Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?

Urgon 10 Oct 2021 08:47 1770 13
IGE-XAO
  • Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?
    Do napisania tego artykułu zainspirowało mnie pytanie TechEksperta o wzmacniacz operacyjny do pracy z czujnikiem piezoelektrycznym, oraz wzmianka Trymera01 o wzmacniaczach z wejściami MOSFET. Sam, kawałek czasu temu zastanawiałem się nad sposobami uzyskania wysokiej impedancji wejściowej do pracy z membranami piezo w roli mikrofonów kontaktowych z użyciem tranzystorów bipolarnych. Wtedy tranzystory JFET wydawały mi się zbyt drogie i trudnodostępne (B.Z.D.Ura!), a tranzystory MOSFET kojarzyły mi się raczej z przetwornicami impulsowymi, falownikami i wzmacniaczami audio o mocach setek watów. To jednak nie wszystko, bo można wykorzystać tranzystory MOSFET do budowy poręcznych buforów i stopni wejściowych. I o tym będzie ten artykuł.

    Układy z tranzystorem MOSFET

    Pobieżne przejrzenie ofert producentów i not katalogowych potwierdza jedną rzecz: tranzystory MOSFET służą "tylko" jako przełączniki. We wzmacniaczach występują raczej w roli wtórników źródłowych w stopniach wyjściowych, ale nigdy jako stopnie ze wzmocnieniem napięciowym czy też wejściowe. Dlaczego?

    Z tego, co się zorientowałem, to główną przyczyną jest poziom szumów własnych tranzystorów MOSFET. Jest znacząco wyższy niż szum w tranzystorach JFET i bipolarnych. Po pobieżnym przejrzeniu Internetu i not katalogowych nie znalazłem konkretnych wartości tego szumu. Dlatego z reguły stopnie wzmacniające na MOSFETach występują tylko w układach w.cz. gdyż poziom szumów maleje wraz ze wzrostem częstotliwości (do pewnego punktu). Nie ma też zbyt dużego zapotrzebowania na pojedyncze tranzystory MOSFET w roli wzmacniaczy m.cz. W tych aplikacjach częściej stosuje się niskoszumne wzmacniacze operacyjne o dużej impedancji wejściowej, często ze stopniami JFET lub BIFET.

    Drugim problemem, dla tranzystorów N-MOSFET z kanałem wzbogaconym jest wymóg dość wysokiego napięcia polaryzacji bramki Vgs. Musi być ono wyższe niż napięcie Vgs(TH), a to może wynosić 1-3V. Dla tranzystorów P-MOSFET napięcie ma wartość ujemną i często bywa jeszcze wyższe. To ogranicza też minimalne napięcie zasilania układu.

    Trzecim, drobnym problemem jest prosty fakt, iż praktycznie nikt nie używa tranzystorów MOSFET w stopniach wejściowych wzmacniaczy m.cz. przez co trudno o gotowe przykłady czy poradniki, które pokazują w prosty sposób, jak taki układ zrealizować.

    Czwartym problemem jest pojemność bramki, która ogranicza pasmo przenoszenia i uzależnia je od impedancji źródła i impedancji wejściowej.


    Podstawowy bufor na tranzystorze 2n7000

    Rozpatrzmy poniższy układ:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Źródło sygnału ma impedancję (Rs) 1MΩ. W układzie pracuje 2N7000, bardzo tani tranzystor N-MOSFET. Wypadkowa impedancja wejściowa wzmacniacza wynosi R1||R2, czyli w naszym przypadku ~6,42MΩ. Dlatego wzmocnienie tego układu wynosi dla pasma 10Hz-1kHz średnio -2dB według symulacji, pasmo -3dB sięga do ~6,1kHz:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Jeśli jednak podniesiemy dziesięciokrotnie wartości R1 i R2, sytuacja się poprawi, i wzmocnienie urośnie do średnio -0,7dB, pasmo -3dB zaś zostanie ograniczone do ~5,4kHz, wedle symulacji:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Ponieważ układ pracuje w konfiguracji wspólnego drenu, jego wzmocnienie zawsze będzie niższe od jedności.


