HotFET Pre: дрейф нуля буфера на истоковом повторителе

HotFET Pre: дрейф нуля буфера на истоковом повторителе

Истоковый повторитель на полевом транзисторе с p-n переходом, нагруженный на источник тока, построенный на идентичном истоковом повторителе, по самой топологии схемы не подвержен сколько-нибудь ощутимому дрейфу нуля на выходе. Приведу упрощённую схему буфера HotFET-Pre:

Отбросим всю "обвязку". Рассмотрим только VT2 - самый обычный истоковый повторитель. Затвор крепко сидит на земле по постоянке через входной аттенюатор и R4, если вдруг потенциометр взглюкнёт. Так что на истоке напряжение выше земли лишь на напряжение З-И, необходимое для задания тока покоя. Ток покоя роняет на R9 ровно то же самое напряжение потому, что сам ток покоя задан идентичной парой VT4 - R10. Так что ноль может "уплыть" лишь очень недалеко и лишь при плохо согласованных VT2 и VT4, ну или откровенно некачественных R9 и R10.

Кто виноват?

Тем не менее, если плечи буфера неидентичны, то даже в случае калибровки токов покоя обоих плечей с помощью подбора резисторов в цепях истоков, при изменении температуры окружающей среды, прогреве аппарата и даже просто небольшом ветерке, возможен дрейф нуля на выходе в диапазоне от единиц до десятков милливольт.

Для своего макета HotFET-Pre я подбирал полевые транзисторы из партии в 100 штук. Практически идеальных рабочих пар, которые обеспечивали бы дрейф нуля на выходе в районе единиц милливольт, нашлось лишь несколько. Подавляющее большинство транзисторов вполне удовлетворительно разобрались по парам, достаточно близким, чтобы не задумываться об искажениях, но всё же приводящим к дрейфу в десятки милливольт "постоянки" на выходе буфера. Ситуация оказалась ещё печальнее, когда люди стали повторять HotFET-Pre: человек покупает всего лишь 4 штуки J310 в каком-либо магазине, соответственно ни о каком подборе компонентов речи просто не идёт.

Конечно, если аппарат, подключенный к выходу буфера, имеет разделительный конденсатор на входе, то 20-30мВ постоянного смещения будут преспокойно ликвидированы. Возможно, конечно, поставить конденсатор на выходе. К сожалению, если хочется сохранить преимущества низкого выходного импеданса буфера, такой конденсатор должен иметь ёмкость порядка пяти тысяч микрофарад, а то и больше. Фирмачи, что штампуют аппараты массово - так и делают. Но есть вполне обоснованное мнение, что конденсаторы, а особенно электролиты, могут оказывать нежелательное влияние на сигнал внося нелинейные искажения (физика там непростая, но вполне реальная).

Что делать?

Но что делать, если нет конденсатора? Или если очень хочется избавиться от лишних деталей в тракте на пути сигнала? Кроме того, наличие постоянного смещения может оказаться весьма неприятным в случае коммутации, при определённых условиях даже при наличии разделительных конденсаторов: при переключении будут слышны щелчки, тем громче и противнее, чем больше смещение. Вобщем, было решено снабдить HotFET-Pre простеньким следящим усилителем, обеспечивающим стабильный ноль на выходе.

Для данной задачи подойдёт практически любой бюджетный Операционный Усилитель с полевыми транзисторами на входе. Внимание ! Не стоит брать даже очень качественные ОУ с биполярными транзисторами на входе - из-за того, что интегратор по сути устройство "токовое", даже тщательно скомпенсированный входной ток биполярного входа ОУ внесёт погрешность, которая приведёт к смещению на выходе много большему, нежели может выдать любая самая кривая пара j-FET'ов в данном буфере безо всяких серво-усилителей. Я применил TL072 от Texas Instruments ( ссылка на datasheet TL072 ).

На схеме ниже предусилитель изображён без каскодов, чтобы не загромождать рисунок. Если у кого-либо возникнут сложности с отрисовкой полной схемы HotFET-Pre вместе со схемой устранения дрейфа нуля - оставьте комментарий - пособим 🙂

  • R11 = 1 МОм
  • C10, C11 = 1 мкФ
  • R12 = 470 Ом
  • R13, R14 = 100 КОм
  • VT5 = IRFD9110

ОУ включен по схеме интегратора с постоянной времени в одну секунду. Отклонение напряжения на выходе буфера приводит к коррекции смещения на затворе полевого транзистора с p-n переходом в нижнем плече, т.е. корректируется ток источника тока, нагружающего повторитель. Дополнительный p-канальный МДП транзистор (может быть заменён на p-канальный полевой транзистор с p-n переходом без изменения схемы) служит для сдвига уровня выходного напряжения ОУ, являет собою по сути неплохой источник тока, что, в свою очередь, "развязывает" выход ОУ от отрицательной шины питания и позволяет запитывать буфер от напряжения, намного превышающего допустимое напряжение питания ОУ. Да, запитать ОУ можно от нестабилизированного источника если напряжения на пике пульсаций не превышают максимально допустимых для выбранной микросхемы. В противном случае парочка 78L12 и 79L12 плюс шунтирующие конденсаторы по 0.1мкФ отлично справятся с задачей.

При выборе параметров цепей коррекции я старался обеспечить минимально возможное вмешательство в работу собственно буфера. Т.е. максимальное изменение напряжения на выходе ОУ может привести лишь к относительно небольшой коррекции тока ИТ. Это в свою очередь обеспечивает как стабильность корректирующего контура, так и пренебрежимо малый уровень искажений сигнала, вносимых собственно цепями коррекции нуля.

Так же стоит обратить внимание на переходные процессы при включении аппарата, о чём многие разработчики аудио просто не задумываются: при разряженных конденсаторах схема является практически полностью сбалансированной. Или зайдём с другой стороны: если пара J-FET'ов подобрана идеально, то конденсаторы интегратора и сглаживающего фильтра будут иметь нулевую разность потенциалов на обкладках. Если быть совсем щепетильным, в случае с МДП транзистором интегратор всё же должен выдавать небольшое отрицательное напряжение. А вот если для сдвига уровня применить p-канальный полевой транзистор с p-n переходом, то сказанное выше может выполняться в точности.

Данная схема коррекции дрейфа нуля может быть применена не только с HotFET-Pre буфером, но, с соответствующими поправками в организации питания ОУ, и с его "младшими братьями", например с буфером на истоковом повторителе по схеме Нельсона Пасса "The First Watt B1 Buffer Preamp".

Вам было интересно? Что-то не понравилось, или имеете что сказать, дополнить тему? Наберитесь мужества - оставьте комментарий!

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