2008年3月3日 星期一

PROJECT 150

2001
緣起

自從兩年前製作了義大利人Andrea Ciuffoli的 POWER FOLLOWER 99c之後,對於單端MOSFET後級有著極大的興趣。原因是什麼呢?其一是,本來就喜歡單端的聲音;其二,用一顆電晶體就可以達到20-30瓦的輸出,實在比起真空管有更大的功率。

但 是其中也在猶豫,因為照原來的線路,輸出及輸入都要加上一顆電容來阻絕直流,輸入也就罷了,倒可以不計成本的加上高品質的PP/PS/Teflon/銀箔 /銅箔電容,但是輸出的電容呢?因為喇叭的阻抗低,所以加上去的電容必須極大,如此也只有電解電容可以選擇。電解電容聲音差,眾所皆知,就算用Black Gate,也比不上PP電容,令人無奈及頭痛。

這思考的中間,也想過一些電路,與一些網友互通e-mail,最後,找到了一個出路......

感謝Captain, Paulus Shu, David Lin等人的寶貴建議,以及Nelson Pass氏開創了MOSFET單端的大道。

電路架構

兩 級單端MOSFET放大,第一級由中功率MOSFET負責電壓放大,第二級由大功率MOSFET做電壓隨耦的電流放大。訊號由訊源直接交連進第一級,放大 的訊號由汲極輸出反向訊號,將放大倍率定在約25倍。經過一顆交連電容進入第二級,電流從功率MOSFET的源極輸出到喇叭。其中第一級必須是雙電源供 應,正電壓(約60V)通過汲極電阻進入汲極;負電壓(約負5V)通過源極電阻進入源極。汲極電阻/源極電阻/MOSFET的順向互導決定了增益,公式 是:A = - (RL x gm) / [ 1 + (Rs x gm) ] ,同時源極電阻也擔負了決定晶體偏流的作用(在電源供應一節會提到)。我設定的汲極的對地電壓大約是30V,電流Id大約是30mA,當汲極電阻1K時, 假設放大倍率是25,輸入2V p-p(最大的可能),那汲極電阻上的壓降會從5V到55V,還不會過荷。第二級的Follower,架構與原來的Power Follower 99c一樣,用一顆IRFP150作為Follower,另一顆IRFP150作為電流源。不同的地方,在於改成雙電壓±25V供應,再加上DC- servo偵測控管直流,拔掉了原來的輸出電容。這一級的偏流目前暫時設定在3A,還要看晶體以及散熱器的輸出能力。偏流設定的方法,是利用一顆NPN晶 體的Vbe作為定電壓,B-E與一顆功率電阻並連,它所流過的電流就是Vbe/電阻值。這一顆NPN晶體,通過的電流由一顆LM334決定,所以當找不到 適合的電阻時,可以在NPN晶體的E極與負電源之間加上一顆電阻。並在這顆晶體及負電壓上的電容是與串在C極上的電阻形成RC濾波,以降低電源雜音。

DC-servo網路,加了一顆NPN晶體,當輸出直流電壓大於零時,OP輸出正電壓,使得NPN晶體E極電壓也上升,通過Re的電流增加,所以Rc的壓降也增加,使得C極的電壓下降,達成servo的目的。

再 來看一下頻率響應。中功率MOSFET假設選用IRF610,它的Cdg = 15pF,Cgs = 130pF,那麼Miller Capacitor應該是C = (1+A)*Cdg + Cgs = 520pF ,所以前一級的輸出阻抗與音量控制加在一起的阻抗不能太低,大約在7K以下還能忍受,所以裝在輸入端的VR我定在10K。大功率晶體選用IRFP150, 它的輸入電容約3300pF,所以IRF610的輸出阻抗必須小於1.1K,看來也沒問題。至少頻率響應應該在40KHz以上。至於低頻,主要看RC交連 的部份,若輸入阻抗設定在100K,交連電容是5.6uF,則3dB點在0.28Hz。而直流伺服的部份則可以設C一點。

進入實作

為此我做了兩聲道電路板,我想有興趣的人還是自己規劃,因為我做的這個板子沒有考慮到零件的規劃,以致於板子塞的亂七八糟。零件上的選擇,汲極電阻和源極電阻都用ERO 2W/0.5W的,閘極電阻用IRC 0.25W。其他偏壓用的電阻則是HOTECH以及Philips0.6W,偏流電阻則是使用兩顆R50/3W並聯.。交聯電容則是使用UCC電容,電解的用Philips 136。主動元件則是使用IRF510,IRFP150N/IRFP250,OPA627BP。並在電源旁邊的是跟苦主買的Acrotronics o.1uf/63V及OSCON,穩壓用LM317/LM237。

前級穩壓也是使用苦主的穩壓電源,主濾波用Kendeli 4700uF/100V,輸出電容是Hotech 220uF/100V並了兩個PP質電容。

















後級穩壓 則是使用自己規劃的Current Booster電源板,原理就是藉著電晶體Vbe電壓的恆定性,在電晶體的B極接上穩壓源,使得輸出電壓只要由穩壓源LM317/LM337鎖定就好,同時因為穩壓源的消耗電流小,可以加上一個RC濾波,使得漣波更低;而實際測試時這個穩壓表現也蠻優異的,在點亮500W燈泡時,只有5mV的漣波電壓而已。

























把所有東西組合起來先試試看.......,糟糕了,居然無法達成DC伺服的功能!輸出DC電壓居然高達2V,這真的很慘,難道就這樣完蛋了嗎?測試過程中看到輸出DC電壓似乎會 跟著調整供應電壓而改變,所以大膽假設是OP的信號擺伏不夠大,所以一不作二不休,把穩壓的LM317/237拆掉,供應電壓調整到+-23.5V,把庫 存的OPA604給用上去。結果完全無效......哇哈哈........立刻寫封E-mail向Paulus Shu求救,回答如下:

“當初並沒有考慮BJT飽合的問題 (Saturation Mode), 此時BJT已失去電流放大的功能, 自然無法將OP的訊號傳至IRFP150.
因為此BJT的射極約在3.6~4.5V, 改變的作法是限制BJT的輸入極在5V以下, 並施以分流電阻, 避免過多的電流竄入BJT, 以強制BJT工作於Operational mode. 請參考SE2, 多加了一只電阻, 由BJT基極下地. 圖上所示為3K, OP至BJT的電阻為10K. 此時可鎖定誤差電壓約為(-2.4~1.6V), 若改成5K, 則此時可鎖定誤差電壓約為(-3.2~2.4V). ”

嗯嗯,立刻加一顆下地電阻!成了!鎖定在正負100mV以內!大感謝!如此就能繼續往下走了。

這是模組的組合狀態,這個鋁箱是阿仁兄本來要裝A40用的,餽贈給小弟真是慷慨!感謝阿仁兄!









(ㄟ~~好像是個未成功的計畫......留在此處供人憑弔........2008.3.3)


沒有留言: