Amplide transistor ve mosfet kullanimi

[serkan_48]

Merhabalar,

Amplifikatörleri inceliyorum aklıma bir konu takıldı.

Transistör ile yapilmis ile mosfetle yapılanlar arasında ne gibi farklar var?

Deneyimlerinizi bilgilerinizi paylasirsaniz sevinirim.

 

[Gokrtl]

Bildiğim kadarıyla tr ile yaparken ilave ufak tr ler eklememiz gerekiyor. Örneğin 2sc5200 ile yaparken bc ve bd serisi transistörler eklememiz gerekiyor. Entegreler ise bu birleşimin gömülü hali oluyor. Örneğin LM3886 nın içerisinde ufak transistörler bazı dirençler gömülü olması gibi.

Devrenin mantığını anlamak konusunda acemilere transistör ile yapmaları öneriliyor genelde. Entegrelere gömülü olan elemanlar ise datasheet içinde açıkça gösteriliyor.

 

[Gokrtl]

Hatta bir amfinin Transistör yada Entegre ile yapılması konusunda insanlar ikiye bölünmüş durumda. Bir kısım en iyi amfinin Transistör ile olacağını savunurken başka bir kısım Entegreleri savunuyor.

 

[Endorfin35+]

Desteksiz atıyorum. Mosfetli yapıların transistorlu yapıya oranla elaman sayısı yönünden kazançları daha yüksek olabilir.

Öte yandan bende merak ediyorum bu konuyu. Düz mantık transistör diyor. Mosfeti hep anahtarlamada görüyoruz. Lineer bölgede çalışmasını sevmiyoruz. Lineer bölgede transistör daha iyi bir seçim gibi geliyor ama tamamen atıyorum....

 

[Gokrtl]

Desteksiz atıyorum. Mosfetli yapıların transistorlu yapıya oranla elaman sayısı yönünden kazançları daha yüksek olabilir.

Öte yandan bende merak ediyorum bu konuyu. Düz mantık transistör diyor. Mosfeti hep anahtarlamada görüyoruz. Lineer bölgede çalışmasını sevmiyoruz. Lineer bölgede transistör daha iyi bir seçim gibi geliyor ama tamamen atıyorum....

Sen yine desteksiz atmışsın. Ben olayı komple başka bir boyuta taşımışım

 

[serkan_48]

Bur transistörün sürülme teknigi ile mosfet bambaşka. Bu nedenle mosfet Li yükselticiler tamamen klasik transistörlü yükseltilerden cok farkli oldugunu dusunuyorum.

Birde mosfet Li d sınıfı yükselticiler var.

Mosfet ile d sınıfı olmayan yükseltici yapılıyor mu?

Yorumlar icin tesekkurler.

 

[taydin]

Bu konuda ses elektroniği duayeni olan Douglas Self'in Audio Power Amplifier Design Handbook, 5th Edition kitabına bakınca (Bölüm 14), çıkış katını MOSFET ile yapmanın dezavantajlarının, avantajlarından çok daha fazla olduğunu anlatıyor.

Bir kere bir amfinin çıkış katında çalışacak olan MOSFET, lineer bölgede çalışacaktır, ve bu da özel olarak tasarlanmış MOSFET lerin kullanılmasını gerektirir. Anahtarlama amaçlı üretilmiş olan MOSFET'leri lineer bölgede çalıştırınca ömürleri çok kısa oluyor.

Bunun dışında MOSFET ile yapılan amfi çıkış katlarının BJT ler kadar lineer olmadığı belirtiliyor.

Ayrıca BJT de eşik voltajı 0.7 V gibi olmasına karşın, MOSFET'te bu 2 - 6 V gibi çok geniş bir aralıkta değişiyor, ve bir MOSFET'in eşiği diğerinden çok farklı olabiliyor. Bunun da anlamı "crossover distortion" denen ve sinyalin sıfıra yakın bölgelerinde meydana gelen bozulmanın önlenmesinin hem daha zor olması hem de BJT nin seviyesine indirilememesi.

Sonra da özet olarak şunu belirtiyor: "Bu amfi MOSFET'li" diyerek odyofillere çok kazık bir fiyata satma şansın varsa, çıkış katı MOSFET'li bir amfi tasarlayın. Ama gerçekten iyi bir performans vermesi gereken bir amfi yapılacaksa, çıkış katında BJT kullanın

 

[serkan_48]

Yorumlar icin tesekkur ederim. Gayet açık oldu.

 

[slewrate]

D sınıfı amplifikatörler daha çok verim üzerine tasarlanıyor. Bu tasarımlar daha çok güç elektroniği alanına yakın.

