カテゴリー: MOSFETアンプ

AB級アンプ、設計思想、MOSFETアンプ、UHC MOSFETアンプ、参考情報

LT1166によるUHC MOSFETアンプの試作

IPP129N10NF2S, TTC004B, TTA004Bを用いた、LT1166によるUHC MOSFETアンプのバイアス設定と位相補償をまとめておきます。

こちらの記事を参考にしています。

9.5.4 DC Biasing techniques with emitter/source degeneration

UHC MOSFETアンプの回路図

ドミナントポールを88kHz(ゲイン段（A)の補償容量：C1=5pFで設定)にしています。

LT1363の積分回路は1kΩ, 220pFとしています。

LT1166の外部補償容量は10pFとしています。

ダーリントンドライバ(TTC004B, TTA004B)のエミッタ抵抗およびコレクタ抵抗は220Ωとして静止電流を16mAとしています。また、エミッタ抵抗のバイパスコンデンサは100pFとしています。

ゲートストッパーは220Ωにしています。

出力電圧(D)のゲイン位相図

位相余裕とゲイン余裕は以下のようになりました。

D: PM@1.9MHz=78deg, GM@16MHz=-22dB

IPP129N UHC MOSFETアンプ

音は、IRF530N, IRF9530NのコンプリメンタリMOSFETアンプとの比較では、よりすっきりした感じです。

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AB級アンプ、設計思想、MOSFETアンプ、参考情報

LT1166による準コンプリメンタリMOSFETアンプのバイアス設定と位相補償

IRF530N, TTC004B, TTA004Bを用いた、LT1166によるMOSFETアンプのバイアス設定と位相補償をまとめておきます。

こちらの記事を参考にしています。

9.5.4 DC Biasing techniques with emitter/source degeneration

準コンプリメンタリMOSFETアンプの回路図

C3M0120090DによるAB級 SiC MOSFETアンプの回路設計の記事で、エミッタディジェネレーションによる準コンプリメンタリは、ゲイン20倍、電源レール+-48Vに対して、出力電圧の振幅が制限(+-20V程度)されていましたが、バイパスコンデンサ(100pF)をエミッタ抵抗(150Ω)につけると十分な出力電圧の振幅(+-30V程度)が確保できるようです。

また、電流源駆動段(C)の位相余裕を確保するために、ドミナントポールを30kHz(ゲイン段（A)の補償容量：C1=22pFで設定)にしています。

なお、ダーリントンドライバ(TTC004B, TTA004B)のエミッタ抵抗およびコレクタ抵抗は150Ωとして制止電流を30mA(1W)としています。

増幅段(A), フィードフォワード段(B), 電流源駆動段(C), 出力電圧(D)のゲイン位相図

いつか機会があれば、試作して音も確認したいと思います。

AB級アンプ、設計思想、MOSFETアンプ、参考情報

LT1166による電流源駆動MOSFETアンプの位相補償その2

IRF530N, IRF9530Nを用いた、LT1166によるMOSFETアンプの位相補償をまとめておきます。

こちらのリンクが参考になります。

良く使われる回路での高域特性限界: ４、フォロワ型アンプ出力段 （ﾀﾞｰﾘﾝﾄﾝの有無）

電流源駆動MOSFETアンプの回路図

出力オフセットを安定させるために定数を一部見直しました。

まずLT1166の補償容量を100pFから10pFに変更しています。

また、ゲートドレインゾーベルの抵抗値を100Ωから220Ωに変更しています。

出力電圧(D)のゲイン位相図

定数変更後の、出力電圧(D)の位相余裕とゲイン余裕は次のようになります。
PM=75deg@1.8MHz, GM=-21dB@26MHz

定電流源を変調するオペアンプ(LT1360)のゼロ周波数が15MHz付近にあるのと、ゲートドレインゾーベルのカットオフ周波数が3.3MHzなので、20-30MHzに変曲点が現れます。

AB級アンプ、設計思想、MOSFETアンプ、参考情報

LT1166による電流源駆動MOSFETアンプの位相補償

IRF530N, IRF9530Nを用いた、LT1166によるMOSFETアンプの位相補償をまとめておきます。

こちらのリンクが参考になります。

良く使われる回路での高域特性限界: ４、フォロワ型アンプ出力段 （ﾀﾞｰﾘﾝﾄﾝの有無）

電流源駆動MOSFETアンプの回路図

最終的な、LTSpiceによる回路図をしめします。

3段ダーリントンBJTアンプとほぼ同じですが、調整した箇所があります。

まず、電流源のエミッタ抵抗を68Ωにして、LT1166のItop/Ibottomを22mAに設定します。これで、矩形波の大信号入力時にもItop/Ibottom>4mAとなります。

1.5V, 10kHz矩形波信号入力時のItop/Ibottom

次にバイアス回路（LT1166)の補償容量を100pF, 出力段(MOSFET)のゲート抵抗を100Ω、ゲートドレインゾーベルを100Ω, 220pFにそれぞれ設定します。

