-33

Диапазон воспроизводимых частот – 5-100000 Гц


На последнем пункте стоит остановиться подробнее. Использование этого усилителя с шумящими тембрблоками, такими как TDA1524, может повлечь за собой необоснованное на первый взгляд потребление энергии усилителем. На самом деле это усилитель воспроизводит частоты помех, не слышные нашему уху. Может показаться, что это самовозбуждение, но скорее всего это именно помехи. Тут стоит отличать помехи, не слышимые ухом от реального самовозбуждения. Я сам столкнулся с этой проблемой. Изначально в качестве предварительного усилителя операционник TL071. Это очень хороший высокочастотный импортный ОУ с малошумящим выходом на полевых транзисторах. Он может работать на частотах до 4 МГц – этого с запасом хватает и для воспроизведения частот помех и для самовозбуждения. Что делать? Один хороший человек, спасибо ему огромное, посоветовал мне заменить операционник на другой, менее чувствительный и воспроизводящий меньший диапазон частот, который просто не может работать на частоте самовозбуждения. Поэтому я купил наш отечественный КР544УД1А, поставил и… ничего не поменялось. Это всё натолкнуло меня на мысль, что шумят переменные резисторы тембрблока. Движки резисторов немного “шуршат”, что и вызывает помехи. Убрал тембрблок и шум пропал. Так что это не самовозбуждение. С данным усилителем нужно ставить малошумящий пассивный тембрблок и транзисторный предусилитель дабы избежать вышеперечисленного.


Итоги


В результате получается хороший усилитель, который прекрасно воспроизводит как низкие, так и высокие частоты мало греется и работает в широком диапазоне питающих напряжений. Лично мне усилитель очень нравится. Осталось только соорудить для него предварительный усилитель, нормальный тембрблок и корпус, но об этом как-нибудь в другой раз.


Ниже прилагаю несколько фото готового усилителя.


Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТМощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТ


Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, ЛУТ


На этом в принципе всё. Если остались какие-либо вопросы, задавайте их либо на форум VIP-CXEMA, либо мне на почту Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.


Автор: Дмитрий4202 

Схема усилителя класса AB на полевых транзисторах мощность150 Вт

Схема усилителя мощности звука — 150 Вт

Схема усилителя-1Схема усилителя-1

Схема усилителя. В этом материале мы вместе с вами рассмотрим довольно простой усилитель звука с выходной мощностью 150 Вт при нагрузке 4 Ом. Схема в достаточной степени качественная, можно даже сказать высококачественная.

Схема усилителя-2Схема усилителя-2 Схема усилителя-3Схема усилителя-3

Усилитель выполнен на транзисторах, за основу была взята базовая схема изобретателя Хун-Чан Лина. Мной в топологию данного аппарата практически ничего не добавлено. Но вместе с тем, усилитель разработан в сверх-упрощенном варианте, не теряя при этом надежности и превосходного звучания. Отличительная черта схемы заключается в ее непосредственности и одновременно в повторяемости.

Схема усилителя-4Схема усилителя-4

На принципиальной схеме представлен усилитель мощности, имеющий в оконечном тракте две пары мощных полевых транзисторов. Печатную плату, которого вы найдете ниже, в приложении.

Выходной каскад усилителя обеспечен надежной электронной защитой от короткого замыкания в акустике. Принципиальная схема усилителя была усовершенствована в конце 2017 года.

Схема усилителя-6Схема усилителя-6

Технические данные транзисторного усилителя

Схема усилителя-7Схема усилителя-7

Сам усилитель не привередливый, не предъявляющий высоких требований к электронным компонентам.

Резисторы

Постоянные резисторы, помимо отдельно отмеченных на схеме, нужно выбирать из расчета 0,25Вт рассеиваемой мощности. Сопротивления желательно устанавливать типа МЛТ или зарубежные аналоги из категории металлопленочных, которые создают меньше фонового шума.

Подбор компонентов

Использовать в схеме прецизионные резисторы, точность которых составляет от 0,001% до 0,5% нет никакой необходимости, вполне нормально будет применение резисторов с точностью 10%. В отличии от резисторов, здесь особое значение имеет качество конденсаторов. А именно тех, которые установлены в сигнальном тракте — это C1 и C5, вот к ихнему подбору нужно отнестись со всем вниманием.

Эти емкости, один из которых электролит, другой пленочный, лучше всего взять какой нибудь известной фирмы. Конечно данный совет необязателен, но все же. Чем качественнее будут компоненты установленные в цепях прохождения звукового сигнала, тем ярче будет звуковая картина на выходе. Схема усилителя предполагает электролитический конденсатор С5 на 220µ х 16v, но его желательно поставить не полярный, с таким же номиналом. А в случае, если такового нет, то допускается установка полярной емкости.

Несколько важных советов:

  • При выборе электролитических конденсаторов, обращайте принципиальное внимание на фирму-производителя. Никогда не связывайтесь с такими «компаниями» из поднебесной как Elzet, Chang и нескольких других им подобных.
  • Ни при каких обстоятельствах вы не должны применять электролитические емкости изготовленные еще при Советском Союзе. Дело в том, что прошло с тех пор уже много лет, и они вполне вероятно полностью высохли, следовательно, их емкость не гарантирует нужных электрически характеристик.
  • Установленные в схеме емкости С9, С10, С11, С12, С3, С4 – это электролиты, их функция заключается в фильтрации постоянного напряжения питания. Поэтому, требования к ним высокого качества можно игнорировать. Однако, китайские емкости все же ставить не рекомендуется, особенно когда обозначенная на них фирма вам незнакома. Это относится и к советским конденсаторам — помните, что они могут оказаться высохшими!

Конденсаторы

Подбор номинальных напряжений данных конденсаторов, нужно выполнять согласно указанным значениям в схеме. Емкости С13, С14 относятся к классу само восстанавливающихся конденсаторов, у которых в качестве диэлектрика применяется пленка. Они не являются полярными. Что касается номиналов напряжений для них, то их следует также подбирать согласно указанным у схеме значениям, исходя из максимального напряжения питания усилителя.

Тоже самое и с их качеством, которое принципиального значения особо не имеет. Тем не менее, придерживайтесь всегда привычки использовать комплектующие такие, чтобы потом за них не переживать.

Транзисторы

По полупроводникам, в частности транзисторов можно сказать только одно. Главным условием здесь должно быть: устанавливать только то, что обозначено в схеме. Избегайте применения транзисторов аналогичных указанных там, только советского производства, особенно с датой выпуска конца 80-х годов.

Как уже говорилось выше, аппарат довольно надежный, и схема усилителя рассчитана на стабильную работу выходного каскада в классе AB. В связи с этим, необходимо обеспечить оконечному тракту существенное охлаждение. Определяющим фактором качественного рассеивания выделяемого транзисторами тепла является площадь радиатора. Например; для устройства имеющего 1Вт выходной мощности, потребуется теплоотвод из алюминиевого сплава с размерами 14-18см².

Толщина основания теплоотвода никогда не помешает, если она несколько больше расчетной и позволяют габариты усилителя. Требующую площадь теплоотвода рассчитывают с помощью формулы:

S=Pвых*(1-КПД)*(12..18), где Pвых — выходная мощность усилителя. Для 150Вт’ного усилителя площадь радиатора должна находится в пределах: от S=150*(1-0,6)*12=720см2, до S=150*(1-0,6)*18=1080см2.

При использовании в конструкции системы принудительного охлаждения с применением вентиляторов, площадь радиаторов можно значительно уменьшить. Но в таком варианте возникает шум от работающих вентиляторов, хотя, для кого, что важнее, увеличение площади теплоотводов либо шум с некоторым количеством пыли.

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности установленная на выходе звуковой цепи, представляет из себя бескаркасный дроссель, содержащий 18-20 витков, намотанный на стержне Ø 8мм медным проводом сечением 1,5 мм². Абсолютная точность катушки здесь особой не играет роли.

Выходная мощность усилителя, как известно, определяется значением питающего напряжения. При известном комплексном сопротивлении акустики, и исходя из требуемой мощности на выходе, можно определить по данному графику какое нужно питающее напряжение для усилителя.

Схема усилителя-046Схема усилителя-046

Выходной каскад

Если вы устанавливаете только две пары транзисторов в выходном тракте, тогда не стоит поднимать напряжение питания больше +/- 45v, несмотря на то, какое сопротивление в акустической системе. Для корректной работы аппарата с установленными в оконечном каскаде двух пар транзисторов, какие указаны в схеме, оптимальное решение — 150 Вт. В том случае, когда установлено четыре пары выходных ключей, то тогда возможно увеличить питающее напряжение до значения +/-60v. Благодаря такому напряжению питания, при сопротивлении в нагрузке 4 Ом, усилитель раскачает мощность на выходе до 380Вт.

Схема усилителя не требует никаких дополнительных настроек и начинает работать сразу же по окончанию сборки. Кстати, аппарат не требует даже начальной установки тока покоя.

Устранение неполадок</3>

Важно! Какие могут возникнуть проблемы при первом включении усилителя после завершения сборки. На выходных клеммах присутствует постоянное напряжение, появился специфический запах горелого, идет ощутимый перегрев, происходит самовозбуждение. Здесь, вероятнее всего вы где-то, что-то недоглядели.

Во первых нужно проверить правильность и качество монтажа, печатную плату очистить от горевшего флюса, образовавшегося при пайки. Далее нужно удостоверится в корректности установки установки резисторов, на предмет соответствия их номиналов со схемой. Также обратите внимание на цоколевку транзисторов.

Здесь представлена печатная плата усилителя после травления:

Схема усилителя-047Схема усилителя-047 Схема усилителя-048Схема усилителя-048

Схема усилителя имеет раздельную шину заземления для сигнального и силового трактов, тем самым исключается возможность образования фонового искажения.

Места подключения на печатной плате:

  • IN — вход сигнала.
  • sGND — входная земля (земля от источника сигнала).
  • OUT — выход усилителя.
  • GND — один контакт для подключения к земле блока питания, второй — минусовой выход усилителя к АС.
  • +/-U — шины для подключения источника питания усилителя.

Перечень требующихся электронных компонентов:

Скачать перечень требующихся электронных компонентов: amp206
Скачать: publp-2k17
Скачать: publp-4-2k17

Сборка транзисторного усилителя звука на 150Вт

Схема УНЧ на полевых транзисторах



Попробуем заставить транзисторы запеть тёплым ламповым хором.


Оппонент: Почему транзисторный и почему по ламповой схемотехнике? Не лучше ли озадачиться либо классическим ламповым усилителем, либо
транзисторным по любой из существующих схем, которых в разных источниках, как грязи в болотах.

Автор: К ламповым усилителям — вообще никаких вопросов. Если не сильно пугает: гибка стальных шасси, приобретение качественных выходных
трансформаторов, поиск высоковольтных кондёров и подобранных по параметрам ламп, а будучи звездонутым анодным напряжением в 400 вольт,
вы найдёте не только минусы, но и плюсы, то вам дорога в спаянные ряды маньяков лампоманов.

А мы же — ребята ленивые, но умные! Поэтому озадачимся созданием УМЗЧ, полностью выполненного на мощных полевых транзисторах,
являющихся, если и не полными твердотельными аналогами ламп, то имеющих близкие к ним квадратичные вольтамперные характеристики, что
позволит получить нам на выходе спектр сигналов, аналогичный спектру ламповых усилителей — с преобладанием чётных гармоник и
быстрым затуханием гармоник высших порядков.

Теперь по поводу расхожих транзисторных схем, которых «как грязи в болотах». Историю борьбы с феноменом транзисторного звучания,
а также основные принципы построения «правильного» усилителя мощности мы подробно
рассмотрели на странице ссылка на страницу. Так что для понимания схемотехнической целесообразности
конструкции, описываемой в данной статье, рекомендую ознакомиться с приведённой по ссылке информацией.

Здесь же я приведу окоyчательные постулаты, следующие из обозначенного теоретического экскурса:

1. Усилитель должен быть выполнен целиком и полностью на полевых транзисторах, являющихся твердотельными аналогами ламп.


2. Никаких глубоких отрицательных обратных связей в нашем усилителе быть не должно, максимум — внутрикаскадные.


3. Усилитель должен работать в режиме А, что позволит нам достичь приемлемых величин нелинейных искажений при отсутствии обратных связей
и напрочь избавит от тепловых искажений.


4. Однотактные транзисторные усилители, обеспечивающие экстремально устойчивую иллюзию звучания лампового усилителя, хороши только для
выходных мощностей до 10Вт, поэтому наш выбор — классическая схема двухтактного лампового УМЗЧ, переработанная под комплементарные
полевики и не содержащая выходного трансформатора. К тому же двухтактная схема позволяет в пару раз уменьшить ток покоя выходных транзисторов
и тем самым во столько же раз увеличить КПД усилителя.


5. «Теория без практики мертва, а практика без теории слепа», — сказал то ли математик Пафнутий Чебышев, то ли полководец Александр Суворов,
не суть.

Оппонент: Кстати, а я читал в умной книжке, что оставлять транзисторные усилители без глубоких отрицательных ОС нельзя, даже если они
работают в режиме А. Причина — неидентичность и температурная нестабильность характеристик выходных комплементарных транзисторов.

Автор: Сие слова не мальчика, но мужа. Книга — это не только сундук для заначек от жены, но и источник познавательных ценностей.
Каждая прочитанная страница повышает уровень интеллекта, но не избавляет от вредных привычек, таких как, например, поковыряться в носу
и съесть козявку, или сделать на основании одной прочитанной книги решительные выводы.

Ведь наверняка найдётся и другая книжка, где написано, что две одинаковые лампы не обладают идентичными параметрами, их в идеале ещё надо
постараться подобрать из десятка-другого, а выходной трансформатор — как не мотай, не получишь двух идеально одинаковых обмоток.

Оппонент: Я так понимаю, что транзисторы тоже придётся подбирать из десятка-другого.

Автор: Ан нет! Не угадал.


Современные полевые транзисторы, а именно такие мы будем использовать в усилителе, превосходят своих вакуумных собратьев по целому
ряду параметров, в частности и по такому важному для работы в оконечных каскадах, как крутизна характеристики (10 А/В против 10-20 мА/В).
Поэтому небольшие сопротивления в истоковых цепях транзисторов, не ухудшая усилительных свойств каскада, обеспечат не только температурную
стабилизацию, но и подровняют характеристики комплементарной пары транзисторов, а дополнительная местная обратная связь поднимет
наш оконечник на труднодостижимый для ламповых схем уровень нелинейных искажений.

Однако пора от слов переходить к делу. Для затравки приведу схему получившегося агрегата,




Рис.1

а морщить лоб, изучать характеристики и разбираться в назначении тех или иных элементов с энтузиазмом начнём уже на следующей
странице.





 

Усилитель с полевыми транзисторами на выходе

Появилась промышленная печатная плата, см. в конце.

Описание этого усилителя длинное. На самом деле это правильно. Если хотите краткости, то вот вам: это отличный усилитель. Все! Всякие там словесные выкрутасы про мощный упругий бас, чувственную середину и прозрачные верха оставим рекламщикам. Но вот если вы хотите понимать, что вы делаете… Знать как усилитель работает, что можно от него получить, как подстроить его для своих нужд и как добиться от него максимум звука, то нужен подробный рассказ. И разобравшись с усилителем, вы увидите, что мои слова о высоком качестве звучания не рекламное вранье (как иногда бывает), а результат хорошо обдуманной конструкции, грамотного изготовления и правильного питания. И сможете сами добиться такого же отличного звука в вашем усилителе, сделанном под ваши требования.

В некоторых кругах меня считают апологетом микросхемы TDA7294. Действительно, на ней можно сделать простой и весьма неплохой усилитель. А что делать, если нужна выходная мощность побольше? Или качество повыше? В таком случае можно сделать вот этот усилитель.

Описываемый усилитель имеет высокие параметры качества и отличное звучание. Он может быть рекомендован для построения высококачественных звуковоспроизводящих систем. В усилителе можно регулировать выходное сопротивление в пределах от нуля до нескольких десятков ом. Это позволяет улучшить качество звучания акустических систем и делает его идеальным для использования с сабвуферами конструкции «закрытый ящик»: повышенное выходное сопротивление позволяет повысить уровень нижних частот и снизить нижнюю граничную частоту сабвуфера. Иногда повышенное выходное сопротивление воспринимается как «мягкий ламповый звук».

Этот усилитель уже работает у меня совместно с сабвуфером. На момент написания этой статьи усилитель проработал 8 месяцев.

Основные параметры усилителя. Встречается мнение, что параметры не нужны, но это глупости. Я планирую написать статью на эту тему, а пока привожу основные параметры усилителя и кратенько их охарактеризую.

ПараметрЗначение
Коэффициент усиления30
Диапазон рабочих частот по уровню -3 дБ7 Гц … 80 кГц
Завал АЧХ на частотах 20 Гц и 20 кГц не более, дБ0,5
Максимальная выходная мощность на нагрузке 4 Ом, Вт150
Максимальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом, Вт120
Коэффициент нелинейных искажений при выходной мощности 60 Вт на частоте 1 кГц, %не более 0,005
Коэффициент интермодуляционных искажений измеренных по методу SMPTE на частотах 60 Гц и 7 кГц при соотношении амплитуд 4:1 (при выходной мощности 60 Вт)не более 0,005
Коэффициент интермодуляционных искажений измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1 (при выходной мощности 60 Вт)не более 0,005
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мксне менее 15
Выходное сопротивление, Ом0…20

Коэффициент усиления. Ку задается глубиной ООС. Если он слишком мал, усилитель будет «тихим». При очень большом Ку глубина ООС мала и растут искажения. Ку = 30 – самый подходящий вариант. У этого усилителя не следует делать Ку меньше 20, т.к. усилитель может потерять устойчивость.

Завал АЧХ на крайних частотах звукового диапазона меньше, чем разрешающая способность слуха на этих частотах. Т.е. спада уровня сигнала не услышит никто.

Максимальная выходная мощность зависит от блока питания, поэтому в реальности она может быть меньше. Числа, указанные в таблице – это максимум, что можно выжать из усилителя. Для помещения не более 60 м2 такой мощности вполне хватит.

Коэффициенты искажений показывают величину искажений. По определению, искажения – это отличия того, что получаем на выходе от того, что подаем на вход. Разница практически нулевая (раз в 10 меньше разрешающей способности слуха), так что мы услышим только тот звук, который подали на вход, и никакой отсебятины. Разные тесты позволяют оценить работу усилителя с разных сторон. Про искажения в усилителях я тоже планирую написать специальную статью.

Что касается диапазона частот и скорости нарастания выходного напряжения. Очень часто эти цифры используются в рекламных целях – чем больше, тем лучше. До потери здравого смысла. Например, вы покупаете автомобиль. И вам предлагают два варианта. У одного автомобиля максимальная скорость 220 км/ч, у другого – 520 км/ч. Разумеется, вы выберете второй – ведь он быстрее, не так ли? Или все же задумаетесь, а нужна ли такая максимальная скорость? То же самое и со скоростными параметрами усилителя. Ограничение усиления на низких частотах исключает перегрузку громкоговорителя инфразвуком (если он образуется, например, при проигрывании коробленых грампластинок). Да и для людей инфразвук вреден. Ограничение АЧХ на ВЧ во-первых снизит проникновение возможных помех. Во вторых, есть связь между верхней граничной частотой и скоростью нарастания выходного напряжения. Если верхняя граница частотного диапазона ограничена, то при разумной скорости нарастания динамические искажения (которые могут появиться вследствие применения ООС) вообще не возникнут! Те самые, которыми пугают потребителей – в этом усилителе их вообще не будет! Благодаря ограничению частотного диапазона.

И еще один важный момент. Существует по крайней мере два способа измерения скорости нарастания выходного напряжения усилителя:

1. На вход подаем прямоугольный сигнал огромной амплитуды, так, что все транзисторы работают на пределе своих возможностей. Естественно, что все транзисторы выходят из режимов работы и никакие обратные связи при этом не действуют. Этот метод измерения дает очень красивые рекламные цифры, поэтому его часто используют.

2. На вход усилителя подают сигнал с разумными параметрами и режимы работы транзисторов в усилителе сохраняются. Такой способ измерения дает значения в несколько раз меньше, чем первый, но он соответствует реальной работе усилителя в реальных условиях с реальным сигналом. То есть усилитель работает и сигнал воспроизводится. Это примерно как техническая и реальная скорострельность у пулемета. Я в этом усилителе скорость нарастания измерял именно этим, вторым способом.

Принципиальная схема усилителя показана на рисунке 1. Схема построена по топологии Лина. Входной дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 для получения максимального усиления, симметрии и скорости нарастания выходного напряжения нагружен на токовое зеркало VT1 и VT2. Резисторы R5 и R6 в эмиттерах увеличивают линейность каскада и его перегрузочную способность, а также снижают влияние разброса параметров транзисторов. Источник тока VT5, VT6 (по сравнению с резистором, который иногда применяют в этом месте) снижает уровень интермодуляционных искажений. Эмиттерный повторитель VT7 повышает усиление. Транзистор VT9 служит для автоматического уменьшения тока покоя выходных транзисторов VT11, VT12 при повышении их температуры. Резистор R16 регулирует ток покоя выходного каскада.

Рис. 1. Схема усилителя с полевыми транзисторами.

Повышенное выходное сопротивление создается комбинированной отрицательной обратной связью (ООС) – и по напряжению и по току. ООС по напряжению снимается с выхода усилителя и через резистор R20 подается на его инвертирующий вход. ООС по току снимается с резистора – датчика тока R27 и подается на инвертирующий вход через резистор R21. Несколько необычное включение цепи R9C4 используется, чтобы обеспечить нулевое постоянное напряжение на нагрузке при использовании ООС по току.

Тут надо сказать одну важную вещь. Для получения повышенного выходного сопротивления в усилителе совместно с ООС по напряжению всегда используют ООС по току. То есть одновременно действуют две разные цепи отрицательной обратной связи. Это ЕДИНСТВЕННЫЙ способ получить повышенное выходное сопротивление. А названий у этого способа много: каждый называет по-своему. Я такую обратную связь называю комбинированной, кто-то называет гибридной, а кто-то “бешеной” (Mad Feedback – очень круто звучащее рекламное название). Но разницы между всеми этими системами нет никакой. Всякая разница в звуке будет зависеть в основном от конструкции усилителя. И от той величины выходного сопротивления, которую вы установите. Так что этот усилитель = ТОСник = Mad Feedback ~ ИТУН. Если честно, то разница между усилителями все-таки есть. Для этого моего усилителя (и усилителя с регулируемым выходным сопротивлением на микросхеме TDA7294 / TDA7293) выходное сопротивление можно точно рассчитать. Вообще все параметры моих усилителей, зависящие от цепей ООС, да и сами цепи ООС не приблизительно, а точно рассчитываются по программе, написанной специально для этого.

Цепь R1С2 является фильтром, подавляющим возможные высокочастотные помехи. Не будьте идеалистами, ВЧ помехи в усилитель обязательно пролезут, и этот фильтр – последний бастион на их пути. Значение емкости конденсатора С2 указано для случая, если на входе усилителя установлен регулятор громкости. Если же этот усилитель подключен к предусилителю (и регулятор громкости установлен в предусилителе), то емкость С2 надо увеличить в 2 раза.

Конденсатор С7 выполняет сразу несколько функций, каждая из которых очень полезна:

1. Он “ускоряет” работу ООС.

