Полевые транзисторы в устройствах Distortion
Автор: Кемпф В.
Источник: www.rusblues.ru
Статья ориентирована в первую очередь на тех, кто самостоятельно пытается разработать и изготовить эффект “distortion” (overdrive, дистошн, дисторшен, овердрайв) для гитары.
Введение
В настоящее время многие пытаются построить подобные устройства на полевых транзисторах (ПТ, JFET), но некоторые специфические особенности этих электронных приборов зачастую отпугивают конструкторов, хотя эти транзисторы имеют много несомненных преимуществ в сравнении с биполярными транзисторами и электронными лампами (высокое входное сопротивление; малый шум; возможность питания напряжением 9V; плавность выходной ВАХ.
Основным недостатком полевых транзисторов является существенный разброс параметров в пределах даже одной партии, что создает определенные трудности при отладке устройств.
В статье анализируются каскады усиления на ПТ, приводятся формулы для расчета параметров этих каскадов, даются рекомендации по применению транзисторов в зависимости от назначения каскада.
Основные параметры ПТ
Из всего многообразия полевых транзисторов мы остановимся на ПТ с каналом n-типа (JFET). Приборы с каналом n-типа имеют наилучшие шумовые характеристики в сравнении с МДП (МОП, MOS) транзисторами и аналогичными ПТ с каналом p-типа.
ПТ с каналом n-типа изображается на электронных схемах символом:
Рис.1. n-канальный ПТ (n-JFET).
Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток имеет квадратичный характер и с достаточной степенью приближения описывается выражением:
где I0 –начальный ток стока (ток стока при Uзи=0);
U0–напряжение отсечки (напряжение между затвором и истоком при котором ток стока менее 10мкА).
Из выражения (1) следует, что в «малосигнальном» режиме в спектре сигнала на выходе каскада на ПТ будет присутствовать в основном 2-я гармоника.
Семейство выходных ВАХ представлено на рис.3.
Рис.3. Выходные ВАХ n-канального ПТ
Анализируя выходные ВАХ ПТ, не будем углубляться в рассуждения о том, что здесь различают две области: резистивную и область насыщения – эту информацию можно почерпнуть из других источников. Обратим внимание на другой немаловажный параметр ПТ, не указываемый в паспорте, – собственный коэффициент усиления транзистора µ (аналогичная характеристика есть и у ламп). На рис.3 µ – тангенс угла наклона касательной к рабочей точке на ВАХ. Конечность этого коэффициента обусловлена паразитной модуляцией сопротивления канала при изменении напряжения на стоке.
Из семейства выходных ВАХ отчетливо видно, что при приближении к резистивной области (начальный участок ВАХ) собственное усиление транзистора начинает уменьшаться. Также хорошо видно, что µ значительно выше на ВАХ, соответствующей работе при напряжениях затвор-исток близких к отсечке (нижняя кривая). Таким образом, мы приходим к выводу, что с точки зрения собственных усилительных свойств ПТ, лучше работать в области малых токов стока, т.е. при Uзи близких к напряжению отсечки.
В режиме начального тока стока ПТ следует использовать лишь при малых входных сигналах (амплитуда менее 0,3V) и необходимости получения наилучших шумовых характеристик.
Итак, при большом токе стока:
-
ухудшаются усилительные свойства каскада на ПТ,
-
потребляемый ток каждого такого каскада может составить 3-10mA, что значительно сокращает время работы от автономного источника питания.
-
амплитуда входного напряжения ограничена для положительной полуволны значением около 0,3V (несколько варьируется в зависимости от типа ПТ). Т.к. сигнал с гитары имеет двойную пиковую амплитуду до 2-3V, то использовать такой режим в нашем случае нецелесообразно.
Кроме начального тока стока и напряжения отсечки, важной характеристикой ПТ является крутизна. В паспортных данных указывается максимальное значение крутизны (начальная крутизна), равное у большинства ПТ удвоенному отношению начального тока стока к напряжению отсечки:
Для заданного тока стока Ic крутизна ПТ определяется формулой:
Часто используется обратная величина – сопротивление канала ПТ, которое численно равно:
Шумовые характеристики ПТ выше частоты сопряжения избыточного шума определяются именно сопротивлением канала. Шумовой ток ПТ очень мал и не практически сказывается при сопротивлении источника сигнала на входе менее 1МОм. Спектральная плотность ЭДС шума для ПТ (без учета низкочастотного избыточного шума) может быть определена из выражения:
Т.е теоретически ПТ с большой крутизной должны шуметь меньше, но в диапазоне частот до 3кГц (самый интересный для гитаристов) шумы ПТ в большей степени зависят от частоты среза избыточного шума, называемого еще фликкер-шумом. Ярким примером здесь являются отечественные ПТ серии КП302. Теоретически эти ПТ с большой крутизной должны иметь спектральную плотность ЭДС шума около , и давать общую ЭДС шума в звуковом диапазоне частот около 0,14мкВ. Реально же, шумы этих ПТ имеют в 6-15 раз больший уровень, что объясняется именно высокой частотой сопряжения избыточного шума (от 5кГц и выше). В конце статьи мы еще раз вернемся к вопросу шумов ПТ. |
