Stroomversterker tot 4Mhz

Voor mijn functie generator GW Instek SFG-2104 ben ik bezig een stroom versterker te ontwerpen.

Middels een Op Amp LM318N en een transistor balans eindtrapje wil ik grotere stromen kunnen uitsturen. Omdat ik naar sinus en driehoek ook blokgolven wil kunnen gebruiken, is slew rate belangrijk. Vandaar dat ik volgens de application note 9 een feed forward compensatie heb aangebracht. Het balans trapjes is nu een BC327/BC337, wat goed is voor maximaal 500mA.

Het schema (klikbaar) ziet er als volgt uit:
http://www.uploadarchief.net/files/download/resized/current%20amplifier%20lm318.png

Hoe kan ik de maximale uitgang stroom het beste verder verhogen?

  • Verkleinen van R6
    of
  • Verhogen van de voedingsspanning

Welke eind transistoren moet ik gebruiken om 1 à 2 A aan te kunnen en maximaal 4 MHz te kunnen blijven gebruiken ?

  • BD237/238 oid of zijn die te langzaam ?

Kan ik ook MOSFETs gebruiken, dus een setje P/N kanaaal van IRF?

  • Zo ja, welke set van IRF is dan complementair ?
  • Zijn MOSFETs wel snel genoeg en leveren de paracitaire condensatoren en diodes geen problemen op zodat de signaal kwaliteit afneemt?

Ik sta open voor aanbevelingen en eventuele alternatieven. Vooral van MOSFETs heb ik niet genoeg verstand hoe ik ze moet toepassen. Als schakelaar lukt het nog wel, maar dit is natuurlijk anders.

Het kan aan mij liggen maar volgens mij mis ik een aantal weerstanden rondom de transistoren. Tenminste een basisweerstand is wel handig volgens mij. Je transistor klapt nu echt heel snel open omdat je de maximale stroom in de basis jaagt door het ontbreken van de weerstand.

Ik zou aan R6 niets wijzigen want dan ga je ook met je uitgangsimpedantie lopen klooien. Ik weet niet of je die berekend had?

Mzzls

Correct me if I'm wrong!

Ik wil toch al hetvolgende meegeven:
Als je een propere blokgolf van 4Mhz hebt, denk er dan aan dat daar harmonischen van de grondgolf inzitten, en je mag rekenen op de tienvoudige frequentie van de grondgolf om ze er een beetje scherp te laten uitzien. Je circuit heeft dus al direct een benodigde bandbreedte van 40Mhz.

Verder is er een verband tussen rise-time en bandbreedte:

Trise (in µs)=0.35/Bandbreedte (in Mhz)
Voor een bandbreedte van 40Mhz kom je op een risetime van +-8.75ns

Wat ook is: je spreekt over een sinus en driehoek, daar ga je met je eindtrap een soort crossover vervorming in krijgen, want er is een punt waarbij beide torren niet kunnen geleiden, dat is als de opamp uitgangsspanning 0V wordt. Zoiets kan je oplossen met de bekende diodetruuk in de basis van die torren met een ruststroom.

Ik was ook al aan het denken, zijn er geen poweropamps die sterk en snel genoeg zijn om direkt te doen wat je wil, zoiets in de richting van een OPA541? Die bezit natuurlijk niet de nodige bandbreedte maar er zijn waarschijnlijk wel kleinere die minder stroom leveren en een hogere snelheid hebben.

Mooi generatortje overigens, ik heb hier de 10Mhz broer op de meetplank, de SFG2110

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

Oeeeeps...4Mhz en hoge stroom...?...Is dat niet een beetje te veel voor zulke eenvoudige schema?
Eerst, bij maximale uitgangspanning, in het geval van kortsluiting, wegens de 47R weerstand, dissipatie in de BC327/BC337 wordt te hoog en ze gaan kapot.
Daarom had ik BC639/BC640 gekozen.
Tweede: deze transistoren werken zonder bias, dat veroorzaakt zero crossing H3 distortie.
Tot omgeveer 30Khz, lukt de LM318N dat te compenseren.
Met frequenties hogere dan 50Khz, wordt H3 distortie met belasting wel zichbaar. (zie photos met 265Khz.)
Derde: met bipolar transistoren, vergeet niet dat LM318N heeft een beperkt uitgang stroom: (14mA omgeveer, hangt van temperatuur)...dus max. stroom zou stroomwinst (van uitgang transistoren)x 14mA zijn.
Ook met blokgolf? dat had ik niet bemerkt...
LM318N met feed forward heef een slew rate van 150V/µs.
Heel te weinig.

Henry S.

Moderator

Op 29 augustus 2009 17:30:25 schreef Emilien:
Tweede: deze transistoren werken zonder bias, dat veroorzaakt zero crossing H3 distortie.

Op te lossen door tussen bases en emittors een 1k weerstand te zetten.

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Speedy Henry is me voor, zie ik... :-)

Toch nog even tonen:
http://prosje.be/CO/Schemas/NPN-PNP-sturen.png

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

Op te lossen door tussen bases en emittors een 1k weerstand te zetten.

Sorry, Henry, maar dat klopt niet.
U moet Vbe van de transistoren door een 0,6V polarisatie compenseren (stroom door een diode).
Hetzelfde probleem dan in audio versterkers.
Om beter te verklaren wat ik meen:
http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_amplifier

[Bericht gewijzigd door Emilien op 29 augustus 2009 18:16:14 (14%)]

Henry S.

Moderator

Het werkt wel, probeer het maar eens.

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Ik heb het geprobeert, dat werkt niet.
Zou het werken, dan worden audio versterkers een stuk eenvoudiger.;-)
De twee transistoren moeten begeleidend zijn voor lineare werking en er moet een "rust stroom" bestaan.
Regelt maar bias van een audio versterker voor nul rust stroom, dan hebt U ook H3 zero crossing distortie.

Henry S.

Moderator

Op 29 augustus 2009 18:18:23 schreef Emilien:
Ik heb het geprobeert, dat werkt niet.

Dit is een oud truukje dat werkt... en ik ben niet de enige die dat beweert. Verlaag die 1k eens naar 100Ω, een waarde die vaker gebruikt wordt.

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Met 1K was er geen verschil, met 100R is de H3 een beetje minder maar bestaat nog.
Ik zal nog testen doen met lagere waarden en zien als dat vermindert niet uitgang vermogen.
In dit geval, zal ik deze weerstand toevoegen in mijne functie generator project.
Ik heb het begrepen: Verschil komt van de feit dat het is de LM318N die stroom door de 100R weerstand de belasting is aan te voeden gedurende de zero crossing van de torren.
Dat is de reden van verbetering met lage waarden van weerstand.
Het heeft een nadeel: grotere verliezen voor de LM318N.
Met 100R, uitgangstroom van de LM318N zal grotere van 0,6V/100R = 6mA dan zonder weerstand.
Het is niet leuk want max. uitgangstroom van LM318N is omgeveer 14mA.
hfevan BC639/640 is ten minste 40.
Max uitgang Peak stroom is 15V/47R = 0,320A.
Max base stroom is dus 0,32A/40 = 8mA.
Deze stroom meer de stroom veroorzaakt door de 100R tussen bases en emittors (6mA) zijn niet groter dan 14mA...
Dus OK voor de 100R tussen bases en emittors...
Bedankt aan Henry voor dit truukje. :-)

[Bericht gewijzigd door Emilien op 29 augustus 2009 19:38:11 (19%)]

Allereerst allemaal heel erg bedankt voor jullie reacties. Wow, 10 reacties binnen no-time !!

Op 29 augustus 2009 schreef JustME125:
Tenminste een basisweerstand is wel handig volgens mij

Volgens mij is een basis weerstand niet nodig.

Op 29 augustus 2009 schreef big bang:

  • Je circuit heeft dus al direct een benodigde bandbreedte van 40Mhz.
  • Ik was ook al aan het denken, zijn er geen poweropamps die sterk en snel genoeg zijn om direkt te doen wat je wil, zoiets in de richting van een OPA541?
  • Mooi generatortje overigens, ik heb hier de 10Mhz broer op de meetplank, de SFG2110

- Ik had dat vergeten van die harmonischen voor een blokgolf. Hmmmm, moet dus iets worden dat 40MHz aankan.
- Power Op Amps had ik ook over gedacht. Ik had nog een L165 maar die heeft een slew rate van 6 tot 9 V/µS. Alles wat je daar instopt wordt vanzelf een driehoek :-) Zo'n OPA541 of LM675 lukt het daarmee wel dan?
- Vond de GW Instek goed kwa prijs, features en gebruik gemak. Kwam ook goed uit de test van Elektuur.

Op 29 augustus 2009 schreef Emilien:

  • BC327/BC337 wordt te hoog en ze gaan kapot. Daarom had ik BC639/BC640 gekozen.
  • Tweede: deze transistoren werken zonder bias, dat veroorzaakt zero crossing H3 distortie.

- Mijn BC327/337 van Siemens worden wel warm, maar ze zijn nog niet kapot, ook niet langdurig bij alleen de 47Ω naar massa. Ik heb een hekel aan dikke power transistoren in mijn bread board (dikke pennen), en idd een BC639/640 uit jou funktie generator is beter, maar die had ik niet.
- Zero crossing, idd nog geen rekening mee gehouden.

Op 29 augustus 2009 schreef Henry S.:
Op te lossen door tussen bases en emittors een 1k weerstand te zetten.

Top zo'n tip, zal ik doen !

Op 29 augustus 2009 schreef Pros:
Toch nog even tonen

Dank voor je schematje !

Met dat extra weerstandje zou het dus al beter moeten werken en mijn NPN/PNP paartje heeft een HFE van 250, dus die extra 6 mA is niet zo'n probleem.

Maar de stroom verhogen, gaat dat met deze aanpak lukken? Is er niks te beginnen door de collectoren van de torren met +/- 40V aan te sluiten en dikkere torren te gebruiken met koeling? Een beetje als een audio eind versterker dat ook doet.

Ik weet dat 4MHz te hoog gegrepen is, had leuk geweest als een 'naverbrander' voor mijn funktie generator die ook 4Mhz is. 1MHz zou ook al voldoende zijn.

Als je het schema aanpast, verwissel dan meteen de '-' en de '+' aanduidingen bij de opamp.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

Om blokgolf van de stroom versterker zo goed als uitgang van uw functie generator, moet stijg en daal tijden van deze versterker ten minste dezelfde dan uw functie generator.
SFG2104:
"Rise or Fall Time ?25ns at maximum output(into 50R load)
Amplitude Range: 2mV-10Vpp(into 50R load)"
Dus slew rate van de versterker zou 10V/25nS of 400V/µs zijn.
Zelfs zó, zullen stijg en daal tijden verdubbeld worden. (50 ns).
LM318N met feed forward heeft een slew rate van 150V/µs, dus niet toegepast.

Mijn BC327/337 van Siemens worden wel warm, maar ze zijn nog niet kapot, ook niet langdurig bij alleen de 47Ω naar massa.