2. Он ограничивает верхнюю рабочую частоту усилителя. То есть усилитель усиливает до 80 кГц не потому, что его схема или детали плохие и медленные. Без конденсатора С7 верхняя граничная частота усилителя составляет примерно 1200 кГц. То есть, усилитель сам по себе является быстрым, но он включен по схеме фильтра, так, что на высоких частотах глубина ООС увеличивается, и усиление уменьшается. Это снижает искажения на высоких частотах и избавляет усилитель от динамических искажений.

Но в таком применении конденсатора есть ряд опасностей, поэтому я не могу рекомендовать его для абсолютно всех усилителей. Зато абсолютно точно известно, что в моем усилителе это конденсатор полезен.

Внешний вид экспериментального образца усилителя показан на рис.2.

Рис. 2. Усилитель с полевыми транзисторами. Плата.

На фотографии видно, что резистор R15 имеет другое значение, а резистор R26 немного подгорел. Это я экспериментировал и измерял параметры. При подаче сигнала частотой 10…20 кГц и мощностью 60 Вт в нагрузке, R26 подгорает. Но в реальном сигнале такого большого напряжения на высоких частотах не бывает.

Для измерения искажений использовалась звуковая карта EMU0404 и программа SpectraPLUS. Поэтому измеренные уровни искажений на самом деле соответствуют системе звуковая карта + усилитель. На рис. 3 показана амплитудно-частотная характеристика суммарного коэффициента гармоник усилителя. По горизонтали на ней откладывается значение частоты тестового тона, на которой измерялся уровень искажений. При измерениях использовался режим с разрядностью ЦАП/АЦП 24 бита и частотой дискретизации 192 кГц. Т.е. возникающие при измерениях гармоники учитывались в диапазоне вплоть до 90 кГц (что очень важно для правильного определения величины Кг на высоких частотах).

Рис. 3. Зависимость искажений (THD) от частоты при выходной мощности 60 Вт. Нагрузка 6 ом. Реальный блок питания.

Очень часто для того, чтобы получить красивые рекламные цифры, измеряют только те гармоники, частота которых попадает в диапазон от 20 Гц до 20 кГц. При этом пишут «честно»: Кг в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Но имеют в виду не то, что тестовый сигнал лежит в этом диапазоне, а что учитываются только те гармоники, которые попали в этот диапазон. Поэтому при измерении Кг на частоте 10 кГц (когда подают тестовый сигнал частотой 10 кГц, и смотрят гармоники, имеющие частоты 20, 30, 40, 50 кГц и т.д.), то учитывают только вторую гармонику, равную 20 кГц, и все. Она маленькая, и рекламные цифры получаются хорошие. В моих измерениях при частоте тестового сигнала 10 кГц в результаты попали первые 9 гармоник (в реальности их столько и не было – усилитель очень линеен даже на высоких частотах). При частоте тестового сигнала 16 кГц в результаты попали первые 5 гармоник (а вот их практически столько и было). А при измерении на частоте 20 кГц – первые 4 гармоники. Это вполне честно, т.к. гармоника, имеющая наибольшую амплитуду третья, и она была измерена точно на всех частотах.

Рост искажений на высоких частотах обусловлен в основном снижением глубины ООС с ростом частоты. Вторая из основных причин – рост искажений входного каскада из-за повышения его выходного напряжения, которое в свою очередь вызвано снижением усиления каскада усиления напряжения на транзисторе VT8. Как видно, коэффициент гармоник даже на высоких частотах имеет небольшую величину.

На рис. 4 показан спектр искажений на частоте 1 кГц. Как видно, в нем присутствуют только первые три гармоники, остальные ниже порога измерений (измерения проводились при разрядности 24 бита, так что все значения выше -120 дБ верные). Такой узкий спектр искажений хорошо сказывается на качестве звучания, в результате в усилителе полностью отсутствует неприятный «транзисторный звук».

Рис. 4.

На рис. 5 показан спектр интермодуляционных искажений, измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1. Это один из наиболее жестких тестов, позволяющих оценить линейность усилителя на высоких частотах, где глубина ООС существенно снижается. Тест позволяет выявить нелинейность и/или плохие высокочастотные свойства исходного усилителя. Как видно из рис. 5, разностная частота 1 кГц имеет исчезающе малую величину, что говорит о высокой линейности усилителя. Количество «боковых частот», отличающихся от тестовых на величину 1 кГц также невелико и их амплитуды маленькие. Это говорит о том, что спектр искажений остается узким («мягким») даже на высоких частотах.

Рис. 5.

Все измерения искажений проводились при выходной мощности 60 Вт на нагрузке 6 Ом при питании усилителя от штатного блока питания. Здесь тоже бывают манипуляции для получения красивых рекламных цифр. Иногда на выход вообще не подключают нагрузку (пишут: при выходном напряжении, соответствующем такой-то выходной мощности). Иногда питают усилитель от специального стабилизированного источника. Мои измерения соответствуют работе усилителя в реальных условиях.

Результаты измерений показывают, что по уровню искажений данный усилитель не только не уступает многим дорогим и именитым промышленным моделям, но и превосходит их. Для более наглядного сравнения описываемого усилителя с этими дорогими, на рис. 6 показана зависимость коэффициента гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 4 ома от выходной мощности для 80-ти ваттного варианта блока питания. Это важный момент: не надо забывать, что максимальная выходная мощность усилителя (да и вся его работа) определяется источником питания. Про него рассказ впереди.

Рис. 6. Зависимость искажений (THD) от выходной мощности на частоте 1 кГц. Нагрузка 4 ом. Реальный блок питания.

Хочу обратить ваше внимание вот на что. Во многих дорогих усилителях при уменьшении выходной мощности искажения растут. Это следствие работы выходного каскада в экономичных режимах. Или следствия экономии в конструкции. Или из-за использования «цифровых» усилителей. В любом случае, рост искажений при снижении выходной мощности – это не хорошо. В данном усилителе такой рост искажений отсутствует: искажения остаются низкими при любой выходной мощности, не превышающей максимальную, и растут только при перегрузке.

Величину выходного сопротивления усилителя при данных значениях номиналов элементов цепей ООС можно регулировать одним только резистором R21. Регулировочная зависимость Rвых от R21 показана на рис. 7. Для получения больших значений выходного сопротивления следует воспользоваться программой расчета комбинированной ООС. Но обычно выходное сопротивление не требуется больше чем 8 Ом, для улучшения работы колонок и сабвуфера хватает сопротивления 2…6 Ом. Если повышение выходного сопротивления не требуется, то резистор R21 из схемы исключается, а резистор R27 заменяется проволочной перемычкой. Тогда усилитель работает как “обычный” с низким выходным сопротивлением (доли ома) и высоким коэффициентом демпфирования.

Рис. 7.

Конструкция и детали. Усилитель собран на печатной плате. Зелеными линиями на рис.8 показаны отрезки медного провода сечением 1,5 мм2, припаянные на печатный проводник для уменьшения его сопротивления. На самом деле я проверил вариант и без них – все отлично работает, и параметры усилителя не ухудшились (потому что разводка правильная). Но все же для большего душевного спокойствия можно их припаять. Толщина провода не так уж и важна. Главное – его симметричное расположение вверх-вниз на рисунке относительно отверстия в плате для подключения «земли».

Рис. 8.

Конденсатор С7 напаян на выводы резистора R20. Все резисторы, кроме указанных на схеме, имеют мощность 0,125 или 0,25 Вт. Если усилитель используется в стерео или многоканальном варианте, то желательно использовать резисторы, входящие в цепь ООС (R9, R20, R21), высокой точности, не хуже 1%. Либо подобрать их с одинаковым сопротивлением для всех каналов. Иначе усиление каналов может немного различаться. Резисторы R24, R25, R27 проволочные.

Конденсаторы С2, С3, С7 керамические с ТКЕ группы NP0 (такие конденсаторы линейные и не вносят искажений). При использовании усилителя совместно с сабвуфером номиналы некоторых конденсаторов лучше изменить как указано на схеме. С1, С10 – пленочные на напряжение не менее 63 вольт. Конденсаторы С8 и С11 могут быть как пленочные, так и керамические на напряжение 63 вольта. Учитывайте, что с пленочными конденсаторами не ошибешься – на меньшее напряжение их не выпускают, а керамические могут оказаться низковольтными и их пробьет. Если доступны малогабаритные конденсаторы, например фирмы EPCOS, то емкость С8 и С11 желательно увеличить до 1 мкФ. Конденсаторы С4, С5, С6, С9, С12 любые качественные. В качестве С4 можно использовать полярный электролитический конденсатор. При этом желательно измерить полярность постоянной составляющей на выходе усилителя после сборки и перепаять конденсатор С4 в соответствии с этой полярностью. В процессе работы конденсаторы не нагреваются, так что выгоднее использовать конденсаторы с допустимой температурой 85 градусов – их свойства немного лучше.

Максимальное допустимое напряжение конденсаторов С5, С6, С8, С9, С11, С12 должно быть по крайней мере на 10% больше напряжения источника питания на холостом ходу.

Если очень хочется, то в качестве С5 и С6 можно использовать конденсаторы 470 мкФ, а в качестве С9 и С12 конденсаторы 2200 мкФ. Но это практически ничего не улучшит (кроме чувства удовлетворения). А вот конденсаторы типа Low ERS или Low Impedance в качестве С9 и С12 очень бы подошли (в усилителе, параметры которого приведены здесь, использовались “обычные” конденсаторы Jamicon).

Конденсатор С1 задает частоту среза на низких частотах. С величиной емкости, указанной на схеме, нижняя частота среза равна 7 Гц. Если ваши громкоговорители плохо воспроизводят очень низкие частоты, то есть шанс перегрузить громкоговорители низкими частотами. В этом случае целесообразно повысить нижнюю граничную частоту усилителя, согласовав ее с возможностями колонок. Чтобы избежать перегрузки громкоговорителей низкими частотами, и не потерять бас, нижняя частота среза усилителя должна быть примерно в 2…3 раза ниже нижней рабочей частоты колонок. Конденсатор С1 емкостью 0,47 мкФ обеспечит частоту среза, равную 10 Гц; С1 = 0,33 мкФ – частоту среза 14 Гц; С1 = 0,22 мкФ – частоту среза 22 Гц.

Транзисторы 2N5551/2N5401 можно заменить на 2CS2240/2SA970. Транзисторы 2SA1930/2SC5171 на 2SA1358/2SC3421, либо (что несколько хуже) на 2SB649/2SD669. Транзистор VT9 – любой с проводимостью типа n-p-n в изолированном корпусе ТО-126. В качестве выходных можно использовать транзисторы IRFP240/IRFP9240. А вот популярные транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi лучше не использовать – их параметры хуже. Если же решите их использовать, обратите внимание, что у них другая цоколевка.

Выходные транзисторы размещаются на радиаторах с эффективной площадью не менее 700 см2 на каждый транзистор. Транзисторы изолируются от радиатора при помощи слюды или специальных теплопроводящих пленок. Для улучшения теплоотвода необходимо использовать термопасту (которой смазывается и промежуток транзистор-прокладка, и промежуток прокладка-радиатор).

Усилитель является сравнительно высокочастотным устройством, поэтому для снижения возможных помех рекомендуется использовать на всех кабелях (входных, акустических и питания) ферритовые шайбы. На выводы выходных транзисторов я попробовал устанавливать ферритовые кольца – это не дало никакого результата. А вот ферриты на кабелях – это хорошее решение. Ферритовая шайба – одно из немногих устройств, которое ничего не ухудшит. А вот улучшить может, т.к. высокочастотные помехи от радиоустройств пытаются проникнуть в усилитель абсолютно через все кабели, даже через акустические.

Напряжение питания усилителя ограничивается допустимыми напряжениями его элементов и не должно превышать ±55 вольт. При замене конденсаторов в цепи питания (С5, С6, С8, С9, С11, С12) на конденсаторы с допустимым напряжением 80 вольт, напряжение питания можно увеличить до ±65 вольт. При этом должны быть использованы транзисторы тех типов, что указаны на схеме. И увеличена площадь радиаторов. Однако подобное повышение напряжения питания не рекомендуется, особенно при работе на низкоомную нагрузку (6 ом и меньше).

