<SUMO>認識有關Circlotron電路的基礎知識

samurai

早在半導體元件被發展出來以前的真空管電路時代，Circlotron電路就已經被發展出來了！

首先我們先來了解一下Circlotron電路的基本原理。
下面這個電路圖是一種三極真空管的Circlotron電路，負載是接在真空管的陽極。

Circlotron電路的基本原理在於電源在電路中的電流必須構成封閉的迴路，
也就是說一個電路中的電源從正端流出的電流，不論在任何情況下都必定等於從電源負端流入的電流！
下圖顯示出電源V1的電流迴路：

由於電源V1的電流迴路I1流經真空管U1，所以V1的電流I1完全受到真空管U1的控制。

下圖顯示出電源V2的電流迴路：

由於電源V2的電流迴路I2流經真空管U2，所以V2的電流I2完全受到真空管U2的控制。
而I1跟I2在負載RL上重疊，所以負載RL上的電流為 I1減掉I2（或者也可以說是I2減掉I1，就看你的相位怎麼訂定），
電流I1完全受到真空管U1的控制，電流I2完全受到真空管U2的控制，
所以形成真空管U1跟真空管U2以推挽的方式在驅動負載RL。

Circlotron電路除了可以將負載接在真空管的陽極，也可以將負載接在真空管的陰極，
像下圖這樣。


一般將負載接在真空管的陰極通常都會接成陰極隨耦電路，
像下圖這樣。

然而上圖中，V1和V2相對於輸入信號的地而言是浮動的，因此真空管U1跟真空管U2的偏壓Vgk無法確定！
由於真空管U1跟真空管U2以推挽的方式在驅動負載RL，
若要將真空管U1跟真空管U2的偏壓Vgk確定下來，必須抓出負載RL的中點電位做為地電位，
像下圖這樣。

當然，也可以用具有中央抽頭的輸出變壓器來抓出負載RL的中點電位做為地電位，
像下圖這樣。


在半導體元件中，FET跟真空管一樣都是電壓控制的元件，
所以FET很容易就可以套用到前面所介紹的真空管Circlotron電路。

下圖是負載接在洩極(Drain)的MOSFET Circlotron電路：

Circlotron電路是一種推挽輸出電路，可以工作在A類、B類或AB類的狀態。
上圖中，電源V1和V2是24V，所以這個電路可以輸出的最大峰值電壓是24V，
但如果考慮MOSFET和其源極電阻所可能吃掉的壓降，輸出的最大峰值電壓估計大約在20V左右。
負載是8Ω，輸出的最大峰值電壓是20V，所以最大的輸出峰值電流為2.5A。
推挽輸出電路，是兩邊各輸出一半的電流，所以MOSFET的偏流必須設定在1.25A以上才能工作在A類狀態。

下圖是負載接在源極(Source)形成源極隨耦電路輸出的MOSFET Circlotron電路：



相較於高輸出阻抗的洩極輸出電路，低輸出阻抗的源極隨耦電路在工作在AB類時有顯著的優點，在此特別加以仿真說明。

下圖是加入交流訊號並將MOSFET的偏流降低，使其工作在AB類的洩極輸出MOSFET Circlotron電路：

下圖顯示出兩個MOSFET的電流以及負載上的諧波失真。

下圖顯示出兩個MOSFET的合成電流以及負載上的諧波失真。

下圖是加入交流訊號並將MOSFET的偏流降低，使其工作在AB類的源極隨耦輸出MOSFET Circlotron電路：

下圖顯示出兩個MOSFET的電流以及負載上的諧波失真。

下圖顯示出兩個MOSFET的合成電流以及負載上的諧波失真。


從上面的仿真比較中，可以看出低輸出阻抗的源極隨耦電路在工作在AB類時，
電流較大的MOSFET會在另一方截止時自動加大輸出電流，補足因對方截止所缺少的電流，
所以失真遠比高輸出阻抗的洩極輸出電路還要低得多！


