Ανάλυση κυκλώματος προ-ενισχυτή buffer με JFET

Ενισχυτές, προενισχυτές, φίλτρα, όργανα μέτρησης ήχου.
Άβαταρ μέλους
GeorgeVita
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 501
Εγγραφή: 04 Σεπ 2013, 21:51
Ονομα: Γιώργος
Επικοινωνία:

Ανάλυση κυκλώματος προ-ενισχυτή buffer με JFET

Δημοσίευσηαπό GeorgeVita » 03 Οκτ 2013, 19:33

Ανάλυση κυκλώματος προ-ενισχυτή buffer με JFET

Με αφορμή μια e-παρουσίαση κατασκευής ενός απλού αλλά διάσημου προ-ενισχυτή ήχου, προσπάθησα να αναλύσω το κύκλωμα ως προς την αρχή λειτουργίας του. Αναφέρομαι στον "The First Watt B1 Buffer Preamp (Nelson Pass, June 2008)" που περιγράφεται στη σχετική ιστοσελίδα Pass DIY.

Σχεδιασμένο και με πνευματικά δικαιώματα από την "First Watt" έχει κερδίσει πολλές διθυραμβικές κριτικές σε επίπεδο ... μυθοποίησης! Επειδή όμως τα κυκλώματα δεν είναι ένας μύθος, συνήθως πίσω από τη φήμη τους κρύβεται η βασική αρχή λειτουργίας των εξαρτημάτων και εδώ του JFET (Junction gate Field-Effect Transistor). Το βασικό κύκλωμα είναι απλά ένα JFET για κάθε κανάλι!

Εικόνα

α. Κύκλωμα buffer
Σκοπός ενός κυκλώματος απομόνωσης ("buffer") είναι να οδηγήσει το επόμενο στάδιο χωρίς να "φορτώσει" την πηγή και αν χρειάζεται να προσαρμόσει τις σύνθετες αντιστάσεις των κυκλωμάτων.

β. JFET
Ενα JFET έχει 3 ακροδέκτες: S-source-πηγή, D-drain-εκροή, G-gate-πύλη
Μεταξύ Source και Drain υπάρχει ένα "κανάλι" από ημιαγωγό που συμπεριφέρεται ως μεταβαλλόμενη αντίσταση ανάλογα με την τάση στο Gate. Οταν δεν υπάρχει τάση στο Gate (Vgs=0V) η αντίσταση Rds είναι η "τυπική" για το συγκεκριμένο JFET. Με την εφαρμογή αρνητικής τάσης στο Gate ενός JFET N-channel (Vgs<0) το "κανάλι" στενεύει αυξάνοντας την αντίστασή του:

Εικόνα

γ. VCR με JFET
Ενας εξασθενητής ρυθμιζόμενος από τάση είναι μια απλή και βασική εφαρμογή ενός JFET ως "αντίσταση μεταβαλλόμενη από τάση" (Voltage Controlled Resistor):

Εικόνα

Το σήμα περνά μέσα από ένα διαιρέτη τάσης με ένα σταθερό τμήμα (αντίσταση R) και ένα μεταβαλλόμενο προς το 0V/GND (το JFET). Οταν το Gate δεν έχει τάση (Vgs=0V) δεν έχουμε σήμα στην έξοδο γιατί η αντίσταση Rds είναι η ελάχιστη γειώνοντας το σήμα μέσα από την R. Με την εφαρμογή αρνητικής τάσης στο Gate, το JFET έρχεται σιγά σιγά στην αποκοπή και το σήμα αυξάνεται στην έξοδο έως το μέγιστο επίπεδό του.

δ. Πηγή Σταθερού ρεύματος
Μελετώντας την χαρακτηριστική καμπύλη του JFET βλέπουμε ότι έχει 3 σημεία λειτουργίας, γραμμική περιοχή, κόρος, διάσπαση. Για μια πηγή ρεύματος χρήσιμη είναι η κατάσταση κορεσμού (saturation) στην οποία το ρεύμα είναι σχεδόν σταθερό για μεταβολές στην τάση Vds ή τη θερμοκρασία, μάλιστα μας ενδιαφέρει η πιο ευθύγραμμη καμπύλη (πράσινη περιοχή στο γράφημα):

Εικόνα

Το "απλό" κύκλωμα είναι να συνδέσουμε το Gate με το Source ρυθμίζοντας το ρεύμα στην καμπύλη Vgs=0V. Αν χρειαζόμαστε διαφορετικές τιμές βάζουμε σε σειρά με το Source μια αντίσταση. Το παραπάνω κύκλωμα πηγής σταθερού ρεύματος μπορεί να ρυθμιστεί για ρεύμα από 5μΑ έως περίπου 1mA.

Σημειώστε ότι τα παραπάνω σχόλια είναι μια "προσέγγιση" και ότι αν κάνετε δοκιμές θα πρέπει να προφυλάξετε τα JFET από μεγάλα ρεύματα ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Περισσότερα θα βρείτε στα datasheets και βέβαια στο internet. Συμπληρώνοντας τη λέξη "Siliconix" δίπλα στην αναζήτησή σας θα έχετε θεωρητικά αρτιότερα αποτελέσματα (η Siliconix σήμερα είναι τμήμα της Vishay).

ε. B1 - Buffer Pre-Amplifier
Γνωρίζοντας τα παραπάνω καταλαβαίνουμε εύκολα πως λειτουργεί το κύκλωμα που βασίζει την ποιότητά του στην καλή επιλογή των εξαρτημάτων (μικρές αποκλίσεις μεταξύ τους, "audio grade"). Το βασικό JFET (Q100) έχει πολωμένο το Gate στο 50% της τάσης τροφοδοσίας και το Source τροφοδοτείται από την πηγή σταθερού ρεύματος του "δίδυμου" JFET (Q101). Χωρίς σήμα τα 2 JFET συμπεριφέρονται ως ένας απλός διαιρέτης τάσης με ίσες αντιστάσεις στα JFET (η Rds του Q100 είναι ίση με την Rds του Q101). Το αποτέλεσμα είναι να έχουμε στην έξοδο την ίδια τάση δηλαδή το 50% της τάσης τροφοδοσίας. Οταν βάλουμε σήμα στην είσοδο "χαλάει" αυτή η ισορροπία και η μεταβολή της Rds του Q100 φτιάχνει το σήμα εξόδου με ακρίβεια και γραμμικότητα λόγω της πηγής σταθερού ρεύματος (Q101).

Δε νομίζω να χρειάζεται εξήγηση η ύπαρξη των πυκνωτών εισόδου-εξόδου ή του ποτενσιομέτρου ...

στ. Υλικά, βελτιώσεις
Εφόσον μιλάμε για "ακραίες καταστάσεις" (έστω και High-End), πρέπει να λάβουμε υπόψη κάποιες σημειώσεις:
- τα εξαρτήματα να επιλεγούν ως "δίδυμα ζεύγη" με ίδια χαρακτηριστικά
- μπορεί να αφαιρεθεί το ποτενσιόμετρο και στη θέση του να μπει περιστρεφόμενος μεταγωγός πολλών θέσεων ο οποίος θα βάζει στο κύκλωμα αντιστάσεις ακριβείας σε προεπιλεγμένους λόγους εξασθένησης
- αντί 2 ανεξάρτητα JFET ανά κανάλι να βρεθούν διπλά JFET σε ένα κέλυφος ("δίδυμα" από κατασκευής)
- χρήση Vref ή op-amp για την παραγωγή των τάσεων τροφοδοσίας (V και V/2)
- καλί φιλτράρισμα και απόζευξη στο τροφοδοτικό ή χρήση μπαταριών

ζ. Εναλλακτικά κυκλώματα
Οταν ξεπεράσουμε την απλότητα του ενός JFET ανά κανάλι, μπορούμε να δοκιμάσουμε μερικά ολοκληρωμένα κυκλώματα τελεστικών ενισχυτών που έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές ήχου ή μετρολογίας και εννοείται ότι υπάρχουν τελεστικοί ενισχυτές με JFET στην είσοδό τους. Τα σύγχρονα ολοκληρωμένα κυκλώματα χαρακτηρίζονται από υπερβολικά χαμηλή παραμόρφωση (0.00003%), άριστη γραμμικότητα (0.000009%), πολύ μεγάλη απόρριψη θορύβων από την τροφοδοσία (120dB) και τεράστιο Gbwp (55MHz). Πρέπει όμως να τα "ακούσετε" για να αποφασίσετε αν είναι καλός ο ήχος τους!

Περισσότερα θα βρείτε στις σελίδες των κατασκευαστών:
LME49710 (NSC-TI)
OPA627 (Burr Brown-TI)
ADA4627-1 (JFET input, Analog Devices)

Επιστροφή σε “Ηχος”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 1 επισκέπτης