Налаживание правильно собранного усилителя заключается в установке резистором R16 тока покоя выходных транзисторов в пределах 230…250 мА. После прогрева на холостом ходу ток покоя необходимо подкорректировать. Ток покоя определяется по величине напряжения между истоками выходных транзисторов. Такая величина тока покоя может показаться слишком большой, но установлено, что повышение тока покоя до такой величины по сравнению с “обычными стандартными” значениями снижает искажения выходных транзисторов в несколько раз и заметно сокращает спектр этих искажений.

Важную роль в работе усилителя играет его источник питания. Он же определяет такие параметры усилителя, как максимальная выходная мощность, перегрузочная способность, уровень фона и даже величина искажений.

Схем блоков питания много, и я периодически об этом пишу. В этом усилителе я применил схему, показанную на на рис. 9. Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи, поступающие из сети. Лучше в этом месте использовать специальный помехоподавляющий конденсатор емкостью 0,1…0,15 мкФ на напряжение 275…310 вольт переменного тока, но такие конденсаторы более дефицитны (но доступны в интернет-магазинах). Резисторы R1 и R2 служат для разряда конденсаторов фильтра при выключении питания. Для выпрямления используется либо готовый диодный мост, либо отдельные диоды. Хорошие результаты дает применение в выпрямителе диодов Шоттки. Максимальное допустимое обратное напряжение на диодах должно быть не менее 150…200 вольт, максимальный прямой ток зависит от выходной мощности усилителя и числа его каналов.

Рис. 9.

Для сабвуфера и стереоусилителя с выходной мощностью не более 80 Вт максимальный прямой ток диодов не должен быть меньше 10 ампер (например, мосты типа RS1003-RS1007 или КВРС1002-КВРС1010). При большей выходной мощности и/или большем числе каналов усиления выпрямительные диоды должны быть рассчитаны на прямой ток не менее 20 ампер. Например, мосты КВРС4002-КВРС4010, КВРС5002-КВРС5010 или диоды Шоттки 20CPQ150, 30CPQ150 с параллельным включением обоих диодов в корпусе. В этом случае рекомендуется увеличить суммарную емкость конденсаторов фильтра до 30000 мкФ на плечо. Гнаться за какими-нибудь экзотическими конденсаторами не нужно, подойдут и обычные. Также не имеет смысла ставить массив конденсаторов. Если попадутся конденсаторы Low ESR, то они будут работать чуть лучше, чем обычные. Но будет гораздо полезнее установить такие конденсаторы на плату усилителя, где нет влияния длинных соединительных проводов.

Для дальнейшего уменьшения импульсных помех, приходящих из сети, можно каждый из диодов зашунтировать конденсатором 0,01 мкФ на напряжение не менее 100 В.

Для выбора необходимой габаритной мощности трансформатора и напряжения на его вторичных обмотках в зависимости от требуемой максимальной выходной мощности усилителя можно воспользоваться программой расчета источника питания. А можно графиками на рис. 10. Черными линиями показаны графики минимальной мощности трансформатора. Сплошная линия соответствует стерео усилителю, пунктирная – сабвуферу. Цветные линии – напряжение на каждой из вторичных обмоток. Для стерео варианта усилителя в график на рис. 10 нужно подставлять требуемую максимальную выходную мощность одного канала. Данный график предназначен для определения мощности силового трансформатора усилителя, предназначенного для воспроизведения записанной музыки (с магнитофона, компакт-диска, виниловой грампластинки и т. п.). Для питания усилителя, предназначенного для исполнения музыки, например, в составе рок-группы, рисунком пользоваться нельзя.

Рис. 10.

Может показаться странным тот факт, что мощность трансформатора стереоусилителя меньше его удвоенной выходной мощности. Здесь имеется ввиду минимальная мощность трансформатора, достаточная для нормальной работы усилителя. Дело с том, что пикфактор звуковых сигналов составляет 12…16 дБ, поэтому максимальная выходная мощность усилителя достигается сравнительно редко и на короткое время. Значит средняя выходная мощность, а следовательно, и потребляемый от блока питания ток, получаются в несколько раз меньше максимальной. Поэтому и средняя мощность, потребляемая от трансформатора в несколько раз меньше максимальной. Трансформатор рассчитан на эту среднюю выходную мощность плюс кратковременные пики максимальной мощности, причем с некоторым запасом. Можно использовать трансформатор с габаритной мощностью больше, чем показано на рис. 10, но превышать эту мощность более чем в два раза смысла уже нет.

Подключение платы усилителя к остальной части усилителя (блоку питания, предусилителю, регулятору громкости и проч.) надо делать по правилам, тогда получите максимум качества звучания.

Усилитель не содержит схемы защиты акустических систем, поэтому для защиты АС от постоянного напряжения можно использовать одну из распространенных схем. Свой вариант схемы я выложу позже – тот, который я использовал, заточен под этот усилитель, а я хочу сделать его достаточно универсальным, чтобы подходил для всех.

Промышленно изготовленные платы для этого усилителя можно купить.

Для скачивания:

Схема усилителя и расположение деталей на плате

Печатная плата в формате Sprint Layout

15.04.2017

Total Page Visits: 463 — Today Page Visits: 6

УМЗЧ А КЛАССА НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Привет всем любителям хорошего аудио. Изучив несколько статей про разработку итальянского инженера-аудиотехника Андреа Чуффоли про усилитель Power Follower 99c, подумалось собрать тоже такую вещь. Были подобраны необходимые детали, прочитаны несколько статей и в путь… Первый канал оконечного усилителя на IRFP150N собран за пару часов неспешно, с перекурами и перерывами на общение с друзьями и парочку онлайн-игр. Тем более что схема совсем не сложная.

Схема принципиальная УМЗЧ Power Follower 99c

Сразу хочу предостеречь — включать это чудо без мало-мальских приличных радиаторов — это 100% убийство полевых транзисторов! Греется схема как небольшой масляный обогреватель. Всё-ттаки чистый А-класс.

Все три транзистора IRFP150N в каждом канале закрепил на один радиатор (один радиатор — один канал). Для этой цели использовал недавно удачно приобретенного донора «Кумир-001». Радиаторы меньших размеров, думается мне, не будут достаточно охлаждать схему.

   

Включил: вроде ничего не взорвалось, выставил половину напряжения на предохранителе. Подключил нагрузку (колонки S30), сигнал на вход подал со звуковой карты компьютера… И расстроился: звук хороший, активный, насыщенный, но максимум 4 Ватта на слух.

Как это часто бывает сыграла невнимательность. Огромное спасибо другу Сергею, который изучив оригинальную статью на английском языке подсказал, что схема этого оконечного усилителя не что иное, как, цитирую «усилитель тока, и коэффициент усиления по напряжению у него равен 1. Именно поэтому к нему делают специальные ламповые предусилители или на транзисторах с высоким питающим напряжением», конец цитаты.

Блок питания и преамп

Следовательно, нужен хороший предварительный усилитель — ламповый, транзисторный, любой. Выбрал вот такой вариант:

Ибо уж если полевики, то полевики до конца.

На входе диодного моста — 60 Вольт (трансформатор ТПП-235-220-50), на выходе БП — 58,8 Вольт, в обоих плечах. Резисторы R1 — 1К5; R2, R3 — 47 Ом. Все резисторы — 2 Ватта мощностью. Транзистор в БП — TIP29A. Стабилитроны Zener на 10 Вольт, 5 Ватт.

По поводу усилителя мощности, вот комментарии по результатам первых испытаний:

  1. Каждый канал собирается согласно первой схемы, и каждый канал должен питаться от отдельной вторичной обмотки трансформатора со своим диодным мостом и конденсатором.
  2. Радиатор и еще раз радиатор!
  3. Подстроечник 500 Ом за неимением заменил на многооборотный 1 кОм, следовательно 1.8 кОм резистор поменял на 1.2 кОм.
  4. Переключатель режимов (1.5А/3А) делать не стал, поскольку необходимость этого очень сомнительна, следовательно второй резистор 0,47 не нужен. Вместо трехватного 0,47 использовал три 2-омных двухватника параллельно (МЛТ-2, например).
  5. Питается от трансформатора из фирменного сабвуфера с двумя вторичными обмотками по 24 Вольта и одной 14 Вольт (это будет питание схемы индикации).
  6. Напряжение на истоке транзистора в блоке питания канала (правый верхний по схеме) — 22.5 Вольта.
  7. Напряжение на предохранителе (относительно минуса питания) — 10.9 Вольт. Сколько не крутил подстроечные резистор, большего добиться не удалось.

Первый канал предварительного усилителя собран, протестирован, хотя и не без накладок. Вместо 22 Ом (R102) резистора сперва поставил на плюс питания 22 кОм и огорчился, когда конструкция начала издавать в колонке хрипы и стоны. Благо перепутал не наоборот, и вместо килоомов не впаял омы — могло бы кончиться плачевно и с дымком. Поменял резистор — выставил напряжения (по сути, достаточно выставить 20 Вольт на стоке полевика, остальные напряжения с небольшим допуском получились сами) подстроечным резистором. И вуаля — чистый, мягкий и в то же время насыщенный звук с виниловой пластинки играет в 8-омную колонку очень красиво!

В общем вот, стерео вариант фоловера + предусилитель + блок питания к преампу готовы, проверены, протестированы.

По результатам могу сказать:

  • Для каждого канала УМЗЧ отдельная вторичка нужна и отдельный блок питания.
  • Греется этот усилитель по взрослому, посему радиаторы и еще раз радиаторы.
  • По звуку: чистый он, что-ли реальный какой-то, в общем приятный на слух.

На этом, пожалуй, все. Огромная благодарность моим друзьям Сергею и Игорю за идейное вдохновение, теоретическую и практическую помощь. Схему собрал и испытал — neo_work_tyumen.

   Форум по УНЧ

   Обсудить статью УМЗЧ А КЛАССА НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Схема УНЧ на полевых транзисторах



Попробуем заставить транзисторы запеть тёплым ламповым хором.


Автор: Перенесу сюда схему усилителя с предыдущей страницы.
Схема УНЧ на полевых транзисторах


Рис.1 Схема усилителя класса «А»

При указанном питании максимальная выходная мощность УМЗЧ, ограниченная 1%-ми нелинейных искажений, составляет: 20Вт на 4-омной нагрузке,
16Вт — на 6-омной, 14Вт — на 8-омной при стоковых токах выходных транзисторов 1,2А.

Если усилитель предполагается использовать только с 6 или 8-омной акустикой, то ток покоя транзисторов целесообразно снизить до 1,1А в
первом случае и до 1А — во втором.
У меня под рукой оказались 6-омные колонки, поэтому дальнейшее описание буду проводить исходя из этого.

Для интересующихся приведу зависимость коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности усилителя:

0,5Вт — 0,01%, 1Вт — 0,02%, 2Вт — 0,03%, 4Вт — 0,05%, 8Вт — 0,12%, 12Вт-0,4%, 16Вт — 1%.

Параметры эти можно существенно улучшить простым повышением напряжения питания схемы.
Надо это Вам или нет, каждый решает сам, ведь при увеличении напряжения питания пропорционально увеличивается и мощность, рассеиваемая на
теплоотводах транзисторов. Тем не менее, приведу эту же зависимость при 50-ти вольтовом источнике питания и
6-омной нагрузке:


0,5Вт — 0,01%, 1Вт — 0,015%, 2Вт — 0,02%, 4Вт — 0,04%, 8Вт — 0,08%, 12Вт-0,2%, 16Вт — 0,3%.

Максимальная выходная мощность усилителя, ограниченная 1% — 28Вт.


Полоса пропускания усилителя по уровню -3дБ: 10Гц — 150кГц.

Теперь по схеме.


Выходной каскад выполнен на мощных комплементарных транзисторах Т2, Т3, включённых по схеме с ОИ. Такое построение, в отличие от
схемы с ОС позволяет не только обеспечить усиление сигнала по току, но и по напряжению. За счёт этого, размах выходного напряжения
усилителя может достигать значений, практически равных напряжению питания усилителя.