Ses sinyalleri karşılaştırıcı yardımıyla kare dalgaya dönüşüyor ve mosfetlere iletiliyor. Bu nedenle mosfetler anahtarlama elemanı olarak çalışıyor, lineer bölgede çalışmıyor.

Mosfetler BJT'ye göre daha ideal bir anahtar olduğu için D sınıfı amplifikatörlerde tercih ediliyor.

 

[ckocagil]

@taydin O kitapta Douglas Self MOSFET çıkışlı amplifikatörleri gömüyor gibi ama mesela CFP MOSFET çıkışı çok düşük bozulmaya sahip (kitaptaki ölçümüne göre).

MOSFET çıkışların en büyük sıkıntısı sanıyorum P kanal power MOSFETlerin N kadar yaygın olmayışı. Üstüne bir de N ve P'nin benzer olması gerekecek. Bu yüzden quasi-complementary önermiş ama bu konfigürasyon hem Diyaudio'ya göre hem de benim yaptığım simülasyonlarda güzel çalışmıyor. Sadece N kanal MOSFET kullanan şu tasarımı buldum, simülasyonda çok iyi çalışıyor: https://www.diyaudio.com/forums/solid-state/14320-channel-output-devices-power-follower.html

Elimdeki MOSFETlere göre adapte ettim:

Devre

FFT

THD

Feedback bode

Transient

BSS84 elime geçsin hemen yapacağım Performansını nasıl ölçeceğim meçhul. Hoparlöre paralel olarak ses kartına vermeyi deneyebilirim (voltaj düşürüp).

 

[kesmez]

bss84 yerine bs250 de kullanabilirsiniz.

 

[Omega]

Douglas Self MOSFET amplilerde kullanılmasının 6-7 tane dezavanajını sıralıyor ama 1-2 sinin dışında başka kitaplarda bunlar geçmiyor.Hatta başka bir Power Ampli tasarım kitabı yazarı Bob Cordell MOSFET Amplilerin daha kaliteli olduklarını savunuyor.

Douglas Self in bu kadar ünlü olmasına sebep Baxandall ın makalelerini temel alarak kitaplar yazmasıdır.Evet çok iyi bir mühendis ,okulunu derece ile bitirmiş ama hep aynı konular hatta aynı cümlelerle kitaplar yazmış.
İşin matematiksel özeti Baxandal ın yaklaşık 30 sayfalık makalesi.

Son zamanlarda çıkan MOSFET ve BJT lerin iyi yanlarını bir araya getiren modüller için tüm yazarlar beğeni ile bahsediyorlar.

 

[taydin]

@taydin O kitapta Douglas Self MOSFET çıkışlı amplifikatörleri gömüyor gibi ama mesela CFP MOSFET çıkışı çok düşük bozulmaya sahip (kitaptaki ölçümüne göre).

MOSFET çıkışların en büyük sıkıntısı sanıyorum P kanal power MOSFETlerin N kadar yaygın olmayışı. Üstüne bir de N ve P'nin benzer olması gerekecek. Bu yüzden quasi-complementary önermiş ama bu konfigürasyon hem Diyaudio'ya göre hem de benim yaptığım simülasyonlarda güzel çalışmıyor. Sadece N kanal MOSFET kullanan şu tasarımı buldum, simülasyonda çok iyi çalışıyor: https://www.diyaudio.com/forums/solid-state/14320-channel-output-devices-power-follower.html

Elimdeki MOSFETlere göre adapte ettim:

Devre 5725 eklentisine bak

FFT 5724 eklentisine bak

THD 5726 eklentisine bak

Feedback bode 5727 eklentisine bak

Transient 5728 eklentisine bak

BSS84 elime geçsin hemen yapacağım Performansını nasıl ölçeceğim meçhul. Hoparlöre paralel olarak ses kartına vermeyi deneyebilirim (voltaj düşürüp).

THD çok realistik gelmedi bana ... Bu veriyi ölçmede dünya standardı olan Audio Precision'un kendi THD-N değeri %0.0002 lerde. Bir ADC veya DAC devresinde çok düşük THD'ler olabiliyor, ama bir power amfi için bence çok fazlasıyla iyi bir değer. Sonucu ben de merak ediyorum.

Bu seviyelerde THD+N ölçümü yapmak için çok iyi bir ses kartına ihtiyacın olacak. RME ürünleri bu konuda çok iyi. Bazı RME ürünlerinin THD+N verileri Audio Precision dan bile daha iyi. Bende RME nin üretimi ADI-2 PRO FS var ve bunu AP525 ile ölçtüğüm zaman aslında AP525 nin kendi THD+N ini ölçmüş oluyor, çünkü ADI-2 PRO nun THD si çok daha düşük.