接下來如果用雙極性電晶體BJT來做Circlotron電路又如何？

由於BJT不同於真空館和FET，真空館和FET是屬於電壓控制元件，而BJT是屬於電流控制元件，
所以BJT理應由電流來驅動。

下圖是由集極輸出的BJT Circlotron電路：


下圖是由射極輸出的BJT Circlotron電路：

上圖由於是由電流驅動，所以並不能算是射極隨耦輸出電路！
射極隨耦輸出的BJT Circlotron電路應如下圖所示：

上圖中，由於BJT的 Ie = Ic + Ib ，而Q1、Q2的Ib並不在V1、V2的電流迴路之中，
所以Q1、Q2的Ib會流經R4、R5而在R4、R5上造成壓降，這一點可以由下圖的仿真中顯示出來。


下面五張仿真圖顯示出R4、R5對於Q1、Q2的Ib供應不足而造成Q1或Q2截止的現象。

上圖顯示Q1、Q2的偏流設定在1.25A左右。

上圖顯示出RL兩端輸出電壓波形明顯不對稱。

上圖為測量Q1、Q2的射極電流Ie的電路。

上圖顯示出R4、R5對於Q1、Q2的Ib供應不足而造成Q1或Q2截止的現象。

上圖為Q1、Q2射極電流Ie的合成波形。

除此之外，這樣的電路如何維持Q1、Q2的偏流穩定、如何做偏流的熱補償也是個大問題！
因此發展出如下圖所示，以恆流源供應Q1、Q2的Ib的電路。

上圖中的恆流源I1、I2在實際電路中可以是個阻值很大的電阻或用小信號JFET、BJT構成的恆流電路。

下圖為測量Q1、Q2的射極電流Ie的電路。

下圖顯示出Q1、Q2的Ib供應不足而造成Q1或Q2截止的現象。

下圖顯示出Q1、Q2的Ib供應不足而造成輸出波形削頂的現象。

上圖這種輸出波形削頂的現象是由於恆流源所供應給Q1、Q2的Ib是固定的，
所以當一方截止時，另一方的Ib即達到最大供應量，以至於輸出電流無法繼續增加，而導致輸出波形削頂！

下面這張圖在Q1、Q2的B-E極反向並聯一個二極體，
當Q1或Q2的B-E極逆偏時，二極體順偏導通而提供額外的Ib供應，
使輸出電流繼續增加，而不致於讓輸出波形削頂！

下圖顯示出Q1、Q2的Ib供應不足而造成Q1或Q2截止的現象，
但由於二極體順偏導通而提供額外的Ib供應，使未截止的一方輸出電流繼續增加。

下圖顯示出負載RL上的電流波形沒有削頂。


既然Q1或Q2的截止是因為Q1、Q2的Ib供應不足，
那麼只要讓輸出電流大的一方可以得到額外的Ib供應，就不會搶走另一方的Ib導致另一方截止！

下圖的設計使得輸出電流大的一方可以得到額外的Ib供應，但額外供應的Ib大小必須適當，
太大會導致Q1、Q2虛耗功率，太小會令Q1或Q2的截止！

下圖顯示Q1、Q2都沒有截止。

下圖顯示出負載RL上的電流波形失真很低。


介紹到此，就大致可以了解Sumo-Nine放大器在Circlotron電路部分的電路設計。

雖然Sumo-Nine放大器是使用Darlington電晶體，不過Darlington電晶體可以看成是β值很大的BJT，
所以前面有關BJT用在Circlotron電路的分析都適用於Darlington電晶體。

比較前面BJT的Circlotron電路和真空管及MOSFET的Circlotron電路的分析，
可看出真空管及MOSFET這種電壓控制元件用在Circlotron電路的效果較好，問題也較少。
BJT這種電流控制元件用在Circlotron電路的效果較差，問題也較多。
其實也可以嘗試用中功率的MOSFET驅動大功率的BJT，以這樣的架構用在Circlotron電路。
MOSFET驅動大功率的BJT的電路架構其實跟IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)類似，
所以把IGBT用在Circlotron電路的效果應該也會很好。

2sc3223

wang1314

学习了，但是还不怎么明白

samurai

学习了，但是还不怎么明白
wang1314 发表于 2009-11-11 13:44

你得反覆思考, 仔細推敲, 並且動手實驗, 才能真正明白.

sunvio

高手！能分析的这么头册

samurai

http://bbs.hifidiy.net/viewthrea ... 3Ddigest&page=8
由於上面這個精華帖中, 有關輸出晶體不會截止的說法有問題, 我提出我的看法卻沒人回答, 所以我花了點時間做了這些仿真.

5,在较小的静态电流下，就可以处于甲类放大状态，大大的减少了功耗
请看下图：

MJ11032的静态电流是由场管构成的恒流源决定的，由于V1和V2电源是分开的。它们之间没有回路。流过恒流源的电流其实就是MJ11032的Ib电流，只要恒流源的电流不为零，MJ11032的Vbe就不会出现夹断现象。而供给喇叭的电流是由V2提供的。
cww11 发表于 2006-4-12 22:24

上面有關MJ11032不會出現夾斷現象的說法有問題!


上圖中, 雖然表面上看起來兩個MJ11032各自有JFET的恆流源供應其Ib偏流,
但由於喇叭負載將兩邊連在一起,
所以輸出電壓較高的MJ11032會透過喇叭負載去搶輸出電壓較低一方的MJ11032的Ib偏流,
搶到較多Ib偏流的MJ11032會有較大的Ic電流,
Ib偏流被搶走的MJ11032會有較小的Ic電流,
如果Ib偏流被搶光了, MJ11032就會出現夾斷現象!

反過來說,
V2,V3只供應兩的MJ11032的Ic, (注: Ib = Ie - Ic )
如果兩個MJ11032不會隨輸出的變化互相搶Ib偏流,
那麼Ib偏流是恆流源, 永遠不變,
那表示兩個MJ11032的Ic電流也永遠不會變. (注: Ic = β * Ib )
這就發生矛盾了!

wang1314

支持LZ做个MOSFET的SUMO MINI

wang1314

"上圖中, 雖然表面上看起來兩個MJ11032各自有JFET的恆流源供應其Ib偏流,
但由於喇叭負載將兩邊連在一起,
所以輸出電壓較高的MJ11032會透過喇叭負載去搶輸出電壓較低一方的MJ11032的Ib偏流,
搶到較多Ib偏流的MJ11032會有較大的Ic電流,
Ib偏流被搶走的MJ11032會有較小的Ic電流,
如果Ib偏流被搶光了, MJ11032就會出現夾斷現象!

反過來說,
V2,V3只供應兩的MJ11032的Ic, (注: Ib = Ie - Ic )
如果兩個MJ11032不會隨輸出的變化互相搶Ib偏流,
那麼Ib偏流是恆流源, 永遠不變,
那表示兩個MJ11032的Ic電流也永遠不會變. (注: Ic = β * Ib )
這就發生矛盾了!"关于这个问题有点疑问：
１.假如恒流源电流＞＝２Ｉb，MJ11032会不会出現夾斷現象：
２.假设Ｉb存在，Ｉe＝Ｉc+Ib,IC>0,MJ11032不应该出現夾斷現象
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

samurai

"上圖中, 雖然表面上看起來兩個MJ11032各自有JFET的恆流源供應其Ib偏流,
但由於喇叭負載將兩邊連在一起,
所以輸出電壓較高的MJ11032會透過喇叭負載去搶輸出電壓較低一方的MJ11032的Ib偏流,
搶到較多Ib偏流的MJ11032會有較大的Ic電流,
Ib偏流被搶走的MJ11032會有較小的Ic電流,
如果Ib偏流被搶光了, MJ11032就會出現夾斷現象!

反過來說,
V2,V3只供應兩的MJ11032的Ic, (注: Ib = Ie - Ic )
如果兩個MJ11032不會隨輸出的變化互相搶Ib偏流,
那麼Ib偏流是恆流源, 永遠不變,
那表示兩個MJ11032的Ic電流也永遠不會變. (注: Ic = β * Ib )
這就發生矛盾了!"关于这个问题有点疑问：
１.假如恒流源电流＞＝２Ｉb，MJ11032会不会出現夾斷現象：
２.假设Ｉb存在，Ｉe＝Ｉc+Ib,IC>0,MJ11032不应该出現夾斷現象
wang1314 发表于 2009-11-11 21:18

我用上面這個圖來解釋你的兩個問題。

1 . BJT是三端元件, 其Ie=Ib+Ic, 三端元件就只有這三個電流, 所以Ie不會大於或小於Ib+Ic, 這是克希荷夫電流定律.
     上面的圖中, V1和V2提供兩個BJT的Ic, 而電源電流必定是封閉迴路, 所以兩個BJT的Ie=Ib+Ic中,
     必定只有Ic流回V1和V2, 兩個BJT的Ib既然不能流到V1和V2去, 依照克希荷夫電流定律,
     Ib必定經由R4和R5流到GND, 即使R4和R5改成恆流源也一樣, 兩個恆流源的電流之和必定等於兩個Ib之和!
     我說的是"兩個恆流源的電流之和必定等於兩個Ib之和"而不說"兩個恆流源的電流之和必定等於2Ib",
     因為兩個Ib不一定相等,
     只有在靜態時, RL上的電流和壓降為0, 兩個BJT的Ib才相等(假設兩個BJT完全配對).
     當RL上的電流和壓降不為0時, 必定有一個BJT的Ie較大, 另一個BJT的Ie較小, Ie較大的BJT會有較大的Ib,
     Ie較小的BJT會有較小的Ib, 也就是說兩個BJT在搶有限的Ib, 一但哪個BJT搶不到Ib, 哪個BJT的Ib=0, 那個BJT就會截止.

2 . 同樣, 兩個BJT在搶有限的Ib, 一但哪個BJT搶不到Ib, 哪個BJT的Ib=0, 那個BJT就會截止.

weiwei01

看不明

wang1314

谢谢LZ的解答,按照LZ的意思应该设计成动态IB补偿了

samurai

谢谢LZ的解答,按照LZ的意思应该设计成动态IB补偿了
wang1314 发表于 2009-11-12 11:12

SUMO-NINE的電路早就是動態Ib補償的設計了!

samurai

支持LZ做个MOSFET的SUMO MINI
wang1314 发表于 2009-11-11 20:57

我不想做A類的機子, 太耗電!
所以我仿真了兩種MOSFET的Circlotron電路,
一種是AB類工作的, 一種是動態A類工作的.

AB類的在低頻時失真低, 高頻時失真變高,
動態A類的不管高低頻失真都差不多.

你喜歡哪一種?

下面兩張圖是AB類的在低頻時失真低.



下面兩張圖是AB類的在高頻時失真變高.




下面四張圖是動態A類的不管高低頻失真都差不多.

yong.bt

再进来学习一下.
用mos管担任电流放大管除了失真小是否比bjt管更稳定?
另:达林顿管(比如mj11032)hfe值很高,调大偏流是否对ib的需求就小了?
这个应该算是mos版的circlotron

samurai

再进来学习一下.
用mos管担任电流放大管除了失真小是否比bjt管更稳定?
另:达林顿管(比如mj11032)hfe值很高,调大偏流是否对ib的需求就小了?
这个应该算是mos版的circlotron

yong.bt 发表于 2009-11-12 16:37

我從PASS DIY網站下載的FET Circlotron是這個版本:


對於像SUMO-NINE這種架構的Circlotron而言,
改用MOSFET是否比Darlington穩定這我還不是很肯定,
還得實際多做些實驗看看.

MJ11032的hfe值很高, 所需的Ib自然就小, 跟調大偏流有什麼關係?

卡西利亚斯

优秀分析啊~~~~~~~

mcr125cc

密切关注中
德国的多能是旗舰后级TEM 3200都是用类似的线路
不过系胆结石的http://www.6moons.com/audioreviews/thorens/thorens.html

samurai

密切关注中
德国的多能是旗舰后级TEM 3200都是用类似的线路
不过系胆结石的http://www.6moons.com/audioreviews/thorens/thorens.html

mcr125cc 发表于 2009-11-12 18:06

動態A類?!

wang1314

我喜欢动态A类的哦

yong.bt

我從PASS DIY網站下載的FET Circlotron是這個版本:
1088024

對於像SUMO-NINE這種架構的Circlotron而言,
改用MOSFET是否比Darlington穩定這我還不是很肯定,
還得實際多做些實驗看看.

MJ11032的hfe值很高,  ...
samurai 发表于 2009-11-12 17:45

吸收吸收~继续,mj11032的ic越大HFE越高,怎么会没有关系？在一定工作条件下这两个参数的变化在没有温度补偿和其它保护措施的情况下直接导致的结果就是~~烧管~~！