Zweck des Gate-Treibers in Klasse-D-Verstärkern

Kann mir jemand erklären, warum wir einen MOSFET-Gate-Treiber in einem Klasse-D-Verstärker wie im Bild unten benötigen (übliche Klasse-D-Schaltpläne)?
Was ich nicht verstehe, ist, wenn wir zum Beispiel 9-V-Schienen haben, würde der Komparator (zum Beispiel LM311) eine PWM-Wellenform mit 9-V-Pegel ausgeben. Wenn wir dann MOSFET verwenden, wird es nicht einfach gleichbedeutend mit Draht? Wäre es nicht dasselbe, wenn wir es einfach anschließen und den MOSFET-Treiber vernachlässigen?
Ich verstehe das Konzept der MOSFET-Verstärkung, wenn wir schwache Signale haben, aber für mich konvertieren wir hier nur 9 V PWM in die gleichen 9 V PWM. Ich habe versucht zu sehen, wie sich der Strom ändert, wenn wir MOSFET platzieren, sehe aber auch keinen Unterschied ...
Ein Grund, der mir einfällt, ist, dass der Komparator einen hohen Ausgangswiderstand hat, der den Strom begrenzt. Ich frage mich, ob das stimmt, aber wenn wir eine 8-Ohm-Last daran anschließen, sollte es trotzdem nicht so wichtig sein. (Quelle: soundonsound.com )
Klasse d Blockdiagramm

Denn Impedanzanpassung ist eine Sache.
Aber wie ändern wir die Lastimpedanz mit Mosfet? Es ist nur ein Draht, der Komparator hat am Ausgang mit Mosfets keine höhere Impedanz
Einige Ihrer Kommentare unten veranlassen mich zu der Frage: Ist Ihnen bewusst, dass ein „MOSFET“ und ein „MOSFET-Treiber“ zwei verschiedene Dinge sind? Nach welcher fragst du eigentlich?

Antworten (2)

Leistungs-MOSFETs haben typischerweise eine ziemlich große Gate-Kapazität, Tausende von pF. Der Ausgangsstromantrieb eines "Standard"-Komparators wird in mA sein. Kombinieren Sie die beiden und Sie erhalten einen Pegelübergang der sich langsam ändernden Gate-Spannung, wobei langsam weniger als zehn Nanosekunden bedeutet. Langsame Gate-Ansteuerung bedeutet langsames Schalten der MOSFET-Last, und das bewirkt, dass sich der MOSFET aufheizt, was den Wert des Klasse-D-Ansatzes zunichte macht. Ein MOSFET-Treiber hingegen kann typischerweise Impulsströme in der Größenordnung von einem Ampere liefern und senken. Dies bietet die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, damit Klasse D ordnungsgemäß funktioniert.

Ich bin mir nicht sicher, wovon Sie im ersten Teil sprechen, ich nehme an, Sie haben die Situation mit 1 Mosfet beschrieben? Ich spreche davon, Mosfets überhaupt nicht zu verwenden, da wir bereits ein PWM-Signal vom Komparator haben und warum es schlecht ist.
@ScienceSamovar Wenn Sie sich fragen, warum die MOSFETs überhaupt notwendig sind, ist der Grund einfach: Dies ist ein Verstärker. Die MOSFETs bieten die Möglichkeit, viel Strom zu treiben, und das macht dieses Ding zu einem Verstärker. Sie werden einen 500-W-Lautsprecher nicht direkt am LM311 betreiben. Du brauchst einen Verstärker.
Aber was mich verwirrt, ist, dass der Komparator effektiv die gleiche Last wie Mosfet "sieht" (da es äquivalent zu Kabel ist). Wenn dies nicht der Fall ist - wo werden die 9-V-Impulse vom Komparator abgeführt? Sorry falls die Frage doof ist... :(
Mich interessiert, was im Falle eines vorhandenen Mosfet-Treibers als Belastung für den Komparator angesehen wird.
@ScienceSamovar Ein MOSFET ist in keiner Weise ein Stück Draht.
Ich meine, im EIN-Zustand wird der Komparator nicht belastet (Widerstand und Reaktanz sind vernachlässigbar).
@ScienceSamovar - das gilt erst, wenn das Tor "aufgeladen" wurde. Bis dahin sieht es für den Komparator aus wie ein ziemlich großer (mehrere tausend pF) Kondensator. Und es ist die Zeit, die zum Aufladen des Gates benötigt wird, die bestimmt, wie schnell es schaltet. Normale Komparatoren reichen einfach nicht aus - ihre Ausgangsimpedanzen sind um mehrere Größenordnungen zu groß.
@ScienceSamovar - Außerdem ist "im EIN-Zustand keine Belastung des Komparators (Widerstand und Reaktanz sind vernachlässigbar)" wahr, aber irrelevant. Der WIDERSTAND eines MOSFET-Gatters ist sehr hoch, aber da er sich wie ein Kondensator verhält, ist seine REAKTANZ frequenzabhängig. Das heißt, die Reaktanz ist bei sehr niedrigen Frequenzen und Gleichstrom sehr hoch ("vernachlässigbar"), bei hochfrequenten Pegelübergängen jedoch sehr niedrig. Und deshalb brauchen Sie einen Treiber mit niedriger Impedanz. Ein Komparator funktioniert gut für sehr niedrige Frequenzen, aber nicht bei den für Klasse-D-Audio erforderlichen >100 kHz.

