Телефонный усилитель на полевых транзисторах

[alexcp]

Усилитель был анонсирован в "Песочнице" в декабре прошлого года. С тех пор было собрано и обмеряно несколько вариантов, из которых один (кмк) годится для обсуждения:

Топология банальная - классический двухкаскадный (ДК+УН) усилитель, следящие каскоды в ДК и его ГСТ, следящий каскод в виде тройки Акопова на MOSFETах в УН, истоковый повторитель в качестве ВК. Интересно было пощупать особенности реализации такого уся на минимальном количестве полевых транзисторов и минимизировать искажения в неинвертирующем и балансном включении.

С показанной на схеме коррекцией петлевое усиление составляет 90дБ @20кГц при Фед в районе 4МГц:

Линейность одинаковая для инверта и неинверта (амплитуда 1В на входе, 2.5В нв выходе, нагрузка 32 ома):

АФЧХ без сюрпризов:

Клип с примененным ВК несимметричный (уровень ограничения снизу определяется током ГСТ в хвосте ВК и сопротивлением нагрузки, здесь 100 ом):

Дальше расскажу об опробованных вариантах построения отдельных каскадов и покажу измерения в железе.

 

[Rus2000]

покажу измерения в железе.

Замечательно.
Очень часто модели полевиков недостаточно хорошо описывают поведение реальных транзисторов. Из-за этого то режимы заметно отличаются от расчетных, то коррекцию приходится уточнять сверх меры, то ещё какой-нибудь клип колбасит.

Офтоп:
Просится название типа "Туполев" (Телефонный Усилитель на ПОЛЕВых транзисторах)
или ТУ-14, по числу транзисторов.
Но мешают только биполярники Q1 и Q2.

 

[alexcp]

Спасибо за название! Пусть будет Туполев.

Первый вариант - тот, что в "Песочнице" - не имел каскодов в ДК и, ожидаемо, искажал в неинверте. Была надежда обойтись каскодом в ГСТ и выравниванием импедансов, подключенным к затворам ДК, но этого оказалось недостаточно.

Традиционно применямые в таких ДК каскоды на JFETах - см., например, УМ МАСТЕР - отлично работали в симуляторе, но в железе оставляли интермоды в неинверте на 15-20дБ выше, чем в инверте. Использование depletion mode MOSFETs решило эту проблему. Хорошие результаты в железе были также получены с (существенно более сложным) каскодом со слежением на биполярах:


И в самом ДК, и в каскоде транзисторы подобраны в пары по Vgs при токе 5мА через транзистор (ток ГСТ ДК - 10мА). В ДК нужно бы подбирать еще и по крутизне характеристики, но я этого не делал.

Токовое зеркало - ложка биполяров в бочке полевиков. Зеркало на полевиках (подобранная пара ZVP3310A) тоже пробовал, но отказался - преимуществ не увидел, а подбирать еще одну пару транзисторов показалась излишним. Можно, впрочем, вернуться к этому варианту. Пробовал также более сложное зеркало Вилсона на трех или четырех транзисторах - в симуляторе эффекта от него практически нет, в железе есть небольшой выигрыш в линейности, который мне показался несущественным. В железе в эмиттеры зекрала добавлен подстроечный резистор для балансировки нуля.

Тройка Акопова на полевиках позволила снизить искажения УНа до уровня, который не получался с простым каскодом. Важно, чтобы у всех трех транзисторов были близкие Vgs. Ток ГСТ УНа выбран 10мА.

ВК в виде истокового повторителя с ГСТ в хвосте был выбран за простоту и отсутствие проблем с термостабильностью. Минусы - он не особенно линеен, хоть и в классе А, и имеет несимметричный клип - т.е. в клипе у сигнала на выходе появляется постоянная составляющая.

Других вариантов ВК в железе пока не пробовал. Классикой здесь был бы ВК на паре латералов, например 2SK216+2SJ79. Можно сделать на паре вертикальных MOSFETов, скажем, IRF610+IRF9610 или, лучше, 2SK2013+2SJ313, но потребуется термоузел. В симуляторе хорошие результаты показал параллельник на биполярах, но это 6 транзисторов вместо двух. Можно еще попробовать BUF634 или LME49600, хотя это будет уже совсем не "Туполев".

Коррекция относительно простая - местная двухполюсная в УН с включением ВК в петлю на НЧ, и ППК плюс конденсатор на опережение в общей петле. При желании можно добавить еще пару полюс-ноль RC цепочкой в нагрузке ДК - это может пригодиться, например, если в ДК использовать не J113, а 2SK170, у которых существенно выше крутизна характеристики.

Усь работает от +/-17 вольт и на более высокое напряжение питания не масштабируется - ограничение связано с предельно допустимым напряжением на затворах MOSFETов.

 

[12943]

Интересно, какое напряжение С-И транзисторов дифкаскада? Судя по даташиту DN2540, получится 1 вольт. Как-то мало для полевиков.
И вот эти измерения -
"применямые в таких ДК каскоды на JFETах - см., например, УМ МАСТЕР - отлично работали в симуляторе, но в железе оставляли интермоды в неинверте на 15-20дБ выше, чем в инверте"
- относятся к дифкаскаду на полевиках? или на биполярах тоже?

 

[Rus2000]

Пробовал также более сложное зеркало Вилсона на трех или четырех транзисторах - в симуляторе эффекта от него практически нет, в железе есть небольшой выигрыш в линейности

Есть смысл заменить Q1 тройкой Акопова.
Или закаскодить его МОСФЕТом (по аналогии с ДК), что будет лучше соответствовать названию темы и схемы.

 

[MakarOFF]

Транзисторы диффкаскада заменить на сборку, что-то типа NSVJ6904, всё таки согласованная пара и крутизна повыше.

 

[12943]

Крутизна у практически всех jfetов практически одинаковая, разница в даташитах обусловлена существенно разным током стока при испытании.

 

[nickson2002]

Интересно, в чем тайный смысл применения в данной схеме транзисторов J113, предназначенных, согласно даташита, для ключевых схем?
(This device is designed for low level analog switching, sample and hold circuits and chopper stabilized amplifiers.)

 

[12943]

Про какого-то лётчика-испытателя сказали: отлично летает на всём, что может летать и хорошо на том, что летать не может.

 

[alexcp]

Интересно, какое напряжение С-И транзисторов дифкаскада? Судя по даташиту DN2540, получится 1 вольт. Как-то мало для полевиков.

Что-то около 1,5 вольт.

И вот эти измерения -
"применямые в таких ДК каскоды на JFETах - см., например, УМ МАСТЕР - отлично работали в симуляторе, но в железе оставляли интермоды в неинверте на 15-20дБ выше, чем в инверте"
- относятся к дифкаскаду на полевиках? или на биполярах тоже?

Измерялся только ДК на J113.

Есть смысл заменить Q1 тройкой Акопова.
Или закаскодить его МОСФЕТом (по аналогии с ДК), что будет лучше соответствовать названию темы и схемы.

Выбор depletion mode P-channel FET небольшой, но можно попробовать.

Транзисторы диффкаскада заменить на сборку, что-то типа NSVJ6904, всё таки согласованная пара и крутизна повыше.

Если этот проект доживет до реализации в SMT, то попробую обязательно. Или JFE2140.

Крутизна у практически всех jfetов практически одинаковая, разница в даташитах обусловлена существенно разным током стока при испытании.

Судя по картинкам, бывает по-разному. На глаз, различие в разы:

Интересно, в чем тайный смысл применения в данной схеме транзисторов J113, предназначенных, согласно даташита, для ключевых схем?

"Усилительные" транзисторы отличаются от "переключательных" лишь тем, какие из их характеристик нормированы. Для усилительных это обычно крутизна характеристики и, иногда, уровень шума:

Для переключательных это обычно емкости и сопротивление открытого канала:

Смысл применения J113 в данном случае в том, что они дешевые и доступные, в отличие от тех же 2SK170.

 

[MakarOFF]

Алекс, насчёт озвученной мной пары так с ней проблем с расположением выводов элементов быть не должно, всё параллельно и перпендикулярно, запросто можно переходную платку замутить в 6dip размере, если нужно то и в 5dip. Единственный минус у истоков транзисторов общий вывод.

 

[12943]

На глаз, различие в разы:

Есть маленько. При токе 5 мА: левый верхний 11, левый нижний 20, правый 25 мА/В

 

[Zhdanov Vlad]

 

[nickson2002]

Смысл применения J113 в данном случае в том, что они дешевые и доступные, в отличие от тех же 2SK170.

Спасибо. Неожиданно (для себя) нашел подтверждение у Алексея Никитина:
"J113 - я их использую уже очень давно и с хорошим результатом. J111-113, хотя и позиционируются, как ключевые, но достаточно малошумящие - около 4nV/rtHz (1kHz, 1mA)."

 

[alexcp]

Первая часть давно обещанных картинок.

Один из первых макетов:


Текущий вариант:


Петлевое усиление (примерно на 3дБ меньше, чем в симуляторе, ятд в пределах погрешности измерений):


Клип в 100 ом:


Клип в 33ома с разными амплитудами:



Квадрат 20кГц и 100кГц:



АФЧХ:

 

[alexcp]

Продолжение картинок: линейность в неинверте. Во всех случаях уровень тестового сигнала = 0дБ, сам тестовый сигнал подавлен на ~50дБ.

Искажения, 100мВт в 33 ома (1.8 вольт скв, 5 вольт пик-пик), 1кГц:


Интермоды, 50мВт (та же амплитуда 5 вольт пик-пик, что 100мВт на синусе) в 33 ома.

19+20кГц (на ВЧ несколько хуже, чем в симуляторе):


60Гц+7кГц с соотношением уровней 1:4:

1+5.5кГц:

 

[alexcp]

Сравнение линейности в инвертирующем и ненивертирующем включениях, 5Вп-п, 33 ома:

THD @ 1kHz

IMD 19+20кГц:


IMD 1+5.5кГц:

 

[alexcp]

Неинверт, нагрузка 100 ом, 9 вольт п-п

THD @ 1kHz


IMD 19+20kHz


IMD 1+5.5kHz