Общий коэффициент усиления каскада — около 2,1 по напряжению. Такое значение было вымученно экспериментально, как компромисс между
приемлемым уровнем нелинейных искажений и нежеланием предъявлять серьёзных требований к предыдущему каскаду.

Достаточно высокие значения сопротивлений истоковых резисторов R18 и R19 выбраны из соображений максимальной температурной стабильности
выходного каскада, работающего в режиме А, а значит при высоких токах транзисторов, не зависящих от
уровня входного сигнала.

Стабилитроны D2, D3 носят предохранительный характер. Они защищают полевики от возможности превышения допустимых значений Uзи в начальный
момент включения источника питания или подаче на вход усилителя импульсного сигнала значительной величины.

Подстроечный резистор R12 отвечает за напряжение на затворе Т3, а значит и общий ток покоя выходных транзисторов.


Резисторы R10, R16 образуют обратную связь по постоянному току, полезную для стабилизации напряжения средней
точки выходных транзисторов.

Ну и наконец, ОС по переменному току через R8+RвыхТ1, R11 устаканивает коэффициент усиления выходного каскада на уровне 6,5дБ и
подводит черту под местными обратными связями нашего оконечника.

Ввиду невысокого коэффициента усиления выходного каскада, для получения приемлемой чувствительности усилителя (в пределах 1В) необходим
драйвер, т.е. усилительный каскад, обладающий коэффициентом усиления — около 7. С его функцией замечательно справился такой же
мощный полевик Т1, включённый по канонам лампового жанра по схеме с общим истоком (катодом) и работающий при значительном токе покоя.
Не один менее мощный транзистор на его месте не смог обеспечить уровень искажений, сопоставимый с IRFP140.

При настройке схемы может потребоваться подбор резистора R2 для установки напряжения на стоке транзистора Т1, равным 14,2В.

Корпус транзистора Т1 следует снабдить небольшим радиатором.

Ну, что ещё скажешь — всё предельно просто, как и должно быть в настоящей ламповой схемотехнике.

Оппонент: Почти везде ставят RC фильтры на выходах усилителей, и на радиолюбительских и на заводских.
Я так понимаю, они нужны для ограничения полосы выходного сигнала.

Автор: А шланг у противогаза нужен для того, чтобы при взрыве башка далеко не улетала.

Не выпучивайся, это аллегория. Бедолага Отто Юлия Цобель, перевернулся бы в гробу, а может даже и выпрыгнул оттуда,
узнав, что цепь, придуманная им в муках творчества для компенсации реактивного сопротивления динамиков, будет трактоваться нерадивыми
Оппонентами как фильтр для ограничения полосы выходного сигнала.

Необходимость применения корректирующей цепочки Цобеля зависит и от типа усилителя и от типа нагрузки. Многие усилители вообще не могут
устойчиво работать без этой цепи при любом раскладе.


В нашем случае, ввиду отсутствия глубоких отрицательных обратных связей, схема сохраняет высокую устойчивость при работе
с широким диапазоном видов нагрузок. Хотя, теоретически, при высокой добротности динамика, через сток-истоковые ёмкости выходных
транзисторов может организоваться положительная ОС, которая и приведёт-таки к потере устойчивости нашей устойчивой схемы.



В идеале, нужно стремиться избегать каких-либо корректирующих цепей, но в любом случае после полной отладки схемы
с эквивалентом нагрузки, нелишним будет подключить к усилителю реальный громкоговоритель,
ткнуться в него осциллографом и, подав на вход усилителя 1кГц сигнал, при выходной мощности близкой к максимальной
пронаблюдать на приборе идеальную синусоиду. Если на пиках синусоидального сигнала поселилась посторонняя рябь, можете смело обращаться к
наследию Цобеля или Буше, ничего страшного.

Теперь, что касается настройки. Она проста, но есть моменты, на которые надо обратить серьёзное внимание.

АХТУНГ №1 !!! R18 и R19 должны быть мощностью не менее 2 вт. Не используйте проволочные резисторы, а
то вместо мощного НЧ усилителя, получите мощный ВЧ генератор. И не стоит размышлять о том, что проволочный резистор непременно
должен внешне отличаться от непроволочного. Я специально указал на схеме 1-омные резисторы, поскольку непроволочные
резисторы меньшего номинала найти достаточно сложно.

АХТУНГ №2 !!! Если не хотите отправить Ваши мощные транзисторы к праотцам электроники Ому и Амперу,
не торопитесь их подпаивать к плате. То, что они обязаны заботливо покоиться на радиаторе, я
думаю понятно не только ёжику.


После того, как схема будет спаяна, установите центральные выводы подстроечных
резисторов R10 и R12 в нижнее по схеме положение. Очень желательно, чтобы они были многооборотными.
Подключите питание и вольтметром проверьте напряжения на центральном
выводе R12 — оно должно быть равно 0v.

А вот теперь можно подпаивать транзисторы и приступать к настройке схемы.

Подключаем амперметр между шиной питания и стоками выходных транзисторов. Не торопясь, вдумчиво покручивая R12,
устанавливаем ток стока транзистора Т3, равный 1,1А.

Отключаем амперметр. Мысленно поднимаем тост за успех мероприятия.

На этот раз берём вольтметр и подключаем его между шиной питания и все теми же стоками транзисторов.
Уже не так вдумчиво крутим подстроечный резистор R10 до тех пор, пока прибор не начнёт показывать значение, равное
половине напряжения питания.

Отключаем вольтметр. Поднимаем второй тост за успех мероприятия и радиолюбительское братство.

Усомнившись в окончательности результата, подключаем амперметр в разрыв цепи питания и убеждаемся в том,
что через транзисторы течёт все тот же 1,1А. Если показания все же незначительно отличаются, резистором R12 возвращаем
значение тока в родные пенаты.

Повторяем манипуляции с вольтметром и R10.

Не выключая питания, трогаем пальцем радиатор с транзисторами. Матерясь и рассматривая волдырь на пальце, делаем вывод, что
произошла роковая ошибка, и радиатор, который казался достаточно большим для 20 ваттного усилителя, вообще не справляется с
возложенным на него высоким доверием.

Достаём из холодильника недопитую в выходные бутылку водки, наливаем рюмаху и выпиваем её залпом и без тоста.
Обзывая себя куском идиота, северным оленем и грёбаным упырём, заказываем в интернете нормальный радиатор, предварительно
рассчитанный по формуле из умной книжки. И не забываем — мощность, выделяемая в виде тепла на обоих транзисторах = Iпокоя*Еп.

Если мы прошли все эти этапы, а в шкафу завалялся низкочастотный генератор с размахом выходного напряжения +-1,5В,
подключаем его на вход нашего усилителя, на выход сажаем эквивалент нагрузки и умилённо наблюдаем
на экране осциллографа — то чистую синусоиду, то мягкое и симметричное ограничение выходного сигнала, в зависимости от уровня поступающего
на вход сигнала.

Всё! Теперь со спокойной совестью можем выпить и закусить и даже вспомнить какой-нибудь тост из грузинского фольклора.


Вот такой мой сказ.

Оппонент: А темброблок для настоящего High End не нужен!

Автор: А это мы обсудим на следующей странице.

Схема УНЧ на полевых транзисторах



Схема УНЧ на полевых транзисторах



 

Симметричный УНЧ на полевых транзисторах IRF: 0jihad0 — LiveJournal

Промышленные модели неизменны многие десятилетия и при том бестолковы, хотя последнее время дело вроде пошло на поправку. Речь не о электролитах,  тороидальности трансформаторов и прочих дилетантских бреднях, есть определённые функциональные недостатки.

Во-первых это опасно высокое напряжение на выходе для наушников и полное отсутствие какой либо их защиты. Если случайно установить громкость выше допустимого они просто горят, проверено.

Во вторых,  регулятор громкости общий,  приходится перед включением или отключением акустики его крутить.

Сами наушники не отключаемы, и если у них хорошая чувствительность есть хороший шанс познакомиться в ночи с участковым полицаем, включённую акустику можно и не заметить.

Неоправданно высокая чувствительность около 100мв, при том что выходное напряжение стандартных компонентов 1 —  2В. Перегруз на 10 часов рег. громкости это просто замечательно, особенно когда горят наушники.

Нулевая ремонтопригодность при низкой надёжности. Если отходит кнопка, а в моём DENON PMA 700AE это началось через пару лет, легче продать и забыть как страшный сон.
Эти недостатки должны быть устранены.

В качестве основы УМ выбрана зеркально симметричная схема. Её преимущества: ноль на выходе без балансировки, отсутствие переходного процесса на выходе, что позволило отказаться от коммутации выхода. Как показала практика искажения почему-то  сильно зависят от качества контакта.
 Симметричный УНЧ на полевых транзисторах IRF
Других серьёзных преимуществ схема не имеет, хотя нередко используется в топовых моделях, но это скорее из-за красивой симметричности.

Цепочка c25r97 ограничивает ВЧ на входе. Устойчивость усилителя и стабилизация переходной характеристики достигается коррекцией конденсаторами с35 с43.

Полевые транзисторы применены исключительно из-за дешевизны. К гармоник с ними получется несколько меньше чем на биполярных из-за более высокого К передачи с разомкнутой ОС, но заметно растет с частотой, чего с человеческими транзисторами не наблюдается. Есть мнение, что с полевиками выходное напряжение меньше из-за большого напряжения исток-затвор, не подтвердилось, на биполярных при больших токах падение ещё больше.

На вч происходит перезаряд затворной ёмкости на пиках сигнала, но применение биполярного предоконечного повторителя ничего не даёт. Искажения снижаются резисторами в затворах, и конденсаторами в эмиттерных цепях УН, увеличивающих петлевое усиление на вч.

R123 замыкает петлю ОС без выходных транзисторов и нужен для пуско-наладочных целей.

Заметное снижение искажений дало отделение питания предоконечных каскадов при помощи диодов vd1vd2. Применение вместо них сопротивлений 100 ом бесполезно.

Основные технические характеристики:
Выходная мощность на 6 Ом при Кг не более 10%—————— 55 Вт
К гармоник при Uвых 5.5В, 1000Гц, 5 Ом, не более————— 0.03 %
Максимальное входное напряжение———————————1,8В
Выходное напряжение на 6 Ом———————————— 18.5 В

Шумы измерить невозможно, но они довольно малы, субъективно не хуже чем у лучших промышленных образцов. УМ практически бесшумен.

Помехи с частотой сети отлично компенсируются и чрезвычайно малы.

 Симметричный УНЧ на полевых транзисторах IRF

Достоверно измерить параметры говеным кодеком ALC662 не выходит, поэтому измерения производились с телефоном самсунг галакси в качестве источника, удивительно, но это дало  лучшие результаты, хотя на спектрограммах в основном его гармоники. Так или иначе нужно мерять на нормальной аппаратуре, что пока невозможно.
Предварительные результаты
http://0jihad0.livejournal.com/3344.html
ТТХ сняты при токе покоя 75мА. Увеличение тока покоя выше 200мА снижает искажения на порядок, но требует большого радиатора. Практического смысла не имеет.

Меандр 28 КГЦ, размах 15В. Предварительный с фильтром радиопидараса + УМ.
2017-01-28 10.33.45.jpg

Схема

 Симметричный УНЧ на полевых транзисторах IRF

Для защиты от радиопидараса US6IUP применён фильтр r8c3.

Предварительный усилитель на ОУ работает на высоких выходных напряжениях до 10В для получения минимальных искажений. Он же усилитель для наушников. Раздельные регуляторы громкости установлены на выходе. Регулятор для наушников группы А, других и нет. Громкость группы В. 50к тоже потому, что других нет. Резистивный делитель на входе УМ сильно снижает шорохи регулятора, замыкает вход для получения минимальных шумов, и позволяет отказаться от экранированных кабелей.

УНЧ на полевых транзисторах
С выходов УМ и УП сигнал поступает на узел защиты от постоянного напряжения и перегрузки. Развязывающие сопротивления должны быть разными, на случай пробоя противоположных плеч, но тогда тоже не было, а сейчас лень.  Порог по переменному напряжению определяется постоянной времени r87c24 а по постоянному Ку оу da7 и не превышает 0.5В. Логика реализована на vt25vt26. Последний нормально открыт, реле к1 включено.Отрицательное напряжение с оу закрывает vt26, а положительное открывает vt25, который закрывает vt26, реле обесточивается, усилитель отключается от сети. Включение невозможно до разряда с24.

Триггерная защита от любых токовых перегрузок реализована на vt10.11.21.22.Так как скорость работы такой защиты очевидно не велика, она изначально предполагалась только по положительному полупериоду, но показала высокую эффективность, неоднократно спасая последние пары транзисторов, после чего была дополнена тем что было под рукой.

Все реле питаются от отдельного выпрямителя, нагруженного r75 для быстрого разряда ёмкости при отключении.

Коммутатор выполнен на  триггере dd1, и в дежурном режиме должен питаться от литиевой батарейки, но оказалось что заряда танталового с29 достаточно, чтобы поддерживать уровни втечение суток, батарея не используется. Для исключения потребления тока в дежурном режиме ключи выполнены на полевых транзисторах.
УНЧ на полевых транзисторах

Конструктивно усилитель выполнен ввиде моноблока в стандартном польском корпусе.  Доступ к любой детали возможен без распайки. Малогабаритные радиаторы вынесены наружу, что в несколько раз уменьшает необходимую площадь, хотя, конечно, маловаты, максимальный разогрев 65град. Радиаторы соединены с корпусом через r99, таким образом реализуется «вонючая сигнализация» при замыкании транзистора на радиатор.

Катушки выполнены соединительным кабелем на оправках 5мм по 15 витков.

Витые трансы ТП и ТС всем хороши, кроме того что они гудят, из-за чего использовать их в более-менее приличной технике нельзя. Но если нет выбора то можно. Побороть гул удалось установкой на «амортизаторы» из какой-то вспененной резины из советских запасов, может полиуретана, толщиной 20мм. Современного аналога не встречал, ближе всего белая теплоизоляция от трубок кондиционеров, но она тоже сминается, а значит не годится.

платы:
http://edisk.ukr.net/get/373609927/%D0%B1%D0%BF.lay6
http://edisk.ukr.net/get/373609932/%D1%83%D1%81%D0%B8%D0%BB.lay6
схема:
http://edisk.ukr.net/get/374508122/%D1%83%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C.spl7

УНЧ на полевых транзисторах

Полевой транзистор с переходным соединением

»Примечания по электронике

Полевой транзистор JFET представляет собой активный электронный компонент, который является одной из рабочих лошадок электронной промышленности, обеспечивая хороший баланс между стоимостью и производительностью.


Полевой транзистор, полевой транзистор, руководство включает:
Основы полевого транзистора
Характеристики полевого транзистора
JFET
МОП-транзистор
МОП-транзистор с двойным затвором
Силовой MOSFET
MESFET / GaAs полевой транзистор
HEMT & PHEMT
Технология FinFET


Переходный полевой транзистор или JFET широко используется в электронных схемах.Полевой транзистор с переходным эффектом — это надежный и полезный электронный компонент, который можно очень легко использовать в различных электронных схемах, от усилителей JFET до переключающих схем JFET.

Полевой транзистор с переходным эффектом находится в свободном доступе, а полевые транзисторы JFET можно купить за очень небольшие деньги. Это делает их идеальными для использования во многих схемах, где требуется хороший баланс между стоимостью и производительностью.

Полевые транзисторы

доступны в течение многих лет, и хотя они не обеспечивают чрезвычайно высокие уровни входного сопротивления постоянному току, как у полевых МОП-транзисторов, они, тем не менее, очень надежны, прочны и просты в использовании.Это делает эти электронные компоненты идеальным выбором для многих конструкций электронных схем. Также доступны компоненты как с выводами, так и с устройствами для поверхностного монтажа.

Основы JFET

В основном полевой транзистор или полевой транзистор состоит из секции кремния, проводимость которой регулируется электрическим полем. Часть кремния, через которую протекает ток, называется каналом и состоит из кремния одного типа, N-типа или P-типа.

N and P channel junction FET, JFET circuit symbol Соединительный полевой транзистор, символ схемы JFET

Соединения на обоих концах устройства известны как исток и сток.Электрическое поле для управления током прикладывается к третьему электроду, известному как затвор.

Поскольку только электрическое поле управляет током, протекающим в канале, говорят, что устройство работает от напряжения и имеет высокое входное сопротивление, обычно много МОм. Это может быть явным преимуществом перед биполярным транзистором, работающим от тока и имеющим гораздо более низкий входной импеданс.

Работа JFET

Junction FET — это устройство, управляемое напряжением.Другими словами, напряжения, появляющиеся на затворе, контролируют работу устройства.

Устройства с N-каналом и P-каналом работают одинаково, хотя носители заряда инвертированы, то есть электроны в одном и дырки в другом. Случай для N-канального устройства будет описан, так как это наиболее часто используемый тип.

 JFET, Junction FET working below saturation Junction FET, JFET работает ниже насыщения

Толщина этого слоя изменяется в соответствии с величиной обратного смещения на переходе.Другими словами, при небольшом обратном смещении обедненный слой проходит только немного в канал и остается большая площадь для проведения тока.

Когда на затвор прикладывается большое отрицательное смещение, слой обеднения увеличивается, распространяясь дальше в канал, уменьшая площадь, по которой может проходить ток.

При увеличении смещения слой истощения в конечном итоге будет увеличиваться до такой степени, что он простирается прямо через канал, и канал считается отсеченным.

Когда в канале протекает ток, ситуация несколько меняется. При отсутствии напряжения на затворе в канале электроны (при условии, что это канал n-типа) будут привлечены положительным потенциалом стока и будут течь к нему, позволяя току течь внутри устройства и, следовательно, во внешней цепи.

Величина тока зависит от ряда факторов и включает площадь поперечного сечения канала, его длину и проводимость (т.е.е. количество свободных электронов в материале) и приложенное напряжение.

Из этого видно, что канал действует как резистор, и по его длине будет падение напряжения. В результате это означает, что p-n-переход становится все более обратным смещением по мере приближения к стоку. Следовательно, слой истощения становится толще ближе к сливу, как показано.

По мере увеличения обратного смещения затвора достигается точка, в которой канал почти перекрывается обедняющим слоем.Однако полностью канал никогда не закрывается. Причина этого в том, что электростатические силы между электронами заставляют их распространяться, давая обратный эффект увеличению толщины обедненного слоя.

После определенного момента поле вокруг электронов, текущих в канале, успешно противодействует дальнейшему увеличению обедненного слоя. Напряжение, при котором слой обеднения достигает своего максимума, называется напряжением отсечки.

Приложения для схемы JFET

Полевые транзисторы

— очень полезные электронные компоненты, поэтому они используются во многих конструкциях электронных схем.Они предлагают ряд явных преимуществ, которые можно использовать во многих схемах.

  • Простое смещение
  • Высокое входное сопротивление
  • Низкий уровень шума

Учитывая их характеристики, полевые транзисторы JFET используются во многих схемах, от усилителей до генераторов, от логических переключателей до фильтров и многих других приложений.

Структура и изготовление JFET

JFET могут быть как N-канальными, так и P-канальными устройствами. Их можно сделать очень похожими способами, за исключением того, что области N и P в приведенной ниже структуре поменяны местами.

Часто устройства изготавливаются на более крупной подложке, а сам полевой транзистор изготавливается, как показано на схеме ниже.

Typical JFET, Junction FET, structure Типичная структура полевого транзистора

Существует несколько способов изготовления полевых транзисторов. Для кремниевых устройств сильно легированная подложка обычно действует как второй затвор.

Затем активная область n-типа может быть выращена с использованием эпитаксии, или она может быть сформирована путем диффузии примесей в подложку или ионной имплантацией.

Если используется арсенид галлия, подложка образована полуизолирующим внутренним слоем.Это снижает уровни любых паразитных емкостей и позволяет получить хорошие высокочастотные характеристики.

Какой бы материал ни использовался для полевого транзистора, расстояние между стоком и истоком имеет важное значение и должно быть сведено к минимуму. Это сокращает время прохождения, когда требуются высокочастотные характеристики, и обеспечивает низкое сопротивление, что жизненно важно, когда устройство должно использоваться для питания или коммутации.

Ввиду их популярности, JFET доступны в различных пакетах.Они широко доступны в виде свинцовых электронных компонентов в популярном пластиковом корпусе TO92, а также в ряде других. Затем, как устройства для поверхностного монтажа, они доступны в пакетах, включая SOT-23 и SOT-223. Вероятно, наиболее широко используются JFET в качестве устройств для поверхностного монтажа. Наиболее крупномасштабное производство осуществляется с использованием технологии поверхностного монтажа и сопутствующих устройств для поверхностного монтажа.

Хотя JFET менее популярен, чем MOSFET и имеет меньшее количество JFET, он все же остается очень полезным компонентом.Предлагая высокий входной импеданс, простое смещение, низкий уровень шума и низкую стоимость, он обеспечивает высокий уровень производительности, который можно использовать во многих ситуациях.

Другие электронные компоненты:
Резисторы
Конденсаторы
Индукторы
Кристаллы кварца
Диоды
транзистор
Фототранзистор
FET
Типы памяти
тиристор
Соединители
Разъемы RF
Клапаны / трубки
батареи
Выключатели
Реле

Вернуться в меню «Компоненты»., ,

.

Полевые транзисторы для обнаружения газов

1. Введение

Важность и потребность в обнаружении газов, паров и летучих органических соединений (ЛОС) возрастает в таких областях, как диагностика [1–4], мониторинг окружающей среды в промышленности. , сельское хозяйство, безопасность дома и т.д. [4, 5]. Были исследованы и разработаны различные типы газовых сенсоров и сенсорных матриц [6–8], в том числе сенсоры на основе полевых транзисторов (FET). После отчета о новаторской работе над полевыми транзисторами с каталитическим затвором исследования газовых датчиков на основе полевых транзисторов были распространены на различные типы газочувствительных полевых транзисторов.В этой главе представлены полевые транзисторы с каталитическим затвором, полевые транзисторы с подвесным затвором (SGFET) и полевые транзисторы на основе твердого электролита. Газочувствительные полевые транзисторы на основе наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки (CNT), нанопроволоки (NW), графен и халькогениды переходных металлов, также были исследованы, поскольку высокое отношение поверхности к объему наноматериалов является привлекательным для улучшения свойств сенсора [5, 9]. Также рассматриваются полевые транзисторы на основе наноматериалов.

Для распознавания газообразных и летучих аналитов по результатам зондирования использовались два основных метода [3].Традиционный метод распознавания использует селективные сенсоры со специфическими рецепторами, предназначенными для селективного взаимодействия с целевыми аналитами [3, 6]. Другой метод распознавания использует комбинацию массивов перекрестно-реактивных датчиков и методов распознавания образов [3, 6–8, 10]. Эти матрицы перекрестно-реактивных сенсоров состоят из газовых сенсоров, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют разную чувствительность. На сегодняшний день в массивах датчиков применяются различные газовые сенсоры [6, 8], включая газочувствительные полевые транзисторы.В этой главе дается краткий обзор исследований комбинации массивов датчиков на основе полевых транзисторов и методов распознавания образов.

