Буфер с каскодным повторителем на JFET для регулятора громкости

Предлагается вниманию буферный узел для включения после регулятора громкости (РГ), представляющий собой «безоосный» каскодный повторитель на JFET. Он обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением, имеет низкие искажения и не требует разделительного конденсатора (хотя его включение на входе предусмотрено). Конструкция разрабатывалась для "Регулятора громкости с селектором входов и выходом дистанционного включения", но может быть использована и в других вариантах, где требуется согласование между каскадами и устройствами.

За основу взята схема из статьи "Мощный каскодный повторитель на транзисторах КП903", которая доработана под слаботочные JFET и собрана практически на тех же, но немного усовершенствованных печатных платах. Рассмотрим принципиальную схему устройства:

Принцип работы схемы подробно описан в указанной выше статье, и здесь не рассматривается. Элементы VT5, VT6, HL1..HL6, R6, R15, C2, C3 показаны на схеме серым цветом и в данном применении не используются (не устанавливаются). Питание схемы осуществляется двухполярным стабилизированным напряжением ±10..15В. Возможный вариант схемы блока питания будет рассмотрен ниже.

В схеме предусмотрен серво узел, обеспечивающий точное поддержание «нуля» на выходе буфера. Уход «нуля» на выходе может быть вызван изменением входного тока транзистора VT2 в процессе регулировки громкости, температурным дрейфом токов плеч и даже небольшим входным постоянным напряжением, поступающим от предыдущего устройства, например, ЦАПа (как известно, выходной узел ЦАП в виде аналогового фильтра может «выдавать» небольшое смещение в виде постоянного напряжения до нескольких милливольт, которое меняется в зависимости от прогрева). Если постоянное напряжение на входе буфера относительно велико, можно включить разделительный конденсатор C1, сняв перемычку J1. В результате экспериментов установлено, что если в качестве разделительного конденсатора применить «бутерброд» из хорошей «выводной» плёнки (например, Wima MKP2) и SMD плёнки PPS (например, ECHU1H473JX5), то такой конденсатор практически не «слышно» (в том числе, если такими конденсаторами зашунтировать разделительный электролитический конденсатор, например, типа Nichicon Muse BP). Серво-узел выполнен на элементах DA1, VT7, VD1, VD2, VD3, R7, R8, R9, R10, R12, C8, C9, J5, J6, которые при желании можно не устанавливать, так как обычно дрейф «нуля» на выходе без серво узла не превышает долей милливольта или единиц милливольт.

Конденсаторы C10, C11, C12 введены для повышения устойчивости повторителя. Номинал резистора R2 определяет входное сопротивление схемы и должен быть хотя бы в 10 раз больше номинала подключаемого к входу потенциометра РГ. В случае использования, например, автотрансформаторного регулятора громкости, номинал R2 нужно увеличить до 10..100 МОм.

Порядок настройки узла приведён на картинке справа от принципиальной схемы. В случае, если получится выполнить настройку с нулевым сопротивлением потенциометра R5 (это зависит от параметров применённых транзисторов VT1..VT4), то R5 можно исключить, замкнув перемычку из припоя J3 (снизу платы). Перемычки из припоя J7, J8, J9 необходимо закоротить в любом случае.

Для настройки и использования буфера достаточно использовать всего два джампера (на каждый канал): один — в качестве перемычки J1 для закорачивания входа / закорачивания разделительного конденсатора, второй — сначала для замыкания перемычки J4 при установке и контроле рабочего тока на контактах J2, потом для замыкания перемычки J6 при установке «нуля» на выходе J4 без серво узла, и наконец для замыкания перемычки J5 с целью включения серво узла.

Рассмотрим процесс подбора транзисторов VT1..VT4, как наиболее трудоёмкий этап сборки буфера.

Все транзисторы VT1..VT4 должны иметь начальный ток стока Iсн по величине не меньше требуемого рабочего тока повторителя (предположительно,8..15 мА, но в принципе могут быть и другие значения). Чем ближе значение рабочего тока повторителя будет к величине Iсн для транзистора VT2, тем лучше, так как его крутизна будет наивысшей, следовательно выходное сопротивление минимально (оно определяется, как величина, обратная крутизне VT2). Рабочий ток повторителя будет незначительно меньше Iсн для VT2 за счёт наличия резисторов R4 и R5 — при увеличении значения R4+R5 ток буфера будет снижаться, со снижением крутизны и увеличением выходного сопротивления. Высокая крутизна проходной характеристики VT2 (и VT4) достигается за счёт высоких значений начального тока стока Iсн этих транзисторов и малого напряжения отсечки Uотс. Поэтому в качестве «нижних» транзисторов повторителя VT2, VT4 рекомендуется использовать:

• 2SK170BL (Iсн=6..12 mA, Uотс=0,2..1,5V, типовое значение крутизны S=22 mA/V — она ещё может обозначаться как |Yfs| и выражаться в mS=mA/V), есть в продаже на Алиэкспресс и в Чип и Дип; к сожалению нигде не продаются транзисторы 2SK170V (Iсн=10..20 mA), хотя мне попадались экземпляры 2SK170BL из Чип и Дип и с Алиэкспресс с Iсн=14..16 mA;
• 2SK152-2 (Iсн=13,4..21 mA, Uотс=0,55..2 V, типовое значение крутизны S=30 mA/V), раньше можно было купить на Алиэкспресс, но в настоящее время там остались только 2SK152-3 (Iсн=19..30,2 mA) — можно попробовать использовать их совместно с J111 или КП903 (VT1, VT3) при снижении напряжения питания буфера до ±10В;
• BF862 в корпусе SOT-23 (Iсн=10..25 mA, Uотс=0,3..1,2 V, типовое значение крутизны S=45 mA/V), можно купить в Чип и Дип;
• CPH3910 в корпусе SOT-23 (Iсн=20..40 mA, Uотс=0,6..1,8 V, типовое значение крутизны S=40 mA/V);
• другие типы JFET со снижением рабочего тока и увеличением выходного сопротивления.

В качестве «верхних» транзисторов каскодного повторителя VT1, VT3 необходимо выбрать такие типы и экземпляры, которые, с одной стороны,обеспечили бы минимальное рабочее напряжение между стоком и истоком Uси для «нижних» транзисторов повторителя VT2, VT4 без значительного снижения тока стока и крутизны, с другой стороны, не привели бы к превышению некоторого порога, при котором у транзисторов VT2, VT4 начинает резко возрастать ток затвора, вследствие чего возникают заметные нелинейные искажения.

При выборе типов VT1, VT3 необходимо учитывать не столько величину Iсн (разумеется, их начальный ток стока должен быть заведомо больше рабочего тока буфера), сколько Uотс — чем больше значение напряжения отсечки, тем больше получится рабочее напряжение Uси VT2, VT4 = Uзи VT1, VT3 при текущем рабочем токе. В качестве «верхних» транзисторов повторителя VT1, VT3 можно использовать:

• J310 или MMBFJ310 в корпусе SOT-23 (Iсн=24..60 mA, Uотс=2..6,5 V), продаются на Алиэкспресс и в Чип и Дип;
• J111 (Iсн > 20 mA, Uотс=3..10V), продаются на Алиэкспресс и в Чип и Дип;
• КП903А, Б, В (Iсн <= 0,7A, 1V <= Uотс <= 12V).

Чтобы лучше понять изложенное, обратимся с начала к выходным характеристикам транзисторов, используемых в качестве VT2, VT4, — к зависимостям тока стока Iс (Id) от напряжения между стоком и истоком Uси (Vds) при различных напряжениях между затвором и истоком Uзи (Vgs).

Так, для транзистора 2SK170BL выходная характеристикаиз даташита имеет вид:

Имеет смысл обратить внимание только на кривую Vgs=0V (при Uзи=0), соответствующую начальному току стока Iсн (Idss), так какрабочий ток нашего буфера будет незначительно ниже величины Iсн. Из рисунка видно, что резкое снижение тока стока транзистора (и его крутизны) начинается при напряжении Uси (Vds) меньше 1,5..2 V, которое можно считать минимальным порогом для рабочего напряжения VT2, VT4.

Если же взглянуть на график зависимости тока затвора Iз (Igsx) от напряжения Uси (Vds), то из него можно сделать вывод, что рабочее напряжение Uси не должно для этого типа транзистора превышать пороговой величины примерно 7 V, когда резко возрастает величина Iз, и возрастают искажения.

К сожалению, для транзисторов типа 2SK152 график выходной характеристики в даташите отсутствует, поэтому приведём экспериментально снятый график при Uзи=0 для экземпляра транзистора 2SK152-2 (Iсн=16,2 mA, Uотс=1,1V):

Из графика видно, что резкое снижение Iстакже начинается при напряжении Uси меньше 1,5..2 V. Верхний порог рабочего напряжения Uси, после которого резко возрастает Iз, в даташите на 2SK152 не указан. Можно предположить, что эта величина примерно такая же, как у транзистора типа 2SK170, но на всякий случай можно ограничить её значением 5..6 V.

