HotFET Pre: Предварительный усилитель на полевых транзисторах (философия)

 

Вадичу, моему большому другу и неутомимому мотиватору.

 

HotFET Pre - прототип

[Read in English]

Сначала было... нет, не слово, и даже не идея, а всего лишь недоумение: почему усилители на лампах горячие и чаще всего звучат хорошо, а изделия на полупроводниках обычно холодные, и звучат в большинстве случаев... как-нибудь так. Бунтую, спорю, пытаюсь сделать хорошо, делюсь наработками с Миром.

 

Основная идея:

транзистор надо загнать в "горячий" режим работы.
 Здесь и далее по тексту "транзистор" обозначает "полевой транзистор", будь то p/n-канальный MOS-/J-FET. Если термины непонятны, либо опустите, а лучше читаем: Полевые транзисторы. Биполяры здесь не рассматриваем.
Вобщем, тут же целая философия вызрела. Обозначу лишь основные моменты.

  1. Выбор рабочей точки на наиболее линейном участке характеристик - для ламп обычная практика, особенно в маломощных цепях: там никто не станет экономить какой-нибудь милливатт рассеиваемой на аноде мощности в ущерб качеству. Транзисторные же схемы все нынче "зелёные", а искажения правятся потом обратными связями.
  2. Чем больше начальный ток протекает через усилительное устройство, там на меньший процент он, ток этот, должен будет меняться, чтобы обеспечить заданную амплитуду изменения сигнала на выходе. Так мы из передаточной "кривульки" вырезаем совсем маленький участочек, который уже хорошо аппроксимируется прямой.
  3. Чем больше ток через канал - тем больше крутизна (а по-простому - усиление) полевого транзистора. Следовательно, можно обеспечить необходимое усиление меньшим количеством каскадов, или добиться меньшего выходного сопротивления повторителя. Ну, всё в разумных пределах, конечно.

Почему пп. 1-3 так привлекательны для построения усилителя аудио сигналов? Высокая линейность усилительного элемента (на рабочем участке) означает низкие искажения. При наличии отрицательной обратной связи, охватывающей несколько каскадов усиления или даже весь усилитель, такие мелочи, обычно, не учитывают. Но! Петлевая отрицательная обратная связь - очень спорное "достоинство" электронного дизайна в аудио. Есть тому научные и не совсем ещё научные свидетельства. Вообще, влияние петлевой ООС на звук - тема для полновесной диссертации. Так что давайте пока попробуем без неё - ограничимся лишь местной, так называемой "дегенеративной" ООС.

Ещё несколько определяющих идей.

  • Пользуем по возможности n-канальные транзисторы. Ибо их p- собраться на поверку обязательно оказываются по каким-либо параметрам раза в два-три хуже. Объясняют сей феномен меньшей подвижностью дырок. Кстати, вакуумного p-триода ведь так пока никто не изготовил, а усилители на лампах строят. Значит и мы справимся.
  • J-FET "звучит" лучше, чем MOSFET. Я не стану "подписываться" под этим заявлением. В данном случае jfet просто лучше, удобней вписался по параметрам, да и МДП-транзисторы со встроенным каналом (depletion MOSFET) не шибко распространены.
  • В ламповой технике (не считая оконечные каскады усилителей мощности) обычно огромный запас по напряжению во всех каскадах.

 

Первым устройством,

которое родилось на базе этой "тёплой" философии и воплотилось в железе, был предварительный усилитель. Точнее будет назвать его согласователем сопротивлений, буфером, или, более привычно - повторителем. Но ведь получилась коробочка с аудио-разъёмами "in" и "out" на задней панели и ручкой регулятора громкости на передней. Значит - полноценный предварительный усилитель!

Кстати, о выборе необходимого коэффициента усиления (в данном случае - чуть меньше единицы). Этого достаточно! У большинства современных CD и прочих цифровых источников сигнала номинальное выходное напряжение 1, а то и 2 Вольта действующего значения (RMS). А усилители мощности все дружно работают от 1 Вольта, а то и 0.775 Вольт (0dBm) на входе.

J310

Рабочая лошадка

- высокочастотный усилительный полевик с p-n переходом J310 (datasheet). Выбран за доступность и относительно высокий начальный ток стока: от 24 до 60мА по спеку. Правда в партии, что у меня была, из ста протестированых Idss чуть больше 40мА попалось лишь несколько штук.

