DE2816314B2

DE2816314B2 - MOSFET-Source-Folgerschaltung

Info

Publication number: DE2816314B2
Application number: DE2816314A
Authority: DE
Inventors: Tohru Yokohama Sampei (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1980-07-10
Also published as: US4168471A; JPS53128251A; DE2816314A1; CA1114035A

Description

Die Erfindung betrifft eine Source-Folgerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Vergleich zu einem bipolaren Transistor hat ein MOSFET einen hohen Verstärkungsfaktor und ist daher zur Vereinfach mg des Schaltungsaufbaus vorteilhaft. Die zahlreichen Vorteile des MOSFET umfassen auch überlegene Frequenzeigenschaften und schnelles Schalten und damit einen geringer Klirrfaktor. Eine Source-Folgerschaltung hat andererseits insbesondere Überlegene Frequenzeigenschaften.

Herkömmliche MOSFET-Source-Folgerschaltungen dienen jedoch zum Verstärken kleiner Signale, um lediglich ein vergleichsweise kleines Wechselstromsignal zu erzeugen, und sie werden zur Verstärkung von z. B. der Eingangsstufe eines FM-Tuners eingesetzt.

Die Eingangssignalquelle für diese Schaltungen speist ein Wechselstromsignal von höchstens einigen V ein, wobei der Kapazitätswert zwischen Drain und Source eines verwendeten MOSFET nicht größer als einige pF ist, so daß der MOSFET nicht der unerwünschten Schwingung ausgesetzt ist. in einem Leistungs-MOS-FET speist jedoch dessen Eingangssignalquelle ein Wechselstromsignal von einigen IO V ein, so daß der Kapazitätswert zwischen Drain und Source eines verwendeten MOSFET einige hundert pF beträgt, was oft dazu führt, daß der MOSFET schwingt.

Ein Leistungs-MOSFET ist mit einer Kühlrippe zur Wärmeabstrahlung ausgestattet, so daß die Leitung, die den Gate-Anschluß für den Signaleingang und die (gedruckte) Schaltungsplatte verbindet, beträchtlich lang ist. Weiterhin ist die Leitung zwischen Drain und einem eine Last bildenden Lautsprecher unerwünscht lang. Diese Leitungen bzw. deren Induktivitäten rufen oft eine Schwingung des Leistungs-MOSFET hervor.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der oben aufgezeigten Nachteile eine stabilisierte Source-Folgerschaltung anzugeben, die insbesondere schwingungsfrei ist und stabil in einer Endstufe eingesetzt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst und

durch das Merkmal des Umeranspruchs weitergebildet,

Bei einer Einrichtung zum Stabilisieren integrierter Halbleiterschaltungen, die ausschließlich bipolare Elemente enthält, ist es bekannt, durch einen negativen Realteil der Eingangsimpedanz verursachte Instabilitäten durch einen Basiswiderstand zu beseitigen (DE-OS 26 07 177). Weiter ist auch ein Verstärker mit einem als Source-Folgerschaltung ausgebildeten FET und einem bipolaren Transistor bekannt (vergleiche Elektor (Mai ίο 1976), S. 5—50, Bild 4), Keine dieser Druckschriften befaßt sich jedoch mit dem Problem, das bei Source-Folgerschaltungen mit parallel geschaltetem Leistungs-MOSFETs auftritt, die relativ hohe Eingangsspannungssignale verarbeiten können, zumal die π Schwingungsneigung nicht nur durch die große Drain-Source-Kapazität, sondern auch durch die Kühleinrichtung und die Verdrahtung verursacht wird.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Source-Föigerschaliung,

Fig.2 ein Ersatzschaltbild eines MOSFETs in Source-Schaltung,

F i g. 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Source-Folgerschaltung,

Fig.4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßevi Source-Folgerschaltung mit parallelen MOSFETs,

jo F i g. 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindvngsgemäßen Source-Folgerschaltung mit MOSFETs in Parallel- und Gegentakt-Schaltung.

Ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in F i g.! gezeigt. In F i g. 1 ist ein N-Kanal-Leir> stungs-MOSFET 2 mit einem Gate-Anschluß 5, einem Drain-Anschluß 6 und einem Source-Anschluß 7 vorgesehen. Ein Ende einer Last 2 ist mit dem Source-Anschluß 7 verbunden. Eine Spannungsquelle 4 liegt zwischen dem anderen Ende der Last 7 und dem 4t) Drain-Anschluß 6, wobei der positive Pol der Spannungsquelle mit dem Drain-Anschluß 6 verbunden ist. Ein Ende einer Signalquelle 3 ist mit der negativen Elektrode der Spannungsquelle 4 verbunden. Ein Widerstand 14 liegt in Reihe zwischen dem anderen ■r> Ende der Signalquelle 3 und dem Gate-Anschluß 5. Bei dieser Schaltungsanordnung ist der Widerstandswert des Widerstandes 14 so gewählt, daß eine Schwingung des Leistungs-MOSFET I verhindert wird.

Im folgenden werden die Bedingungen für die ^r>o Schwingung näher an Hand der Zeichnung erläutert.

Ein Ersatzschaltbild für den MOSFET I ist in Fig. 2 gezeigt.

In Fig.2 sind vorgesehen ein Gate-Anschluß 5. ein Drain-Anschluß 6, ein Source-Anschluß 7, ein Gatc- Yi Widerstand 8 mit einem Widerstandswert r,, ein Eingangskondensator 9 mit einer Kapazität C* eine Hilfsstromquelle 10, in der ein Strom gleich der ^„,-fachen Spannung V am Eingangskondensator 9 fließt, ein Ausgangswiderstand 12 mit einem Wider-W) standswert n>und ein Ausgangskondensator 13 mit einer Kapazität Cm. Ein Ersatzschaltbild für die Source-FoI-gerschaltung der I' i g. I ist in F i g. 3 gezeigt, in der /ur Änderung der Sourcc-Schaltung nach F i g. 2 in eine Drain-Schaltung der Drain-Anschluß 6 mit dem h*> Sourcc-Anschluß 7 vertauscht ist. wobei der im Vergleich /um Last widerstand Ri ausreichend große Aüsgiingswiderstand rn weggelassen und auch die Kleine Kückkoppliingskapazität ('„«vernachlässigt j«,t.

Für die Schaltung der F i g, 1 gilt: Z₁ = von der Stromquelle 3 abgegebener Strom und

h = Etngangsstrom in den Ausgangskondensator I₁ = J₁ + ν χ g„ = i, + h χ χ g_m (1) Cojund in den Lastwiderstand Ru

5 Mit Gleichung (1) folgt aus Gleichung (2):

ν = J₁ (Ru, + T_x + -γ\Λ + faf-nrrr-B-

(2)

mit

= Spannung an der Signalquelle 3,
₁₄ = Widerstandswert des Widerstandes 14,

Daher beträgt die Eingangsimpedanz Z_n von der Signalquelle 3 aus:

2/" 2 η 2

'" ί-_ΟΜ Kj,

I + "'¹C₀JRl² ο, C₁₁₁(I + .O¹C₀JRl¹)
gm C₀₁₁R₁.²

C^(I + «»² C₀₁₁ ²R₄.²) · Daraus ergibt sich der Realteil der Impedanz:

1 + "¹C₀JRl²

einschließlich dem negativen Realteil. Als Ergebnis kann die Bedingung zum Erzeugen eines negativen Widerstandes durch die folgende Ungleichung (5) ausgedrückt werden:

«14 + T_x +

ÄmC_0MRj,

ι" C_OM K₁, )

Im allgemeinen gilt 1 >ω² C₀J Rl² und daher folgt aus der Ungleichung (5):

σ C J? ¹
^K14 + T_x + «j. γ, < 0 . (6)

Derartige MOSFETs sind z.B. die Typen 2SK132, 2SK133. 2SKI34 und 2SKI35 für P-Kanal sowie 2SJ47, 2SJ48, 2SJ49 und 2SJ50 für N-Kanal. Die Konsianten dieser MOSFET sind r, = O^ Ω, G« = 500 pF, g_m = 13 S und C„„ = 20OpK Der Lastwiderstand R₁. hat einen Widerstandswert gleich dem Impedanz-Widerstandswert eines Lautsprechers, d. h. 8 Ω. Durch Einsetzen dieser Werte in Ungleichung(6)ergibt sich:

- 25 < 0.

(7)

Dies bedeutet, daß der Realteil der Eingangsimpedanz in herkömmlichen Schaltungen ohne den Widerstand 14 — 25 Ω hat, also einen negativen Widerstandswert. In herkömmlichen Schaltungen, bei denen die Ausgangsimpedanz der Signalquclle nicht größer als 25 Ω ist. wird daher die Eingangsimpedan/ von der Signalqucllo aus negativ, was zur Möglichkeit einer Schwingung fuhrt, die aufgrund der Induktivität der Verdrahtung oclur Vcrbindungslcitung /wischen dem Gate-Anschluß und der Signalqiielle auftritt.

Eine derartige Induktivität soll den Wert /. haben. Da die Schwingungsfrequenz gleich dem Wert ist, der den Imaginärteil der Gleichung (4) nullsetzt, ist die Sch*ingungsfrequenz /"gegeben durch:

2.7

Wenn die Induktivität gering ist, wird die Schwingungsfrequenz groß. Da, wie aus Ungleichung (5) folgt, der negative Widerstandswert mit steigender Frequenz abnimmt, tritt jedoch keine Schwingung auf, wenn die Impedanz sehr klein ht.

Ls wurde bereits darauf hingewiesen, daß der L«;ist"ngs-MOSFET auf einer Kühlrippe zur Wärnieabstrahlung befestigt wird, so daß die Verdrahtung oder Verbindungsleitun^ zwischen dem Gate-Anschluß und der Schaltungsplatte oft lang ist. Wenn die Verbindungsleitung z. B. 20 cm lang ist, beträgt die Induktivität ca. 60 mH. Damit schwingt der Leistungs-MOSFET mit den oben erläuterten Konstanten mit z. B. 80 M Hz.

Um diese Schwingung zu verhindern, muß die Impedanz der Signalquelle groß sein, wie dhs oben erläutert wurde. Nach Ungleichung (h) ist eine derartige Bedingung erfüllt, wenn gilt:

f r, f R₁ -

0.

In Fällen mit den oben erläuterten Konstanten gilt: R₁₄ - 25 > 0.

D. h., Ru muß größer als 25 Ω sein.

Die Erfindung geht davon aus, daß ein derartiger Widerstand 14 mit einem Widerstandswert /?u von mehr als 25 Ω in Reihe zwischen dem Gate-Anschluß und der Signalquelle liegt. Dieser positive Widerstand hebt den negativen Widerstandswert auf und verhindert so die Schwingung. In praktischen Anwendungen ist die Verbindungsleitung zwischen dem Source-Anschluß und der Last oder dem Lautsprecher unvermeidbar länger, und um eine Schwingung durch eine derartige längere Verbindungsleitung zu verhindern, sollte der Widerstandswert /?u des Widerstandes 14 nicht kleiner als 100 Ω gewählt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Suuixc-ruigcrscnaiiuiig mii raraiiel-MGSFET isi in Fig.4 gezeigt. In Fig.4 sind einander entsprechende Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Weiterhin sind vorgesehen ein N-Kanal-Leistungs-MOSFET 15 ähnlich dem MOSFET 1 und Widerstände 16 und 17. Der Source-Anschluß des MOSFET 15 ist mit dem Source-Anschluß des MOSFET 1 verbunden, während der Drain-Anschluß des MOSFET15 an den Drain-Anschluß des MOSFET1 angeschlossen ist. Der Widerstand 14 zwischen dem Gate-Anschluß des MOSFET1 und der Signalquelle 3 in Fig. I ist durch zwei Widerstände 16 und 17 in Fig.4 ersetzt. Der Verbindungspunkt der Widerstände 16 und 17 ist mit dem Gate-Anschluß des MOSFET 15 verbunden. Wie aus F i g. 4 folgt, muß wenigstens ein Widerstand, wie z. B. der Widerstand 17, zwischen den Gate-Anschlüssen der Leistungs-MOSFETs 1 und 15 vorgesehen sein. Wenn der Widerstand 17 nicht mit einem der Gate-Anschlüsse verbunden ist, tritt eine Schwingung selbst dann auf, wenn der Widerstand 16 zwischen den Gate-Anschlüssen und der Signalquelle 3 liegt. Die Ursache hierfür liegt darin, daß die Impedanz der Signalquelle 3 zum MOSFET 15 gleich ist der Impedanz der Parallelschaltung des Widerstandswertes

