Opnemer electronica met FET ingang

Discussies rond versnellingsopnemers voor MFB boxen
Plaats reactie
Gebruikersavatar
Sandrowski
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 1115
Lid geworden op: ma 27 apr, 2015 13:03 pm
Locatie: 't Darp

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door Sandrowski »

Ter leering ende vermaeck heb ik wat zitten spelen met LTspice en de hier genoemde, door Bob Cordell beschreven 2-draads charge amp:

Cordell_charge_amp.png

Ik moet toegeven dat ik niet helemaal snap hoe de schakeling werkt, het lijkt qua biassing nogal gevoelig. LTspice heeft modellen voor de LSK189 JFET, in een A, B en C variant (die je niet als zodanig kunt krijgen bij de fabrikant lijkt het) en alleen de A-variant levert iets werkbaars op.

Het uitgangspunt is een dubbele grote murata, dus een capaciteit van 1,54nF en 1,1mV/G. Voor de simulaties ben ik uitgegaan van 50G (arbitrair), dus 55mV input.

Eerst de ruis:
Cordell_noise.png
Bij verschillende gate-weerstanden en een gain van iets minder dan 1 (C1 = 1n54):
Cordell_noise_resistors.png
Daarna ruis bij verschillende versterkingsfactoren (C1 variabel):
Cordell_noise_gain.png
Ter vergelijk hier de simulaties van Hans voor de sourcevolger

Daarna een simulatie van de vervorming:
Cordell_distortion.png
Cordell_fft.png
In de bijlagen de spice-log (Cordell_thd.txt) voor deze simulatie, met daarin de THD. Ik weet niet wat de waarde tussen haakjes inhoud, maar ik vermoed THD+N. Dat komt dan neer op 0.006320% THD / 0.043517% THD+N

Ik kreeg de schakeling niet werkend met een 2N4416 (MMBF4416). Ik heb de LTspice files als bijlage (Cordell.zip) toegevoegd zodat je ermee kunt spelen indien gewenst. De modellen zitten als spice-directive in de files.
Je hebt niet voldoende permissies om de bijlagen van dit bericht te bekijken.
Groet,
Sander
Gebruikersavatar
motoindo
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 941
Lid geworden op: zo 27 sep, 2015 11:21 am
Contacteer:

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door motoindo »

Sandrowski schreef: wo 09 nov, 2022 19:59 pm Ik moet toegeven dat ik niet helemaal snap hoe de schakeling werkt, het lijkt qua biassing nogal gevoelig.
Ah, gelukkig, dacht al even dat ik de enige was die er geen logica in kon ontdekken :? Robrms, jij ?

Dit hier zou ik nog wel kunnen beredeneren:
fet.chargeamp.jpg
Je hebt niet voldoende permissies om de bijlagen van dit bericht te bekijken.
Chris Camphuisen
mfb does to the ear what a pretty face does to the eye
Hans
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 1567
Lid geworden op: do 19 jun, 2014 14:25 pm
Locatie: Ehv

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door Hans »

Sandrowski schreef: wo 09 nov, 2022 19:59 pm Ik moet toegeven dat ik niet helemaal snap hoe de schakeling werkt, het lijkt qua biassing nogal gevoelig. LTspice heeft modellen voor de LSK189 JFET, in een A, B en C variant (die je niet als zodanig kunt krijgen bij de fabrikant lijkt het) en alleen de A-variant levert iets werkbaars op.
De biassing wordt bepaald door te veel dingen:
  • De verhouding R2/(R2+R3).
  • De Vgs waarde van het FET exemplaar wat je hebt. Forse toleranties!
  • De echte spanningsval over U2. Toleranties!
  • De stroom waarop de "4mA" stroombron staat ingesteld. Toleranties!
Tenzij je de FET op Vgs selecteert, kun/moet je waarschijnlijk de instelling afregelen door de stroom van de stroombron in te stellen.
Sandrowski schreef: wo 09 nov, 2022 19:59 pmIk kreeg de schakeling niet werkend met een 2N4416 (MMBF4416).
Lukt misschien wel als je de stroombron instelbaar maakt. Ook andere selecties van de LSK189 kunnen daarmee misschien bruikbaar gemaakt worden.
Groeten,
Hans
Gebruikersavatar
Sandrowski
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 1115
Lid geworden op: ma 27 apr, 2015 13:03 pm
Locatie: 't Darp

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door Sandrowski »

