De differentiële ladingsversterker opnieuw bekeken

[Kruger_BG]

Since the topic is using diodes instead of resistors. The well knows MFBLabs schematic can benefit also using the same approach. R2 can be changed by diodes.

MFBLabs_sch.jpg

BTW some jfet transistors can also be used as diodes. Like 2N4117.
https://solitrondevices.com/datasheets/2n4117_9-ds.pdf

[Steven]

Sommige JFETs, speciaal voor Electret Condenser Microphones (ECM), hebben de bias diodes al ingebouwd bij de FET, zoals bij de 2SK1109. De weerstand in het schema zit er waarschijnlijk niet maar representeert aanwezige lek.

IMG_8592.jpeg

Steven

[Steven]

Ik zal proberen in de komende dagen nog wat meer simulatie resultaten te laten zien. Met name van het laatste circuit, omdat Chris daar nu mee aan de slag is gegaan.

Hieronder staat het effect van de temperatuur op de bandbreedte. Aan de bovenkant loopt de boel door tot ruim 100 kHz, dat is niet spannend. Temperatuur heeft ook geen effect hierop. Maar aan de onderkant is dat anders.

Teperature effect on bandwidth.png

Bij 20^oC loopt de frequency response door tot 10 mHz (0.01 Hz), maar het kantelpunt schuift naar boven met stijgende temperatuur, doordat I_s van de diodes toeneemt. Maar zelfs bij 70 ^oC loopt de frequency response nog door tot onder de 1 Hz.
Wel zie je dat al enige peaking op begint te treden bij die temperatuur. Dat komt door interactie met het filter van de bootstrap. Door C22 te verkleinen kan de peaking bij deze hoge temperatuur worden opgeheven ten koste van iets aan bandbreedte bij alle temperaturen. Ik denk dat de waarde van 10 nF nu een redelijk compromis is.

Steven

[Steven]

Ik heb C21 10% groter gemaakt en C23 10% kleiner, dat is een aardige worst case. R25 en R26 kregen een tolerantie van 1%. Tot mijn verrassing zag ik geen enkele verschil in de AC frequency response resultaten. Dat de versterking ook niet veranderd was, klopt op zich wel. C21 werd groter dus dat signaaldeel werd kleiner en C23 werd kleiner en dat signaaldeel dus groter. Opgeteld is de output hetzelfde gebleven. Maak ik zowel C21 als C23 groter, dan zakt de versterking wel. Dat klopt dus.
Waarom geen verschil bij de frequency response? Ik realiseer me dat voor de frequency response simulatie alleen de DC analyse gedaan wordt en alle impedanties worden bepaald op de nodes, en vervolgens wordt de AC frequency response doorgerekend. Maar dat gebeurt in feite met een heel klein ingangssignaal. En dan komen de effecten van verschillende signalen aan weerszijden van de diodes niet aan het licht. Hiervoor zullen transient analyses gedaan moeten worden bij verschillende frequenties en amplitudes. Dat ga ik nog doen.

Steven

[Steven]

Even een tussenrapportage over de vereiste nauwkeurigheid van de componenten. Om te beginnen ben ik daar nog niet uit, aangezien er verschillende effecten blijken te spelen, die ik tot nu toe niet meegenomen had. Maar het is wel interessant en ik boek wel vooruitgang.
Om te beginnen blijkt er meer spanning over de biasdiodes te staan dan ik had verwacht en de signalen aan beide kanten van de diodes, zeg maar de bootstrap spanning en de common mode spanning, blijken iets verschillend in amplitude te zijn. De common mode spanning is iets kleiner dan de helft van de uitgangsspanning. Dat blijkt te komen door de ingangscapaciteit van de opamp, die is niet te verwaarlozen. Een ander punt is dat zener spanning toch nog behoorlijk wordt gemoduleerd door de uitgangsspanning. Dat effect is natuurlijk te verminderen door de versterker minder ver uit te sturen. Op dit moment simuleer ik met een open spanning van de sensor van 100 mVpeak, dus 200 mVpp. Dat komt overeen met een versnelling van zo'n 90 G heen en weer (bij één sensor). Dat is misschien iets aan de grote kant. Ook kan de versterking altijd nog wat teruggedraaid worden.
Bij de simulatie met 2 Vpp aan de uitgang blijkt de zenerspanning van D13 (BZX84-C5V6) ongeveer 30 mVpp gemoduleerd te worden. Om dat significant te verminderen (bij 20 Hz) is een elco over de zenerdiode nodig van 470 uF. Die wordt veel te groot; niet doen dus. Waarschijnlijk wordt die modulatie al kleiner met de BZX58550-C5V6 omdat die voor lagere stromen is ontwikkeld. Maar deze zener heeft nog altijd een R_z = 400 ohm bij 1 mA. Het kan beter.