 

[ckocagil]

THD çok realistik gelmedi bana ... Bu veriyi ölçmede dünya standardı olan Audio Precision'un kendi THD-N değeri %0.0002 lerde. Bir ADC veya DAC devresinde çok düşük THD'ler olabiliyor, ama bir power amfi için bence çok fazlasıyla iyi bir değer. Sonucu ben de merak ediyorum.

Bana da gelmedi, oldukça teorik bir değer. Ama en azından şunu biliyorum: diğer topolojilerde (quasi-complementary MOSFET) mutlaka crossover sırasında bozulma oluyordu. Bu topolojide hiç yok.

 

[Omega]

@ckocagil bu simülasyonu hangi programla yaptınız? Mümkünse dosyayı paylaşırmısınız?

Birde bu eklediğiniz grafiklere göre devrenin sonuçlarını kısaca yorumlarmısınız?

Demek istediğim mesela FFT grafiği işitme bölgesinde düz olması amplinin mükemmele yakın olduğunu mu gösterir? Yada ne neyi ifade eder?
Bode Feedback ve transient grafiğinin hangi durumu bu amplinin hangi özelliğinin mükemmele yaklaştırır hangi durumu bunun kalitesiz olduğunu gösterir?

 

[taydin]

Douglas Self MOSFET amplilerde kullanılmasının 6-7 tane dezavanajını sıralıyor ama 1-2 sinin dışında başka kitaplarda bunlar geçmiyor.Hatta başka bir Power Ampli tasarım kitabı yazarı Bob Cordell MOSFET Amplilerin daha kaliteli olduklarını savunuyor.

Douglas Self in bu kadar ünlü olmasına sebep Baxandall ın makalelerini temel alarak kitaplar yazmasıdır.Evet çok iyi bir mühendis ,okulunu derece ile bitirmiş ama hep aynı konular hatta aynı cümlelerle kitaplar yazmış.
İşin matematiksel özeti Baxandal ın yaklaşık 30 sayfalık makalesi.

Son zamanlarda çıkan MOSFET ve BJT lerin iyi yanlarını bir araya getiren modüller için tüm yazarlar beğeni ile bahsediyorlar.

5729 eklentisine bak

Bob Correll'in Designing Audio Power Amplifiers, 2nd Edition kitabının birinci baskısına baktım (ikinci baskısı yok bedava pdf olarak, amazon'dan ısmarlamayı düşünüyorum ama). Douglas Self'in bahsettiği dezavantajların hepsinden bahsediliyor bu kitapta. Avantaj olarak belirtilen şeylerin de gerçekten avantaj olup olmadığı net değil.

Yüksek hız: MOSFET'lerin kesim frekansı yüzlerce megahertz'lere kadar çıkabiliyor. Ama bu en fazla 20 kHz e kadar çalışması gereken bir amfi için neden bir avantaj olarak belirtilmiş? Halbuki ileriki paragraflarda, bu yüksek kesim frekansının parazitik osilasyonlara sebep olduğu ve bunun da MOSFET'lerin anında imha olmasıyla sonuçlanabileceği belirtilmiş.

"secondary breakdown" olmaması: Secondary breakdown denen şey, transistörün arızalanma modlarından birisi Transistörü güvenli çalışma bölgesinde çalışacak şekilde biaslama yaparsan bu durum zaten ortaya çıkmaz.

Çok yüksek akımlarla sürülebilmesi: Eğer 1000 W lık bir amfi lazımsa sana, herhalde önceliğin süper düşük distorsiyon değildir. Senin önceliğin, konserin yapıldığı futbol sahasının her yerine sesin ulaşmasıdır. Herhalde denmek istenen şey, çok yüksek güçlü amfiler, MOSFET'ler ile daha ucuza yapılabiliyor.

En sonunda da bir amfi tasarımı koymuş, 8 Ohm yüke 100 W verirken sadece %0.002 distorsiyon varmış. Ama devre gerçek komponentlerle kurulmamış, simulasyon ortamında bu distorsiyon ölçülmüş.

 

[ckocagil]

@Omega LTSpice ile yaptım. Dosyayı mesaja ekliyorum.