Характеристики транзисторов BF862 отличаются от рассмотренных ранее:

Для этих транзисторов резкое снижение Iс (Id) начинается при величинах Uси (Vds) примерно ниже 1V. Это нижний порог рабочего напряжения Uси для этих транзисторов. Но «радоваться» рано — нужно взглянуть на график зависимости тока затвора от напряжения между стоком и затвором Uсз (Vdg), которое с учётом малого напряжения между затвором и истоком Uзи можно считать примерно равным Uси.

Из графика видно, что ток затвора и искажения будут сильно возрастать уже примерно при Uсз > 2 V! Таким образом, допустимый диапазон рабочих напряжений Uси для этого типа транзисторов довольно узкий: всего 1..2V.

Для транзисторов типа CPH3910 выходная характеристика похожа на BF862:

т.е. нижний порог Uси находится примерно в пределах 1..2V (правда, при величине Uси=1V ток стока и крутизна снижаются сильнее, чем у предыдущего типа транзисторов), а верхний порог неизвестен, так как в даташите для CPH3910 отсутствует график зависимости для тока затвора. Вероятно, правильным было бы считать максимально допустимое рабочее значение для этого типа транзисторов Uси=2..3V.

Теперь рассмотрим проходные характеристики транзисторов, используемых в качестве VT1, VT3, — зависимоститока стока Iс (Id) от напряжения между затвором и истоком Uзи (Vgs)при определённом значении Uси (Vds) для разных экземпляров с разными напряжениями отсечки Uотс (Vgs[off]). Именно эти характеристики будут определять рабочие напряжения Uси для транзисторов VT2, VT4 при полученном рабочем токе буфера. Для определённости и ориентировки на графиках будем полагать, что рабочий ток буфера находится примерно около значения 10 mA. Если же реальная величина рабочего тока окажется другой, на графиках легко будет найти положение нашей рабочей точки, сместившись вниз или вверх по оси Iс (Id).

Для транзисторов типа J310 (MMBFJ310 — в корпусе SOT-23) проходная характеристика из даташита имеет вид:

Для моих экземпляров J310 (Iсн=28,5mA при Uси=5V, Uотс=3,6Vпри Uси = 10V) наиболее близкой оказалась кривая для Vgs[off]=-3,8V, Ta=25°C. Для контроля и наглядности я снял проходную характеристику одного из своих экземпляров вручную при Uси=10V:

На графике отмечена точка с рабочим током около 10 mA. Из графиков видно, что напряжение Uзи при этом токе составляет примерно 1,6V. Это и будет рабочим напряжением Uси для транзисторов VT2, VT4.

Таким образом, транзисторы J310 (VT1, VT3) прекрасно подходят для работы совместно с транзисторами BF862, CPH3910 (VT2, VT4), нужно только убедиться, что для конкретных экземпляров последних при полученном значении рабочего тока величина Uзи для VT1, VT3 находится в нужных пределах: 1V <= Uзи <= 2V (для CPH3910 может быть чуть-чуть больше).

Из приведённого графика видно, что если у транзисторов J310 (VT1, VT3) начальный ток стока Iсн >=30..35 mA (при Uси=5 V) и напряжение отсечки Uотс >= 3,5V, то они должны подойти для совместной работы с 2SK170BL и 2SK152-2 (VT2, VT4), обеспечивая Uзи >= 1,5..2V.

Для транзисторов типаJ111проходная характеристика из даташита имеет вид:однако, эта картинка не в полной мере отражает реальные параметры транзисторов. Из имеющихся в продаже значения начального тока стока Iсн доходят до величин 75..100 mA при Uси = 3V (при бо́льших напряжениях транзисторы просто перегреются), при этом наилучшие результаты получаются при меньших значениях Iсн, так как при этом величины Uотс получаются меньше. Характеристика экземпляра J111 (Iсн=79 mA при Uси=3,3 V, Uотс =7,1 V при Uси=10V), снятая вручную:

Очевидно, при рабочем токе 10 mA с приведённым экземпляром транзистора J111 напряжение Uзи для VT1, VT3 = Uси для VT2, VT4 составляет примерно 5,8 V, что вполне подходит для совместной работы с транзисторами типа 2SK170BL и 2SK152-2 (VT2, VT4), при этом для последних выполняется условие 1,5..2V <= Uси < 7V. Видимо, при Uотс <= 7 V у транзисторов J111 указанное условие выполняется.