Хотелось загнать его в режим близкий к начальному току стока. Усиливать (повторять) надо как минимум 4 Вольта амплитуды. Итого, грубо: 30мА * 5В = 150мВт. Это уже достаточно горячо для TO92 корпуса. И совсем без запаса по амплитуде. А ведь как хорошо получалось: для работы на нагрузку в 10КОм нужно будет раскачивать ток в 0.4мА, т.е. 1/75 от начального тока - линейненько должно получиться, однако!

Когда экспериментировал с "тёплым" усилителем для наушников, наблюдал весьма интересный эффект: искажения уменьшились до неразличимых (на моём измерительном стенде меньше 0.01%), как только я поднял напряжение питания до удвоенного значения амплитуды. При нескольких вольтах запаса по амплитуде искажения были, и заметные. Тут очевидно применима логика, аналогичная рассуждениям по поводу выбора высокого начального тока: работаем на небольшом участке характеристик прибора, который хорошо аппроксимируется прямой. Напомню ещё разок - никаких петлевых ООС.

Вобщем, если всё сдалеть так, как нам хочется - уж слишком горячо получается. Если взять 10В питания, да 30мА току - это уже 300 милливатт. По документашке устройство может выдержать максимум 625мВт. При термическом сопротивлении в 357 градусов на ватт, мы перегреваемся даже при 300мВт - больше 130 градусов цельсия при комнатной температуре. Я ратовал за "тёплый" усилитель. Но, всему же есть предел, и, как говорится: что для лампы хорошо (130 градусов на баллоне), то для транзистора - смерть. Спасает -

Каскод:

Основное тепло будет рассеивать более мощный MOSFET в TO-220 корпусе, его можно и на радиатор прикрутить. А маленький J-fet получит свой ток и комфортное падение напряжения на канале примерно в 1 Вольт. Заодно избавляемся от дополнительной нелинейности, связанной с модуляцией длины канала напряжением (ссылочка для любознательных), и уменьшаем влияние ёмкости сток-затвор.

В качестве нагрузки истокового повторителя было решено использовать источник тока, построенный по идентичной схеме.

HotFET Pre: схема-скелетик

Такое решение выгодно благодаря взаимной компенсации нелинейностей верхнего и нижнего плеча схемы, которые работают в одинаковых режимах, но в противофазе. Но есть и недостаток: требуются исключительно хорошо подобранные пары j-fet'ов и точные токозадающие резисторы. Надеюсь, это хоть немного остановит паяльщиков-такелажников, особенно из Страны Дешёвой Электроники, от массового растиражирования моего скромного дизайна, и даст мне шанс привнести в Мир наборы для самостоятельной сборки по-настоящему качественного предусилителя энтузиастами аудиовоспроизведения высокой верности.

В продолжении - разбор схемотехники такого, казалось бы совсем простенького предварительного усилителя, в деталях.

моё, выстраданое. без согласия автора перепечатывать любыми способами - нельзя. ссылаться - можно 🙂
=== (с) BezzaBot.blogspot.com === (с) MyElectrons.ru ===

Комментарии ВКонтакте

20 thoughts on “HotFET Pre: Предварительный усилитель на полевых транзисторах (философия)

  1. Pingback: Настройка усилителя HotFET-Pre | MyElectrons.ru

  2. Pingback: HotFET Pre: схемотехника предусилителя на полевых транзисторах | MyElectrons.ru

  3. Pingback: HotFET Pre: J-FET audio preamplifier (backgrounds) | MyElectrons

  4. Насчет философии — это, конечно, хорошо. Но появляется вот такой философский вопрос: в пункте 1 философии прописано, что нужно выбирать наиболее линейный участок характеристики. У ламп — так и есть. Посмотрим, что у транзисторов.
    Биполярный транзистор: ток коллектора = «е в степени» (напряжение база-эмиттер).
    Полевой транзистор: ток стока = напряжение затвор-исток в квадрате.

    И где это наиболее линейный участок у параболы?

    • Полевой транзистор, как раз при больших токах, имеет вполне пологую передаточную характеристику (см. уравнение Ховстайна).

      Увы, исторически так уж сложилось, что ламповики всё считают по графикам и на глазок определяют «линейный» участок характеристики, тогда как горе-транзисторо-строители оперируют лишь формулками для малых сигналов…

  5. 1. Уравнение Ховстайна как раз и говорит, что ток — это напряжение в квадрате. Поэтому «линейность» характеристики только кажущаяся (так же, как и у биполярных транзисторов): перерисуйте график в другом масштабе, и увидите, что точка, которая была на «линейном» участке теперь находится на нелинейном.