    Bufor ze wzmocnieniem na 2N7000

    Rozpatrzmy poniższy układ:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Układ wspólnego drenu został zastąpiony układem wspólnego źródła. Rezystory R3 i R5 ustalają punkt pracy, dzielnik R1-R2 jest odseparowany od bramki rezystorem R6, przez co wypadkowa impedancja wejściowa wynosi R1||R2 + R6, czyli w tym przypadku 470,5MΩ. Spójrzmy na wyniki symulacji:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Dzięki tym zmianom impedancja źródła może wynosić 10MΩ i więcej. Dla 50MΩ pasmo -3dB sięga ~1kHz przy wzmocnieniu na poziomie ~7,4dB.


    Bufor z tranzystorem o kanale zubożonym LND150

    Rozpatrzmy kolejny schemat:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Ponownie mamy do czynienia z układem wspólnego źródła. R1 określa impedancję wejściową, w tym przypadku wynosi 470MΩ. Ale nawet przy 4,7GΩ układ będzie działał tak samo, bo zadaniem rezystora jest tylko utrzymywać potencjał masy na bramce. Sygnał zmienny nakłada się na ten potencjał kontrolując prąd płynący między drenem, a źródłem. Spójrzmy na symulację:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Średnie wzmocnienie 1,4dB aż do ~1kHz, spada do zera w okolicy ~10kHz, pasmo -3dB sięga ~15,7kHz. Ponownie, pasmo ogranicza impedancja źródła.


    Bufor dwustopniowy na LND150 i BC327

    Spójrzmy na schemat:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Widać tu kilka znacznych zmian. Wartość C1 zmalała, ponieważ już nie ogranicza pasma od dołu. Tym razem impedancja wynosi tyle, ile wynosi R6, w naszym przypadku 10GΩ. Tranzystor MOSFET w układzie wspólnego źródła i tranzystor bipolarny w układzie wspólnego emitera współdzielą też rezystor R3. Kondensator C3 pełni funkcję bootstrapu, nieznacznie podnosząc wzmocnienie przez dalszą redukcję prądu płynącego poprzez R6 dla sygnałów zmiennych. Spójrzmy na symulację:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wzmocnienie wynosi od -0,4dB do -1dB w zakresie 10Hz-20kHz. Pasmo -3dB sięga ~49,1kHz. Gdy impedancja źródła wzrośnie do 1GΩ, wzmocnienie wynosi -1,1dB dla 10Hz, -1,8dB dla 2kHz i -13dB dla 20kHz.


    Ulepszony bufor dwustopniowy na LND150 i BC327

    Drobne zmiany w układzie poprawiły właściwości układu:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wartości dwóch rezystorów zostały zmienione i został dodany rezystor separujący dren tranzystora MOSFET i bazę tranzystora bipolarnego. Co to dało?

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wzmocnienie nadal jest poniżej jedności, ale nie zmienia się za bardzo aż do 80kHz. Dopiero przy ~114,8kHz spada poniżej -3dB. Do tego zbocze spada dość stromo, co jest zaletą układu.


    Wzmacniacz dwustopniowy na LND150 i BC337

    Spójrzmy na schemat:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Pierwszy stopień w konfiguracji wspólnego źródła, drugi to wspólny emiter. Sygnał jest jednak brany ze źródła, nie z drenu. Impedancję wejściową ustala rezystor R1. Układ cechuje się znacznym wzmocnieniem napięciowym, co pokazuje symulacja:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Około 27dB w zakresie od 10Hz do 4kHz, pasmo -3dB sięga ~20kHz. Jest to niezły wynik, ale szum termiczny rezystora R1 też zostanie wzmocniony.

    Układy z tranzystorami bipolarnymi

    Tranzystory bipolarne znane są z wielu zalet, ale wysoka impedancja wejściowa generalnie wśród nich nie występuje. Wynika to z faktu, iż tranzystory bipolarne są sterowane prądem, a nie napięciem, i ten prąd bazy przemnożony przez spadek napięcia na złączu baza-emiter determinuje impedancję wejściową tranzystora. Z Vbe nic nie można zrobić, ale Ib, zwłaszcza dla sygnałów zmiennych, można zredukować.


    Dwustopniowy bufor na BC337 z bootstrapem

    Spójrzmy na schemat:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Mamy tu do czynienia z dwoma stopniami w układzie wspólnego kolektora, zatem wzmocnienie jest w teorii niższe od jedności. Kondensator C4 redukuje wpływ rezystora emiterowego na prąd bazy dla sygnałów zmiennych. Z kolei C3 zmniejsza spadek napięcia na R6 dla sygnałów zmiennych, co znacznie redukuje prąd przez niego płynący. Spójrzmy ma wyniki symulacji:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wzmocnienie średnio wynosi -0,5dB, pasmo -3dB sięga ponad 72kHz (na wykresie wskazany jest punkt -2,5dB), przy czym przy 40kHz jest podbite do około 1dB, to właśnie efekt działania kondensatora C4. Zresztą wystarczy spojrzeć, co się stanie, jak go nie będzie:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Pasmo -3dB kończy się na 2,1kHz. Taka forma pojemnościowego bootstrapu przewija się w wielu układach na tranzystorach bipolarnych.


    Dwustopniowy bufor z parą Darlingtona na BC547C i z BC337

    Spójrzmy na schemat:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Układ poza zmianą paru wartości rezystorów i kondensatorów id poprzedniego różni się obecnością pary tranzystorów w układzie Darlingtona. Ze względu na większe wzmocnienie prądowe i pasmo przenoszenia zastosowane zostały tranzystory BC547C. R6 wzrósł do 4,7GΩ. Prąd kolektora Q1 wynosi (wedle symulacji) około 75nA, prąd kolektora Q2 zaś 22µA. Spójrzmy na wynik symulacji dla kilku wartości Rs:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Dodałem linie dla 0dB i -3dB. Jak widać z wykresów, nawet dla impedancji źródła 500MΩ wzmocnienie ma wartość -0,97dB, a pasmo -3dB sięga 2kHz. Dla 100MΩ pasmo sięga 11kHz. Dla 10MΩ pasmo sięga 81kHz, a średnie wzmocnienie wynosi -0,16dB.

    W teorii możemy dołożyć kolejny tranzystor w układzie Darlingtona. W praktyce jednak to niewiele pomoże, bo tranzystory w układzie Darlingtona pracują wolniej, co ogranicza pasmo od góry. Generalnie tranzystory bipolarne nie są preferowaną metodą uzyskiwania dużych impedancji wejściowych.


    Układy z tranzystorami JFET

    Tranzystory JFET są doskonale znane w zastosowaniach, gdy wymagana jest wysoka impedancja wejściowa. To cecha charakterystyczna wzmacniaczy operacyjnych z wejściami JFET, jak wielce popularny TL07x. We wzmacniaczach gitarowych tranzystory JFET od lat tworzą stopnie wejściowe. Podobnie w każdym mikrofonie elektretowym znajdziemy niskoszumny tranzystor JFET - jego bardzo wysoka impedancja wejściowa umożliwia pracę mikrofonu, gdyż elektret - materiał z trwałym ładunkiem elektrostatycznym stanowi jedną z okładzin kondensatora wewnątrz mikrofonu. Jego drgania powodują zmianę ładunku na bramce tranzystora, co moduluje napięcie między źródłem i drenem. Gdyby bramka nie miała wysokiej impedancji, sygnał byłby za słaby by wysterować tranzystor.

    Jednostopniowy bufor na BF245C

    Spójrzmy na schemat:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Tranzystor JFET pracuje w konfiguracji wspólnego źródła. Impedancja zależy generalnie od wartości R1. Układ ma wzmocnienie poniżej jedności. Spójrzmy na wykres wzmocnienia:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wzmocnienie wynosi -0,824dB. Pasmo -3dB od tego punktu sięga prawie 10kHz. Dodając kondensator równolegle z R3, jak na schemacie poniżej możemy zmienić bufor we wzmacniacz:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Jak widać z symulacji wzmocnienie wzrosło do ponad 24dB, ale pasmo -3dB spadło do poniżej 1kHz. Zmieńmy układ pracy na wspólny dren, czyli zróbmy prawdziwy bufor napięciowy:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wzmacniacz uległ uproszczeniu, ale jego parametry się poprawiły. Wzmocnienie wynosi -0,55dB, pasmo -3dB zaś sięga ponad 27kHz.


    Dwustopniowy bufor na BF245C i BC547C z bootstrapem

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Układ jest dość prosty: pierwszy stopień w konfiguracji wspólnego drenu, ale rezystor w źródle jest bootstrapowany przez kondensator C4. Drugim punktem bootstrapu jest dzielnik z R3 i R5. Drugi stopień w układzie wspólnego kolektora stanowi stopień wzmocnienia prądowego, który izoluje dren J1 od wyjścia. Spójrzmy na wykres:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wzmocnienie wynosi -0,33dB, pasmo -3dB sięga do 16,5kHz. Ale impedancja źródła wynosi 1GΩ. Dla 500MΩ pasmo wynosi ~32kHz, a dla 100MΩ sięga aż ~176kHz,


    Bufor z TL07xC

    Jeśli amplituda sygnału nie przekracza 5,2Vp-p, to można zastosować wzmacniacz TL07xC w roli bufora, jak w układzie poniżej:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    TL07xC pracuje w konfiguracji bufora nieodwracającego. R1, R2 i R3 polaryzują wejście nieodwracające, C3 realizuje funkcję bootstrapu, Spójrzmy na wykres:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    Wzmocnienie wynosi około -0,07dB, pasmo -3dB sięga aż ~737,6kHz przy impedancji źródła 10GΩ. Zwiększenie wartości R3 zwiększa pasmo. Przy 4.7GΩ osiąga ~1,16MHz, przy 10GΩ osiąga ~2MHz, przy 22GΩ sięga ~2,87MHz, a przy 33GΩ aż 3MHz.

    Kogoś może kusić dodanie wzmocnienia już w pierwszym stopniu - można to zrobić, ale parametry ulegną pogorszeniu. Lepiej za pierwszym stopniem dołożyć drugi, który będzie realizował wzmocnienie napięciowe. Oczywiście ten układ można, a nawet należałoby zasilać napięciem symetrycznym, ale chciałem pokazać, iż będzie pracował także przy pojedynczym napięciu zasilania.


    Podsumowanie

    Wszystkie zademonstrowane układy opierają się na kilku podstawowych rozwiązaniach związanych z bootstrapem. Ideą tych układów jest ograniczenie do minimum prądów dla sygnałów zmiennych płynących przez rezystory ustalające punkt pracy i polaryzujące tranzystor pracujący jako pierwszy stopień. Pewnym problemem może być pozyskanie rezystorów o wartościach powyżej 100MΩ. Ponadto szumy termiczne elementów o tak dużych wartościach są znaczne. Dla rezystora 100MΩ szum termiczny w temperaturze 25 stopni Celsjusza i dla pasma audio wynosi 181,4µV, albo -74,88dBV. Dla rezystora 1GΩ szum termiczny wynosi 573,7µV, albo -64,82dBV. Dla rezystora 10GΩ szum termiczny wynosi aż 1,814mV, albo -54,82dBV.

    Wartości elementów zostały wygenerowane na drodze symulacji dla różnych wartości poszczególnych elementów aż do uzyskania najlepszych, możliwych parametrów. Przy zmianie wartości napięcia zasilania może być potrzebne przeliczenie wartości rezystorów, albo ich zasymulowanie.

    Jeśli macie pytania lub sugestie innych rozwiązań, podzielcie się nimi w komentarzach/

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    Urgon
    Editor
    Offline 
    Has specialization in: projektowanie pcb, tłumaczenie, mikrokontrolery PIC
    Urgon wrote 5097 posts with rating 932, helped 191 times. Live in city Garwolin. Been with us since 2008 year.
  • IGE-XAO
  • #2
    bratHanki
    Level 27  
    Ciekawy artykuł. Mam "zagraniczny" alarm samochodowy jeszcze chyba z lat '80 gdzie źródłem sygnału jest zwykła membranka piezo a wzmacniacz i pozostałe obwody są zrobione na którejś z cyfrowych kostek C-MOS. Na maksymalnej czułości reaguje na skrzypnięcie odkręcanej szpilki koła , zdarzały się również uruchomienia spowodowane ptasią kupą upadającaą na dach.
    W starej literaturze spotkałem się z kaskadą wtórników emiterowych na wejściu wzmacniacza. Wszystko było jeszcze na tranzystorach germanowych.
  • #3
    krzbor
    Level 22  
    Ciekawy artykuł. Czy możesz mi wytłumaczyć wartości kondensatorów na wejściu? Jaki sens kondensatorów 100u lub 1000u w układach gdzie mamy megaomowe rezystory? Na drugim biegunie mamy kondensator wejściowy 22p dla układu w paśmie akustycznym.
  • #4
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Czasem to z lenistwa - nie zmieniałem wartości kondensatora wejściowego robiąc symulacje dla kolejnych układów. Czasem z chęci uzyskania płaskiego pasma już od 1Hz lub nawet 0,1Hz. W niektórych układach ten kondensator zredukowałem do najmniejszej możliwej wartości, a że to nie miało negatywnego wpływu na pracę, to tak zostało. Zakładałem też, że preferowaną opcją, zwłaszcza jeśli ktoś by się pokusił o seryjną produkcję urządzenia z którymś z tych układów jest posiadanie jak najmniejszej liczby elementów o różnych wartościach...

    To, jaką ostatecznie wartość będzie miał kondensator wejściowy czy wyjściowy ma znaczenie w chwili projektowania ostatecznego układu, a nie przy przedstawianiu przykładowego rozwiązania. Zresztą wartości wszystkich elementów mogą wymagać przeliczenia przy zmianie napięcia zasilania...
  • IGE-XAO
  • #6
    krzbor
    Level 22  
    Urgon wrote:
    To, jaką ostatecznie wartość będzie miał kondensator wejściowy czy wyjściowy ma znaczenie w chwili projektowania ostatecznego układu, a nie przy przedstawianiu przykładowego rozwiązania. Zresztą wartości wszystkich elementów mogą wymagać przeliczenia przy zmianie napięcia zasilania...

    Tak ogólnie chętnie bym przeczytał artykuł o kondensatorach sprzęgających w układach audio - jak dobierać wartości, jakie typy kondensatorów, jak stosować kondensatory elektrolityczne w tym miejscu (gdzie +, a gdzie -). Warto zauważyć, że choć obecnie stosowane są układy scalone o minimalnej liczbie elementów zewnętrznych, czy wręcz gotowe moduły, te kondensatory zawsze pozostaną.
  • #7
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Podobne rozwiązanie przedstawia Analog Devices w tym artykule. Dodatkowo wariant z tego artykułu dodaje też możliwość "zerowania" wejść. Wzmacniacze operacyjne, nawet z wejściami JFET, często mają dodatkowe obwody zabezpieczające te wejścia przed uszkodzeniem, co mimo wszystko zwiększa prąd polaryzacji i prąd upływu, co pogarsza parametry. Stąd takie rozwiązania:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?


    @Krzbor

    Są projekty wzmacniaczy, które nie mają w torze audio ani jednego kondensatora sprzęgającego. Używają dodatkowego układu na bazie wzmacniacza operacyjnego o nazwie DC servo, by na wyjściu napięcie stałe było bliskie zeru.Dlaczego tak się robi? Głównie dlatego, że niektórzy audiofile wierzą w audiovoodoo i w to, że "słyszą" kondensatory w torze audio. Ci sami ludzie kupują pozłacane gniazdka elektryczne i krem do smarowania tranzystorów, coby brzmiały bardziej "lampowo"...
  • #8
    jarek_lnx
    Level 43  
    Urgon wrote:
    Jest to niezły wynik, ale szum termiczny rezystora R1 też zostanie wzmocniony.
    Rezystor polaryzujący bramkę jest równolegle z rezystancją wewnętrzną źródła, wiec szumiał nie będzie.

    Urgon wrote:
    Ideą tych układów jest ograniczenie do minimum prądów dla sygnałów zmiennych płynących przez rezystory ustalające punkt pracy i polaryzujące tranzystor pracujący jako pierwszy stopień. Pewnym problemem może być pozyskanie rezystorów o wartościach powyżej 100MΩ. Ponadto szumy termiczne elementów o tak dużych wartościach są znaczne. Dla rezystora 100MΩ szum termiczny w temperaturze 25 stopni Celsjusza i dla pasma audio wynosi 181,4µV, albo -74,88dBV.
    Trochę chaotycznie zmieniasz wartości elementów, jakby nie było w tym żadnego celu. "Projektowanie" w symulacji nie nauczy cię jakie te wartości powinny być i kiedy jest sens stosować 10GΩ a kiedy nie.
    Jeśli celem jest użycie membrany piezo jako mikrofonu to jeśli ma ona 10nF rezystancja wejściowa wzmacniacza 10MΩ da nam dolną częstotliwość graniczną 1,5Hz kto potrzebuje mniej?