Для транзисторов КП903, которые после подбора тоже можно использовать в качестве VT1, VT3, особенно совместно с «сильноточными» транзисторами 2SK152-3, проходная характеристика из даташита имеет вид:

но приведённое изображение не в полной мере раскрывает зависимость Uзи и Iсн для различных экземпляров транзисторов. В своё время такие характеристики были сняты вручную:

Красной линией на приведённых графиках выделена характеристика из даташита. Глядя на эти графики можно предположить, что подходящими значениями для начального тока стока может быть диапазон 0,15A <= Iсн <= 0,4A, а для напряжения отсечки — диапазон 2,5V <= Uотс <= 6V (однако, требуется практическая проверка и уточнение). Так как по даташиту на КП903 Uзс <=20 V и Uси <= 20V, то напряжение питания буфера придётся снизить до±10V.

В любом случае, для выбранной комбинации транзисторов VT1, VT3, VT2, VT4 необходимо проконтролировать, чтобы рассеиваемая мощность транзисторов была в допуске.

При подборе экземпляров однотипных транзисторов VT2, VT4 для левого (ЛК) и правого (ПК) каналов по начальному току стока Iсн необходимо расположить эти 4 транзистора по возрастанию измеренных значений Iсн и распределить их в следующем порядке: VT2 ЛК, VT2 ПК, VT4 ЛК, VT4 ПК.

При подборе экземпляров однотипных транзисторов VT1, VT3 по начальному току стока Iсн и по напряжениям отсечки Uотс с большими значениями Uотс(типа J111)необходимо расположить эти транзисторы по возрастанию измеренных значений Uотс и Iсн и распределить их в аналогичном порядке:VT1 ЛК, VT1 ПК, VT3 ЛК, VT3 ПК, причём в данном случае величина Uотс важнее параметра Iсн (чтобы получить наименьшее значение рабочего напряжения Uси для VT2).

Для подбора экземпляров однотипных транзисторов VT1, VT3 с малыми значениями Uотс(типа J310) необходимо расположить эти транзисторы по возрастанию измеренных значений Uотс и Iсн и распределить их уже в другом порядке: VT3 ЛК, VT3 ПК, VT1 ЛК, VT1 ПК, причём величина Uотс также важнее параметра Iсн (чтобы получить наибольшее значение рабочего напряжения Uси для VT2).

Рассмотрим принципиальную схему блока питания буфера, с узлом дистанционного включения (сигнал «Remote ON» приходит от блока регулятора громкости) и с узлом задержки подключения выходов при подаче питания:

Блок питания в основном построен по схеме из статьи "Конструкция регулятора тембра" (в основном из-за того, что для размещения конструкции использован такой же пластиковый корпус Gainta G747 с довольно ограниченными размерами, и не хотелось заказывать в Китае изготовление новых печатных платы).

Новым здесь является узел дистанционного включения на транзисторах VT3, VT4, VT5, который также выполняет функцию узла индикации включения на двухцветном светодиоде, платка которого приклеена изнутри к передней панели на двухстороннем скотче:

Если входные контакты узла узла дистанционного включения разомкнуты (никуда не подключены), то устройство включается, если замкнуты — выключается, при этом просто отключаются вторичные обмотки силового трансформатора Tr1 для аналоговой части буфера. В качестве дежурного блока питания использован готовый китайский миниатюрный (c размерами платы 24x19 мм) импульсный преобразователь AC-DC с выходным напряжением 5V 0,6A. К сожалению, в настоящее время такие блоки сняты с производства, но есть замена 5V 0,7A (c размерами платы 23x18 мм):

Узел задержки подключения выхода практически не отличается от аналогичного узла в указанной статье. Время задержки можно подобрать, изменяя номинал конденсатора C7. Время полного установления «нуля» на выходе буфера после включения с включённым серво узлом составляет примерно 7..9 секунд, без него — 3..4 секунды. Платка с реле K1 «подвешивается» непосредственно к выходному разъёму:

Стабилизаторы напряжения выполнены на микросхемах L7815CP, и хотя они не сильно греются, установлены на небольшие радиаторы, так как в корпусе не предусмотрена вентиляция, и естественное охлаждение осуществляется через верхнюю крышку, обклеенную медной фольгой:

Нижняя крышка также обклеена фольгой:

а в основании из фольгированного стеклотекстолита для крепления плат проделаны вырезы (на нижней стороне основания снизу напротив отверстий припаяны гайки М3):

Готовые печатные платы сетевого фильтра и аналогового выпрямителя были взяты из указанного выше проекта, печатные платы буфера — из статьи "Мощный каскодный повторитель на транзисторах КП903". В новых скорректированных версиях плат буфера (их рисунки и «герберы» приложены во вложении в конце статьи, но в «деле» эти новые платы не проверялись!) добавлена возможность установки транзисторов j310, J111, 2SK152, 2SK170, BF862, CPH3910, а также прочие мелкие улучшения. Все остальные — односторонние печатные платы — изготовлены методом ЛУТ, но и для них сгенерированы гербер-файлы. При желании можно разработать собственный вариант блока питания, разместив все элементы на одной плате, исходя из размеров конкретного корпуса.

Внешний вид на монтаж:

Вид сзади:

Вид совместно с регулятором громкости:

В процессе изготовления буфера было проверено несколько различных комбинаций транзисторов VT1..VT4. Результаты измерений приведены в таблице:

Самая худшая комбинация J310 + 2SK152-2 отмечена красным цветом — по сравнению с другими вариантами крутизна транзистора VT2 типа 2SK152-2 при работе с транзистором VT3 типа J310 снизилась примерно до 15 mA/V, и выходное сопротивление возросло примерно до 70 Ом. Это произошло, во-первых, за счёт уменьшения рабочего напряжения Uси для транзистора VT2 примерно до 1,5 V, а во-вторых, за счёт увеличения суммы истоковых сопротивлений R4+R5 до 4,7 Ом и уменьшения рабочего тока буфера до 11,7 mA, в противном случае Uси для VT2 стало бы ниже 1,5V.

Промежуточный вариант J111 + 2SK170BL выделен синим цветом — в целом результаты получились очень неплохие.

В результате выбор был сделан в пользу последнего варианта J111 + 2SK152-2, отмеченного зелёным цветом — здесь достигнута максимальная крутизна транзистора VT2 и получено минимальное выходное сопротивление около 25 Ом (без резистора R17), а с резистором R17 — соответственно 35 Ом.

Для выбранного варианта (с резистором R17) было проведено измерение спектра гармоник выходного сигнала в зависимости от сопротивления нагрузки (использовался измерительный комплекс Шмелёва на базе ноутбука Lenovo S10 с уровнем собственных искажений и помех порядка Кг=0,015..0,02%).

Результаты приведены на графиках для входного напряжения 0,2 Vэфф. (зелёная кривая) и 1 Vэфф. (красная кривая):

Из приведённого графика при уровне входного сигнала 1 V видно, что рост искажений резко начинается примерно при сопротивлении нагрузки, в 10 раз большем выходного сопротивления буфера - около 250..300 Ом. При бóльших сопротивлениях уровень искажений находится почти на уровне собственных искажений измерительного комплекса. И здесь интересна ещё одна деталь — спектр искажений на этапе начала подъёма включает только 2-ю и 3-ю гармоники. Для примера — изображение спектра гармоник с сопротивлением нагрузки 300 Ом при Uвх=1 V:

Вероятно, этим объясняется секрет «живого», «лампового» звучания такого повторителя. Причём, приятное на слух звучание можно отметить даже при подключении непосредственно к выходу буфера наушников с сопротивлением 64 Ом.

Интересен тот факт, что буфер прекрасно работал без снижения качества звучания вообще без электролитических конденсаторов C5, C7 на платах буфера и C1..C6 на плате аналогового выпрямителя (электролитические конденсаторы C10, C11, C14, C15 по 47 мкФ были только на плате стабилизаторов)!

По результатам прослушивания буфера совместно с упомянутым РГ на моторизованном потенциометре ALPS RK168 10KA был сделан вывод, что звучание РГ стало более сбалансированным, мягким и чистым, но по сравнению с автотрансформаторным РГ оно всё-таки немного проигрывает — ощущается не таким «ярким» и как будто чуть-чуть «замыленным». Но в целом результаты порадовали!

Во вложениях, кроме рисунков печатных плат, приведены схемы (включая перечень используемых элементов BOM — только для плат буфера) и справочные материалы.