2. Газочувствительные полевые транзисторы и полевые устройства в сочетании с каталитическими металлическими затворами

Полевые транзисторы с каталитическими затворами являются одним из типов газочувствительных полевых транзисторов. В 1975 году Lundström et al. впервые сообщил о полевом транзисторе с Pd-затвором, чувствительным к водороду [11, 12]. Новаторские исследования полевых транзисторов с каталитическим затвором открыли сферу применения газовых сенсоров на основе полевых транзисторов и других газочувствительных полевых устройств, таких как конденсаторные [13–17] и диодные датчики Шоттки [18, 19].Устройства с полевым эффектом с каталитическим затвором имеют наноразмерный слой каталитических металлов, таких как палладий и платина, в качестве электрода затвора на изолирующих слоях в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) [20]. На рисунке 1 показаны схематические изображения этой структуры и порогового сдвига напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду [21]. В первых сообщениях о полевых транзисторах с каталитическим затвором, Pd в качестве электрода каталитического затвора был нанесен на изолирующий слой МДП-структуры полевого транзистора [11, 12, 21].На рис. 2 показаны изменения порогового напряжения [11] при введении водорода в полевые транзисторы с Pd-затвором. Газочувствительные механизмы полевых транзисторов с каталитическим затвором и полевых устройств с каталитическим затвором описаны в более ранних обзорах [20, 21].

Рис. 1.

Схематическое изображение (а) структуры и (б) сдвига порогового напряжения полевого транзистора с Pd-затвором, чувствительного к водороду. Печатается с разрешения Ref. [21]. Copyright 1993 Elsevier.

Рис. 2.

Изменение порогового напряжения в сторону h3 при различных концентрациях при 150 ° C.Печатается с разрешения Ref. [11]. Авторское право 1975 г. Американский институт физики.

Пористые металлические затворы в полевых устройствах с каталитическими затворами позволили добиться значительного прогресса в обнаружении NH 3 [20, 22]. На рис. 3 представлены результаты наблюдений просвечивающим электронным микроскопом слоев Pt толщиной 3 и 7 нм, напыленных на SiO 2 . Эти тонкие слои Pt состоят из прерывистых металлов [22]. Выбор каталитических материалов, структура каталитического слоя и рабочая температура влияют на чувствительность и селективность полевых устройств с каталитическими затворами [14, 15, 20].Кроме того, тип изоляционных материалов, используемых в структуре МДП, также влияет на чувствительные свойства газочувствительных полевых устройств [16].

Рис. 3.

Электронные микрофотографии в просвечивающем свете пористых металлических слоев Pt на SiO2 толщиной 3 и 7 нм. Печатается с разрешения Ref. [22]. Авторские права 1987 Elsevier.

Для работы при высоких температурах были исследованы полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC). SiC — это широкозонный полупроводник, который может использоваться в качестве подложки для МДП-структуры вместо обычной подложки Si [17].SiC может использоваться при высоких температурах и суровых условиях окружающей среды из-за его химической инертности [23–25]. Полевые транзисторы на основе SiC применялись для обнаружения CO [23], NH 3 [23, 24], NO 2 [24] и SO 2 [25]. Как и в случае обычных полевых транзисторов с каталитическим затвором, использующих кремниевую подложку, материал каталитического затвора, используемый в полевых транзисторах на основе SiC, влияет на чувствительность и селективность датчика [25].

Устройства с каталитическим затвором, состоящие из транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), также были исследованы для работы при высоких температурах.Например, гетероструктуры GaN / AlGaN, которые демонстрируют двумерный электронный газ (2DEG), индуцированный спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией на границе раздела гетероструктуры, были применены к HEMT с каталитическим затвором в качестве датчика газа [26]. В этом отчете HEMT на основе GaN / AlGaN в сочетании с Pt электродом затвора работал при температуре около 400 ° C для обнаружения H 2 , CO, C 2 , H 2 и NO 2 .

3. Полевые транзисторы на основе твердых электролитов

Твердые электролиты также могут применяться в датчиках на основе полевых транзисторов.Например, сообщалось о кислородном датчике на основе полевого транзистора, в котором в качестве твердого электролита используется оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ) (рис. 4) [27]. В этом датчике пленка YSZ была сформирована на изолирующем слое, состоящем из Si 3 N 4 и SiO 2 . Кроме того, наноразмерный слой Pt был нанесен на пленку YSZ в качестве электрода затвора. На рис. 5 показаны отклики этого сенсора на кислород и азот (1 атм) [27]. При комнатной температуре наблюдались повторяющаяся ступенчатая кривая отклика и последующий дрейф.Отклик датчика показал линейную зависимость от парциального давления кислорода в логарифмическом диапазоне от 0,01 до 1 атм. Чувствительность сенсора к кислороду увеличивалась с уменьшением толщины слоя Pt.

Рисунок 4.

Схематическое изображение полевого транзистора на основе YSZ. Полевой транзистор на основе YSZ является устройством с n-канальным типом и режимом истощения. Наноразмерный слой Pt формируется на слое YSZ. Печатается с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Рис. 5.

Отклик полевого транзистора на основе YSZ при 20 ° C на O2 и N2. Печатается с разрешения Ref. [27]. Copyright 1988 Американский институт физики.

Чтобы исследовать структуру полевого транзистора на основе YSZ для использования в качестве датчика кислорода, были изучены кристаллическая структура и электрические свойства пленки YSZ, нанесенной на слой Si 3 N 4 посредством высокочастотного распыления [28]. На кривой зависимости емкости от напряжения наблюдался гистерезис, который, как полагали, был вызван движением ионов кислорода и / или электронов в пленке YSZ.Это привело к нестабильному отклику при комнатной температуре, как упоминалось выше. Следовательно, для повышения стабильности и ускорения отклика кислородного датчика при комнатной температуре полевой транзистор на основе твердого электролита должен включать электролит с высоким коэффициентом диффузии ионов кислорода [28].

4. Полевые транзисторы с подвесным затвором

В 1983 году Janata et al. сообщили о SGFET, чувствительном к диполярным молекулам, таким как метанол и хлористый метилен [29]. В SGFET, показанном на рисунке 6, образцы жидкости могут проникать в зазор между изоляционным слоем и подвешенной металлической сеткой.Электрохимическая модификация поверхности с использованием полипирролов была использована для повышения селективности SGFET [30]. В этом отчете описывается изготовление SGFET с дифференциальной селективностью путем химической модификации с полимерным покрытием.

Рис. 6.

Схематическое изображение полевого транзистора с подвесным затвором. Печатается с разрешения Ref. [29]. Авторские права 1983 Американский институт физики.

Улучшение производственных процессов — важная тема исследований SGFET.Сообщалось о гибридных SGFET, изготовленных с использованием усовершенствованного процесса и с различными материалами в чувствительном слое [31]. В процессе изготовления гибридных SGFET кристалл затвора и корпуса подготавливается отдельно, а затем объединяется. Этот производственный метод имеет преимущества по сравнению с обычными методами, поскольку он позволяет включать в конструкцию широкий спектр чувствительных материалов. Метод перевернутого чипа также применялся для подготовки SGFET для определения аммиака [32]. В этом отчете слой полиакриловой кислоты был сформирован на конструкции затвора путем распыления.

Воздушный зазор в структуре затвора SGFET вызывает нежелательные эффекты на стабильность считывания из-за отсутствия пассивации, малого отношения W / L и низкой емкости затвора [33]. Чтобы преодолеть эти недостатки, исследования SGFET были расширены на полевые транзисторы с емкостным управлением (CCFET) [33] и GasFET с плавающим затвором (FGFET) [34]. CCFET содержат структуру FET и газочувствительный конденсатор с воздушным зазором. FGFET — это модификация CCFET, в которой используется плавающий затвор для повышения стабильности сигнала [34].Сообщалось о FGFET с гибридным газочувствительным верхним электродом (рис. 7a) [34]. В этой структуре газочувствительный конденсатор и считывающий транзистор были объединены в одну микросхему. На рисунке 7b показана эквивалентная принципиальная схема FGFET. Затвор и пластина электрически плавающие, поскольку они изолированы слоем SiO 2 . Этот FGFET использовался для определения H 2 (500 частей на миллион).

Рис. 7.

(a) схематическая иллюстрация и (b) эквивалентная принципиальная схема заявленного FGFET.Печатается с разрешения Ref. [34]. Авторское право 2003 Elsevier.

Для расширения диапазона чувствительности можно комбинировать различные датчики на основе полевых транзисторов. Например, SGFET, реагирующий на высокие концентрации H 2 , и полевой транзистор с каталитическим затвором с хорошей чувствительностью для низких концентраций H 2 были объединены в одном чипе для увеличения диапазона чувствительности [35].

5. Полевые транзисторы на основе наноматериалов

Газовые сенсоры на основе полевых транзисторов были расширены до сенсоров, содержащих наноматериалы.Полевые транзисторы на основе наноматериалов имеют большое отношение поверхности к объему, что способствует высокой чувствительности и быстрому времени отклика и восстановления [3]. Наноматериалы допускают высокую плотность упаковки из-за их внутренних малых размеров [5]. В этом разделе содержится краткий обзор газовых сенсоров на основе полевых транзисторов, в которых используются наноматериалы, такие как УНТ, ННК, графен и халькогениды переходных металлов.

5.1. Полевые транзисторы на основе УНТ

О создании полевых транзисторов на основе УНТ впервые было сообщено в 1998 году [36, 37]. Типичный полевой транзистор на основе УНТ состоит из УНТ, электродов истока и стока, изолирующего слоя и подложки в качестве заднего затвора [38].Как отдельные УНТ, так и случайные сети УНТ могут использоваться для подготовки полевых транзисторов на основе УНТ. В 2000 г. сообщалось о химических эффектах стробирования отдельных однослойных полевых транзисторов на основе УНТ, вызванных воздействием газообразного NH 3 или NO 2 [39]. На сегодняшний день полевые транзисторы на основе УНТ применялись для обнаружения H 2 [40], CH 4 [40], CO [40], CO 2 [41], NO 2 [40], NH 3 [40], H 2 S [40], спирты [42] и образцы дыхания [43].

Чтобы улучшить чувствительность и селективность полевых транзисторов на основе УНТ, они были модифицированы наноразмерными каталитическими материалами, такими как Pd [40, 44], Pt [40, 44], Rh [40], Au [40, 44], и Ag [44].Кроме того, сообщалось о модификациях полимерами [41], пептидами [44], белками обонятельных рецепторов [45] и ДНК [46, 47].

5.2. Полевые транзисторы на базе NW

5.2.1. Газочувствительные полевые транзисторы с использованием Si NW

В качестве газочувствительного полевого транзистора с использованием одномерных наноматериалов в 2006 году было сообщено о применении полевого транзистора на основе Si NW для обнаружения NH 3 [48]. После этого был подготовлен датчик на основе полевого транзистора, состоящий из высокоупорядоченного массива Si ННК на изгибаемой пластиковой подложке, который был использован для измерения NO 2 на уровнях частей на миллиард [49].Кроме того, датчики на основе Si NW были применены для определения H 2 [50].

Несмотря на потенциал полевых транзисторов на основе Si NW для измерения газа, чувствительность полевых транзисторов на основе Si NW без покрытия к неполярным летучим аналитам ограничена [51]. Чтобы преодолеть это, естественный слой SiO 2 на поверхности Si ННК был химически модифицирован монослоями силана [51]. Модифицированные силановым монослоем полевые транзисторы на основе Si NW использовались для определения неполярных ЛОС [51] и образцов выдыхаемого воздуха [52].Модификация наночастицами [50] также использовалась для улучшения отклика полевых транзисторов на основе Si наноматериалов на целевые аналиты. Кроме того, сообщалось о полевом транзисторе на основе наноленты Si, функционализированном органическим соединением, которое реагирует на нервно-паралитические агенты на уровнях ниже ppm [53].

5.2.2. Газочувствительные полевые транзисторы с ННК из оксидов металлов или сложных полупроводниковых ННК

ННК из оксидов металлов, таких как In 2 O 3 [54, 55], SnO 2 [56–58] и α-Fe 2 O 3 [59] также применялись в датчиках газа на основе полевых транзисторов.Например, полевой транзистор на базе NW In 2 O 3 использовался для обнаружения NO 2 и NH 3 [54].