    Quote:
    Widać tu kilka znacznych zmian. Wartość C1 zmalała, ponieważ już nie ogranicza pasma od dołu. Tym razem impedancja wynosi tyle, ile wynosi R6, w naszym przypadku 10GΩ.
    Jak używasz bootstrapu, to w teorii rezystancja wejściowa jest większa, kondensator bootstrapu 22pF zacznie działać powyżej 14kHz - bez sensu taka wartość. W praktyce już 1pF pojemności pasożytniczej przy 1kHz będzie miał impedancję 160MΩ więc wielkiego pożytku z rezystora 10GΩ nie będzie.
  • #9
    jarek_lnx
    Level 43  
    Urgon wrote:
    Wzmacniacz dwustopniowy na LND150 i BC337
    Napięcie na kolektorze tranzystora bipolarnego w układzie WE wynosi 313mV.
    Ile ten układ może przenieść bez poważnych zniekształceń? 5mV na wejściu 100mV na wyjściu?

    Jeśli miał by to być wzmacniacz do membrany piezo, maksymalna amplituda jaką może przenieść bez zniekształceń jest dosyć istotnym parametrem.
  • #10
    Urgon
    Editor
    AVE...

    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Jest to niezły wynik, ale szum termiczny rezystora R1 też zostanie wzmocniony.
    Rezystor polaryzujący bramkę jest równolegle z rezystancją wewnętrzną źródła, wiec szumiał nie będzie.

    Nawet jeśli ta rezystancja wewnętrzna jest tylko 10 razy mniejsza od rezystancji wejściowej? Wydaje mi się, że wtedy te rezystancje będą zachowywać się jak dzielnik napięcia dla szumu termicznego rezystora R1, ale pewnie się mylę.

    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Ideą tych układów jest ograniczenie do minimum prądów dla sygnałów zmiennych płynących przez rezystory ustalające punkt pracy i polaryzujące tranzystor pracujący jako pierwszy stopień. Pewnym problemem może być pozyskanie rezystorów o wartościach powyżej 100MΩ. Ponadto szumy termiczne elementów o tak dużych wartościach są znaczne. Dla rezystora 100MΩ szum termiczny w temperaturze 25 stopni Celsjusza i dla pasma audio wynosi 181,4µV, albo -74,88dBV.

    Trochę chaotycznie zmieniasz wartości elementów, jakby nie było w tym żadnego celu. "Projektowanie" w symulacji nie nauczy cię jakie te wartości powinny być i kiedy jest sens stosować 10GΩ a kiedy nie.

    Projektowanie w symulacji pozwala zobaczyć, co jest osiągalne. Jest w tym pewna doza chaosu, bo nad tym artykułem siedziałem kilka dni.

    jarek_lnx wrote:
    Jeśli celem jest użycie membrany piezo jako mikrofonu to jeśli ma ona 10nF rezystancja wejściowa wzmacniacza 10MΩ da nam dolną częstotliwość graniczną 1,5Hz kto potrzebuje mniej?

    Od tego zaczynałem, a potem postanowiłem sprawdzić, co jest osiągalne. Tak z ciekawości...

    jarek_lnx wrote:
    Quote:
    Widać tu kilka znacznych zmian. Wartość C1 zmalała, ponieważ już nie ogranicza pasma od dołu. Tym razem impedancja wynosi tyle, ile wynosi R6, w naszym przypadku 10GΩ.
    Jak używasz bootstrapu, to w teorii rezystancja wejściowa jest większa, kondensator bootstrapu 22pF zacznie działać powyżej 14kHz - bez sensu taka wartość. W praktyce już 1pF pojemności pasożytniczej przy 1kHz będzie miał impedancję 160MΩ więc wielkiego pożytku z rezystora 10GΩ nie będzie.

    Masz rację, mój błąd. Ale tu jest ciekawe zjawisko: zmniejszyłem R6 do 1GΩ, i nagle wartość C3 zaczyna mieć znaczący wpływ na wzmocnienie. Przy małych wartościach odcina pasmo lekko podbijając jego początek, a przy dużych wartościach, jak choćby 1uF pasmo w okolicy 1,5Hz ma wzmocnienie 11dB. Z rezystorem 10GΩ to podbicie następuje w okolicy 0,4Hz. I chyba dlatego zmniejszyłem wartość C3 aż tak bardzo. Jeszcze raz, mój błąd...