FFT'ye giren sinyal amfinin çıkardığı 1KHz sinüs sinyali. Orada önemli olan şey ana frekansın katlarındaki (2KHz, 3KHz, 4KHz, ...) sinyal miktarı. Burada hiç sinyal olmamasını isteriz ama transistörler mükemmel lineerlikte cihazlar olmadığı için bu istenmeyen frekansları da üretirler. Buna harmonik bozulma/distorsiyon denir. Hatta fark ettiyseniz çift katlarda (2Khz, 4Khz) az bozulma farken tek sayılarda (3Khz, 5Khz) çok bozulma olmuş. Tek ve çift katlı harmonikler farklı davranış gösterir ve genelde sorun olan tek katlılardır. Ancak bu grafikteki harmonik seviyeleri aşırı düşük. Yani yukarıda da yazıldığı gibi ideal bir durumu (komponentler tam olarak aynı, parazitik etki yok, op-amp ideal, vesaire) simüle etmişiz.

Bu devre bir geribesleme devresi: çıkışın bir kısmı FB yazan yerden op-amp'a gidiyor. Bode grafiği geribesleme devrelerinin stabilitesini analiz etmek için kullanılır. Bu bode plot'ta sinyal 0dB gain'e ulaşınca faz 125 derece oluyor. 180'e ulaşsaydı çok iyi bir osilatör (ve çalışmayan bir amfi) elde etmiş olacaktık. 180'e gidene kadar 55 derece daha var, buna faz marjı (phase margin) denir. 90 idealdir, 55 fena değil. Gerekirse birkaç devre elemanıyla kompanse edilip 90'a yaklaştırılabilir.

Transient ise bildiğimiz zaman domeninde simülasyon. Bu bir class AB amfi olduğu için transistörler açılıp kapanırken herhangi bir tuhaf hareket yapıyor mu, çıkış sinyali ve transistör akımlarında bozulma var mı bunları görmek için.

 

[ckocagil]

Benim bu devreyle amacım güç kaynaklarından çıkma MOSFETler ile nispeten kaliteli bir amfi yapmaktı.

MOSFET vs BJT konusu gerçek hayatta ne kadar önemli merak ediyorum. Hoparlör sürücü ve kabin kalitesi, yerleştirildiği yer, ortam akustiği gibi konular çok daha önemli değil midir? THD değerini %0.1'den %0.01'e getirmek güzel bir mühendislik başarısı olabilir ama diğer faktörler THD'yi bastırmayacak mı? Bir gün hifi sistem yapmaya koyulursam ilk yapacağım şey lineer bir mikrofon alıp sistemi ortamda test etmek olacak.

 

[taydin]

FFT'ye giren sinyal amfinin çıkardığı 1KHz sinüs sinyali. Orada önemli olan şey ana frekansın katlarındaki (2KHz, 3KHz, 4KHz, ...) sinyal miktarı. Burada hiç sinyal olmamasını isteriz ama transistörler mükemmel lineerlikte cihazlar olmadığı için bu istenmeyen frekansları da üretirler. Buna harmonik bozulma/distorsiyon denir. Hatta fark ettiyseniz çift katlarda (2Khz, 4Khz) az bozulma farken tek sayılarda (3Khz, 5Khz) çok bozulma olmuş. Tek ve çift katlı harmonikler farklı davranış gösterir ve genelde sorun olan tek katlılardır. Ancak bu grafikteki harmonik seviyeleri aşırı düşük. Yani yukarıda da yazıldığı gibi ideal bir durumu (komponentler tam olarak aynı, parazitik etki yok, op-amp ideal, vesaire) simüle etmişiz.

Sanırım yüzdenin çok düşük olmasının sebebi sadece THD'nin ölçülmüş olması. Halbuki spektruma bakınca, frekans azaldıkça başka birçok frekans bileşenlerinin gürültü tabanını -40 dB ye kadar çıkardığı görülüyor. Eğer mümkün ise THD+N hesaplatabilirsin. O görünen spektruma göre THD+N son derece kötü çıkması lazım.

 

[taydin]

Demek istediğim mesela FFT grafiği işitme bölgesinde düz olması amplinin mükemmele yakın olduğunu mu gösterir? Yada ne neyi ifade eder?
Bode Feedback ve transient grafiğinin hangi durumu bu amplinin hangi özelliğinin mükemmele yaklaştırır hangi durumu bunun kalitesiz olduğunu gösterir?

İdeale çok yakın bir amfinin girişine ideale çok yakın bir sinüs sinyal uygulanırsa, spektrumu şu şekilde görünür:

Burada audio analizörüne 2 Vrms sinüs ürettiriyorum ve çıkışını girişine bağladım (loopback). Görüldüğü üzere, sadece üretilen frekans olan 1 kHz de çok güçlü bir pik var, ikinci ve üçüncü harmonikte son derece az bir enerji var (milyonda bir gibi), diğer frekanslarda ise enerji seviyesi son derece düşük (milyonda birinden daha az). Toplam THD+N de %0.000273 seviyesinde.