Je kunt je inderdaad afvragen of het de moeite waard is. Als je de handel werkend krijgt zijn de ruis- en vervormingscijfers ongetwijfeld wat beter dan bij de simpelere 2-draads oplossingen, maar de kosten zijn een stuk hoger. De FET alleen al kost zo'n 3,5 euro/stuk en als je dan ook nog moet gaan selecteren wordt het een dure grap. De OPA140 kost dat ook, maar die werkt altijd en presteert een stuk beter met een simpelere schakeling. Maar die is dan weer niet tweedraads... Dat gezegd hebbende, de schakeling intrigeert me wel en ik zou 't zomaar eens kunnen gaan proberen...
Groet,
Sander
Steven
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 79
Lid geworden op: zo 24 mei, 2020 09:43 am
Locatie: Nuenen

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door Steven »

FET charge amp.png
Ik wil wel even een poging doen te verklaren hoe deze tweedraads ladingversterker van Bob Cordell werkt. Dan zal ook direct blijken waarom dit circuitje best kritisch is ten aanzien van het gebruikte FET type.
Het is eigenlijk een simpel inverterend versterkertje, waarbij het ingangssignaal via R1 wordt aangeboden op de gate van de FET, de uitgang is de node die Signal wordt genoemd, waarbij de node Return als massa gezien kan worden. Vanaf de uitgang zijn er twee feedback paden, AC feedback via C1 en DC feedback via de afdeling R3 en R4. Over de ingangsweerstand R2 hoort weinig spanning te vallen als de gate stroom van de FET netjes heel laag blijft. In het slechtste geval is die voor de LSK489 toch nog 25pA, zodat over 10G toch nog 250mV valt. Ik vind die R2 wel erg hoog. Een beter verkrijgbare 470M is misschien wel meer op zijn plaats. De 4 mA stroombron (of eventueel een fantoomweerstand naar een positieve spanning) zorgt ervoor dat de DC spanning op de uitgang (Signal) blijft stijgen totdat via de DC feedback (R3, R4 en R2) een zodanige DC spanning op de gate komt te staan dat de FET gaat geleiden, waarbij de source van de FET op 2,5 V staat van U2. De FET is gecascodeerd door Q1, waarvan de basis op 5V staat, namelijk U1 + U2. De FET werkt dus met een lage Vds van ongeveer 1,8 V (U1 - Vbe, Q1); dat is niet veel. De stroom door Q1 veroorzaakt een spanningsval over R5, waardoor Q2 gaat geleiden. Deze Q2 voert het grootste deel van de 4 mA stroombron af door de shunt referenties U1 en U2. Die krijgen dus wel voldoende stroom. De stroom door R5 is vrij constant en ongeveer 170 uA, de rest gaat door Q2. De instelstroom van de FET is dus ook ongeveer 170 uA, een beetje meer omdat de basisstroom van Q1 er nog bij komt. R6 is een soort opstartweerstand; zonder deze weerstand blijft de spanning op U2 en U1 te laag bij het inschakelen waardoor drainspanning van de FET zo laag is dat deze niet in geleiding komt.
Voor de meeste FETs is de spanning op de gate al snel veel te hoog, waardoor er al stroom gaat lopen terwijl de DC uitgangsspanning nog veel te laag is om Q1 en Q2 instelruimte te geven. Dan werkt de boel niet. R4 zou eigenlijk veel lager moeten zijn, meer in de orde van 47k of 33k. Het versterkertje moet eigenlijk zo ingesteld staan dat de DC uitgangsspanning zo ongeveer 6 V of 7 V is (mag ook meer zijn, dan heb je meer uitsturingsruimte). Door afdeling via R3 en R4 krijg je een gatespanning van zeg 1 V (maar dan moet R4 wel kleiner zijn dan 100k), de source staat op 2,5V, dus de FET moet met een Vgs van -1,5 V een stroom Ids van ongeveer 170 uA laten lopen. Is de DC uitgangsspanning ongeveer 7 V, dan loopt van de 4 mA stroombron ongeveer 20 uA door R3, 170 uA door R5, 20 uA door R6, en de rest (3,8 mA) door Q2. De stroom wordt in U1 en U2 gedumpt.
Het versterkertje is inverterend, dus C1 is de feedback-C (Cf) en bepaalt de versterking, samen met de capaciteit van de piezo sensor op de ingang (Ci). Zoals bij een inverterende (opamp) versterker de versterking -Rf/Ri is (feedback weerstand gedeeld door ingangsweerstand), is dat -(1/Cf)/(1/Ci) als het condensatoren zijn, en dat is -Ci/Cf. In figuur 9 is de '-' vergeten.

Het aardige van dit versterkertje is natuurlijk dat je maar twee aansluitingen hebt, massa en een gecombineerde voeding en signaal. Net zoiets als een microfoon met fantoomvoeding via de signaalleidingen, maar in dit geval asymmetrisch. Door de grote spreiding van Vgs voor een bepaalde Ids bij FETs heb je in dit geval eigenlijk een instelbare R4 nodig om de DC spanning op de uitgang in te stellen op een voldoende hoge spanning.
Hetzelfde is natuurlijk ook te doen met een opamp waarbij je niets te maken hebt met dat soort spreidingen. Dan krijgen we een tweedraads versterker met opamp en fantoomvoeding. Ik heb al wel een idee hoe dat uitgevoerd kan worden, daarover later meer.
Je hebt niet voldoende permissies om de bijlagen van dit bericht te bekijken.
The analog art shows no sign of yielding to the dodo's fate. Whereas digital precision is forever bounded by bits, there is no limit excepting universal hiss to the ultimate accuracy and functional variety of simple analog circuits. Barry Gilbert, 1973
Gebruikersavatar
Sandrowski
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 1115
Lid geworden op: ma 27 apr, 2015 13:03 pm
Locatie: 't Darp

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door Sandrowski »

Dank voor de heldere uitleg, dat maakt het voor mij een stuk duidelijker hoe de zaak in elkaar steekt. Ik had helemaal gemist wat het doel van Q2 was, nu je het zo beschrijft is het best voor de hand liggend. Wat ik nog steeds niet helemaal snap is, krijg je niet ook feedback via R3, R4 en R2? Als de spanning op het punt 'signal' varieert, dan varieert daarmee toch ook de spanning op de gate van de FET?
Groet,
Sander
Gebruikersavatar
motoindo
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 941
Lid geworden op: zo 27 sep, 2015 11:21 am
Contacteer:

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door motoindo »

Sandrowski schreef: zo 04 dec, 2022 18:02 pm Dank voor de heldere uitleg, dat maakt het voor mij een stuk duidelijker hoe de zaak in elkaar steekt. Ik had helemaal gemist wat het doel van Q2 was, nu je het zo beschrijft is het best voor de hand liggend. Wat ik nog steeds niet helemaal snap is, krijg je niet ook feedback via R3, R4 en R2? Als de spanning op het punt 'signal' varieert, dan varieert daarmee toch ook de spanning op de gate van de FET?
Dank inderdaad Steven 8-)

Maar er staat dus DC op de gate ? Dan was toch not done ivm vervorming van de murata ?
Chris Camphuisen
mfb does to the ear what a pretty face does to the eye
Hans
MfbLabs Gebruiker
Berichten: 1567
Lid geworden op: do 19 jun, 2014 14:25 pm
Locatie: Ehv

Re: Opnemer electronica met FET ingang

Bericht door Hans »

Sandrowski schreef: zo 04 dec, 2022 18:02 pm ... krijg je niet ook feedback via R3, R4 en R2? ...
Ja, echter.
Die extra terugkoppeling is in het relevante frequentiegebied verwaarloosbaar bij de originele weerstandswaarden.
Je zou het kunnen zien alsof de extra feedback wordt gefilterd door de 10G weerstand met de piezo capaciteit in serie met de 4k7 R1. Als je uitrekent wat het kantelpunt van die 10G met de C van de piezo is krijg je al een heel klein beetje gevoel voor wat er gebeurt.
Een goed beeld van hoe de totale terugkoppeling in elkaar zit krijg je als je een ster -> driehoek transformatie uitvoert op R2, R3 en R4. Je krijgt dan een vervangend schema met een (forse) weerstand // C1, een weerstand van de gate naar massa, en een weerstand van de signaaluitgang naar massa. De sommetjes ( zie Wikipedia) laat ik aan jullie over.
motoindo schreef: zo 04 dec, 2022 20:45 pmMaar er staat dus DC op de gate ? Dan was toch not done ivm vervorming van de murata ?
Vervorming van het opnemer signaal ontstaat inderdaad bij alle piezo opnemers als er DC over de piezo staat. Hoe groot is die vervorming, enig idee? Ik heb daar in ieder geval geen gevoel voor.
Groeten,
Hans
Plaats reactie