    2. На самом деле на участке большого тока («за 5 минут до перегорания») начинает сказываться омическое сопротивление тела полупроводника, и характеристика транзистора нормализуется. Но реально там работать может только супероптимист.

    3. У ламп была очень хорошая повторяемость характеристик. И независимость их от температуры. У транзисторов большой разброс, так что характеристика из даташита для него — это просто нечто условное. Тем более, что она меняется с температурой.

    4. Поэтому _хорошие_ разработчики пользуются характеристиками лишь для учета общих тенденций. Также, как и «формулками» для малых сигналов. Этого как раз достаточно, чтобы понимать, что «линейный участок характеристики» транзистора — это миф, пришедший со времен ламповой техники, так же, как и многие транзисторные схемы «из учебника», являющиеся кальками с ламповых схем. Кстати, такие кальки — далеко не лучшие решения…

  6. Игорь, не совсем улавливаю, почему собственно спорим, о чём?

    1. ?! Будьте любезны формулу в студию?
    Кстати, в реальном мире вообще нету ничего строго линейного, что и к ламповым ВАХ относится. Вопрос лишь в приближении, аппроксимации рабочего участка прямой. «Перерисуйте график в другом масштабе!» 😉

    2. Никто тут и не призывает к экстремизму. Золотая середина — наше всё. Я лишь предлагаю не впадать в ересь тотальной экономии электричества при построении аудиотракта на полевых транзисторах. И пожалуйста, не надо на меня ярлычки всякие цеплять.

    3. Ну да, ну конечно, полностью согласен, так что из этого следует?

    Сам я считаю, что лучшего активного элемента, нежели вакуумный триод, для задач звуко-усиления — покамест не придумано. Тем не менее это не мешает мне искать пути приблизиться к душевному ламповому звуку и в тех моих аппаратах, которые на «кирпичиках». Получается неплохо. Кто сомневается — заходите, послушайте сами!

    4. Про схемы-кальки с биполяров на полевики я уже упоминал ( http://myelectrons.ru/tubes-vs-transistors-philosophy/ ), с ламповой схемотехникой та-же петрушка, полностью согласен. По поводу же _хороших_ разработчиков: Игорь, а как же вы сами, будьте любезны, поделитесь своим опытом, покажите, что у вас получается, в какие аппараты воплощаются ваши знания, ваша собственная философия?

  7. 1. Формула: Iс=(K/2)*(Uзи-Uт)^2. Это уравнение параболы — где именно здесь линейный участок?

    Кстати, Вы первый упомянули эту формулу, почему теперь Вы просите ее привести?

    2. Я не вешаю ярлыки, я лишь говорю, что наиболее линейный участок получается при токах, близких к предельно допустимым. В статье говорится о «наиболее линейной точке» — я лишь уточняю, что она действительно есть именно там. Если Вы имели ввиду именно ее, то какие вопросы ко мне? Если не ее — то Вы ошибаетесь.

    3. Лично я по поводу ламповых триодов придерживаюсь противоположного мнения. Но это все — мнение, и я его держу при себе. Я всего лишь сказал, что «ламповый» подход неприменим к транзисторным схемам в том числе и по той причине, что паспортные характеристики для полупроводников — это некоторые условные числа по которым производители отделяют брак. И которыми следует пользоваться очень осторожно. Для оценки, а не для расчетов. У ламп действительно можно было найти более линейный участок характеристики, и реальная лампа имела характеристику очень хорошо совпадающую с заявленной, так что там можно было ею пользоваться.

    4. Мне кажется, что это не совсем то место, где мне следует рассказывать о моих достижениях и моей философии. 😉 И я всегда стараюсь, чтобы моя философия, если она отличается от философии автора, не мешала мне смотреть на вещи трезво. Поэтому-то я указал на единственную ошибку, которая реальна и которую делают довольно часто (и я когда-то ее делал, чего греха таить) — если же с чем-то остальным я и не согласен, то это все _моя_ философия, и здесь она не нужна. Схема работает, а нравится она мне, или нет — это мои проблемы и незачем об этом здесь говорить.

    • Что-то вспыльчив я стал в последнее время… устал, наверное. Простите, Игорь, за некоторую агрессивность в ответах. Интернет нынче среда весьма агрессивная, частенько приходится отбиваться ото всяких троллей, вот я и погорячился.

      А если по делу, то в статье всё верно сказано — перечитайте 😉 Хотя согласен, тему можно было и получше раскрыть.

