CMOSアンプの観察
Ver.1.005b 2023.1.27
更新履歴
2022.8.02 Ver.1.000 新規作成
2023.1.12 Ver.1.001 実験ー１ 追記
2023.1.14 Ver.1.002 実験ー１手直し 追記
2023.1.16 Ver.1.003 実験ー2 追記
2023.1.17 Ver.1.004 さらなる進展 追加
2023.1.27 Ver.1.005 実験ー3 追記
【はじめに】
帰還をかけると五極管でも、トランジスタでも、MOSFETでも、Vp-Ip特性が三極管特性になることがわかっています。
そこで、MOSFETもCMOSアンプを構成して、帰還をかければ、そうなるはずですから、三石CMOSアンプを観察してみましょう。
たった三石なんですよ。それで、数ワットの出力が得られることが、シミュレーションでわかっています。
まず回路図です。
図１回路図
シミュレーションと合わないところを抵抗をシリーズにしています。R1,R15と、R16,R2と、R13,R14とR12と0.68Ω（回路図記入漏れ） です。
IRFU9024NPBF（P-MOS)とIRFU120NPBF（N-MOS)は、コンプリメンタリではありません。R14とR12につけた0.68Ω は、熱的暴走を抑えるために入れました。MOSFETは、秋月電子で、以前買いました。まだ、売っているでしょう？
2SK170なしで、特性を取るつもりでいたのですが、１Wでかなり歪み、0.33Ωでは、熱暴走していたのです。それで、放置されていました。
今日とりあえず、熱暴走だけでもと思って、0.68Ωを追加したら、熱暴走しなかったので、2SK170もつけて測定してみました。
C2,C3が違うのは、実装間違いで、22nFに統一したほうがいいかもしれません。
図２ バラックの外観
銅板は、0.5mm厚の8cmx6cmで、IRFU9024NPBF（P-MOS)とIRFU120NPBF（N-MOS)をはんだ付けしています。 100Wのはんだごてを買ってきて、やっとはんだ付けできました。
負荷抵抗は3.3Ω＋4.7Ωで８Ωにしています。
IRFU9024NPBF（P-MOS)とIRFU120NPBF（N-MOS)は、ドレインがはんだ付けになっています。回路図からわかるようドレイン同 士つなぐので、放熱を兼ねています。
電源電圧は、24.1Vで、無信号時、電流は0.1Aとわかりますね。安定すると0.11Aになりました。
ソース抵抗が0.33Ω＋0.68Ωで良いのか、夏になってみないとわかりません。4W出力で、熱暴走しなかったので、まあ、これでOKかな？
図３ オープンゲインと位相特性
オープゲインは、約39dB、位相は、低域はC2,C3の実装間違いで、おかしなことになっていますが、高域は10KHz以上で-6dB/Octになってい るし、位相も-90°で上出来です。
図４ クローズドゲイン
低域が盛り上がって落ちているのは、C2,C3のせいです。15dBなので、24dBNFBとなりますね。
図５ 10KHz方形波特性 8Ω負荷
図６ 10KHz方形波特性 無負荷
図７ 10KHz方形波特性 8Ω＋0.33UF
図８ 10KHz方形波特性 0.33UF
方形波特性は、オープンゲインと位相から当然問題ありませんね。
図９ 0.1W１KHｚのソース電流 赤N-MOS 青 P-MOS
図10 1W １KHzのソース電流
図１１ 4W 1KHzのソース電流
ソース電流は、オーバーラップしていて、クロスオーバースイッチングになっていませんね。ただ、4WのP-MOSの電流がサチっていますね。
図１２ 歪み率特性
図１３高調波特性
歪み率と高調波特性がイマイチなんだなあ。銅板のヒートシンクを大きくして、バイアス電流を増やせばいいのかなあ。
ウイリアムソンの低域時定数から、C2,C3を10nFにしました。
図１４回路図
図１５オープンゲイン
図１６オープンゲイン位相特性
図１７クローズドゲイン
図１８ 方形波 100Hz
ウイリアムソンの低域特性になりました。
図１９ 方形波 １KHｚ
図２０ 方形波 10KHz
図２１方形波 50KHz
図２２ 出力インピーダンス
図２３ DF
バイアス電流を1.11Aから、1.5Aにして、定数を見直しました。
図２−１
R４を12Kから、15Kにしました。ゲインアップです。R1,R2は、680Kだけにしました。R12,R13は、1Ωにしました。
図２−２
図２−２ ゲイン特性 赤オープンゲイン 緑クローズドゲイン
幾分オープンゲインが上がりました。
図２−３ オープンゲインの位相特性
図２−４ 出力インピーダンス 入力ショート時
図２−５ DF 入力ショート時
図２−６ 歪み率特性
きれいに測定できました。
図２−７高調波特性
2⃣次成分が、ほとんどですね。
図２−８ 方形波特性 8Ω 10KHz
図２−９ 方形波特性 10KHz 無負荷時
図２−１０ 方形波特性 10KHz 8Ω＋0.33uF
図２−１１ 方形波特性 10KHz 0.33uF
図２−１２ 100Hz 8Ω負荷時
図２−１３ 1KHz 8Ω負荷時
図２−１４ 50KHz 8Ω負荷時
だいぶ良くなってきた。
使っているMOSFETは、もっとパワーが取れる。そこで、シミュレーションしてみよう。
図３−１ 回路図
図３−２ 出力と歪 赤 出力26W 緑 歪0.923%
図３−２ 赤 クローズドゲイン20.4dB 緑 オープンゲイン 46.7dB NFB 26.3dB
図３−３ 方形波特性10KHz 赤 8Ω負荷 緑 無負荷 青8Ω+0.33uF負荷 黄色 0.33uF負荷
図３−４ 赤 出力インピーダンス 緑 DF
図３−５ ドレイン損失 赤 Q2 4.1W 緑 Q1 4.1W
Q1は最大許容ドレイン損失38W、Q2は、48Wなので、全く問題ない。放熱が大変だろうけどね・・・・
ファンでもつけるか・・・・
パワーアップを目指して、30Vをやってみました。ゆくゆく±15Vを目指して・・・・
図４−１ 回路図
Q1のバイアスをR14,R2にして、ドレイン電圧は15Vを目指していたのですが、17.8V位でバランスを崩して、16.43Vまで下げることができま した。R6,R2は、１MΩから、バランスを幾分崩しています。
図４−２ 歪み率
７Wまで取れるのですが、0.001Wから1W,2W,3W・・・6Wと測ってゆくと7Wはふらついてしましました。
銅板を洗濯バサミで立ててファンで冷やしているのですが、無信号時30V0.11Aです。
図４−３ 高調波特性
図４−４ ゲイン特性 赤オープンゲイン 緑クローズドゲイン
図４−５ オープンゲインの位相特性
図４−６ 方形波特性 10KHz 8Ω負荷
図４−７ 方形波特性 10KHz 無負荷時
図４−８ 方形波特性 10KHz 8Ω＋0.33uF負荷
図４−９ 方形波特性 10KHz 0.33uF負荷
手持ちの150mmx150mmx0.5mm厚の銅板を2分割して、75mmx150mmx0.5mm厚を放熱板として、立てれば、大丈夫かな？
ここで使っているMOSFETは、はんだ付けタイプなので、ドレイン損失が大きいのです。プラスチックモールドタイプは30W止まりです。ドレイン同士つながっ て、はんだ付けタイプなので、銅板の厚み、大きさで、放熱は圧倒的に有利です。 つづく