RSS

Vertical Mosfet Amplifier

25 Agu

Vertical mosfet sedikit berbeda dengan Lateral mosfet akibat struktur material penyusunnya yang berbeda. Ini mengakibatkan Vertical mosfet memiliki RDS-on yang lebih kecil dan transkoduktansi yang lebih tinggi. Umumnya Vertical mosfet digunakan pada aplikasi switching.

Kali ini saya merancang audio amplifier memakai Vertical mosfet (IRFP9240 dan IRFP240). Topologi yang digunakan adalah topologi yang memakai push-pull VAS (dalam hal ini LTP VAS) yang pertama kali dikembangkan oleh Hitachi, lalu terkenal pada amplifier buatan Goldmund yaitu Goldmund Mimesis. Pada dunia DIY (Do It Yourself), M. Bitner kembali mempopulerkan topologi ini dengan Symasim-nya. Kit buatan Indonesia ada juga yang memakai topologi ini yang salah satu versinya saya simulasikan ternyata rancangannya kurang optimal.

Filosofi rancangan ini adalah mengkompromikan antara slew rate, THD, dan kerumitan rancangan. Yaitu bagaimana mendapatkan slew rate setinggi-tingginya dan THD sekil-kecilnya dengan rangkaian yang tidak terlalu rumit.

Schematic-nya bisa dilihat di bawah ini.

vertical_mosfet_amplifier

Pada bagian input terdiri dari Q1 dan Q2 sebagai penguat diferensial (LTP) dengan sumber arus tetap sebesar 3,5 mA. R1 dan R2 untuk meningkatkan slew rate dengan mengorbankan penguatan loop terbuka.

VAS dibentuk oleh Q5, Q6, Q7, dan Q8. Q5 dan Q8 sebagai buffer (emitter follower) dan Q6 dan Q7 sebagai penguat diferensial. Beban VAS selain outputnya adalah cermin arus Wilson, yaitu Q11, Q12, dan Q13. Cermin arus Wilson lebih baik daripada cermin arus biasa. Di sini yang disebut push-pull VAS adalah Q7 dan Q11 yang bekerja bergantian. Agar disipasi daya Q6 dan Q7 sama atau setidak-tidaknya mendekati, maka dipakai Q10. Pada rancangan yang umum, Q10 diganti dengan resistor yang diparalel dengan kapasitor. Disipasi daya yang sama antara Q6 dan Q7 menyebabkan titik kerjanya lebih stabil terhadap suhu. Arus VAS pada rancangan ini sebesar 6,6 mA, sehingga Q6, Q7, Q10, dan Q11 perlu diberi pendingin kecil.

Vertical mosfet tidak langsung dikendalikan oleh VAS, melainkan memakai driver yang dikonfigurasikan sebagi emitter follower dengan Q16 dan Q17. Kedua driver ini diatur sebagai driver kelas A dengan arus kolektor sebesar 36 mA. Arus sebesar ini diperlukan untuk mengendalikan kapasitansi gate-source mosfet yang cukup tinggi apalagi diparalel 4 buah. Jika arus kolektornya terlalu rendah, slew rate nya akan menjadi rendah juga. D3, D4, D5, dan D6 untuk melindungi agar tegangan gate-source tidak melebihi +-15,6V. Resistor source IRFP240 dan IRFP9240 berbeda nilainya yaitu 0,15 Ohm dan 0,22 Ohm. Ini agar grafik transkonduktansi terhadap arus drain kedua mosfet tipe N dan P tersebut mendekati besarnya. Ini akan mengurangi cacat crossover.

Arus bias mosfet ditentukan oleh Q9 yang dirangkai sebagi VBE multiplier. Pada rancangan ini Q9, Q16, Q17, dan semua mosfet dipasang pada satu pendingin. LED1 untuk mengurangi koefisien suhu VBE multiplier.  LED1 harus memakai LED merah karena LED warna lain memiliki tegangan maju yang berbeda, sehingga akan mengakibatkan koefisien suhu yang berbeda. Arus bias diatur dengan R21, sebesar 100mA untuk setiap mosfet. Pengukuran arus bias ini dengan cara mengukur tegangan resistor source pada mosfet.

Pada gambar di bawah ini adalah hasil simulasi arus bias terhadap suhu.

vertical_mosfet_amplifier_bias_current

Untuk kompensasi dipakai Miller kompensasi C5, lead kompensasi C6, dan C4 yang saya belum tahu namanya. Dengan adanya kompensasi ini maka didapat phase margin dan gain margin yang memadai, sehingga penguatan loop tertutup menjadi stabil. Penguatan loop tertutup sebesar 1 + (R18/R10).

Di bawah ini adalah hasil simulasi dengan transistor 2SC3503/2SA1381 dan C4 = 22pF dibandingkan dengan komponen dalam kurung yang memakai transistor MJE340/MJE350 dan C4 = 47pF.

  2SC3503/2SA1381 MJE340/MJE350
Phase Margin 81 derajat 76 derajat
Gain Margin 16 dB 14 dB
THD pada 161W/8Ohm, 1kHz 0.000454% 0.005064%
THD pada 161W/8Ohm, 20kHz 0.002921% 0.011066%
Slew rate 216 V/µS 126 V/µS

Dikarenakan amplifier ini memiliki slew rate yang sangat tinggi, maka implementasinya menjadi sulit. Usahakan jalur-jalur PCB sependek mungkin. Resistor pada gate tiap-tiap mosfet harus sedekat mungkin dengan gate-nya. Kapasitor decoupling power supply 100nF harus sedekat mungkin dengan drain tiap-tiap mosfetnya. Juga harus diperhatikan cara-cara untuk menghindari cacat (THD) yang disebabkan oleh layout PCB yang sudah dibahas pada artikel sebelumnya.

Tegangan power supply untuk bagian input dan VAS sedikit lebih tinggi (+-77V) dan membutuhkan arus yang cukup kecil, sekitar 100 mA. Q14 dan Q15 adalah capacitance multiplier agar PSRR (Power Supply Ratio Rejection) menjadi tinggi. Q14 dan Q15 tidak memerlukan pendingin karena tegangan VCE-nya sangat kecil (sekitar 3V).

Iklan
 
3 Komentar

Ditulis oleh pada 25 Agustus 2014 in Audio, Uncategorized

 

Tag: , ,

3 responses to “Vertical Mosfet Amplifier

  1. Cak Man Simonceblong

    3 November 2015 at 16:36

    sayang sekali layout pcb-nya belum ada……

     
  2. Rocky

    9 Oktober 2016 at 19:25

    spec sheetnya ada mas?
    saya lagi meriset beberapa design juga nih, karena penasaran dengan vertical mosfet segitu menantangnya kah design tantangan circuit designnya..
    tapi saya tetap sih kalo bisa pake vmos karena ketersediaannya di indonesia.. lateral mos cenderung jadi komponen eksotik (makanya harganya juga eksotik)..

     
    • anistardi

      10 Oktober 2016 at 15:41

      spec sheet yang dimaksud adalah datasheet? Kalau benar, tinggal cari di internet dan download

       

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

 
%d blogger menyukai ini: