Hallo,
ich bin Student und habe mal eine theoretische Frage zur folgenden
Schaltung (Siehe Anhang). So wie ich es sehe, handelt es sich hier
um einen Push-Pull-Verstärker (Gegentaktverstärker??) mit
Leistungs-MOSFETs.
- Vor Widerstand R11 wird die Sollspannung eingestellt. Mit R11=R10
versucht der OP diese Spannung auch am Knoten OUT einzustellen.
- Die Transistoren Q1 und Q4 sind durch die Dioden D1 und D2 immer
"vorgespannt" und somit im leitenden Bereich. Dies dient
vermute ich der Verminderung der Übernahmeverzerrung. (Class AB?)
- die Transistoren Q1 und Q4 übernehmen somit den Stromfluss für kleine
Ströme, bis der Strom hoch genug ist und über R6 bzw. R8 die
Gate-Threshholdspannung der MOSFETs anliegt. Ab da übernehmen die
Power-MOSFETs den Stromfluss.
- Was ist nicht verstehe ist der Spannungsteiler aus R2//R4 und R3//R5
?!
Stimmt die Analyse soweit?
Vielen Dank und schönes Wochenendea
@ isla_moos (Gast)
>Schaltung (Siehe Anhang). So wie ich es sehe, handelt es sich hier>um einen Push-Pull-Verstärker (Gegentaktverstärker??) mit>Leistungs-MOSFETs.
Der SO nicht funktioniert! Die klassische Sourcefolgersstufe ist
verdreht! Der N-Kanal muß an V+, der P-Kanal an V-, äquivalent zu Q1 und
Q4!
Auerdem konnte sich der Zeichner wohl nicht entscheiden, ob er einen
komplementären Sourcefolger (beide Source am Ausgang) oder CMOS (beide
Drain am Ausgang) bauen wollte. Die CMOS-Version ist AFAIK bei
Leistungsstufen eher unüblich.
>- Vor Widerstand R11 wird die Sollspannung eingestellt. Mit R11=R10>versucht der OP diese Spannung auch am Knoten OUT einzustellen.
Jain. R11 ist eher homöopatisch, er soll die Eingangsströme und damit
deren Spannungsabfall an R10 kompentsieren, damit keine zusätzliche
Offsetspannung entsteht. Den braucht man nur, wenn die Eingangsströme
des OPVs in den uA-Bereich gehen.
>- Die Transistoren Q1 und Q4 sind durch die Dioden D1 und D2 immer>"vorgespannt" und somit im leitenden Bereich. Dies dient> vermute ich der Verminderung der Übernahmeverzerrung. (Class AB?)
ja
>- die Transistoren Q1 und Q4 übernehmen somit den Stromfluss für kleine>Ströme, bis der Strom hoch genug ist und über R6 bzw. R8 die> Gate-Threshholdspannung der MOSFETs anliegt. Ab da übernehmen die>Power-MOSFETs den Stromfluss.
Nein. Der Ausgangsstrom kommt zu 99% immer aus den MOSFETs, auch für
kleine Ströme, wenn die Schaltung richtig dimensioniert ist, was ich auf
die Schnelle aber nicht genau überblicken kann, zumal die Werte fehlen
;-)
>- Was ist nicht verstehe ist der Spannungsteiler aus R2//R4 und R3//R5>?!
Arbeitspunkteinstellung.
Falk B. schrieb:> Der SO nicht funktioniert!
Wenn man den N-Fet so einbaut, wie er gezeichnet ist, hast Du Recht.
isla_moos schrieb:> - Was ist nicht verstehe ist der Spannungsteiler aus R2//R4 und R3//R5> ?!
Die bewirken, daß der Spannungshub am Ausgang des OpAmp kleiner ist, als
der Spannungshub am Ausgang der Gesamtschaltung. So, und nur so,
erreicht der Spannungshub die Betriebsspannung.
Alles in Allem würde ich es als Zeit - und Energieverschwendung
betrachten, diese Schaltung aufzubauen.
Falk B. schrieb:> @ isla_moos (Gast)>>>Schaltung (Siehe Anhang). So wie ich es sehe, handelt es sich hier>>um einen Push-Pull-Verstärker (Gegentaktverstärker??) mit>>Leistungs-MOSFETs.>> Der SO nicht funktioniert! Die klassische Sourcefolgersstufe ist> verdreht!
Das ist schon richtig so, denn es ist ja eben kein Sourcefolger.
Kennst du die Grundschaltung mit einem quasikomplementären
Darlington-Paar? Aka Sziklai-Paar? Im Prinzip bilden die beiden MOSFET
mit ihren jeweiligen bipolaren Treibern zwei solche Paare.
> Die CMOS-Version ist AFAIK bei Leistungsstufen eher unüblich.