Модификация поверхности ННК наночастицами была использована для повышения чувствительности и селективности полевых транзисторов на основе ННК на основе газочувствительных оксидов металлов. На сегодняшний день наночастицы Pd [56, 58], Pt [55], Ag [55], Au [55], ZnO [57] и NiO [57] были использованы для улучшения свойств полевых транзисторов на основе оксидов металлов. для обнаружения газа. Например, Московис и др. сообщили о модификации полевых транзисторов на основе SnO 2 NW с наночастицами Pd и применении этого устройства для определения H 2 [58].В этой работе сообщалось о необычной чувствительности к H 2 в области истощения заряда устройства [58]. Это устройство использовалось для определения диапазона концентраций H 2 от 10 до 2500 ppm [58].

Составные полупроводниковые ННК также применялись в датчиках на основе полевых транзисторов [60, 61]. Гао с соавторами применили ННК InAs, который является полупроводником AIIIBV, для изготовления газочувствительного полевого транзистора [60]. Этот датчик на основе полевого транзистора был чувствителен к нескольким газам и парам спирта [60].

5.3. Полевые транзисторы на основе 2D-наноматериалов

Из-за их высокого отношения поверхности к объему во взаимодействиях на молекулярном уровне, двумерные наноматериалы являются привлекательными для использования в сенсорах на основе полевых транзисторов [5, 62]. Были изучены применения 2D-наноматериалов, таких как графен и халькогениды переходных металлов, в газовых сенсорах FET-типа.

С тех пор, как впервые было сообщено о потенциале сенсоров на основе графена для обнаружения газа [63], в других исследованиях исследовалось обнаружение газа с использованием полевых транзисторов на основе графена [62, 64].Зарегистрированный полевой транзистор на основе графена показан на рисунке 8 [64]. На рисунке 8а показано изображение полевого транзистора на основе графена, полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Принципиальная схема полевого транзистора с задним затвором показана на рисунке 8b [64]. В структуре полевой транзистор состоит из образца графена, соединенного с электродами истока и стока из Au / Cr, изолирующим слоем SiO 2 и подложкой p-Si в качестве заднего затвора. В этом отчете датчик использовался для определения паров NH 3 [64].

Рисунок 8.

(а) изображение АСМ и (б) схематическая иллюстрация полевого транзистора на основе графена. Печатается с разрешения Ref. [64]. Авторское право 2009 г., Американское химическое общество.

В качестве двумерных наноматериалов халькогениды переходных металлов MoS 2 [65], MoTe 2 [66] и WS 2 [67] также применялись в газовых сенсорах на основе полевых транзисторов. На рисунке 9a схематически показан полевой транзистор с задним затвором на основе MoS 2 [5]. На рисунке 9b показано оптическое изображение полевых транзисторов на основе MoS 2 .В этом полевом транзисторе листы MoS 2 были выращены на подложке SiO 2 / Si с Ti / Au в качестве электродов истока и стока. Этот датчик реагировал на 20 частей на миллиард NO 2 и 1 частей на миллион NH 3 [5].

Рис. 9.

(a) схематическая иллюстрация и (b) оптическое изображение полевого транзистора на основе нанопроволоки MoS2 с обратным затвором. Печатается с разрешения Ref. [5]. Авторское право, 2014 г., Американское химическое общество.

6. Комбинация газовых сенсоров и методов распознавания образов

Согласно более раннему обзору [6], рецепторы в обонятельных системах млекопитающих не проявляют высокоселективных ответов против определенных аналитов.Методы распознавания образов считаются доминирующим режимом, используемым при обработке сигналов от широких ответов обонятельной системы млекопитающих [6].

Матрицы перекрестно-реактивных химических сенсоров в сочетании с методами распознавания образов, имитирующими обонятельные системы млекопитающих, были изучены в качестве сенсорной системы, альтернативной традиционным сенсорным устройствам, которые используют конструкцию «замок и ключ» [6]. В интеллектуальных массивах датчиков, использующих методы распознавания образов, сложные образцы, генерируемые неспецифическими датчиками перекрестной реакции, анализируются для классификации и идентификации аналитов [3, 6–8].Матрицы перекрестно-реактивных сенсоров построены с использованием сенсоров, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность [3, 6]. Обычные полупроводниковые процессы могут быть применены для миниатюризации датчиков на основе полевых транзисторов для изготовления матриц перекрестно-реактивных датчиков.

Перед анализом данных сложные сигналы, полученные от массивов датчиков, могут быть предварительно обработаны и нормализованы для применения соответствующих вычислительных методов [7, 8, 10]. После предварительной обработки и извлечения признаков выполняется выбранный метод.В настоящее время нет общего правила выбора вычислительных методов. Следовательно, вычислительные методы должны быть надлежащим образом выбраны в зависимости от характера данных и конкретной ситуации [7].

Различные типы матриц газовых датчиков использовались с методами распознавания образов [6–8], включая матрицы газовых датчиков на основе полевых транзисторов. Например, Lundström et al. сообщили о комбинации матриц газовых сенсоров на основе полевых транзисторов с каталитическими затворами и методами распознавания образов [68, 69]. Сигналы от массивов датчиков на основе полевых транзисторов обрабатывались с использованием стандартной регрессии методом частичных наименьших квадратов и искусственной нейронной сети для прогнозирования концентраций отдельных газов [69].Молекулярно модифицированные сенсоры на основе Si NW на полевых транзисторах также были объединены с искусственной нейронной сетью для распознавания ЛОС и оценки их концентраций [70].

7. Обзор и перспективы

Для введения газочувствительных полевых транзисторов в этой главе дается широкий обзор полевых транзисторов с каталитическим затвором, полевых транзисторов на основе твердого электролита, полевых транзисторов с подвесным затвором и полевых транзисторов на основе наноматериалов. Массивы этих датчиков можно комбинировать с вычислительными методами распознавания образов. Как уже было сказано, сочетание массивов датчиков перекрестно-реактивного газа с методами распознавания образов является многообещающим методом распознавания аналитов в газовой фазе.Матрицы перекрестно-реактивных датчиков должны содержать датчики, которые реагируют на широкий спектр аналитов и имеют дифференциальную чувствительность. Обычные полупроводниковые процессы могут быть использованы для миниатюризации датчиков на основе полевых транзисторов. Датчики на основе полевых транзисторов могут иметь преимущества перед другими датчиками, используемыми для миниатюризации устройств решеток датчиков с перекрестной реакцией.

Благодарности

Эта работа была поддержана программой ImPACT Совета по науке, технологиям и инновациям.

.

Полевые транзисторы (современные)

дюйм
1945 г. у Шокли появилась идея сделать твердотельное устройство.
полупроводников. Он рассудил, что сильное электрическое поле
может вызвать прохождение электричества в соседнем полупроводнике.
Он попытался построить один, затем Уолтер Браттейн попытался
построить его, но это не сработало.

Три года спустя Браттейн и Бардин построили
первый рабочий транзистор, германиевый точечный транзистор,
который выпускался как серия «А».Шокли тогда
разработан переходной (сэндвич) транзистор, который был изготовлен
в течение нескольких лет после этого. Но в 1960 году ученый из Белла Джон
Аталла разработал новую конструкцию, основанную на оригинальных теориях Шокли о полевом эффекте. К концу 1960-х производители перешли из
интегральные схемы переходного типа к полевым устройствам. Cегодня,
большинство транзисторов являются полевыми транзисторами. Вы используете миллионы
из них сейчас.

МОП-полевые транзисторы

Большинство современных транзисторов — это «МОП-полевые транзисторы»,
или металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы. Они были
разработан в основном Bell Labs, Fairchild Semiconductor и сотнями
Кремниевой долины, японских и других производителей электроники.

Полевые транзисторы названы так потому, что
слабый электрический сигнал, проходящий через один электрод, создает
электрическое поле через остальную часть транзистора.
Это поле меняется с положительного на отрицательное, когда входящий сигнал
делает и управляет вторым током, проходящим через остальные
транзистора. Поле модулирует второй ток, чтобы имитировать
первый — но он может быть существенно больше.

Как это работает

На дне транзистора расположена П-образная секция.
(хотя он более плоский, чем истинная буква «U») полупроводника N-типа
с избытком электронов.В центре буквы U находится
секция, известная как «база», сделанная из P-типа (положительно заряженная)
полупроводник со слишком малым количеством электронов. (Собственно, N- и P-типы
можно перевернуть, и устройство будет работать точно так же,
за исключением того, что дырки, а не электроны, вызывают ток.)

Три электрода прикреплены к верхней части этого
полупроводниковый кристалл: один к средней положительной секции и
по одному в каждое плечо U.Подавая напряжение на электроды
на U ток будет течь через него. Сторона, где электроны
входящий известен как источник, и сторона, где электроны
выходит называется сток.

Если больше ничего не произойдет, ток будет течь от
с одной стороны на другую. Из-за того, как электроны ведут себя при
переход между полупроводниками N- и P-типа, однако
ток не будет течь особенно близко к базе.Он путешествует
только через тонкий канал посередине U.

К основанию прикреплен электрод,
клин из полупроводника P-типа посередине, отделенный от
остальная часть транзистора тонким слоем оксида металла, например
в виде диоксида кремния (играющего роль изолятора).
Этот электрод называется «затвор». Слабый электрический
сигнал, который мы хотим усилить, проходит через гейт.Если
заряд, проходящий через ворота, отрицательный, он добавляет больше электронов
к базе. Поскольку электроны отталкиваются друг от друга, электроны
в U отойдите как можно дальше от базы. Это создает
зона обеднения вокруг основания — целая область, где электроны
не может путешествовать. Канал посередине U через
который может течь, становится еще тоньше. Добавьте достаточно
отрицательный заряд к базе и канал полностью перещипнется,
остановка всего тока.Это как наступить на садовый шланг
чтобы остановить поток воды. (Раньше транзисторы управлялись
эту зону истощения, используя то, как движутся электроны, когда два
полупроводниковые пластины кладут рядом друг с другом, создавая то, что
известен как соединение P-N.
В MOS-FET переход P-N заменен оксидом металла, который
оказалось, что массовое производство микрочипов проще.)

А теперь представьте, если заряд проходит через ворота
положительный.Положительное основание притягивает много электронов —
внезапно территория вокруг базы, которая раньше была нейтральной зоной
открывается. Канал для тока через U становится
больше, чем было изначально, и может течь гораздо больше электричества
через.

Переменный заряд на базе, следовательно, меняется
сколько тока проходит через U. Входящий ток может
использоваться как кран для включения или выключения тока по мере его прохождения
остальной транзистор.

С другой стороны, транзистор можно использовать в
и более сложным способом — в качестве усилителя. Текущий
путешествие через U становится больше или меньше в идеальной синхронизации
с зарядом, входящим в базу, что означает, что он имеет идентичный
шаблон как исходный слабый сигнал. А со второй
ток подключен к другому источнику напряжения, это может быть
сделано, чтобы быть больше.Ток, проходящий через U-образный
идеальная копия оригинала, только в усилении. Транзистор
используется таким образом для стереоусиления в динамиках и микрофонах,
а также для усиления телефонных сигналов при их перемещении по
Мир.

Сноска на Шокли

Шокли наблюдал за ростом Кремниевой долины, но мог
не похоже, чтобы войти в Землю Обетованную, которую он представлял.Он никогда
удалось сделать полевые транзисторы, в то время как другие компании
спроектирован, вырос и процветал. Фред Зейтц назвал Шокли
Моисей из Кремниевой долины «.

Другие типы транзисторов:
— Точечный
Транзистор
— Переходный («Сэндвич»).
транзистор

Ресурсы:
Как все работает Дэвида Маколея
Научная энциклопедия Ван Ностранда
— The
Полевой транзистор
— Интервью, Уолтер Браун, 3 мая 1999 г.


Авторские права
1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики.нет
часть этого веб-сайта может воспроизводиться без письменного разрешения.
Все права защищены.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *