Аналоговый трансформаторный фильтр с выходным буфером на JFET
Идея использования трансформаторов в качестве аналогового фильтра уже была реализована в ЦАП AH-D7T, который я в своё время собрал, подключив к нему выходные буферы на JFET. С удовольствием «слушаю» эту конструкцию до сих пор, и меня очень устраивает получаемый от неё звук. Было интересно попробовать аналогичный фильтр с буфером в ЦАП AH-D16 Pro, и результат оправдал ожидания.
Схема выходного буфера заимствованау Joachim Gerhard, считаю её чрезвычайно удачной, и я уже неоднократно использовал её в своих конструкциях. Буфер обладает достаточно высокой нагрузочной способностью, что позволяет устранить влияние выходных цепей ЦАП на работу трансформатора.
Верхнее плечо буфера представляет собой истоковый повторитель с каскодным включением, позволяющим получить малую входную ёмкость. Нижнее плечо является динамической нагрузкой повторителя в виде источника тока и обеспечивает поддержание нулевого потенциала на выходе схемы за счёт работы однотипных транзисторов обоих плеч в одинаковых режимах.
Особенностью буфера, кроме применения исключительно JFET транзисторов и малого количества элементов, является отсутствие общей ООС — мне нравится «живое звучание» таких схем, и практически весь звуковой тракт у меня сейчас построен именно по такому принципу.
К недостаткам рассматриваемого буфера можно отнести относительную дефицитность JFET транзисторов BF862 (вроде как они уже сняты с производства, но в Чип и Дип пока продаются хорошего качества, хоть и недёшево; покупать их на Алиэкспресс лучше не пытаться) и MMBFJ310, а также необходимость их подбора в пары по начальному току стока для верхнего и нижнего плеч. При большом разбросе этих параметров может возникнуть проблема с балансировкой схемы. От начального тока стока зависит также результирующая величина тока покоя, который не регулируется, поэтому желательно подобрать транзисторы с одинаковыми параметрами для обоих каналов. Я использовал для этой цели китайский тестер M328. Несмотря на то, что измеренные им значения для JFET могут отличаться от реальных значений больше, чем на порядок, и тестер может даже «перепутать» расположение выводов стока и истока (последнее вызвано скорее особенностями транзисторов JFET, чем недостатком измерительного прибора), по его показаниям вполне можно подобрать близкие по параметрам транзисторы.
При сборке одного из каналов фильтра «сходу» подобрать транзисторы BF862 в пару не удалось — не помогла даже их перестановка в плечах, поэтому один из «неудачных» транзисторов пришлось заменить на более подходящий, хорошо, что был запас. Ток покоя в одном канале буфера получился 14 мА, в другом — 10 мА, и я посчитал такой разброс приемлемым. Уход «нуля» на выходе схемы при прогреве с правильно подобранными транзисторами не превышает 1 мВ.
Первоначальную установку «нуля» на выходе схемы (потенциометром R5) и проверку получившегося тока покоя (по падению напряжения на резисторе R3) удобнее производить без трансформатора, временно подключив вместо его вторичной обмотки резистор номиналом 300 Ом, эквивалентным сопротивлению обмотки. В этом случае, при необходимости, будет легче перепаивать транзисторы, расположенные снизу платы:
Транзисторы BF862 (VT1, VT3) характеризуются довольно большим начальным током стока (10..25 мА), высокой крутизной (более 35 мА/В) и способностью работать при пониженном напряжении исток-сток примерно от 1..2В. Первое обстоятельство позволяет получить достаточный выходной ток буфера (порядка 10..15 мА) при относительно малом значении номинала резистора R3, через который проходит выходной сигнал. Благодаря второй характеристике достигается низкое выходное сопротивление (не более 22..28 Ом без учёта сопротивления R3) и близкий к единице коэффициент передачи. Третья особенность уменьшает ток утечки затвора, увеличивая входное сопротивление, а также снижает требования к величине напряжения между истоком и затвором при рабочем токе стока для транзисторов VT2, VT4. В качестве VT1, VT3 подойдут CPH3910 (выходное сопротивление получится не более 25..33 Ом), NSVJ2394 (выходное сопротивление не более 26..50 Ом), 2SK209BL (выходное сопротивление возрастёт до 70..250 Ом).
Транзисторы MMBFJ310 (VT2, VT4) также имеют «приличный» начальный ток стока (24..60 мА), и они работают при том же выходном токе. В свою очередь, напряжение отсечки у транзисторов MMBFJ310 больше (2..6,5В), и оно влияет на рабочее напряжение между истоком и стоком транзисторов VT1, VT3 (с моими экземплярами транзисторов VT2, VT4 оно получилось в пределах 1,3..1,6В). Вместо MMBFJ310 можно использовать MMBFJ111.
Отсутствие общей ООС делает выходной буфер довольно чувствительным к качеству питания. Очень хорошо, что в ЦАП AH-D16 Pro применены качественные стабилизаторы! Конденсаторы в фильтрах питания C2, C3 — плёночные SMD с диэлектриком PPS типоразмера 1206 или 1210. Опытным путём установлено, что обычно достаточно номиналов их ёмкостей в пределах 0,01..0,033 мкФ; при увеличении номиналов возможно нарушение тембрального баланса в сторону преобладания ВЧ (кстати, на плате самого ЦАП фильтрующие плёночные конденсаторы устанавливаться не должны; на звук могут оказывать влияние даже шунтирующие ёмкости, установленные на входах стабилизаторов аналоговой части блока питания). Сейчас у меня установлены ёмкости C2, C3 по 0,01 мкФ. Для облегчения подбора емкостей снизу платы предусмотрены ещё два места параллельно C2, C3, так что можно начать с установки меньших номиналов (например 0,01 мкФ) и, в случае необходимости, добавить ещё, не выпаивая первые.
В результате многочисленных экспериментов выяснилось, что для получения «чистого» звука необходимо использовать сетевой фильтр на синфазном дросселе с двумя конденсаторами ёмкостью хотя бы по 0,22..0,33 мкФ в первичной цепи питания аналоговой части ЦАП (питание цифровой части сейчас не рассматриваем). Причём существуют оптимальные комбинации емкостей сетевого фильтра, при которых звучание остаётся «прозрачным» и «чистым», но не теряет при этом своей «сочности» (в случае чрезмерного увеличения емкостей звук может стать слишком «гладким», «сухим», «неинтересным», и чем это объяснить, я не знаю; в сетевом фильтре для аналоговой части своего ЦАПа я установил конденсаторы по 0,47 мкФ).
Изначально планировалось использование трансформаторов собственной намотки на тороидальных сердечниках из нанокриcталлического железа, например, MSTAN-30S-TH. Намотка каждого трансформатора должна выполняться одновременно в 4 провода и содержать 500..1000 витков. Обмотки включаются последовательно, попарно, в результате и первичная, и вторичная обмотки получатся с секционированием.
Так как платы фильтров имеют ограниченный размер (40 x 25 мм), применение сердечников большего размера крайне проблематично. На фотографиях ниже приведены возможные варианты размещения тороидальных трансформаторов: горизонтально («плашмя») или вертикально.
При горизонтальном расположении трансформатора концы 4-х обмоток обмоток (8 выводов) запаиваются в специально предусмотренные отверстия в левой части платы, а потенциометр регулировки баланса придётся «навесить» на выводах за пределами платы:
При вертикальном размещении трансформатора потенциометр поместится на плате сбоку, а сам трансформатор можно будет пристегнуть к плате пластиковой стяжкой:
Концы выводов трансформатора при этом варианте запаиваются в отверстия в верхней части платы:
При любом из этих вариантов, на мой взгляд, конструкция получается громоздкой и некрасивой. По этой причине я решил пойти «проторенной дорожкой», использовав готовые китайские трансформаторы R3 с Алиэкспресс. Раньше я покупал их в магазине Zhifeng D electron Store, а в этот раз приобрёл в Pony Electronics Audio Store — оба варианта оказались хороши. Наверное, их можно купить где-то ещё.
Параметры трансформаторов следующие:
- размер (Ш x Г x В): 26 x 25 x 20 мм;
- материал сердечника: пермаллой с 85% содержанием никеля;
- режим экранирования: медной фольгой вокруг сердечника;
- сопротивление постоянного тока: около 304 Ом;
- измеренная индуктивность: около 340 Гн;
- частотный диапазон: 20 Гц ~ 80 кГц -0,2 дБ;
- максимальный входной ток: 15 мА.
Эти трансформаторы по размерам идеально подходят под размеры плат фильтров, и самое главное — мне нравится с ними звук! Поэтому в результате я отказался от намотки собственных трансформаторов, хотя на платах описанная выше возможность сохранена. Кстати, при собственной намотке трансформатора на сердечнике MSTAN-30S-TH в 4 провода по 500 витков расчётная индуктивность первичной и вторичной обмоток составила бы всего примерно по 30 Гн, а это на порядок меньше, чем у готовых R3! Так стóит ли овчинка выделки?
Элементы R1, C1 нужно подобрать для конкретных трансформаторов по минимуму выбросов на прямоугольном сигнале. Если этого не сделать, звук будет слишком «шумным», не «гладким» на ВЧ. Приведу примеры осциллограмм прямоугольного сигнала с частотой порядка 10 кГц на выходе вторичной обмотки трансформатора с разными номиналами R1, C1 (вход осциллографа нужно перевести в режим делителя 1:10).
Если не ставить R1, C1:
Если поставить неоптимальные номиналы (R1=220 Ом, C1=4n7):
С оптимальными номиналами (потенциометр R1=3,8 кОм, C1=1n):
С реальными номиналами, запаянными на плату (R1=3,9 кОм, C1=950 пФ):
Резистор R2, нагружающий трансформатор, ставить не нужно, так как при его установке возрастают искажения, или можно подобрать его номинал порядка 1..10 МОм для «смягчения» звучания на высоких частотах, чтобы оно стало чуть-чуть как бы «сочнее», с почти незаметным снижением детальности.
Номинал резистора R4 должен примерно соответствовать реальному сопротивлению постоянному току вторичных обмоток трансформатора (у моих экземпляров — по 308 Ом).
При использовании собственных трансформаторов необходимо замкнуть припоем снизу платы перемычки J3, J4, J5, J6 — они подключают дорожки до отверстий под выводы трансформаторов на краях платы (если они не используются, то и незачем «тянуть» по плате лишние провода, поэтому по умолчанию эти соединения разорваны). Также на плате предусмотрена возможность отключения выходного буфера — для этого нужно разрезать снизу платы дорожку на перемычке J1 (по умолчанию она замкнута) и замкнуть припоем перемычку J2 — она соединит выход трансформатора напрямую с контактом выходного разъёма. Думаю, что в конструкции AH-D16 Pro такой вариант востребован не будет, так как в этом случае придётся исключить на плате ЦАП выходные T-фильтры, и под влиянием выходных соединительных кабелей звук безусловно деградирует. Тем не менее, для экспериментов с другими вариантами буферов такая возможность может оказаться полезной.
На плате фильтра предусмотрена установка подстроечного многооборотного резистора R5 номиналом 10 Ом типа SMD 3224W или выводного типа 3296W — навесным монтажом (выводы резистора лучше при этом наполовину укоротить):
Так как фильтры получились довольно массивные, желательно предусмотреть в конструкции ЦАП какую-нибудь прижимную обойму для них:
В приватном вложении я прикрепил gerber-файл для самостоятельного заказа печатной платы.
Дааааа , если бы и сюда все таки надумали мотать трансформаторы, преклоняюсь перед вашей терпеливостью и усидчивостью.......
nice :) на счет BF862… можно ли заменить на CPH3910 или NSVJ2394?
или 2SK152, Ciss=8pF ?
можно, на счет BF862 я замену с CPH3910 и 2sk209BL проверял в аналогичном применении
спасибо! попробую тогда CPH3910
CPH3910 по параметрам подходит, а у NSVJ2394 и 2SK152 максимальное рабочее напряжение 15 вольт, маловато может оказаться (P.S. Они работают при очень низких напряжениях, так что и эти транзисторы должны подойти).
Заинтересовал данный фильтр, но возник вопрос: измерялся ли частотный диапазон фильтра, что с ослаблением вч (частотный диапазон трансформаторов: 20 Гц ~ 80 кГц -0,2 дБ, на 80 кГц практически нет ослабления, что дальше неизвестно)?
Нет, частотную характеристику я не снимал.
Транзисторы бы еще наши германиевые, их вроде пока еще не подделывают. джфеты лотерейно покупать, да (
Совместим ли данный фильтр с AH-D3.1?
да
Есть лишняя плата буфера. Одна!
У меня кстати тоже одна лишняя есть :)
Вот и пара :)
Может кто видел, на Алиэкспрессе попадались панельки для смд транзисторов. Чтото не могу найти, ато как их в пары подбирать?
Можно такие переходники использовать и прижимать к ним транзисторы какой-нибудь прищепкой.
Сделал очень интересное и неожиданное наблюдение: если вообще убрать резистор R2, нагружающий вторичную обмотку трансформатора, звук на ВЧ станет заметно чище и разборчивее. В результате аналоговый фильтр с трансформаторами, на мой слух, превзошёл по звучанию все остальные имеющиеся у меня фильтры, в том числе и мой любимый AH-F7 V1 (со сборкой 2N3958 на входе, без с КП902 на выходе). Эти китайские трансформаторы с «безоосными» каскодными повторителями на JFET были, видимо, мной оценены не до конца. То же самое относится и к ЦАП AH-D7T — эффект такой же.
Интересное наблюдение, надо послушать,
вообще без R2 и R1 / C1 пробовал, потом сразу были эксперименты уже с R2 и R1 + C1
У этого трансформатора довольно большая индуктивность обмотки (больше 300 Гн — и это хорошо), поэтому на ВЧ последняя имеет очень большое реактивное сопротивление (более 30 МОм), и трансформатору, видимо, не очень «нравится» относительно низкоомная нагрузка. Наверное, это особенно заметно с буфером, имеющим большое входное сопротивление. Примерно такую же картину я наблюдал в своём гибридном цирклотроне, когда поставил ему на вход повышающий пермаллоевый трансформатор 1:2 и нагрузил его резистором 22 кОм — и сразу появилась «грязь» на ВЧ — тогда я не придал этому особого значения, и просто убрал трансформатор. В последнее время экспериментировал с каскодным безоосным повторителем на КП302В+КП303В — оказалось, что в принципе каскодная схема на JFET не только обладает малой входной ёмкостью, но и отличной термостабильностью и малыми искажениями по сравнению с аналогичным «некаскодным» повторителем на JFET, что отчётливо слышно при прослушивании (ламповый звук). Так, например, безоосный Цирклотрон КП1 построен полностью на JFET каскодах (за исключением ВК, где применяются латералы), и по звучанию мне пока не удалось его «переиграть» никакой другой схемой. Что меня и насторожило, и я решил попробовать убрать этот нагрузочный резистор. А вот R1+C1, думаю, убирать не надо, так как эта цепочка устраняет «выбросы».
Забавно, я тоже в своих экспериментах пришел с каскодным решениям с КП303В/Г как наиболее натуральным по звуку.
Если я правильно понимаю, то чем больше индуктивность в данном случае, тем лучше? У этого производителя есть еще трансы R1 с индуктивностью 1000-1500 Гн.
Подойдет ли он в этом фильтре?
Тут, наверное, индуктивность не самоцель. Главное, наверное, чтобы реактивное сопротивление первичной обмотки на самых низких частотах не нагружало выходы чипа ЦАП. С данными трансформаторами на частоте 10 Гц оно будет порядка 18 кОм, и, скорее всего, этого достаточно.
Наверное, и эти R1 пойдут, пробовать надо.
Спасибо. Если по размеру подойдут, закажу их и попробую.
А где вы их собираетесь заказывать?
Я как раз собираюсь делать некую групповую закупку подобных (возможно) трансформаторов для конструкции ув. ppy, может, мне лучше на этот вариант посмотреть?
Нашел на aliexpress https://de.aliexpress.com/item/4000833155498.html?...
Жду ответ от продавца по габаритам трансформатора. Посмотрим укладывается ли в размер печатки.
Размер R1 25 х 25 х 20 мм. Получается такой же как и R3. Заказал, посмотрим что получится.
Update.
Пришли трансформаторы. Размер соответствует заявленному. Побыстрому замерил мултиметром сопротивление обмоток. 2.07 кОм с обоих сторон. Правда на вторичке немного несимметрично. Одна половина порядка 1.1кОм, а вторая примерно 970 Ом, но это не критично, так как они используются последовательно. Индуктивность не замерял, но на трансах указана в 1330 и 1350 Гн. Примерил к плате. Становятся как родные.
Буду собирать фильтр. Посмотрим, что получится по звуку.
Разница в сопротивлениях двух обмоток, скорее всего, связана с тем, что обмотки мотались отдельно, сначала одна половина, потом другая, и из-за этого на обмотки ушла разная длина провода, соответственно и получились разные сопротивления. Это, конечно, мелочи. Индуктивность 1330 Гн имеет реактивное сопротивление на частоте 20 Гц 167 кОм, а на частоте 20 кГц — уже 167 МОм! Никакой нагрузки на выходы чипа ЦАП практически не будет. Интересно, что получится. Нужно только демпфирующую цепочку подобрать.
Владимир, а чем вы замеряли индуктивность данных трансформаторов? Китайский ESR-метр вроде как не дотягивает по диапазону
На них написана индуктивность.
Я когда, на свой страх и риск заказал первые трансформаторы для ЦАП на AK (смотря на заявления известных гуру вегалаба, шо работать не будет), то как раз включал не нагружая вторичку резистором. И звук нравился, с буферами улучшалась проработка баса и улучшалась масштабность звучания, но пропадало некое изящество, хотя эффект был выражен не сильно.
Буфер тоже вещь довольно капризная к питанию — я поначалу слушал с нестабилизированным питанием, и мне нравилось, а оказалось, что на самом деле без качественной стабилизации питания слушать там нечего, если буфер безоосный. И от типа и величин шунтируюших емкостей (электролитов, плёнки) сильно зависит. После стабов годятся электролиты Nichicon KZ Muse и плёнка PPS номиналом не больше 0,01..0,033 мкФ.
Сегодня провёл ревизию номиналов демпфирующей цепочки R1, C1 — видимо, их обязательно нужно подбирать под конкретные экземпляры трансформаторов. При неоптимальных значениях звучание получается какое-то «шумное» на ВЧ, «колючее», не «гладкое». Для моих трансформаторов номинал резистора пришлось увеличить больше, чем на порядок, а номинал ёмкости — уменьшить практически в 5 раз (кстати, поставил из того, что было под рукой - керамику 1 нФ типа X7R — с ней никаких специфических искажений не слышно). Внёс соответствующие изменения в статью (с примерами осциллограмм прямоугольного сигнала на выходе трансформатора). Также пришлось уменьшить номиналы фильтрующей плёнки C2, C3 (PPS) до 0,01 мкФ, так как за счёт повышения детальности на ВЧ субъективно стал ощущаться их избыток. Звучание фильтра кардинально улучшилось — оно стало абсолютно «чистым» и максимально разборчивым, нужно заново переслушивать свои ЦАПы и всю фонотеку :)
После оптимизации номиналов демпфирующих цепочек R1, C1 и после исключения нагрузочных резисторов R2 сравнил звучание двух ЦАПов: AH-D16-Pro с описанным трансформаторным фильтром и AH-D17T (с аналогичным фильтром) — практически никакой разницы услышать не удалось (за исключением незначительных тембральных отличий, связанных, скорее всего, с различием емкостей шунтирующей плёнки в питании и с разными номиналами конденсаторов сетевых фильтров 220В); при слепом прослушивании я бы их не различил.
Владимир, а у автотрансформаторного регулятора тоже нужно номиналы пересчитывать?
Максим, там я подбирал цепочки под свои трансформаторы, и взял какие-то средние значения, по возможности обеспечивающие наилучшую форму прямоугольного импульса во всех положениях регулятора - чтобы везде было идеально, просто не получится, так как меняется индуктивность. Можно подать прямоугольный сигнал и просто проверить его форму на выходе регулятора на предпоследнем от максимума уровне громкости, вполне возможно, что ничего изменять не придётся, если каких-то выходящих за разумные рамки выбросов там не будет.
Получил ещё одно подтверждение, насколько важен подбор демпфирующих цепочек для трансформаторов, хотя это уже к описанным фильтрам и трансформаторам прямого отношения не имеет. Есть у меня повышающие пермаллоевые трансформаторы собственной намотки 1:10 (с секционированием) для винилового MC-картриджа, не мог никак понять, почему так много ВЧ кажется с ними, несмотря на довольно ровную АЧХ, даже небольшую ёмкость (150 пФ) к выходу трансформатора пробовал подключать, и ёмкости шунтирующей плёнки в питании фонокорректора уменьшал. Был сегодня очень неприятно удивлён форме осциллограммы прямоугольного сигнала с частотой 70 Гц (!) на выходе трансформатора (это же — явный завал НЧ):
Подобрал демпфирующую цепочку для вторичной обмотки (R=33 кОм, С=100nF!), и вот, что с ней получилось:
Теперь горизонтальность «полок» меандра более-менее сохраняется примерно в диапазоне частот от 50 Гц до 10 кГц. При этом АЧХ трансформатора на синусоидальном сигнале не «пострадала»: 10 Гц..35 кГц при неравномерности примерно +-1.2 дБ. Послушал — звук стал совсем другой, «не шумный», с мощными басами, чего давно пытался добиться с этими трансформаторами.
Ни у кого случайно нет меандра сгенерированого 24/192 чтоб посмотреть меандр на выходе цапа?
Для загрузки в Фубар.
Или какого нибудь в хорошем разрешении?
DSD сразу говорю ноут дохлый не потянет.
То копнул интернет и ничего не нашел.
Лазить разбираться, генерировать в прогах пока нет времени.
1кГц меандра мне хватит.
Спасибо заранее!
Почта telemaster2007@ya.ru
Не доходит сообщение до Вас.
Проверьте правильно ли указали почту
Да ошибку сделал telemaster-2007@ya.ru
Отправил на почту
А можно мне тоже? khrychikov@inspiredgames.ru
Спасибо заранее
Оправил
Владимир, что-то не могу понять, по даташитам у BF862 и MMBFJ310 разная (обратная) цоколевка, у вас на схеме указано что она одинаковая. Посмотрел ваши герберы там тоже соединения идут, как будто цоколевка у транзисторов одинаковая.
P.S в даташитах сказано Drain and source are interchangeable, я так понимаю, что Сток и Исток можно менять местами ?
Для транзисторов BF862 я использовал даташит от Fairchild 1998 года. Там указана такая цоколёвка: если смотреть на транзистор сверху, два вывода сверху, один снизу, то нижний это затвор, исток справа, сток слева. Дело в том, что у транзисторов JFET эти выводы взаимозаменяемы. Вот что можно об этом найти в Интернете: «Поскольку канал JFET представляет собой единый непрерывный кусок полупроводникового материала, обычно нет разницы между выводами истока и стока. Проверка сопротивления от истока к стоку даёт такое же значение, как и проверка от стока к истоку. Это сопротивление будет относительно низким (максимум несколько сотен Ом), когда напряжение P-N-перехода затвор/исток равно нулю».
В более поздних версиях даташита на BF862, в частности, от NXP Semiconductors 2000 года, цоколёвка выводов истока и стока по какой-то причине была изменена на противоположную, однако, в даташите отмечается следующее (в разделе DESCRIPTION):
Drain and source are interchangeable (сток и исток взаимозаменяемы)
Поэтому я ничего не стал переделывать, и во всех моих конструкциях использована именно первая цоколёвка BF862, причём эти транзисторы прекрасно себя чувствуют :)
Тоже с этим столкнулся на onsemi MMBJ310 правда в другой конструкции. Но как выяснилось работают без проблем как и должны :)