Основные параметры ПТ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В УСТРОЙСТВАХ “DISTORTION”

Авторы: В.Дисторшен и А.Овердрайв

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).

Стоко-затворная и выходная вольт-амперные характеристики изображены на рис.2 и рис.3.

Рис.2.Стоко-затворная ВАХ ПТ (КП303Г Uо=–2V, Ic=4mA).

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 U_зи=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.

Примечание.

Приближенно для различных типов ПТ m можно определить по формуле:

,

где U_отс –напряжение отсечки ПТ, k – коэффициент, зависящий от типа ПТ (для отечественных ПТ см.табл.1).

Таблица 1.

Тип k

КП302 50

КП303 100

КП307 150

КПС104 200

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 U_зи 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 I_c 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.

Далее рассматриваются распространенные (и не очень) схемы включения ПТ, и проводится анализ возможностей их использования при усилении и спектральном преобразовании сигнала гитары.