出力電圧(D)のゲイン位相図

出力の位相余裕とゲイン余裕は次のようになります。
PM=69deg@1.9MHz, GM=-23dB@18MHz

なお、MOSFETの入力容量(Ciss)とフォワードトランスコンダクタンス(gfs)は以下の通りです。

IRF530: 920pF, 12S

IRF9530: 760pF, 3.2S

コンプリメンタリとはいってもかなり特性に違いがあります。

電流源駆動MOSFETアンプ

実際に試作してみましたが、音質としてはBJTアンプよりもやや太い感じです。

もちろん、ブートストラップ電源と出力段のバイパスコンデンサの違いによる影響もありますが。

部品数が3段ダーリントンBJTアンプよりも少ないので、こちらの方が手軽に製作できます。

MOSFETアンプ

クールMOSFETアンプの設計

試作を経て問題点や改善点がいろいろ明らかになったのと同時に
設計コンセプトも変化してきました。

便宜上、今追求している、理想ダイオード正負電源と

サスペンデッド電源によるMOSFETアンプを

クールMOSFETアンプと呼ぶことにします。

 

ドライバ段と出力段の組み合わせでSiCやUHCにも出来ますが、
そこは本質ではないことに気が付きました。

半導体アンプである以上、温度特性と放熱が常に問題になります。
純A級アンプが一番わかりやすいと思います。

一方で、D級アンプが電力効率としては一番良いですが、
スイッチングノイズとキャリアのフィルタリングの問題が避けられません。

クールアンプの設計コンセプトはオペアンプで信号処理を完結して、
電力は出来るだけ熱に変えずにスピーカーに送り込むことにあります。

結果的に温度特性のよい領域と電源電圧を効率よく使えることになります。

放熱と電流（ドレインとソースのパターン幅）を大きくしようとすると、
TO-220パッケージのMOSFETよりも
TO-247パッケージのMOSFETが有利になります。

なので、次はTO-247パッケージによる設計および試作を検討しています。

LT1166でバイアス調整を自動化して温度補償をなくすために、
電流検出抵抗が0.22Ω必要なので、
UHCにこだわってもここがボトルネックになります。

また、SiCは準コンプリメンタリにするためドライブ段が必要になり、
回路規模とBJTの放熱がボトルネックになります。

なので、出力段用MOSFETは、

純コンプリメンタリのTO-247でオーディオアンプの作例が多い、
IRFP240, IRFP9240をターゲットにします。

irfp240irfp9240

また、理想ダイオード正負電源の整流用MOSFETはIRFP7530をターゲットにします。

irfp7530

ケースはこんな感じ。

hyr88-43-23-amp2

MOSFETアンプ

LT1166パワー出力段自動バイアスシステムによる100Wオーディオパワーアンプの試作

SiC MOSFETアンプ、UHC MOSFETアンプときて、
結局、純コンプリメンタリのMOSFETアンプに回帰しました。

LT1166のデータシートに出ている回路が基本ですが、
実際に動作させるのは、なかななか手強いです。（笑）

まず、出力ABバイアス電流の設定ですが、
電流検出抵抗の値は実質的に0.22Ω
(バイアス電流20mV/0.22Ω=90.1mA)で固定です。
でも実際には、この値から自動で調整されます。

なので、何も考えずに
これを0.1Ωにするとバイアスがかかりすぎてしまいます。
シミュレーションでは動いてしまいますが、
MOSFETアンプの場合、通常150mA程度までです。

しかもデフォルトのトポロジーだと電流制限と兼用になっているので、
話がわかりにくいのですが、
例えば4Ωのスピーカー用に電流制限を2倍にしたい場合は、
0.1Ωの抵抗を2つずつ、4つを組み合わせて
タッピングする必要があるようです。

次に、シャントレギュレーターのドライブですが、
オペアンプの電源リードを電流源出力とするV/I変換にするための
電流検出抵抗に150Ωを設定しました。
問題はレーティングです。
シミュレーション上は1/4Wでもいけそうなのですが、
MOSFETが故障したり、
バイアス電流検出抵抗の接続が切れたりすると
かなりの電流が流れます。
また、現実の動作状態ではハイサイド、
ローサイドのバイアスを調整する際にもかなり大きな電流が流れるようです。
なので、最低でも3W（燃えませんが、煙は出ます）,
出来れば5Wが安全です。

さらに、電源の接続を間違えて、MOSFETが故障した場合などで、

ゲートから電流が漏れたりすると、

Vtop、Vbottomの510Ωの抵抗も電流の通り道になるので、

焼損します。

なので、1W以上が安全です。

LT1166, IRF530, IRF9530, 150Ω,　510Ωを

実際に飛ばして得たノウハウなので、参考にして下さい。

 

最後に、出力のアイソレーターの1uHのインダクタですが、

TDK　TSL0709,

Murata Power Solutions　15102C

を試しましたが、

いずれも音量を上げると音がひずんでしまいます。

実用的には空芯コイルでないと厳しいようです。

ポリウレタン線を自分で巻くのは面倒なので、

手持ちのジャンクアンプ基板から部品を調達しました。