Ik vond dat Nexperia ook een speciale serie avalanche diodes heeft, inclusief een 5V6 versie: de PLVA656A, weliswaar in een SOT23 behuizing, die wat groter is dan de SOD523 van de BZX58550-C5V6, maar de PLVA656A heeft een R_z = 100 ohm bij 250 uA. Deze diode zit ook in de library van Mindi, dus dat komt goed ut. De modulatie vermindert naar 4 mVpp (was eerst 30 mVpp). Nexperia claimt ook dat de ruis een factor 10 lager is dan bij gewone zeners. Bij Mouser kost deze 12 cent (bij 100), niet veel meer dan de BZX58550-C5V6, die 9 cent kost bij 100. No-brainer, lijkt me. Die 4 mV wordt nog afgedeeld ook naar 2 mV op de bootstrapspanning, en dat is ruimschoots goed genoeg.
Dit is alvast de eerste verandering, Chris. Andere veranderingen gaan voornamelijk (?) in componentwaardes zitten, maar daar ben ik nog niet klaar mee.

Steven

[motoindo]

Ik ga er mee aan de gang, gaat wel volgende week worden eer ik er aan toe kom.

[motoindo]

Even een tussenrapportage over de vereiste nauwkeurigheid van de componenten. Om te beginnen ben ik daar nog niet uit, aangezien er verschillende effecten blijken te spelen, die ik tot nu toe niet meegenomen had. Maar het is wel interessant en ik boek wel vooruitgang.

Neem je tijd, ik zit doorgaans op 3 proto's voordat iets goed werkt. Nogal ongeduldig vroeger maar geleerd dat sommige dingen nu eenmaal tijd nemen om tot wasdom te komen.

Dat effect is natuurlijk te verminderen door de versterker minder ver uit te sturen. Op dit moment simuleer ik met een open spanning van de sensor van 100 mVpeak, dus 200 mVpp. Dat komt overeen met een versnelling van zo'n 90 G heen en weer (bij één sensor). Dat is misschien iets aan de grote kant. Ook kan de versterking altijd nog wat teruggedraaid worden.

Ik zit aan de uitgang van de pxe amp (zie filmpje beneden, https://piratelogic.nl/data/docs/produc ... ual.en.pdf, pxe out) met 20dB ook al snel op 2Vtt dus mijn starbass doet dan 200mV, begrijp ik dat jouw ontwerp zelf al 2V uitstuurt ? Dat mag dan wat mij betreft wel wat lager als dat het probleem van in geleiding komende bias dioden oplost.

Bij de simulatie met 2 Vpp aan de uitgang blijkt de zenerspanning van D13 (BZX84-C5V6) ongeveer 30 mVpp gemoduleerd te worden. Om dat significant te verminderen (bij 20 Hz) is een elco over de zenerdiode nodig van 470 uF. Die wordt veel te groot; niet doen dus. Waarschijnlijk wordt die modulatie al kleiner met de BZX58550-C5V6 omdat die voor lagere stromen is ontwikkeld. Maar deze zener heeft nog altijd een R_z = 400 ohm bij 1 mA. Het kan beter.

Die zeners zitten er puur in om de dioden uit geleiding te houden toch of maken ze ook deel uit van de oplossing om tot 2 draden te komen ? Een drie draads sensor is wat mij betreft ook geen probleem.

Dit is alvast de eerste verandering, Chris. Andere veranderingen gaan voornamelijk (?) in componentwaardes zitten, maar daar ben ik nog niet klaar mee.

Nogmaals, geen haast. De huidige jfet exemplaren voldoen prima in klein langeslag spul.

https://piratelogic.nl/data/movie/starbass.test.rig.mp4

Heb een test rig gemaakt voor mijn starbass opnemertjes, rood is wat de spreekspoel ingaat en blauw het starbass meet signaal. Moet nog even uitzoeken hoe ik mijn Pico Technology scope naast de fase ook de sweep frequentie op het scherm kan laten zien en hoe ik een screen recorder laat meelopen maar de eerste resultaten zijn er.

[Steven]

Ik zit aan de uitgang van de pxe amp (zie filmpje beneden, https://piratelogic.nl/data/docs/produc ... ual.en.pdf, pxe out) met 20dB ook al snel op 2Vtt dus mijn starbass doet dan 200mV, begrijp ik dat jouw ontwerp zelf al 2V uitstuurt ? Dat mag dan wat mij betreft wel wat lager als dat het probleem van in geleiding komende bias dioden oplost.

De ladingsversterker kan inderdaad wel 2 Vpp uitsturen, maar dat is dan ook bij een behoorlijke versnelling. De versterking zelf valt wel mee; die is precies 10x. Eén grote PKGS geeft als spanningsbron 1.1 mV/g, dus de ladingsversterker 11 mV/g. Dat is net zoiets als de ACH-01 sensor, die 9 mV/g geeft. Ik simuleer met 100 mVp, dus 200 mVpp en krijg dan 2 Vpp uit. Dat zou dan gebeuren bij een versnelling van 90 g in elke richting. Dat is, denk ik best veel. Heeft iemand praktische waardes voor woofers?

Die zeners zitten er puur in om de dioden uit geleiding te houden toch of maken ze ook deel uit van de oplossing om tot 2 draden te komen ? Een drie draads sensor is wat mij betreft ook geen probleem.

De zeners zitten er om een juiste DC instelling te kunnen krijgen bij de 2-draads uitvoering. De ene is er om een 5 V voedingsspanning en een lagere referentiespanning te maken voor de opamp, de andere om het DC-niveau van uitgangsspanning naar beneden te schuiven zonder verandering van het AC signaal niveau (DC level shifter), zodat die vervolgens afgedeeld kan worden om de bootstrapspanning mee te maken. De 3-draads uitvoering heeft al die geintjes niet nodig, en de 4-draadsuitvoering ook niet.

In feite is de 4-draads uitvoering het mooist en het simpelst, want door de dubbele voeding blijft het signaal gerefereerd aan de ground. En de versterker heeft een minimale DC-insteltijd nodig. Immers alle condensatoren hebben een DC spanning van 0 V en hoeven niet opgeladen of ontladen te worden. Maar je hebt wel vier draden nodig: +, - , GND, OUT.

De 3-draads uitvoering heeft wel een insteltijd nodig voor het opladen van de condensatoren. Immers de opamp wordt gevoed uit 5 V en heeft op zijn ingangen en uitgang 2.5 V staan. Dus C17 moet opgeladen worden tot 2.5 V. Bij C18 en C19 staat aan beide kanten 2.5 V, maar daar wordt wel aan getrokken bij het in- en uitschakelen. Uiteindelijk hoeft de performance niet onder te doen voor de 4-draads uitvoering, maar het kost een paar onderdelen meer om die ene draad uit te sparen. Je houdt over: +, GND, OUT.

Bij de 2-draads uitvoering moet de trukendoos open omdat de versterker fantoom gevoed moet worden. Het kan op verschillende manieren, maar de getoonde uitvoering met de zeners is misschien wel het simpelste en ze zitten binnen de feedbacklus, immers C21 en C23 gaan naar de output en naar ground. Die bepalen wat er aan de uitgang komt. Q5 heeft een meervoudige functie: (1) een laagohmige voeding voor de opamp maken uit de fantoom/uitgang, (2) referentie punt zijn voor R15 om een uitgangsstroom te creëren, en (3) een cascode trap te zijn voor die uitgangsstroom om die door te geven aan fantoom/uitgangs-node. Dat punt zou hoogohmig zijn als er geen feedback was, maar de feedback via C21 maakt de uitgang laagohmig. C21 zorgt voor AC feedback en D13, R25 en R26 zorgen voor DC-feedback. Denk even aan het FET-circuitje van Bob Cordell dat een poosje geleden hier op de site werd gezet. Die heeft ook twee feedbacklussen, een voor AC en een voor DC. Die schakeling van Bob was overigens ook een inspiratiebron voor mij voor de 2-draads ladingsversterker met opamp. De uitvoering is heel anders omdat ik er ook een bootstrap bij in wilde hebben, maar toch.

Het eerste selectiecriterium is dus hoeveel draden geoorloofd zijn.

Steven

[motoindo]

Dat is, denk ik best veel. Heeft iemand praktische waardes voor woofers?

Hangt erg van het type woofer af, diameter, xmax, spl @ 1 watt enzo. Meen mij te herinneren dat Rob in de Murata draad ergens een triltafel gebruikte voor zijn metingen.

IMG-20230924-WA0003.jpg

Heb van het weekend met wat gelijkgestemde geesten metingen gedaan aan mijn starbass testopstelling - woofertje rechts - zal daar binnenkort een filmpje van plaatsen. Het werkt erg verhelderend om met een scoop naar een sweep tussen 20 en 200hz te kijken naar wat de spreekspoel ingaat en aan de starbass kant er weer uitkomt en het fase verloop tussen beide wanneer er ergens een koppel condensatortje niet dik genoeg is hoop geleerd ....

De zeners zitten er om een juiste DC instelling te kunnen krijgen bij de 2-draads uitvoering. De ene is er om een 5 V voedingsspanning en een lagere referentiespanning te maken voor de opamp, de andere om het DC-niveau van uitgangsspanning naar beneden te schuiven zonder verandering van het AC signaal niveau (DC level shifter), zodat die vervolgens afgedeeld kan worden om de bootstrapspanning mee te maken. De 3-draads uitvoering heeft al die geintjes niet nodig, en de 4-draadsuitvoering ook niet.

Misschien starten met de 4 draads variant en wanneer die eenmaal goed werkt verder met de 3 en 2 draads variant ?

In feite is de 4-draads uitvoering het mooist en het simpelst, want door de dubbele voeding blijft het signaal gerefereerd aan de ground. En de versterker heeft een minimale DC-insteltijd nodig. Immers alle condensatoren hebben een DC spanning van 0 V en hoeven niet opgeladen of ontladen te worden. Maar je hebt wel vier draden nodig: +, - , GND, OUT.

Starten met die dan !

De 3-draads uitvoering heeft wel een insteltijd nodig voor het opladen van de condensatoren. Immers de opamp wordt gevoed uit 5 V en heeft op zijn ingangen en uitgang 2.5 V staan. Dus C17 moet opgeladen worden tot 2.5 V. Bij C18 en C19 staat aan beide kanten 2.5 V, maar daar wordt wel aan getrokken bij het in- en uitschakelen. Uiteindelijk hoeft de performance niet onder te doen voor de 4-draads uitvoering, maar het kost een paar onderdelen meer om die ene draad uit te sparen. Je houdt over: +, GND, OUT.

connection.board.mounting.0.jpg

Heb een tijdje terug een paar meter superdun twee aderig afgeschermd op de kop getikt maar is een crime om af te monteren zo dun en mega fragiel. Voorkeur aan deze kant gaat uit naar 4 of 2 draads, zal binnenkort een 4 draads printje posten.