Ganz im Gegenteil. Sourcefolger haben den Nachteil, daß die Ausgangs-
spannung um V_gs niedriger ist als die Eingangsspannung. Man verliert
also entweder Aussteuerbarkeit oder man muß eine separate, höhere
Betriebsspannung für den Steuerteil bereit stellen. Bei lediglich +/-7V
Versorgung wäre ein Sourcefolger eine Katastrophe bezüglich
Aussteuerbarkeit.
>>- Vor Widerstand R11 wird die Sollspannung eingestellt. Mit R11=R10>>versucht der OP diese Spannung auch am Knoten OUT einzustellen.>> Jain. R11 ist eher homöopatisch, er soll die Eingangsströme und damit> deren Spannungsabfall an R10 kompentsieren, damit keine zusätzliche> Offsetspannung entsteht. Den braucht man nur, wenn die Eingangsströme> des OPVs in den uA-Bereich gehen.
Ich denke eher, daß der TE hier OPV-Grundschaltungen verwechselt. Er
hält das wohl für einen invertierenden Verstärker, wo in der Tat das
Verhältnis der Widerstände die Verstärkung einstellt. Tatsächlich ist
der OPV als Spannungsfolger rückgekoppelt und die beiden Widerstände
haben keine direkte Funktion. Mit parasitären Eigenschaften
(Eingangsströme, Kapazitäten) hingegen können sie sehr wohl einen
(ungewollten) Einfluß auf die Funktion ausüben.
>>- die Transistoren Q1 und Q4 übernehmen somit den Stromfluss für kleine>>Ströme, bis der Strom hoch genug ist und über R6 bzw. R8 die>> Gate-Threshholdspannung der MOSFETs anliegt. Ab da übernehmen die>>Power-MOSFETs den Stromfluss.>> Nein. Der Ausgangsstrom kommt zu 99% immer aus den MOSFETs, auch für> kleine Ströme, wenn die Schaltung richtig dimensioniert ist
Nicht notwendigerweise. Man kann das durchaus so aufbauen, daß je nach
Ausgangsstrom erst der OPV, dann die beiden bipolaren Treiber und erst
zum Schluß die MOSFET beitragen.
>>- Was ist nicht verstehe ist der Spannungsteiler aus R2//R4 und R3//R5>>?!>> Arbeitspunkteinstellung.
Nein.
Das ist eine lokale Gegenkopplung zwischen Treiber und MOSFET. Erst
dadurch kann der MOSFET auch eine Spannungsverstärkung erreichen und die
höhere Aussteuerbarkeit ausspielen. Ohne diese Widerstände gäbe es eine
direkte Gegenkopplung vom Ausgangssignal auf den jeweiligen Emitter des
Treibertransistors. Der MOSFET könnte den Ausgang nicht weiter hoch-
(bzw. runter) ziehen als der Transistor alleine.
@ Axel Schwenke (a-za-z0-9)
>> Der SO nicht funktioniert! Die klassische Sourcefolgersstufe ist>> verdreht!>Das ist schon richtig so, denn es ist ja eben kein Sourcefolger.
Nö. Schau dir mal M1 an. Dessen Bodydiode liegt in FLUßRICHTUNG zur
Betriebsspannung. Ob DAs so funktioniert? ;-)
>Kennst du die Grundschaltung mit einem quasikomplementären>Darlington-Paar? Aka Sziklai-Paar?
Ja.
> Im Prinzip bilden die beiden MOSFET> mit ihren jeweiligen bipolaren Treibern zwei solche Paare.
Nö. Und selbst wenn, wäre es äußerst merkwürdig, wenn man den positiven
Zweig mit dem Drain an den Ausgang koppelt und damit fast bis an V+
rankommt und den negativen Zweig mit einem (hier falschen) Sourcefolger,
der viel Spannung verschwendet. Man müßte MINDESTENS M1 umpolen, spricht
Drain und Source tauschen. Dann klappt es vielleicht.
>> Die CMOS-Version ist AFAIK bei Leistungsstufen eher unüblich.>Ganz im Gegenteil. Sourcefolger haben den Nachteil, daß die Ausgangs->spannung um V_gs niedriger ist als die Eingangsspannung. Man verliert>also entweder Aussteuerbarkeit oder man muß eine separate, höhere>Betriebsspannung für den Steuerteil bereit stellen. Bei lediglich +/-7V>Versorgung wäre ein Sourcefolger eine Katastrophe bezüglich>Aussteuerbarkeit.
Stimmt. Aber ein derartiger CMOS-Ausgang muss gescheit dimensioniert
sein, denn der kann prinzipiell einen fetten Kurzschluß zwischen den
Versorgungen herstellen. Ein Emitterfolger kann des eher nicht, es sein
denn man übertreibt es mit dem Querstrom der AB-Endstufe 8-0
Beim N-MOSFET sind Source und Drain vertauscht. Dann könnte es mit den
richtigen Widerstandswerten funktionieren, sofern der OP nicht zu
schnell ist. Für die Stabilität wären ggf. noch ein paar Kondensatoren
hilfreich.
Die positive und negative Versorgung sind beidesmal an "+7V_POWER"
angeschlossen - sowohl beim Opamp als auch bei der Ausgangsstufe. Das
wird nicht funktionieren, es wird eine symmetrische Versorgung mit +7V
und -7V gebraucht.
Danke für die zahlreichen Antworten,
tatsächlich habe ich es hier falsch gezeichnet: der N-MOSFET falsch
gespiegelt und keine neg. Versorgungsspannung.
Habe das korrigiert und nun paar Werte hinzugefügt. Zudedm zwei caps an
den MOSFETs.
Ich werde eure Kommentare noch genauer anschauen und untersuchen, dann
melde ich mich wieder. Mit dem einstellen der Spannung vor R11 habe ich
mich bisschen falsch ausgedrückt :)
@ isla_moos (Gast)
>Habe das korrigiert und nun paar Werte hinzugefügt. Zudedm zwei caps an>den MOSFETs.
Was sollen die bringen? Sind die Millerkapazitäten zu klein? Eher nicht.
Solche Kondensatoren müssen an der richtigen Stelle platziert werden, um
den Frequenzgang der Gesamtschaltung zu stabilisieren. Typischerweise
vom Ausgang zum negativen Eingang. Ein passend dimensioniertes RC-Glied
vom Ausgang gegegn GND ist auch weit verbreitet.
Da war noch ein kleiner shuntwiderstand am Source und deswegen waren
glaube ich auch diese Kapazitäten drinnen. Hab aber eine
Rückkoppelkapazität am OP vergessen, da hast du Recht. Aber mir geht es
jetzt eh erstmal um die allgemeine Funktionsweise des Verstärkers.
Die Wirkungsweise der Widerstände R2//R4 und R3//R5 ist mir immernoch
nicht ganz klar.
Habe nur verstanden, dass die da sind, um den Spannungshub zu
vergrößern.
R4 und R5 sorgen in den Phasen wenn einer der MOSFETs aktiv ist für
Verstärkung: Der MOSFET und BJT zusammen bilden dann einen Verstärker,
bei dem der Teiler mit R2+R4 bzw. R3+R5 jeweils die Verstärkung
festlegen. Damit ist dann möglich eine größere Aussteuerung, bis fast an
die +-7 V Versorgung zu erreichen, auch wenn der OP nur etwa +-2 V
liefern muss.
Die Verstärkung hat allerdings auch einen Nachteil, denn die Verstärkung
wirkt nur in der Phase wo die MOSFETs aktiv sind. Im Übergangsbereich
bei kleinen Strömen hat man nur die BJTs als Emitterfolger und damit
eine Verstärkung von kleiner als 1. Die Leistungsstufe hat also einiges
an Verzerrungen. Weniger Verstärkung hätte ggf. Vorteile.
Zusatzliche Widerstände in den Source-Leitungen können das verhalten
etwas stabilisieren. Trotzdem würde ich eher von nur Klasse B Betrieb
ausgehen.
Lurchi schrieb:> R4 und R5 sorgen in den Phasen wenn einer der MOSFETs aktiv ist> für> Verstärkung: Der MOSFET und BJT zusammen bilden dann einen Verstärker,> bei dem der Teiler mit R2+R4 bzw. R3+R5 jeweils die Verstärkung> festlegen. Damit ist dann möglich eine größere Aussteuerung, bis fast an> die +-7 V Versorgung zu erreichen, auch wenn der OP nur etwa +-2 V> liefern muss.>> Die Verstärkung hat allerdings auch einen Nachteil, denn die Verstärkung> wirkt nur in der Phase wo die MOSFETs aktiv sind. Im Übergangsbereich> bei kleinen Strömen hat man nur die BJTs als Emitterfolger und damit> eine Verstärkung von kleiner als 1. Die Leistungsstufe hat also einiges> an Verzerrungen. Weniger Verstärkung hätte ggf. Vorteile.>> Zusatzliche Widerstände in den Source-Leitungen können das verhalten> etwas stabilisieren. Trotzdem würde ich eher von nur Klasse B Betrieb> ausgehen.
Okay verstehe, danke. D.h. ohne R4 und R5 hätte ich an OUT fast dieselbe
Spannung wie am OP-Ausgang und damit also keine Spannungsverstärkung.