Hebt U met sine golfvorm geprobeert en max. uitgang spanning?
Volgens theorie, is de max. rendiment van een classe B versterker 78,5%.
Met maximale uitgang spanning en +/- 15V voedingen, is de theoretische rms spanning op de belasting de volgende: 15V/vierkantswortel van 2 = 10,6Vrms
Uitgang vermogen op 50R is dan: 2,25Wrms
Verliezen in de torren is dus 2,25 x (100-78,5)/78,5 = 616mW
In elke transistor, theoretische verlies is dus 308mW.
BC327 en BC337 hebben en Ptot van 625mW aan temperatuur tot max. 25°C en "mounted on a FR4 printed circuit".
Thermal weerstand is 0,2K/mW in dezelfden gestelheden.
Als het moet ten minste met 35°C kunnen werken, (in gesloten behuizing, kan temperatuur stijgen tot 40°C en zelfs meer), is dat al volgens theorie heel "scherp".
Maar in de praktijk is het wel verschillend: meer verliezen gebeuren door Vbe spanning en de feit dat uitgangspanning van LM318N gaat niet tot -15V, noch tot +15V.
Met 2K belasting en +/-15V, gaat uitgangspanning alleen tot + en - 13V.
Ik heb geen tijd nu, maar later zal ik alles meten, verbruik van de voeding, uitgangspanning, enzovoort zodat ik de behoorlijke rendiment kan berekenen.

Top zo'n tip, zal ik doen !

Als U dezelfde voedindspanning gebruikt, dan moet U uitgang weerstand verminderen om groter stroom te hebben.
Dan zal deze lage waarde weerstand tussen bases en emittors minder effect hebben.
Andere probleem: met grotere vermogen torren, U zal meer stroom voor de bases nodig hebben...Uitgang stroom van LM318N is maar 14mA, wat heel weinig is!
U kan zeker niet 6mA verspillen...!

Is er niks te beginnen door de collectoren van de torren met +/- 40V aan te sluiten

Drive van de bases zou dan ook tot +/-40V gaan, maar dat is onmogelijk als de LM318N mag niet +/-40V voedingspanning verdragen.
AD847 van Analog Device schijnt beter toegepast (300V/µs) dan LM318N.
Maar uitgang stroom is ook een vijftiental mA...als bij de LM318N.
Zie ook:
www.national.com/an/AN/AN-261.pdf

Op 29 augustus 2009 23:17:45 schreef flash2b:
- Power Op Amps had ik ook over gedacht. Ik had nog een L165 maar die heeft een slew rate van 6 tot 9 V/µS. Alles wat je daar instopt wordt vanzelf een driehoek :-) Zo'n OPA541 of LM675 lukt het daarmee wel dan?
- Vond de GW Instek goed kwa prijs, features en gebruik gemak. Kwam ook goed uit de test van Elektuur.

- Nee, niet met die opamps, ik heb nog even wat aan het zoeken geweest maar nog niet mijn goesting gevonden. Ik weet wel uit deze post van Free_electron dat Apex speciale (tot zeer speciale) opamps maakt, maar ook aan de kosten. We zouden nog eens kunnen neuzen bij National, ST, Analog devices, Linear Technology en BurrBrown.

- Die Instek DDS generatortjes zijn een plezier, ik heb van de mijne nog geen spijt gehad, en die is idd voordelig en goed uit de Elektuurtest gekomen.

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

Op 30 augustus 2009 13:08:01 schreef Emilien:

  • Ik heb geen tijd nu, maar later zal ik alles meten, verbruik van de voeding, uitgangspanning, enzovoort zodat ik de behoorlijke rendement kan berekenen.
  • Als U dezelfde voedingspanning gebruikt, dan moet U uitgang weerstand verminderen om groter stroom te hebben.
    Dan zal deze lage waarde weerstand tussen bases en emittors minder effect hebben.
  • Drive van de bases zou dan ook tot +/-40V gaan, maar dat is onmogelijk als de LM318N mag niet +/-40V voedingspanning verdragen.

Heel erg bedankt voor alle informatie die je hebt gegeven.Dat waardeer ik echt !

- Idd in een gesloten behuizing wordt het erg warm, maar nu zit het nog op een breadboard. Dat wordt dus niks met die BC327/337. De BC639/640 hebben echter een veel lagere HFE en dan hou ik idd niks meer over aan de uitgang. Kan ik geen darlington gebruiken oa BC516/517 of zwaarder ?

- Als ik de uitgang weerstand verlaag en dat dus nadeling voor de H3 crossover, daar heb je een punt. Vandaar dat ik de voedingsspanning omhoog wilde gooien.

- Ik bedoelde de Op Amp op +/- 15V en de eind-trap op +/- 40V. Dat moet toch mogelijk zijn als de HFE van de transistoren hoog genoeg is ?

Kan ik geen darlington gebruiken oa BC516/517 of zwaarder ?

Neen, darlingtons zijn heel traag, dus zeker niet een goede oplossing voor een versterker van ten minste 10Mhz weergave.
Waarom zijn darlingtons traag? Want de on en off tijden de som van alle beiden transistoren van de darlington zijn.

Als ik de uitgang weerstand verlaag en dat dus nadeling voor de H3 crossover, daar heb je een punt. Vandaar dat ik de voedingsspanning omhoog wilde gooien.

Voedingsspanning omhoog gooien lost niet probleem van H3 crossover distortie.
Wat deze probleem oplost, is een polarisatie voor de uitgang transistoren te voorzien. (Ik heb al een schema getekent, ik moet nog monteren en testen doen)

Ik bedoelde de Op Amp op +/- 15V en de eind-trap op +/- 40V. Dat moet toch mogelijk zijn als de HFE van de transistoren hoog genoeg is ?

Torren werken als "emitter follower". Daarom mag uitgangsspanning maar tot basesspanning minder 0,6V gaan.
Als basesspanning gaat alleen tot +/-15V, collectoren aan +/-40V dient tot niet, uitgangsspanning blijft +/-14,4V...
Erger, verliezen in de torren zullen heel groter worden...voor geen aanwinst.
Ik heb nog een betere toegepaste OP gevonden: AD844
Me dunkt dat het mogelijk zou zijn BD139-16 en BD140-16 (16 betekent een Hfevan ten minste 100) te gebruiken.

Een BD139 (Ft 90MHz) met een BD140, mits op koellichamen, zijn voor een 4MHz eindtrap voldoende.

Ik heb het schema van de HM8030 bekeken. Typisch Hameg, o.a. goed te repareren.

Henry S.

Moderator

Op 31 augustus 2009 14:15:46 schreef Emilien:
[...]Neen, darlingtons zijn heel traag, dus zeker niet een goede oplossing voor een versterker van ten minste 10Mhz weergave.
Waarom zijn darlingtons traag? Want de on en off tijden de som van alle beiden transistoren van de darlington zijn.

Sziklay-schakeling gebruiken?

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Ik heb hier wat gewone NPN-torren en wat NPN-darlingtons vergeleken op 9.7MHz. Ik zie daar geen duidelijk verschil tussen. BC517 is zelfs de beste van de klas...

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

@rbeckers: flash2b wil een stroomversterker voor 1Mhz blokgolf, dus tenminste 10Mhz eindtrap.
@Henry S.: Zouden complementare darlingtons (Sziklay-schakeling) sneller zijn?
Een andere vraag;
Is het nodig een darlington te gebruiken?
AD844 uitgangsstroom is meer dan 15mA...keren 100 = 1,5A peak...is dat niet genoeg?...met 30Vpp blokgolf, dat zal een echte RF zender worden...:-)
@pros: BC517 = 0,6w...heel heel te weinig, ook wat betreft stroom

Henry S.

Moderator

Voordelen van een Sziklay-schakeling
-Even snel als een enkele emittervolger
-lagere Usat dan een darlington, gelijk aan een enkele emittervolger
-lagere Ube dan een darlington, gelijk aan een enkele emittervolger

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

@Emilien: persoonlijk zou ik geen darlington's gebruiken, tenzij het echt noodzakelijk is. Daarmee heb je nog meer last om overneem-vervorming weg te werken.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

@Emelien
Een tijd terug een oscillator gemaakt op 280MHz met een BD139.
Een BD139 zal 10MHz wel halen.
Anders een snellere tor kiezen.

2N2219 en 2N2205 misschien? Eigenlijk zijn dit snelle schakeltransistors, maar ze presteren ook goed in lineair bedrijf.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)