    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Wzmacniacz dwustopniowy na LND150 i BC337
    Napięcie na kolektorze tranzystora bipolarnego w układzie WE wynosi 313mV.
    Ile ten układ może przenieść bez poważnych zniekształceń? 5mV na wejściu 100mV na wyjściu?

    Dokładnie! Ale wystarczy drobna zmiana R6 z 270Ω na 100Ω i nagle na wejściu może być do 350mV. Kosztem wzmocnienia, bo tracimy jakieś 3dB. Zresztą proszę:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu? Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?

    Możnaby pogrzebać jeszcze przy wartościach, by na emiterze było równo 4,5V.

    jarek_lnx wrote:
    Jeśli miał by to być wzmacniacz do membrany piezo, maksymalna amplituda jaką może przenieść bez zniekształceń jest dosyć istotnym parametrem.

    Gdy zaczynałem zagłębiać się w ten temat, celem była praca z membranami piezo. Ale odchodząc od szczególnego przypadku do ogólnego rozwiązania nie ograniczała mnie już maksymalna amplituda sygnału. Dzięki temu te układy mogą współpracować z najróżniejszymi źródłami sygnałów, choćby bioelektrycznych - tu problemem będzie ekranowanie...
  • #11
    jarek_lnx
    Level 43  
    Urgon wrote:
    Nawet jeśli ta rezystancja wewnętrzna jest tylko 10 razy mniejsza od rezystancji wejściowej? Wydaje mi się, że wtedy te rezystancje będą zachowywać się jak dzielnik napięcia dla szumu termicznego rezystora R1, ale pewnie się mylę.
    Szum cieplny wynika z chaotycznych ruchów nośników ładunku wywołanych energią termiczną, szumią wszystkie rezystancje, ilość rezystorów nie ma znaczenia, szum cieplny ma określoną moc, im większa rezystancja tym większe napięcie szumu, ale niższy prąd, dlatego większy rezystor nie zdominuje szumu mniejszego rezystora. Można policzyć wypadkową rezystancję i dla niej określic szum.
    Urgon wrote:
    Od tego zaczynałem, a potem postanowiłem sprawdzić, co jest osiągalne. Tak z ciekawości...
    Gdybyś podał jaką impedancję wejściową udało się osiągnąć było by przynajmniej widać jakąś zależność między skomplikowaniem układu a końcowym efektem. Najprostsza metoda to zwiększać rezystancję źródła aż sygnał wyjściowy spadnie o połowę, wtedy wiemy że rezystancja źródła jest równa rezystancji wejściowej. Ograniczenie pasma które obserwujesz może być spowodowane pojemnością wejściowa, tego też nie wiemy czy dany układ jest "powolny", czy pojemność wejściowa w połączeniu z rezystancją źródła obcina pasmo.

    Urgon wrote:
    Masz rację, mój błąd. Ale tu jest ciekawe zjawisko: zmniejszyłem R6 do 1GΩ, i nagle wartość C3 zaczyna mieć znaczący wpływ na wzmocnienie. Przy małych wartościach odcina pasmo lekko podbijając jego początek, a przy dużych wartościach, jak choćby 1uF pasmo w okolicy 1,5Hz ma wzmocnienie 11dB. Z rezystorem 10GΩ to podbicie następuje w okolicy 0,4Hz. I chyba dlatego zmniejszyłem wartość C3 aż tak bardzo. Jeszcze raz, mój błąd...
    Zapewne występują tu jakieś dodatkowe przesunięcia fazowe które powodują że sprzężenie staje się dodatnie.

    Urgon wrote:
    Dokładnie! Ale wystarczy drobna zmiana R6 z 270Ω na 100Ω i nagle na wejściu może być do 350mV. Kosztem wzmocnienia, bo tracimy jakieś 3dB. Zresztą proszę:
    Jest to proste rozwiązanie problemu, ale prądożerne.

    Urgon wrote:
    Dzięki temu te układy mogą współpracować z najróżniejszymi źródłami sygnałów, choćby bioelektrycznych - tu problemem będzie ekranowanie...
    Jedno zastosowanie jakie przychodzi mi do głowy - bardzo wysokiej impedancji wejściowej wymagają mikrofony pojemnościowe, we wzmacniaczach do mikrofonów pojemnościowych rezystor kilkanaście -kilkadziesiąt gigaomów nie jest niczym dziwnym.

    Mikrofon pojemnościowy ma dużo mniejszą pojemność, niż membrana piezo i przez to wymaga dużo wyższej impedancji wzmacniacza żeby nie obciąć pasma od dołu.
  • #12
    Urgon
    Editor
    AVE...

    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Od tego zaczynałem, a potem postanowiłem sprawdzić, co jest osiągalne. Tak z ciekawości...
    Gdybyś podał jaką impedancję wejściową udało się osiągnąć było by przynajmniej widać jakąś zależność między skomplikowaniem układu a końcowym efektem. Najprostsza metoda to zwiększać rezystancję źródła aż sygnał wyjściowy spadnie o połowę, wtedy wiemy że rezystancja źródła jest równa rezystancji wejściowej. Ograniczenie pasma które obserwujesz może być spowodowane pojemnością wejściowa, tego też nie wiemy czy dany układ jest "powolny", czy pojemność wejściowa w połączeniu z rezystancją źródła obcina pasmo.

    Zrobiłem ten eksperyment z układem "Ulepszony bufor na LND150 i BC327". Ale najpierw zwiększyłem wartość C3 do 1000µF by bootstrap działał prawidłowo. I wygenerowałem też poniższy wykres dla różnych wartości Rs:

    Jak uzyskać bardzo wysoką impedancję wejściową układu?

    Dodałem linie dla 0dB, -3dB i -6dB.
    Wartości Rs od lewej do prawej: 1TΩ, 500GΩ, 100GΩ, 50GΩ, 10GΩ, 500MΩ, 100MΩ, 10MΩ. Jak widać, przy impedancji 500MΩ mamy całe pasmo audio.

    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Dokładnie! Ale wystarczy drobna zmiana R6 z 270Ω na 100Ω i nagle na wejściu może być do 350mV. Kosztem wzmocnienia, bo tracimy jakieś 3dB. Zresztą proszę:
    Jest to proste rozwiązanie problemu, ale prądożerne.

    Sprawdziłem to nawet - przez rezystor przepływa ponad 33mA, na tranzystorze wydziela się ~188mW. Lepszym rozwiązaniem byłoby dodanie kolejnego stopnia i dalsze dobranie wartości rezystorów.
  • #13
    CosteC
    Level 33  
    Z doświadczeń własnych dorzucę parę faktów:
    - Podwójne parowane J-FETy są dzisiaj naprawdę trudno dostępne.
    - Podwójne parowane MOSFETy - nie widziałem
    - Układy kaskodowe mają się nieźle w niektórych zastosowaniach
    - Naprawdę rzadko opłaca się robić coś na piechotę - może bufor do współczesnego wzmacniacza operacyjnego.
    - Stabilność termiczna wzmacniaczy operacyjnych jest dużo lepsza a bez parowanych elementów w zasadzie nie ma jej jak pobić.
    - Symulacje nie oddają problemów z pasożytniczymi pojemnościami montażowymi, a te często są bardzo upierdliwe.

    Super wartościowy artykuł, zwłaszcza w czasach kiedy tranzystor przeraża już nie tylko studenta ale i "inżyniera" z "szanującej się firmy hamerykańskiej" :D
  • #14
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Jeden z moich pierwszych artykułów był o parowaniu tranzystorów JFET...
    Co do pojemności pasożytniczych w montażu, to wiele zależy od zdolności projektanta. O paskudnie zaprojektowane płytki zresztą nietrudno w świecie amatorów...
    Co do tranzystorów to faktycznie wiedza kuleje, i nawet ja nie czuję się w nich "mocny". Niestety, wielu powiela i powtarza złe projekty często nie widząc w nich błędów i problemów. Kiedyś szukałem tranzystorowego przedwzmacniacza do mikrofonu elektretowego, i znalazłem kilkanaście wariantów tego samego schematu, gdzie punkt pracy tranzystora ustalał jeden rezystor między bazą, a plusem zasilania. Nie jest to dobre rozwiązanie z wielu powodów - poprawienie go wymagałoby głębokiej ingerencji w układ, czyli dołożenia rezystora między bazę, a masę zasilania...