Als Nachteil habe dann aber die Verzerrung. Es ist aber eine
Spannungsverzerrung, oder? Auf den Strom wird sich das doch wegen der
Induktivität kaum auswirken.
isla_moos schrieb:> ohne R4 und R5 hätte ich an OUT fast dieselbe> Spannung wie am OP-Ausgang und damit also keine Spannungsverstärkung.
Falsch verstanden.
Gesetzt den Fall, der P-Fet ist voll durchgesteuert, und am Ausgang
liegen (fast) 7 Volt an. R2 und R4 bilden einen Spannungsteiler nach
Masse. Wenn man den Strom durch Q1 mit berücksichtigt, ist die Spannung
an seinem Emitter ~2,5 Volt. Somit stehen ca. -4,5 Volt zur Verfügung,
um den P-Fet durchzusteuern. Ohne diesen Schaltungskniff hätte man an
den FET`s immer eine Restspannung, die mindestens ihrer
Schwellenspannung entspräche.
Eine Spannungsverstärkung dagegen findet garnicht statt. Die Schaltung
arbeitet ja als Spannungsfolger.
Die ganze Schaltung mit dem OP arbeitet als Spannungsfolger. In der
realen Anwendung hätte man auch da besser etwas Verstärkung
(zusätzlicher Widerstand vom neg. OP Eingang nach Masse).
Die Widerstände R4,R5 sorgen für einen größeren Spannungshub und
zusätzlich auch Verstärkung für die Transistorstufe. Die Verstärkung
gilt allerdings erst wenn die FETs aktiv sind, für kleine Spannungen
bleibt es bei einer Verstärkung von etwa 1 (bzw. sogar weniger). Dadurch
hat man also eine merkliche Übernahmeverzerrung. Unnötig viel
Verstärkung für die Transistorstufe sollte man eher vermeiden.
Die Verstärkung der Transistorstufe ist einerseits gut, weil damit die
Aussteuerung bis ganz nahe an die Versorgung reicht auch ohne dass der
OP dies können muss. Andererseits ist das ein Problem, um die Schleife
mit dem OP stabil zu halten (auch ein Grund am OP etwas Verstärkung zu
haben).
Für die ganze Schaltung gleicht der OP Verzerrungen und auch die
Verstärkung der Transistorstufe größtenteils aus. Wegen der Verstärkung
der Transistorstufe braucht man dafür in der Regel eine zusätzliche
Kompensation am OP (ggf. reicht auch Verstärkung für die ganze
Schaltung).
Okay danke.
Kann es eigentlich bei der Schaltung ein Problem sein, wenn die MOSFETs
unterschiedliche Gate-Threshold-Spannungen haben?
Der Toleranzbereich bei MOSFETs ist ja da sehr groß.
@isla_moos (Gast)
>Kann es eigentlich bei der Schaltung ein Problem sein, wenn die MOSFETs>unterschiedliche Gate-Threshold-Spannungen haben?
Eigentlich nicht, wenn die Einstellung vom Arbeitspunkt stimmt. In
Zweifelsfall muss man an R2-R5 drehen.
>Der Toleranzbereich bei MOSFETs ist ja da sehr groß.
Was heißt sehr groß? Je nach Typ vielleicht +/-1V, im Extremfall +/-2V.
Es ist ja deswegen kein Problem, weil da ein OP drinnen ist!?
Nehmen wir mal an, die Thresholdspannung an M2 ist um 1V (Betrag) größer
als die von M1.
Dann sorgt doch der Op in der positiven Halbwelle dafür, dass die
Spannung vor R1 angehoben wird und somit auch das Potential an der Basis
von Q7. Dieser leitet dann etwas mehr Strom, der an R6 den nötigen
Spannungsabfall für M2 verursacht. Stimmt das?
Der OP sorgt über die Rückkopplung dafür das am Ende wenig Verzerrungen
raus kommen. Um es dem OP nicht unnötig schwer zu machen sollte die
Transistorstufe aber trotzdem nicht unnötig nichtlinear sein.
Je nach Auslegung der Widerstände und Schwellspannungen der MOSFETs gibt
es mehr oder weniger Ruhestrom, bzw. realistischer eine mehr oder
weniger große Lücke in der keiner der MOSFETs aktiv ist (Klasse B
Betrieb). Für die größe der Lücke kommt es nicht auf die einzelnen
Schwellspannungen, sondern eher die Summe an. Der N und P MOSFET müssen
also nicht gepaart sein.
Wenn es zu wenig wird kommt man in den Bereich mit Ruhestrom und dann
auch schnell zu viel Ruhestrom. Ideal hätte man wohl eine eher kleine
Lücke. Zum feinen einstellen der "Lücke" wären eher R6 und R8 geeignet.
R2-R5 eher für das grobe.
op_boost_2.png
(61 KB)