des Widerslandes 16 und der Eingangsimpedanz des MOSFET 1. Selbst wenn der Widerstand 16 großen Widerstandswert hat. ist daher der Realteil der Eingangsimpedanz des MOSFET 1 klein, so daß vom MOSFET 15 aus die Impedanz der Signalquelle 3 sehr klein ist und nicht den negativen Widerstandswert aufhebt, wodurch die Schwingung hervorgerufen wird. Das gleiche gilt für die Impedanz der Signalquelle 3 vom MOSFET 1 aus. Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß bei einer Source-Folgerschaltung mit Parallel-MOSFETs eine direkte Verbindung der Gate-Anschlüsse zu einer Schwingung führen kann, wodurch die Schaltung instabil wird. Um dieses Problem zu überwinden, ist ein Widerstand von mindestens 100 Ω mit dem Gate-Anschluß von wenigstens einem Leistungs-MOSFET verbunden, so daß der negative Widerstandswert aufgehoben wird, wodurch die Schwingung verhindert wird. In vorteilhafter Weise werden Widerstände von einigen hundert Ω für die Widerstände ιό und i/ verwendet. Der Verbmuungspunkt der Widerstände 16 und 17 kann auch über einen weiteren Widerstand mit dem Gate-Anschluß des Leistungs-MOSFET 15 verbunden sein.

Das Schaltbild der Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem parallel geschaltete MOSFETs wie beim Ausführungsbeispiel der Fig.4 weiter in einer Gegentakt-Schaltung vorgesehen sind. Neben den MOSFETs 1 und 15 (F ig. 4} sind weiter Leistungs-MOSFETs 18 und 29 parallel geschaltet. Die Gate-Anschlüsse der Leistungs-MOSFETs 1, 15, 18 und 29 sind jeweils mit Widerständen 28, 31, 32 bzw. 30 verbunden. Wie dies bereits oben näher erläutert wurde, kann einer der Widerstände 28 und 31 und/oder einer der Widerstände 32 und 30 weggelassen werden. Beispielsweise können die Leistungs-MOSFETs 1 und 15 vom Typ 2SKI35 und die Leistungs-MOSFETs 18 und 29 vom Typ 2SJ50 sein. Jeder der Widerstände 31, 28, 32 und 30 hat einen Widerstandswert von 220 Ω; der Lastwiderstand 2 hat einen Widerstandswert von 8 Ω; jede der Spannungsquellen 4 und 19 liefert eine Spannung von 60 V. Auf diese Weise entsteht eine Leistungs-MOSFET-Schaltungvon 100 W.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

U Source-Folgerschaltung zur Verarbeitung eines von einer Signalquelle stammenden Signals mit zumindest zwei parallel geschalteten MOSFETS, dadurch gekennzeichnet,
daß die MOSFETS Leistungs-MOSFETS sind,
daß ein erster Widerstand (17) vorgesehen ist, dessen eines Ende elektrisch mit dem Gate des einen MOSFETS (1) verbunden ist und dessen anderes Ende elektrisch mit dem Gate des anderen MOSFETS (15) verbunden ist und
daß ein zweiter Widerstand (16) in Reihe zwischen dem anderen Ende des ersten Widerstands (17) und der Signalquelle (3) geschaltet ist.

Z Source-Folgerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand in Reihe zwischen dem Gate des anderen MOSFET (15) und dem anderen Ende des ersten Widerstands (17) geschaltet ist