Niederfrequenztechnik

Entwicklungen und Prototypen:
schnelle oder rauscharm dimensionierte MOS-FET-PA im A-Betrieb
schnelle oder rauscharm dimensionierte MOS-FET-PA im AB-Betrieb mit 150 W rms
rauscharmer Vorverstärker


schnelle MOS-FET-PA

Leistungs-MOS-FETs leistungslos anzusteuern schöpft die Fähigkeiten eines MOS-FET bei Weitem nicht aus. Obere Grenzfrequenz und Einschaltzeiten werden im Wesentlichen durch die Art und Weise bestimmt, mit der die MOS-FETs getrieben werden. Hochfrequenzschaltungstechnik ist gefordert. Darum haben wir hier eine Schaltung entwickelt, die die Gate-Kapazitäten der MOS-FETs in der Endstufe mit großen Strömen laden und entladen kann. Die Treiberschaltung ist eine kombinierte Basis-Kollektorschaltung mit bipolaren Transistoren, eine Stromquelle, die schnell über 1/4 A liefern kann. Der grundlegende Unterschied zu üblichen MOS-FET-PAs ist also, dass diese Schaltung von Anfang an für die Übertragung von steilen Flanken/Spannungssprüngen und nicht für die Übertragung von harmonischen Signalen konstruiert wurde. Diese Schaltung befindet sich bei uns noch in der Entwicklung und wird komplett in Spice berechnet. Die Stabilitätsprobleme konnten durch zwei Gegenkopplungsstrompfade beseitigt werden. Schenken Sie einmal dem Gate-Strom-Diagramm Ihre Aufmerksamkeit. Die schnelle MOS-FET-PA muss für Rechteckbetrieb etwas höher kompensiert werden als hier angegeben und 10 Ohm Gate-Widerstände sind erforderlich um ein Ausschwingen des Gate Stromes zu vermeiden.

Diese Endstufe läßt sich auch auf maximalen Rauschabstand in einer High-End-Version dimensionieren.

Literaturverweise: Halbleiterschaltungstechnik - Tieze/Schenk, Analoge Schaltungen - Seifart, Elektronik - Müseler/Schneider, The Art of Electronics - Horowitz/Hill

Technische Daten mit Gate-Strom-Treiber:Technische Daten ohne Gate-Strom-Treiber:Technische Daten High-End-Version:

Class-A-Betrieb

Kleinsignal-Frequenzbereich: 4 Hz - 25 MHz

Großsignal-Frequenzbereich: 6.98 MHz

Slew-Rate: 770 V/us

Überschwingen: 3 %

Eingangswiderstand: 43 kOhm

Leerlaufspg./Kurzschlußstrom: 250 uOhm

elektronische Verstärkung: 11.4 dB

ueq,n = 46.8 nV/SQR(Hz) -> -111.92 dB/22 kHz/13.1 W

Klirrfaktor: < 0.110 % / 13 W, < 0.033 % / 1 W

Pa = 13/16.4/23.7 W RMS an 8/6/4 Ohm

Class-A-Betrieb

Kleinsignal-Frequenzbereich: 4 Hz - 7.3 MHz

Großsignal-Frequenzbereich: 2.58 MHz

Slew-Rate: 235 V/us

Überschwingen: 39 %

Eingangswiderstand: 43 kOhm

Leerlaufspg./Kurzschlußstrom: 246 uOhm

elektronische Verstärkung: 11.4 dB

ueq,n = 46.8 nV/SQR(Hz) -> -111.92 dB/22 kHz/13 W

Klirrfaktor: < 0.120 % / 13 W, < 0.042 % / 1 W

Pa = 13/16.4/23.7 W RMS an 8/6/4 Ohm

Class-A-Betrieb

Kleinsignal-Frequenzbereich: 4 Hz - 4.5 MHz

Großsignal-Frequenzbereich: 1.03 MHz

Slew-Rate: 66.2 V/us

Überschwingen: 3 %

Eingangswiderstand: 47.8 kOhm

Leerlaufspg./Kurzschlußstrom: 155 uOhm

elektronische Verstärkung: 11.54 dB

ueq,n = 16.5 nV/SQR(Hz) -> -120.9 dB/22 kHz/13 W

Klirrfaktor: < 0.0089 % / 13 W, < 0.0171 % / 1 W

Pa = 13/16.4/23.7 W RMS an 8/6/4 Ohm

Der Vergleich mit einer identischen Endstufe ohne Gate-Strom-Booster zeigt: Kleinsignalbandbreite, Großsignalbandbreite, Slew-Rate und Klirrfaktor sind etwa doppelt so gut, das Rauschverhalten ist identisch. Die hier betrachtete einfache Endstufe kann auch schon einiges an Gate-Strom liefern.