      Про линейный участок характеристики речь идёт исключительно о лампах, я нигде не обманываю читателя, будто бы у полевиков есть идеально линейный участок: «Выбор рабочей точки на наиболее линейном участке характеристик — для ламп обычная практика». Это я в пику разработчикам на п.п., которые часто вообще не обращают внимания на искажения отдельно взятого каскада, мол ООС потом всё исправит. Действительно, при беглом прочтении можно было понять двояко.

      С квадратичной зависимостью и линейностью тоже всё очень просто: если мы зададимся необходимым нам изменением выходного тока, то чем выше мы будем «подниматься» по нашей параболе — тем ближе _этот_участок_, который нас интересует, рабочий участок характеристики — тем ближе он будет к прямой, тем меньше искажения.
      Если надо — можно показать строго.

      О работе на предельных токах речь совсем не идёт — это было бы полным безумием с точки зрения надёжности конечного изделия.

      И всё же — покажите ресурс, где Вы делитесь своими наработками? На этот сайт заглядывают люди весьма вдумчивые и знающие — может и у Вас им будет интересно…

  8. Вы пишите:
    «С квадратичной зависимостью и линейностью тоже всё очень просто: если мы зададимся необходимым нам изменением выходного тока, то чем выше мы будем «подниматься» по нашей параболе — тем ближе _этот_участок_, который нас интересует, рабочий участок характеристики — тем ближе он будет к прямой, тем меньше искажения.
    Если надо — можно показать строго.»
    Покажите это строго! 😉
    Но прежде чем показывать, проделайте такой эксперимент (хорошо получается в программе Excel). На графика параболы визуально можно выделить три области:
    1. «Горизонтальная», в районе вершины параболы.
    2. «Вертикальные ветви», идущие вверх практически «линейно» (именно о них Вы и пишете)
    3. Переходная область «излома», перехода от «горизонтали» к «вертикалям».
    Так вот, такое разделение – это обман зрения. Если Вы возьмете ПРОИЗВОЛЬНУЮ точку на параболе, важно, чтобы она была задана набором координат – значениями Х и У (а у нас ведь именно такой случай – напряжение и ток транзистора фиксированы) и перестроите график в различных масштабах по осям Х и У, то увидите, что для разных масштабов заданная точка может находиться в ЛЮБОЙ из этих областей! И в «линейной», и в «горизонтальной», и в «перегибе». Нет у параболы «более линейного участка», все одинаковы. При увеличении масштаба (вначале был 1 единица на деление, а стал – 100 единиц на деление графика), у Вас любая точка перейдет с «вертикальной ветви» параболы в нижнюю часть графика. Чем масштаб крупнее, тем точка визуально ниже.
    Если есть куда прислать картинки…
    Это было «пионерское» доказательство. Строгое доказательство таково: мерой нелинейности функции является ее производная в заданной точке. Вот всех точках параболы производная одинакова, так что все точки параболы одинаково нелинейны.

    Что касается ресурса, помните анекдот, когда «выхожу на пляж, а там станки, станки, станки…»? Не хватало и мне оказаться в аналогичной ситуации… 🙂

    • Игорь, ценю Вашу настойчивость! 🙂

      Для начала позанудствую и я 😉
      Первая производная отражает лишь скорость изменения функции (ну или крутизну транзистора в нашем споре). Мерой нелинейности же можно считать лишь производные более высоких порядков. И действительно, вторая производная от нашей параболы будет константой, отличной от нуля.

      Сдаётся мне, что в своих рассуждениях Вы просто не принимаете во внимание начальное условие задачи: нам требуется изменение выходного параметра в заданном диапазоне.

      Теперь докажу свои выводы с калькулятором наперевес. Для краткости рассмотрим упрощённую модель полевика с передаточной характеристикой y=x^2. И опять же для простоты понимания и хотя бы минимального приближения к реальному миру пусть «y» означает ток стока в мА, а «х» — напряжение затвор-исток в Вольтах.

      Зададимся необходимым нам изменением выходного тока в 1мА в каждую сторону, т.е. пик положительной и отрицательной полуволн должен доходить до +-1мА от начального тока стока. Если же одинаковые по абсолютной величине и противоположные по полярности изменения входного напряжения вызовут разные по модулю изменения выходной величины — то степень этого отличия по модулю полуволн разной полярности мы и будем считать мерой нелинейности каскада.

      Надеюсь, до сего момента особых возражений возникать не должно было, ни у профессионалов («станки, станки…»), ни у любителей 😉

      Эксперимент №1.
      Начальный ток стока 2мА (как в 99% повторителей).
      Для получения отклонения выходного тока на -1мА требуется изменение входного напряжения на -0,414В (sqrt(1)-sqrt(2)).
      Положительное изменение входного напряжения на ту же величину +0,414В вызовет изменение выходного тока уже на +1,343мА (1,828^2 — 2).
      Итого нелинейность в данном эксперименте будем считать условно равной 34%.