Zwar hat der Komparator relativ zur Kapazität des MOSFET eine relativ geringe Strombelastbarkeit, was zu langsamen Schaltzeiten führen würde. Siehe Was ist die MOSFET-Gate-Treiberfähigkeit und warum ist sie mir wichtig? Dies ist einer der Gründe, warum Sie Gate-Treiber in Klasse-D-Verstärkern (oder wirklich jeder Anwendung mit Leistungs-MOSFETs) sehen werden.

Es gibt noch einen weiteren Grund. Wenn Sie sich den von Ihnen geposteten Schaltplan ansehen, sind beide MOSFETs N-Kanal-Geräte. Das heißt, um den oberen einzuschalten, muss etwas eine Spannung erzeugen, die mit dem Ausgang schwebt, da die Source des oberen MOSFET mit dem Ausgang verbunden ist. Wenn wir diese Spannung nicht hätten, hätten wir keine geeignete Möglichkeit, das Gate des oberen Transistors anzusteuern.

Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, einen P-Kanal-MOSFET für die High-Side zu verwenden. Dies führt jedoch zu zwei Problemen:

  • Die beiden MOSFETs sind jetzt nicht identisch, was möglicherweise Verzerrungen in den Ausgang einführt.
  • Wenn alles andere gleich ist, haben P-Kanal-MOSFETs einen höheren Einschaltwiderstand als N-Kanal-MOSFETs. Der Grund hat mit der Halbleiterphysik und der relativen Beweglichkeit von Löchern gegenüber Elektronen zu tun.

Viele integrierte Halbbrückentreiber sind verfügbar, die eine Ladungspumpe zur Erzeugung dieser Floating-Gate-Treiberspannung und die gesamte Pegelverschiebungslogik enthalten, um die Schnittstelle mit ihnen trivial zu machen.

Es gibt andere subtile Probleme mit Halbbrücken, die normalerweise durch integrierte Gate-Treiber gelöst werden können. Einer ist, dass Sie niemals wollen, dass beide Transistoren gleichzeitig eingeschaltet sind, da dies die Stromversorgung effektiv kurzschließen würde. Dies wird als Durchschuss bezeichnet . Integrierte Gate-Treiber enthalten normalerweise eine Logik, die dies unmöglich macht, oder sie garantieren zumindest gleiche Laufzeitverzögerung und Gate-Treiberstrom auf der High- und Low-Seite, was das Leben einfacher macht.

Entfernt - schlechte Finger.
Vielleicht möchten Sie bearbeiten, um "subtile Probleme mit Halbbrücken" in "subtile Probleme mit jeder Brückenkonfiguration" oder ähnliches zu ändern. Schließlich ist das Durchschießen ein ebenso großes Problem für Vollbrücken.
Zweck des Gate-Treibers in Klasse-D-Verstärkern
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