schnelle MOS-FET-PAeinfache MOS-FET-PA

Kleinsignal-Übertragungsfunktion:Kleinsignal-Übertragungsfunktion:

Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:

Einschwingverhalten:Einschwingverhalten:

Gate-Strom beider MOS-FETs bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:Gate-Strom beider MOS-FETs bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:

Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 13 Wrms Rechteckbetrieb:Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 13 Wrms Rechteckbetrieb:

Ausgangsspannung bei 13 Wrms Rechteckbetrieb (kompensiert):Ausgangsspannung bei 13 Wrms Rechteckbetrieb:

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High-End-MOS-FET-PA mit 150 W rms in Class AB-Betrieb

MOS-FET-PA im 150 W-AB-Betrieb mit Gate-Strom-Treibern für optimalen Rechteckbetrieb. Die Kompensation ist auf ein Überschwingen von 3 % eingestellt. Hier zwei Dimensionierungsversionen. Sie unterscheiden sich im Ruhestrom des Differenzverstärkers und der Kompensation.

Technische Daten schnelle Endstufe:Technische Daten High-End-Endstufe:

Class-AB-Betrieb

Kleinsignal-Frequenzbereich: 4 Hz - 4.2 MHz

Großsignal-Frequenzbereich: 3 MHz

Slew-Rate: 600 V/us

Überschwingen: 11 %

Eingangswiderstand: 48.1 kOhm

Leerlaufspg./Kurzschlußstrom: 46.44 uOhm

elektronische Verstärkung: 18.06 dB

ueq,n = 14.32 nV/SQR(Hz) -> -123 dB/22 kHz/150 W

Klirrfaktor: < 0.027 % / 150 W, 0.025 % / 1 W

Pa = 150/100/75 W RMS an 4/6/8 Ohm

Class-AB-Betrieb

Kleinsignal-Frequenzbereich: 4 Hz - 1.1 MHz

Großsignal-Frequenzbereich: 500 kHz

Slew-Rate: 188 V/us

Überschwingen: 3 %

Eingangswiderstand: 48.1 kOhm

Leerlaufspg./Kurzschlußstrom: 12.95 uOhm

elektronische Verstärkung: 18.06 dB

ueq,n = 10.42 nV/SQR(Hz) -> -129 dB/22 kHz/150 W

Klirrfaktor: < 0.033 % / 150 W, 0.0067 % / 1 W

Pa = 150/100/75 W RMS an 4/6/8 Ohm

schnelle MOS-FET-PAHigh-End-MOS-FET-PA

Kleinsignal-Übertragungsfunktion:Kleinsignal-Übertragungsfunktion:

Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:Slew-Rate bei Vollaussteuerung mit einem Sprung:

Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:

Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:Slew-Rate, Einschwingen und Gate-Ströme der MOS-FETs bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:

Ausgangsspannung bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:Ausgangsspannung bei 150 Wrms Rechteckbetrieb:

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rauscharmer Vorverstärker:

Rauscharmer Vorverstärker mit Operationsverstärkern vom Typ LME49990 und OPA134. Der Regelbereich für Bässe, Mitten und Höhen beträgt etwa +/- 15 dB. Die notwendige Verstärkung wurde in die erste Stufe gelegt um das Rauschen zu minimieren. Die Gegenkopplungspfade wurden nochmals zu Gunsten des Rauschens niederohmig ausgelegt.

Technische Daten:

2-stufig mit LME49990 u. OPA134, original Texas Instruments

Kleinsignal-Bandbreite: 4 Hz - 7.5 MHz

Großsignal-Bandbreite: 4 Hz - 564 kHz

Slew-Rate: 15.48 V/us

Eingangswiderstand: 100 kOhm

Leerlaufspg./Kurzschlußstrom: 1140.68 Ohm

elektronische Verstärkung: 12.74 dB an 43 kOhm Last

äquivalente Eingangsrauschspannung: 4.39 nV/SQR(Hz) --> -120.7 dB bei 22 kHz Bandbreite u. 3.07 Veff.

Klirrfaktor: 0.0058 %

Vorverstärker:

Kleinsignal Übertragungsfunktion:

volles Ausgangssignal bei 500 kHz:

Slew-Rate und Einschwingverhalten:

Klirrfaktor:

äquivalente Eingangsrauschspannung:

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