      Эксперимент №2.
      Начальный ток стока 20мА (HotFET в простейшем своём исполнении).
      Для получения отклонения выходного тока на -1мА требуется изменение входного напряжения на -0,113В (sqrt(19)-sqrt(20)).
      Положительное изменение входного напряжения на ту же величину +0,113В вызовет изменение выходного тока на +1,022мА (4,585^2 — 20).
      Итого нелинейность в данном эксперименте можно считать условно равной 2%.

      Предлагаю выбрать — какой эксперимент лично Вам больше по душе? 😉

  9. «Мерой нелинейности же можно считать лишь производные более высоких порядков». По Вашему, раз производные функции а*х^2+b порядка выше, чем второго, равны нулю, то парабола выходит линейна? Вообще-то нелинейность по определению — отклонение от прямой линии. Производная прямой = 0, действительно, вот это вот действительно линейность.

    В экспериментах речь идет не о нелинейности, а о крутизне.

    • Первая производная от функции — прямой, непараллельной оси Х (скажем у=а*х) — будет постоянной величиной (у’=а), верно? Такая функция — линейна, не так ли? Производная её отнюдь не 0.
      Либо я совсем забыл математику и пора мне за парту, либо мы с Вами, Игорь, просто никак не можем договориться о взаимо-понятной терминологии 🙂

      Пожалуйста, не выдёргивайте цитату из контекста:
      «Первая производная отражает лишь скорость изменения функции (ну или крутизну транзистора в нашем споре). Мерой нелинейности же можно считать лишь производные более высоких порядков.»
      Скажу по другому, чуть точнее, и, надеюсь, с точным сохранением смысла полной цитаты: «мерой нелинейности можно считать лишь производные более высоких, нежели первая, порядков.»
      Неужели и тут будут возражения? 😉

      • Аххх Игорь, ну конспиратор 🙂

        А ведь у Вас очень ценный материал на сайте. По мне так зря скромничаете — лично я был бы искренне рад поучаствовать в наращивании ссылочной массы для Вашего сайта — глядишь всё больше оголтелых «лириков» начнут включать головушку…

        Кстати, может помните, я даже испросил авторского соизволения выложить у себя на сайте Вашу статью про конденсаторы (естественно с соблюдением авторских прав), и разрешение даже было получено! Каюсь, пока не дошли ещё руки создать достойное обрамление тому материалу.

        Грустно, что у нас с Вами тут какой-то неудобоваримый спор практически на пустом месте вышел. Ну да ничего — в споре, говорят, рождается что-то 😉

    • Да, о крутизне. Просто взгляд немножко под другим углом — этакое объяснение на пальцах, почему и зачем при бОльшей крутизне меньше искажения.

      Мне казалось, что объяснение наглядное, интуитивно понятное. Но вот поди-ж ты какой спор вышел…

      Именно идею выжать максимум из маленького транзистора я тут и взращиваю. Естественно это давно известный «велосипед», но, согласитесь, не шибко он распространён нынче, в мире «зелёных» и прочих усилителей класса «Д».

  10. Нелинейность — отличие функции от прямой линии. Почему Вы отказываете первой производной в праве быть мерой нелинейности? Функция нелинейна, если ее ЛЮБАЯ производная отлична от нуля. Откуда вообще взялось это мнение о производных высоких порядков?

    Обратите внимание, что я спорю только по этому поводу. Просто это действительно ошибка.

    • Игорь, да где же ошибка? Я утверждаю, что если первая производная функции равна константе — функция линейна. (off-topic, однако 🙂 )
      Соответственно первая производная линейной функции имеет право отличаться от нуля. Вот производные более высоких порядков (2-го и выше) у линейной функции завсегда равны нулю, этого у них не отнимешь 😉

      Так пусть же математики нас рассудят 🙂
      Навскидку нагуглил: http://ru.ncbase.com/econ/math.htm (хм, молодые экономисты в данном случае)
      Что-то мы о прямоте прямой никак не можем договориться 🙂

  11. Линейная функция по определению — прямая линия, описываемая уравнением ах+b.

  12. Согласен. Прошу прощения — был невнимателен и немного запутался в Ваших высших производных. Первая производная от прямой — константа. Но это не меняет дела: линейная функция — это прямая, линейная зависимость — прямая пропорциональность. Парабола — функция нелинейная.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *