Гибридный унч на полевых транзисторах: УНЧ КЛАССА А НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

УНЧ КЛАССА А НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Это однотактный MOSFET усилитель класса A. Зачем он нужен, ведь своим КПД такая схема не выдерживает никакой критики? УНЧ класса А имеет очень хороший звук, и как правило не предназначен для того, чтобы играть очень громко, он должен играть очень качественно. Такие усилители имеют свои неоспоримые преимущества — они дают чистый, неискаженный звук, вот почему мечта многих аудиофилов — иметь усилитель класса А высокого класса.

Схема усилителя класса А на MOSFET

Этот усилитель был создан на основе принципиальной схемы, показанной выше. Вместо 2SK1058 использовался 2SK2221, потому что различия между ними невелики. Кроме того, 4700 мкФ был заменен на конденсатор 6800 мкФ. 

Схема БП УНЧ класса А

Источник питания потребовал некоторых изменений. В выпрямительном мосту использованы диоды BYW 29/100. Конденсаторы 100 нФ расположены вокруг диодов для фильтрации шума при их переключении. Конденсаторы 1 мкФ размещены параллельно конденсаторов 10000 мкФ для фильтрации.

Все представлено на схеме блока питания. 

После сборки усилитель сразу заработал и весьма впечатляюще. Однако следует отметить, что в его случае используйте хорошую фильтрацию на источнике питания, чтобы устранить гудение. Но в остальном это довольно простой проект, с которым может справиться даже не слишком опытный радиолюбитель. 

В качестве нагрузки транзистора выступают четыре не индуктивных проволочных резистора мощностью по 10 Вт. Да, класс А очень неэффективен в плане расхода мощности. Уходит более 60 Вт, чтобы получить только несколько ватт звука из динамика.

Это типичный пример усилителя SE. Резистор действует как источник тока для транзистора. Ток покоя легко рассчитывается как 0,8 А. Потеря мощности составляет около 20 Вт. Теоретическая максимальная мощность составляет 5 Вт.

Схема усилителя класса А — второй вариант

А это несколько модифицированная схема: транзистор T2 заменяет резистор 15 Ом 40 Вт в верхней схеме и является источником тока для T3, T1 и R1 для поддержания тока источника тока равным Ube (0,7 В) / R1 (0,47 Ом) = 1,5 А.

Мощность на R1 = Ube (0,7 В) x I (1,5 А) = 1 Вт. Мощность на T2, а также на T3 = Uds (17,5 В) xI (1,5 А) = 26 Вт. Транзисторы Т2 и Т3 в совокупности отводят тепло мощностью 52 Вт. А мощность на динамике около 12 Вт (на 8 Ом). Самым большим преимуществом источника тока является то, что для переменного напряжения он имеет очень высокое сопротивление.

Если требуется УНЧ класс «А» чисто для наушников — смотрите эту схему. В общем попробуйте собрать этот УМЗЧ А-класса и послушать — будете приятно удивлены!

Гибридный усилитель мощности. | РадиоГазета

Надеемся, что ваша домашняя аудиосистема пополнилась качественным предварительным усилителем из наших последних публикаций.  Теперь пришло время задуматься об усилителе мощности. Сегодня мы предлагаем вам описание конструкции одного очень интересного

гибридного усилителя. Автор Уим дэ Хэн назвал своё творение «MuGen». По-японски это означает бесконечность, ну а с технической точки зрения усилитель объединил в себе усилитель напряжения — Mu и усилитель тока — Gen, что и отражено в названии.

Сегодня ламповые усилители претерпевают второе рождение — появилось довольно большое количество как коммерческих, так и самодельных конструкций. К сожалению, наиболее достойные их образцы отличаются весьма нескромной ценой, которая обусловлена в частности необходимостью высокого напряжения для работы усилителя и наличием выходного трансформатора. Довольно высокое внутреннее сопротивление ламп не позволяет подключать к ним  аккустическне системы непосредственно. А дешёвый выходной трансформатор посредственного качества сведет «на нет» все усилия по сборке усилителя, какими бы дорогими и качественными не были остальные комплектующие, как бы ни была хорошо проработана схема.

В гибридных усилителях выходной трансформатор заменяется транзисторным каскадом, который имеет низкое выходное сопротивление, что позволяет подключать нагрузку к выходу усилителя без каких либо ухищрений. Современные электронные приборы при этом позволяют получить весьма высокие характеристики и низкие искажения.

Параметры и схема усилителя MuGen:

• Входная чувствительность: 825 мВ (8 Ом)  и 770 мВ (4Ом)
• Входное сопротивление: 300 kОм
• Усиление: 29 дБ  (23 дБ с общей отрицательной обратной связью)
• Выходная мощность (при 1% THD):
  • 70 Вт на нагрузке 8 Ом,
  • 110 Вт на нагрузке 4Ом
• Коэффициент гармоник (THD) + шум:
  • при выходной мощности 1 Вт / 8 Ом : <0,1%
  • при выходной мощности 10 Вт / 8 Ом : <0,15%
• Коэффициент демпфирования: 20 (на 8 Ом нагрузки)

Схема усилителя представлена на рисунке:

Увеличение по клику

Входной каскад.

Для получения заданной выходной мощности входной каскад должен обеспечить усиление входного сигнала до амплитуды в 25В. Кроме того, из-за отсутствия общей отрицательной обратной связи этот каскад должен обладать минимальными искажениями при работе на нагрузку в 10кОм (входное сопротивление выходного драйвера).

Основываясь на своём опыте работы с лампами, автор выбрал для входной части усилителя дифференциальный каскад, что кроме всего прочего позволяет использовать его в качестве фазоинвертора и достаточно просто ввести в усилитель общую отрицательную обратную связь, если возникнет такая необходимость или желание поэкспериментировать.

При этом сигнал ОООС подается отдельно от входного сигнала на сетку правого триода.

Так как катоды ламп первого каскада по переменному току соединены последовательно, это порождает местную обратную связь глубиной около 6 дБ, что снижает искажения каскада, но и снижает его усиление. Поэтому здесь необходима лампа с высоким коэффициентом усиления. Автор выбрал лампу ECC83 (аналог 6Н2П).

Источник тока в катодной цепи сделан активным, на транзисторах, что также существенно улучшает параметры каскада и позволяет простыми методами реализовать регулировку тока диф. каскада. Итоговое усиление первого каскада составляет 29 дБ.

Для включения в усилителе общей ООС необходимо замкнуть перемычку JP1. При этом общее усиление снизится до 23 дБ, но этого всё равно достаточно для получения заданной выходной мощности.

Напомню, что глубокая общая ООС улучшает параметры усилителя, но как показывают тесты, ухудшает его субъективное звучание. Глубина обратной связи в -6дБ является в этом случае хорошим компромиссом.

Недостатком использования ламп ECC83 во входном каскаде является их высокое выходное сопротивление — порядка 50кОм. Согласование с низкоомной транзисторной частью обеспечивает катодный повторитель на лампе ECC89 (аналог 6Н23П) с выходным сопротивлением  около  500Ом.

После долгих экспериментов автор выбрал режим, обеспечивающий наименьшие искажение и позволивший согласовать оба ламповых каскада непосредственно, без разделительного конденсатора. Кроме того, это обеспечивает плавный рост напряжения (от 0 до 194 В) на катодном резисторе R7 при включении усилителя, благодаря чему конденсаторы С2 и С3 плавно заряжаются, что устраняет щелчки и негативное воздействие на транзисторную часть.

Разделительные конденсаторы.

Каскад усиления напряжения (ламповая часть) и каскад усиления тока (транзисторная часть) связаны между собой через разделительные конденсаторы. Без этого в схеме не обойтись, ведь напряжение на катоде лампы ECC88 около 194 В. К сожалению, эти конденсаторы существенно влияют на звучание усилителя.

Проведя тесты по прослушиванию данного усилителя, автор остановил свой выбор на конденсаторах  ClarityCap серии SA, которые имеют очень хорошее соотношение цена/качество. Благодаря высокому рабочему напряжению (600 В), серия SA очень хорошо подходит для использования в ламповых схемах.

Топология печатной платы позволяет применить в конструкции качественные конденсаторы других производителей, в том числе Wima и Solen. Значение 3,3 мкФ выбрано для обеспечения спада АЧХ ниже 10Гц. Разделительный конденсатор совместно с входным сопротивлением транзисторного каскада составляют фильтр, частоту среза которого можно определить по формуле:

1 / (2π* 3.3 µF * 10 kOm)

Рабочее напряжение разделительных конденсаторов должно быть не менее 400В.

Выходной каскад.

Выходная ступень усилителя построена на биполярных транзисторах. Конечно, можно было бы использовать и полевые МОП транзисторы типа BUZ900P или 2SK1058, но автор намеренно их отсеял. Выбранные транзисторы довольно часто используются в звуковых усилителях и при очень хороших характеристиках для аудио-применения они имеют весьма скромную цену и высокую надёжность.

Выходной каскад является квази-комплементарным, т.е. построен на транзисторах одинаковой проводимости в обоих плечах. Подобная конфигурация имела широкое распространение в 70-80-х годах из-за отсутствия доступных p-n-p комплементарных транзисторов. И, в общем-то… заслужила плохую репутацию. Но!  Автор считает, что полностью комплементарных транзисторов не бывает в принципе, а потому, используя однотипные транзисторы можно добиться большей реальной

симметрии плеч каскада. Известная фирма Naim использует в своих усилителях только такую конфигурацию выходного каскада.

Значение питающего напряжения составляет 38 В, что  является оптимальным для этого выходного каскада и позволяет для 4— ом или 8— ом нагрузки эксплуатировать усилитель без проблем.

Подробнее об элементах схемы.

Резистор R1 является сеточным резистором лампы V1a. Его значение не критично, но наличие обязательно! Резистор R2 совместно с входной ёмкостью лампы образует фильтр низких частот для защиты входа усилителя от помех. Аналогичную роль выполняет резистор R5 для катодного повторителя.

Номиналы резисторов R3 и R4 выбраны для получения на анодах ламп напряжения чуть больше 190В. При этом ток через каждую лампу составляет 0,8мА. Источник тока для диф. каскада построен на транзисторах Q6, Q7 для увеличения его внутреннего сопротивления. Светодиод задаёт опорное напряжение, а триммером Р1 можно удобно и с высокой точностью установить требуемый ток источника. Для питания генератора тока используется стабилизатор на микросхеме LM337.

При желании в схему можно ввести общую отрицательную обратную связь. Её глубина зависит от номиналов резисторов R6 и R8. При указанных на схеме значениях глубина ОООС составляет 6 дБ. Для повышения устойчивости параллельно R8 можно подключить конденсатор небольшой ёмкости (56пкФ). Если Вы не любите эксперименты или ярый противник отрицательной обратной связи, то элементы R6, R8, JP1, Cfb можно не устанавливать. Даже без общей ООС этот усилитель имеет очень низкие искажения.

Ток покоя лампы катодного повторителя выбран около 9 мА. Для снижения искажений и выходного сопротивления каскада этот тот желательно задавать побольше, но это может негативно сказаться на сроке службы лампы. Автор принял компромиссное решение.

Транзистор Q1 задаёт ток покоя транзисторного выходного каскада. Для обеспечения термостабилизации он должен быть закреплён как можно ближе к выходным транзисторам на общем радиаторе. Резистор P2 должен быть многооборотный и с надёжным контактом движка.

Резисторы R11, R16, P3 определяют входное сопротивление транзисторной части усилителя (при указанных номиналах оно составляет порядка 10 кОм). При использовании полевых транзисторов номиналы этих резисторов могут быть существенно увеличены. Триммер P3 служит для настройки «0» на выходе усилителя. Автор намеренно не использовал интегратор для этих целей, так как считает, что он негативно влияет на звучание.

Элементы R12/C4 и R20/C8 являются дополнительными фильтрами питания, и исключать их из схемы крайне не рекомендуется. Ёмкости конденсаторов С4 и С8 могут быть в пределах 220мкФ-330мкФ.

Транзисторы Q2 и Q4 образуют классический составной транзистор Дарлингтона, который даёт необходимое усиление по току. Транзисторы Q3 и Q5 образуют составной транзистор Шиклаи, имитируя комплементарный PNP транзистор. Так как Q4 и Q5 являются однотипными, то по мнению автора и комплементарность здесь достигается более полная. Для снижения искажений каскада Шиклаи обычно в него добавляют диод Баксандалла. Автор заменил его транзистором в диодном включении ( на схеме обозначен Qbax), что позволило ещё больше снизить искажения выходного каскада. Измеренные искажения при 1 Вт выходной мощности с диодом составили 0,22%, а с транзистором  2SC1815, включенным диодом, всего 0,08%. При больших уровнях выходной мощности разница между диодом и транзистором уменьшается. Печатная плата позволяет установить транзисторы типов 2SC1815 или 2SC2073 или просто диод 1N4007.

Благодаря наличию местных отрицательных обратных связей, выходной каскад имеет низкие искажения и хорошую термостабильность. Резисторы R21 и R22 должны быть безындукционные и возможно меньших габаритов.

Элементы R23 и C7 формируют цепь Цобеля для обеспечения стабильности усилителя на частотах выше  100 кГц. Базовые резисторы R13, R17, R14, и R18 также предотвращают возможные возбуждения на высоких частотах. При ёмкостной нагрузке данного усилителя для повышения его устойчивости можно последовательно с выходом подключить индуктивность (как это часто делается). Катушка содержит  16 витков медного провода диаметром 0,75-мм, намотанных на оправке диаметром 6.3-мм или на резисторе 15 Ом мощностью 2 Вт.

Схема устройства защиты и задержки включения акустических систем показана на рисунке:

Увеличение по клику

Она обеспечивает задержку подключения АС через 30 секунд после включения усилителя и отключения их при появлении на выходе опасного постоянного напряжения. Для минимизации влияния на звук реле для этого блока необходимо выбрать с надёжными и качественными контактами.

Блок питания

Высоковольтная часть схемы питается от стабилизатора, построенного на микросхеме TL783. Входное напряжение должно составлять порядка 360В. Микросхема установлена на небольшом радиаторе и надёжно изолирована от корпуса. Выходное напряжение  315В устанавливается резисторами делителя R39/R40. Резистор R41 служит для разряда конденсаторов после выключения усилителя.

R42 / C27 и R43 / C28 являются дополнительными фильтрами для левого и правого каналов. После них выходное напряжение блока питания составляет 310В.
Если вы не сможете найти для C23 конденсатор типа Wima FKP1 (см. спецификацию) то лучше его исключите из схемы!

Увеличение по клику

Вторичная обмотка трансформатора Т1 с напряжением 30В используется для питания устройства защиты АС (не стабилизировано).

Напряжение накала соединяется с общим проводом (для уменьшения фона) через конденсатор. Оно не может быть непосредственно соединено с «землёй» так как на катоде лампы ЕСС88 напряжение составляет 194В, что больше предельно допустимого напряжение катод-сетка. Конденсатор легко решает эту проблему. Резистор R36 подбирается экспериментально, чтобы напряжение накала составляло ~6.3В.

Выходной каскад усилителя питается нестабилизированным напряжением 38В. Все трансформаторы в конструкции автора — тороидальные.

Конструкция.

Все блоки усилителя собраны на печатных платах. Каждый канал усилителя собирается на отдельной плате, так что для стерео-варианта их понадобится две штуки.

Автор гарантирует, что вы получите наилучшие результаты, если будите использовать именно те элементы, которые указаны в перечне (см. ниже). Между тем, ничто не мешает заменить их на другие аналогичные  — имеющиеся в наличии или в плане эксперимента.

Сборку рекомендуется начинать с блока питания:

Увеличение по клику

Печатные платы усилителя рассчитаны на крепление транзисторов на радиаторы или основание усилителя (которое будет служить радиатором):

Увеличение по клику

Все соединительные провода должны быть соответствующего сечения и как можно короче.

На фото показан вариант крепления выходных транзисторов и транзистора термостабилизации:

Увеличение по клику

Обратите внимание, что все транзисторы изолированы от корпуса/радиатора. Для достижения наилучших результатов автор советует сначала закрепить транзисторы на радиаторы, затем согнуть их выводы под прямым углом, после чего вставить выводы в отверстия платы и закрепить её. Пропаивать выводы следует в самую последнюю очередь, когда транзисторы и плата будут окончательно спозиционированы относительно друг друга и закреплены.

В конструкции автора два больших радиатора используются как боковые стенки корпуса усилителя, на которых закреплены печатные платы каждого канала. В центральной части расположены тороидальные трансформаторы питания, плата блока питания и плата защиты АС:

Увеличение по клику

Для экономии места плата блока питания закреплена над трансформаторами:

Увеличение по клику

Для снижения уровня фона и помех все «общие» провода должны соединяться в одной точке, как показано на схеме:

Увеличение по клику

Налаживание усилителя.

Перед включением убедитесь, что транзисторы надёжно изолированы от радиатора/корпуса и друг от друга, полярность электролитических конденсаторов не перепутана, а лампы стоят на своих местах (они не взаимозаменяемы!)

Как отмечалось выше, усилитель имеет три органа регулировки:

• P1 устанавливает рабочий ток лампы ECC83.
• P2 контролирует ток покоя выходных транзисторов.
• P3 регулирует уровень постоянного напряжения на выходе усилителя.

Перед включением движок Р2 необходимо поставить в верхнее по схеме положение (замкнуть на коллектор Q1). Этим мы обеспечим минимальный ток покоя транзисторов после включения.

Триммер Р1 нужно выставить примерно на 800 Ом (выставляется перед запайкой в плату).

После включения усилителя без подачи входного сигнала и без подключения нагрузки, отрегулируйте триммером Р1 напряжение в контрольной точке ТР3, которое должно составлять 1,6В. При этом напряжение на катоде V2a должно быть 195 V (± 5%). Эти напряжения взаимосвязаны. Если какое-то напряжение сильно отличается от указанных, какую-то из ламп придётся заменить.

Затем триммером Р3 установите нулевое напряжение на выходе усилителя. Оно может находиться в пределах от -50мВ до +50 мВ. Это нормально. После этого триммером Р2 установите ток покоя усилителя в районе 100-150 мА. Для этого можно контролировать напряжения на резисторах R21 или R22, которые должны лежать в диапазоне 22 мВ-33 мВ.

После прогрева усилителя в течение получаса проверьте установленные значения и если нужно откорректируйте их.

В усилителе используется высокое рабочее напряжение. Помните о технике безопасности при работе с электричеством!!!

Заключение.

Несмотря на отсутствие общей отрицательной обратной связи, усилитель обеспечивает низкие искажения сигнала на малых уровнях мощности и хороший коэффициент демпфирования, что обычно является проблемой для усилителей без общей ООС.

Усилитель обладает великолепным звучанием с хорошей динамикой и высокой детальностью. Особенно бережно он обращается с микродеталями (сигналами малого уровня). При этом в звучании отсутствует ярковыраженный ламповый окрас.

MuGen воплотил в себе лучшее из двух миров — транзисторную динамику и ламповую теплоту звука (в пределах разумного, без транзисторной жёсткости).

Надо заметить, что этот усилитель эксплуатируется автором аж с 2007 года и пока ни один другой усилитель не превзошёл его по музыкальности!

Увеличение по клику

Перечень элементов.

Усилитель и блок питания
(Для стерео-вариант все детали надо взять в двойном количестве)

Резисторы
(1% металлоплёночные, мощностью 0,5Вт, если не указано особо)
R1 = 392 kОм
R2,R5,R12,R20,R32 = 1 kОм
R3,R4 = 150 kОм 2W (BC PR02 series)
R6,R15,R19,R45 = 100 Ом
R7 = 22 kОм 3W (BCPR03 series)
R8 = 2,43 kОм
R9 = 274 Ом
R10 = 560 Ом
R11 = 18 kОм
R13,R17 = 392 Ом
R14,R18 = 2,2 Ом
R16 = 20 kОм
R21,R22 = 0,22 Ом 4W (Intertechnik MOX)
R23 = 10 Ом 2W
R24,R26 = 182  Ом
R25 = 1,5 кОм
R27 = 3,3 кОм
R28,R29 = 1 MОм
R30 = 330 kОм
R31 = 10 MОм
R33, R34, R35 = 100 kОм
R36 = подбирается (примерно 0. 22 Ом)
R37,R38 = 100 Ом 1W
R39 = 330 Ом
R40 = 82 kОм 3W
R41 = 150 kОм 3W
R42,R43 = 1 kОм 1W
R44 = 4,7 Ом
P1 = 2 kОм, многооборотный
P2,P3 = 5 kОм, многооборотный

Конденсаторы:
C1 = 100nF 400VDC
C2,C3 = 3.3мкФ 400VDC (ClarityCap SA 630V аудиофильского качества)
C4,C6,C8,C10 = 270 мкФ 50V (Panasonic FC)
C5,C9,C12,C14,C22 = 100nF 50V
C7 = 100nF (Vishay MKP-1834)
C11,C16,C17 = 10мкФ 50V
C13 = 47мкФ 50V
C15 = 1мкФ 250V (типа Wima)
C18 = 22мкФ 63V
C19,C20 = 47мкФ 25V
C21 = 220мкФ 50V
C23 = 2n2 (Wima FKP-1/700 VAC)
C29,C30,C31,C35 = 2n2 (Wima FKP-1/700 VAC)
C24 = 150мкФ 450V
C25 = 100n 450 VDC
C26 = 10мкФ 400V
C27,C28 = 22мкФ 400V
C32,C33,C34,C36,C37,C38 = 4700 мкФ63V (BC056, 30×40 mm, Conrad Electronics)
C39 = 10мкФ 25V
Cfb = 56pF (optional)

Активные элементы:
D2,D3 = UF4007 (при отсутствии можно поставить — 1N4007)
D4,D5 = 1N4001
D6,D7,D8 = 1N4148
D9,D10,D11,D12 = BY228
D13 = 1N4007
LED1 = LED, 5mm, красный светодиод
Z1 = стабилитрон 110V 1. 3W
Q1 = BD139
Q2 = 2SC2073
Q3 = 2SA940
Q4,Q5 = 2SC5200
Q6,Q7 = BC550B
Q8 = BS170
Q9,Q10 = BC547B
Qbax = 2SC1815BL
U1 = LM337
U2 = LM317
U3 = TL783

Лампы:
V1 = ECC83 (pref. JJ Electronics), 6Н2П
V2 = ECC88 (pref. JJ Electronics), 6Н23П

Разное:
B1 = мостовой выпрямитель 600 V, 1A (DF06M)
B2,B3 = мостовой выпрямитель 400V, 35A
T1 =трансформатор с вторичными напряжениями: 30V + 250V +6.3V (Amplimo type 3N604)
T2 = трансформатор со вторичными напряжениями:  2×28 VAC, 300VA (Amplimo type 78057)
RLY1 = реле 24V (например  Amplimo type LR)
Радиаторы U3 Fischer SK104 25,4 STC-220 14K/W
Радиаторы U1 и U2, FischerFK137 SA 220, 21K/W
Радиаторы для Q4 и Q5, с тепловым сопротивлением 0.7K/W или лучше.
9-контактная панель для ламп — 2шт.

Чертежи печатных плат (оригинал в формате pdf) качаем здесь.(rar-архив, 186 kb)

Последнюю версию чертежей печатных плат в формате Sprint-Layout от наших читателей (редакцией «РадиоГазеты» НЕ ПРОВЕРЯЛИСЬ!) качаем здесь (rar-архив 117 kb).

Статья подготовлена по материалам журнала «Электор».

Вольный перевод — главный редактор «РадиоГазеты».

Удачного творчества!

Похожие статьи:

Усилитель для наушников : операционник и полевики

[Read in English] 

В интернете — беда!

Совсем недавно мне пришлось наблюдать мучения одного доброго человека, пытающего хорошую радиолампу низким анодным напряжением и сеточными токами в попытке создать high-end усилитель для наушников… лишь для того, чтобы подключить к своему шедевру недорогие «компьютерные» ушки, о которых производитель пишет следующее: «hi-fi model headphone intended for use with MP3 players and computer systems» (hi-fi наушники, предназначенные для использования совместно с MP3-проигрывателями и компьютерными системами).

Набрав в поисковике запрос «усилитель для наушников в классе А» — я был немало удивлён тем, какое разнообразие проектов вываливается на бедного ищущего… Там есть всё: от монстроузных аппаратов, способных раскачать нехилую акустику, до тщедушных и на удивление жутко популярных поделок на одном операционнике, где бедняге ОУ подсовывали 30 Ом нагрузки безо всякой надежды на помощь. Особый пласт, загрязняющий интернет, представляют собою так называемые гибридные усилители. И всё бы ничего — я только «за» лампы в звуке — но это же просто негуманно: заставлять лампочку работать от 15 вольт анодного!

 

Спасение онлайн

Не могу молчать. Хочу предложить моим читателям достаточно качественный, несложный в наладке, да просто адекватный дизайн усилителя для наушников.

Описываемый здесь усилитель служит мне верой и правдой ещё с прошлого столетия и может удовлетворить запросы весьма взыскательного слушателя. Основные идеи предлагаемого проекта были выловлены из Сети ещё в прошлом веке. Если кому-либо известен предок — поделитесь ссылкой, буду рад пропиарить прародителя 🙂

 

Сначала — слово

В своих аудио разработках я стараюсь избегать петлевых отрицательных обратных связей в принципе. Но всему своё время и место. Данная статья скорее дань здравому смыслу, нежели моим максималистским устремлениям.

Берём качественный операционный усилитель и заставляем его работать в честном калссе «А». Для этого нагружаем выход операционника на источник тока. Идея, судя по всему, принадлежит Уолту Янгу (Walt Jung) и была использована впервые в Philips DAC960 в девяностых годах. Даже если историки аудио и ошибаются — идея эта все одно работает хорошо. Наглядно, в картинках это можно увидеть в моей статье про генератор на мосте Вина.

Поскольку маленький ОУ негоже нагружать 30-омными головными телефонами, нам понадобится усилитель тока. В данном случае — двухтактный истоковый повторитель на непритязательных MOSFET (МДП) транзисторах от International Rectifier. При работе на относительно высокоомную нагрузку повторитель не выходит из чистого класса «А».

 

Творение

• ОУ = OPA2134
• VD1 = красный светодиод 1.7 вольта
• VT1 = MPS2907A ~= КТ361
• VT2 = IRF610
• VT3 = IRF9620 или IRF9510
• VD2, VD3 = стаб. на 9…15 В
• C1 = 1мкФ (аудиофильского качества)
• RP1 = 100 КОм
• R1, R3 = 1 КОм
• R2 = 100 КОм
• R4 = 2 КОм
• R5, R6 = 3 КОм
• R7 = 360 Ом (*)
• R8, R9 = 100 Ом
• R10, R11 = 3.3 Ом 1 Ватт
• C2…C7 = 0.1 мкФ (плёнка)
• C8, C9 >= 4700 мкФ x 35 В
• C10 = 47 мкФ x 16 В (алюминий)

Напряжение смещения на затворах повторителя (падение на R5) задаётся при помощи всё того же источника тока, что помогает операционному усилителю работать без переключательных искажений. Желательно обеспечить сквозной ток через выходные транзисторы порядка 100мА. Для этого, возможно, придётся подобрать R7.

 

Результат

Вот как я это уложил в корпус лет дцать тому назад. Если бы я это сегодня собирал, то наверное трансформатор уехал бы жить в отдельную коробочку.

Не буду скромничать: моя инкарнация этой схемы в своё время весьма уверенно переиграла некое ламповое творение. Оба усилителя нагружали на хорошую, низкоомную и не очень чувствительную акустику. Причём хозяин лампового аппарата сам тогда заявил, что звук с моим усилком был «теплее» и честнее. Впрочем, это лишь доказывает тот факт, что использование радиоламп в конструкции усилителя — ещё не гарантия качественного звука.

Если вам нужен хороший усилитель для наушников, способный справиться как с 30-омными «затычками», так и достойно работать на 300 Ом качественных меломанских «ушей» — смело собирайте предлагаемую схему. Просто, недорого, проверено. Если же потом всё равно захочется поиграться с вакуумными приборами — будет с чем сравнивать 😉

 

Бонус

Описанная здесь топология неплохо справляется и с низкоомной нагрузкой, и по сути становится обычным усилителем мощности на полевых транзисторах, работающем в классе «AB». Если очень хочется — то можно снабдить его сообразным источником питания и радиаторами посолидней и качать колонки. Правда максимальная выходная мощность из-за ограничения по напряжению питания ОУ будет относительно невелика.

Поделитесь этой информацией с Вашими друзьями, они будут Вам благодарны.
Для этого воспользуйтесь кнопками ретвита и соц. сетей под статьей.

Спасибо!

Последние новости (обновлено 2 декабря 2014)

Вот теперь действительно полным ходом готовлю к выпуску набор для самостоятельной сборки улучшенной версии данного усилителя! 🙂

• Источник тока a-la Nelson Pass: всё становится ещё линейней
• Автоматическая установка тока покоя выходного каскада: больше никакого шаманства типа «прогреть в течение 3 часов и подстроить заново»: держит железно вне зависимости от нагрева
• Задержка включения, защита от постоянки на выходе, по желанию — и защита от перегрева
• В «топовой» версии — high-end компоненты (усилитель того заслуживает). Впрочем, даже бюджетная версия набора получит качественные, а местами по-прежнему high-end комплектующие.
• Переход в режим Class Super-A при работе на низкоомную нагрузку (только для покупателей нашего набора)
• Эффективное использование напряжения питания: качаем симметрично вплоть до полного размаха выходного напряжения ОУ — в нагрузку! (только для наших клиентов)

Описание JAST_Amp-Pro

 

Разработка компактной модели туннельных полевых транзисторов

Переход к разработке крупномасштабной интегральной схемы с использованием низковольтных туннельных полевых транзисторов. Схема может быть спроектирована с использованием модели работы устройства для представления характеристик разработанных устройств.

Японские исследователи разработали компактную модель для моделирования схем, чтобы предсказать поведение схемы туннельных полевых транзисторов (туннельных полевых транзисторов).Эта модель работы устройства моделирует вольт-амперные характеристики путем прогнозирования распределения электрического поля в туннельном полевом транзисторе и оценки туннельного тока. Он описан на языке Verilog-A и поэтому может быть включен в существующие симуляторы основных схем. Ожидается, что эта модель внесет свой вклад в разработку туннельных полевых транзисторов с целью реализации схем со сверхмалым энергопотреблением.

В последние годы, с широким распространением мобильных информационных устройств и усложнением ИТ-оборудования, растет озабоченность по поводу увеличения энергопотребления.Также растет общественный спрос на снижение энергопотребления электронных информационных устройств. Однако снижение энергопотребления обычных полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET) приближается к своему пределу. Революционные, революционные маломощные крупномасштабные интегральные схемы (БИС) необходимы для построения низкоуглеродного общества.

В последние годы внимание было сосредоточено на туннельных полевых транзисторах, которые способны круто включать / выключать при низком напряжении, в качестве альтернативы обычным полевым МОП-транзисторам.Ожидается, что использование туннельных полевых транзисторов снизит энергопотребление LSI. Имитация схем для определения того, соответствуют ли новые конструкции LSI требованиям к производительности, имеет важное значение. Однако трудно учесть туннельный эффект при прогнозировании вольт-амперных характеристик туннельных полевых транзисторов, и не существует модели работы туннельного полевого транзистора, которая могла бы использоваться для моделирования схем.

Устройство и принцип устройства туннельного полевого транзистора. Пунктирные серые линии указывают на выключенное состояние.

Туннельный полевой транзистор — это транзистор, который управляет включением / выключением, индуцируя туннелирование с напряжением затвора, в отличие от полевого МОП-транзистора, используемого в обычных БИС. Уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости канала быстро изменяются путем управления напряжением на затворе. В результате, когда уровень энергии зоны проводимости канала приближается к уровню энергии валентной зоны источника, происходит туннелирование между источником и каналом, и через транзистор протекает ток.Туннельный полевой транзистор, основанный на этом принципе, включает и выключает ток при более низком напряжении, чем обычный полевой МОП-транзистор, и способен к крутому переключению. Если переключение происходит круто, туннельный полевой транзистор может работать при более низком напряжении, чем обычный полевой МОП-транзистор. В результате LSI, использующая туннельные полевые транзисторы, также может работать при более низком напряжении.

Крутые коммутационные характеристики туннельного полевого транзистора.

Разработанная компактная модель туннельных полевых транзисторов позволяет рассчитывать туннельный ток, генерируемый в полевых транзисторах, исходя из напряжений на выводах истока, стока и затвора.Во-первых, модель предсказывает распределение электрического поля в том месте туннельного полевого транзистора, где генерируется туннельный ток. Расстояние туннеля можно получить из распределения электрического поля, что позволяет оценить величину генерируемого туннельного тока. Поскольку модель может использоваться для прогнозирования электрических характеристик отдельных устройств, имитатор схемы с этой моделью может быстро прогнозировать производительность схемы с несколькими подключенными к ней устройствами. Это позволяет спроектировать схему LSI, в которой используются туннельные полевые транзисторы.Кроме того, модель описана на языке Verilog-A и поэтому может быть включена в различные симуляторы схем.

Сравнение между распределением электростатического потенциала, предсказанным компактной моделью, и результатами численного моделирования Показаны распределения электростатического потенциала в направлении стрелки на границе раздела для различных напряжений затвора (Vgs).

Поскольку моделирование схем работает с несколькими устройствами одновременно, модель выражается аналитическими уравнениями, которые можно рассчитать мгновенно.Достоверность этой модели была оценена путем сравнения с численным моделированием, включая метод численного анализа, который разделяет структуру устройства на группу небольших областей и решает уравнения (метод конечных элементов). Показаны распределения электростатического потенциала в поперечном сечении туннельного полевого транзистора вдоль диэлектрического слоя затвора. Распределение электростатического потенциала, предсказываемое этой моделью, хорошо согласуется с численным моделированием, которое занимает от 10 минут до 1 часа для расчета одного устройства.Расстояние туннеля можно получить из распределения электростатического потенциала, что позволяет быстро и точно рассчитать величину туннельного тока.

Сравнение измеренных значений и результатов моделирования вольт-амперных характеристик туннельного полевого транзистора Примечание. Разница в значениях около напряжения затвора 0 В обусловлена ​​током утечки через диэлектрический слой затвора, наблюдаемым при измерении, и не является специфической. для туннелирования полевых транзисторов.Он может быть подавлен конструкцией устройства и поэтому не учитывался при расчетах.

Исследователи намерены предоставить разработанную компактную модель исследователям маломощных схем и тем самым ускорить разработку маломощных БИС, в которых используются туннельные полевые транзисторы.

---

Грядущая революция маломощных квантовых компьютеров

---

Предоставлено Передовая промышленная наука и технологии

Ссылка : Разработка компактной модели туннельного полевого транзистора (2 ноября 2012 г.) получено 21 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2012-11-compact-tunnel-field-effect-transistors.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Feldeffekttransistor — Википедия

Feldeffekttransistoren ( FETs ) sind eine Gruppe von Transistoren, bei denen im Gegensatz zu den Bipolartransistoren nur ein Ladungstyp amte elektröschen, b.Дефектэлектронен. Sie werden bei tiefen Frequenzen — im Gegensatz zu den Bipolartransistoren — weitestgehend leistungs- bzw. verlustlos geschaltet. Die am weitesten verbreitete Art des Feldeffekttransistors ist der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors).

Ответы на вопросы и детали в субстратах n-Kanal-MOSFET

Entdeckt wurde das Prinzip des Feldeffekttransistors im Jahr 1925 von Julius Lilienfeld. Damals war es aber noch nicht möglich, einen solchen FET auch tatsächlich herzustellen.Halbleitermaterial der notwendigen Reinheit als Ausgangsmaterial kommt in der Natur nicht vor und Methoden zur Erzeugung hochreinen Halbleitermaterials waren noch nicht bekannt. Insofern waren auch die speziellen Eigenschaften von Halbleitern noch nicht ausreichend erforscht. Erst mit der Herstellung hochreiner Halbleiterkristalle (Germanium) Anfang der 1950er-Jahre wurde dieses Problem gelöst. ^[1] Aber erst durch die Silizium-Halbleitertechnologie (u. A. Thermische Oxidation von Silizium) in den 1960er-Jahren konnten erste Labormuster des FET hergestellt werden. ^{[2] [3]}

Laborversuche [Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Die erste konkrete Beschreibung eines unbeheizten Bauelements mit Eigenschaften ähnlich einer Elektronenröhre geht auf Julius Lilienfeld im Jahr 1925 zurück. ^[4] Damals fehlten aber die Technologien, diese Vorschläge zu realisieren. ^[5] In der Folgezeit erhielt Lilienfeld 1928 ein Patent auf eine Konstruktion, die dem heutigen IGFET nahekam, und es gab ähnliche Versuche von Joseph Weber 1930.

Im Jahr 1934 meldete der deutsche Physiker Oskar Heil den ersten Feldeffekttransistor zum Patent an. ^[6] Weitere Versuche gab es von Holst und Geal 1936 und von Rudolf Hilsch und Robert Wichard Pohl 1938, Realisierungen sind aber nicht bekannt.

Die Beschreibung des ersten JFETs mit p-n-Übergang durch Herbert Mataré, Heinrich Welker und parallel dazu William B. Shockley und Walter H. Brattain erfolgte 1945 vor Erfindung des Bipolartransistors 1948.Bis in die 1960er Jahre gab es aus technologischen Gründen Feldeffekttransistoren nur in Laboratorien.

Serienreife [Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Wegen anfänglich noch auftretender Probleme mit bipolaren Transistoren beginn ab ca. 1955 eine eingehendere Forschungstätigkeit zu Halbleiteroberflächen sowie die Entwicklung von Fertigungsverfahren, die erste Feldeffekttransistoren zur Serienreife brachten. Mehrere Wissenschaftler und Ingenieure leisteten hier Pionierarbeit, u.а. der Südkoreaner Dawon Kahng und der Ägypter Martin M. Atalla. Ihre Arbeit bei den Bell Telephone Laboratories mündete ab 1960 in mehrere Patente. ^[7] Die erste Patentanmeldung im deutschsprachigen Raum zur Fertigung serienreifer Feldeffekttransistoren erfolgte am 19. Май 1961 года, как DPMA mit dem Название: Halbleitereinrichtung (später Verstärkendes Halbleiterbaueanntle ). ^[8]

Zu heutigen Herstellungsverfahren von Feldeffekttransistoren zählt insbesondere die Planartechnik und die FinFET-Technik.

Im Gegensatz zu den strom gesteuerten Bipolartransistoren sind Feldeffekttransistoren spannungs gesteuerte Schaltungselemente. Die Steuerung erfolgt über die Gate-Source-Spannung, welche zur Rules des Kanalquerschnittes bzw. der Ladungsträgerdichte dient, d. час des Halbleiter-Widerstands, так что Stärke eines elektrischen Stromes zu schalten oder zu steuern.

Der FET verfügt über drei Anschlüsse:

• Источник (englisch für «Quelle», «Zufluss»)
• Ворота (englisch für «Tor», «Gatter») — der Steuerelektrode
• Drain (englisch für «Senke», «Abfluss»)

Beim MOSFET kann ein vierter Anschluss Bulk (Substrat) vorhanden sein.Dieser wird bei Einzeltransistoren bereits intern mit dem Source-Anschluss verbunden und nicht extra beschaltet.

Die Steuerung bzw. Verstärkung des Stromflusses zwischen Drain und Source geschieht durch gezieltes Vergrößern und Verkleinern leitender und nichtleitender Gebiete des Halbleitermaterials (Substrat). Das im Vorfeld p- und n-dotierte Halbleitermaterial wird dabei durch die angelegte Spannung bzw. das dadurch entstehende elektrische Feld entweder verarmt oder mit Ladungsträgern angereichert.

Der entscheidende schaltungstechnische Unterschied zum bipolaren Transistor best in der bei niedrigen Frequenzen praktisch leistungslosen Ansteuerung des FET, es wird lediglich eine Steuerspannung benötigt.

Ein weiterer Unterschied ist der Ladungstransport in dem unipolaren Source-Drain-Kanal. Diese Tatsache ermöglicht prinzipiell einen Inverssen Betrieb des FET, d. h., Drain und Source können vertauscht werden. Allerdings trifft das nur auf sehr wenige FET zu, weil die meisten Typen sowohl unsymmetrisch aufgebaut als auch die Anschlüsse Bulk und Source intern verbunden sind.Zudem kann der unipolare Kanal als bidirektionaler Widerstand benutzt werden und somit nicht nur Gleich-, sondern auch Wechselströme beeinflussen, был z. B. bei Dämpfungsschaltungen (Abschwächer, Muting) genutzt wird.

Je nach Art des FET kommen unterschiedliche Effekte zum Einsatz, um die Leitfähigkeit der Gebiete zu steuern. Полевые транзисторы weisen außerdem eine geringere Steilheit Δ I _Ausgang / Δ U _steuer gegenüber vergleichbaren Bipolartransistoren auf.

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Bipolar- sowie Feldeffekttransistoren wurden 1984 auf Basis von MISFETs der Биполярный транзистор с изолятором Gateelektrode (английский язык ), биполярный транзистор с изолированным затвором (английский язык ), биполярный транзистор с изолированным затвором Er stellt eine Kombination von Feldeffekttransistor und Bipolartransistor dar, ist aber im Einsatzbereich auf höhere Betriebsspannungen limitiert.

Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET) [Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Схема eines n-Kanal-JFET

Beim Sperrschichtorder Junction -Feldeffekttransistor (JFET или SFET) wird der Stromfluss durch den zwischen Drain und Source liegenden Stromkanal mithilfe einer Sperrschicht (vgl.п-н-Übergang, англ. перекресток ) zwischen Gate und dem Kanal gesteuert. Das ist möglich, da die Ausdehnung der Sperrschicht und damit die Größe der Einschnürung des Stromkanals von der Gate-Spannung abhängig ist (siehe auch Raumladungszone).

Аналоговый транзистор Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET, MISFET, MOSFET) для группы Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET), а также NIGFET (английский без изолированного затвора , также изолирующий транзистор ) Gatenet Man unterscheidet im Wesentlichen folgende Feldeffekttransistorarten (ohne isoliertes Gate, NIGFET):

Isolierschichtfeldeffekttransistor (IGFET, MISFET, MOSFET) [Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Схема eines n-Kanal-MOSFET (mit bereits ausgebildetem, leitendem Kanal zwischen Source und Drain )

→ Hauptartikel: MOSFET, der derzeit meist eingesetzte Isolierschichtfeldeffekttransistor

Bei einem Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGFET, von engl.полевой транзистор с изолированным затвором, auch Feldeffekttransistor mit изолированное Gate genannt), trennt eine elektrisch nichtleitende Schicht die Steuerelektrode ( gate ) vom sogenannten Kanal, dem eigentlichen Halbleitergebiet in dem später zwis source53. Der übliche Aufbau eines solchen Transistors лучше, чем Steuerelektrode aus Metall, einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht und dem Halbleiter, а также einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur.Transistoren des Aufbaus werden daher Metall-Isolator-Halbleiter- (MISFET, англ. Metal insulator semiconductor FET) или — wenn ein Oxid als Nichtleiter eingesetzt wird — Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (genl. Metaldunt. FET), англ.

Der Stromfluss im Kanal wird dabei über das elektrische Potential am Gate gesteuert, genauer der Spannung UGB {\ displaystyle U_ {GB}} zwischen Gate und Bulk bzw. Субстрат. Das Gatepotential beeinflusst die Konzentration der Ladungsträgerarten (Elektronen, Defektelektronen) im Halbleiter, vgl.Inversion, und ermöglicht bzw. Verhindert je nach Aufbau den Stromfluss zwischen Source und Drain. Beispielsweise werden bei einem n-Kanal-IGFET von Anreicherungstyp mit steigender Spannung UGB {\ displaystyle U_ {GB}} zuerst die Defektelektronen, d. час die vormaligen Majoritätsladungsträger, verdrängt und es bildet sich durch Ladungsträgerverarmung ein nichtleitendes Gebiet. Steigt die Spannung weiter, kommt es zur Inversion, das p-dotierte Substrat unterhalb des Gates wird n-leitend und bildet einen leitfähigen Kanal zwischen Source и Drain , dessen Majoritätsladungsträenger.Auf diese Weise steuert die Spannung zwischen Gate und Bulk den Stromfluss zwischen Source и Drain .

Aus technologischen Gründen hat sich hier die Werkstoffkombination Siliziumdioxid-Silizium durchgesetzt. Deshalb fand in den Anfangsjahren der Mikroelektronik der Begriff MOSFET große Verbreitung und wird auch heute noch als Синоним für die Allgemeinere Bezeichnung MISFET или IGFET genutzt.

Man unterscheidet im Wesentlichen folgende Feldeffekttransistorarten (mit isoliertem Gate, IGFETs):

Grundtypen von Feldeffekttransistoren

Grundsätzlich können vier unterschiedliche Typen von MOSFETs konstruiert werden, selbstleitende und selbstsperrende mit einem p- bzw.н-канал. Die üblicherweise für die Kennzeichnung von Dotierungen genutzten Zeichen n und p stehen hier jedoch nicht für eine Dotierung (beispielsweise für den Kanal), sondern kennzeichnet die Art der Majoritätsladungsträger, die Ladisträger des Ladungsträger, die Ladiströhtungen, das Ladistr. ^[9] Hierbei steht n für Elektronen und p für Defektelektronen als Majoritätsladungsträger.

Als Schaltzeichen werden im deutschsprachigen Raum meist die nebenstehend abgebildeten Schaltzeichen mit den Anschlüssen für Gate, Source, Drain und Body / Bulk (mittiger Anschluss mit Pfeil) genutzt.Dabei kennzeichnet die Richtung des Pfeils am Body / Bulk-Anschluss die Kanal-Art, das heißt die Majoritätsladungsträgerart. Hierbei kennzeichnet ein Pfeil zum Kanal einen n-Kanal- und ein Pfeil weg vom Kanal einen p-Kanal-Transistor. Ob der Transistor selbstsperrend oder selbstleitend ist, wird wiederum über eine gestrichelte («Kanal muss erst convertiert werden» → Anreicherungstyp, selbstsperrend) bzw. eine durchgängige («Strom kann fließen» → Verarmungstyp, selbstleitend) Kanallinie dargestellt.Darüber hinaus sind aber vor allem im internationalen Umfeld auch weitere Zeichen üblich, bei denen der üblicherweise mit Source verbundene Body / Bulk-Anschluss nicht dargestellt wird. ^[9]

Grundschaltungen [Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Entsprechend wie bei bipolaren Transistoren mit ihren Grundschaltungen Emitter-, Kollektor- und Basisschaltung gibt es bei FETs Grundschaltungen, bei denen jeweils einer der Anschlüsse signalmäßig auf masse die andegt isкак Ausgang Funds.

• Common-Source-Schaltung (entspricht Emitterschaltung)

• Common-Drain-Schaltung (entspricht Kollektorschaltung)

• Common-Gate-Schaltung (entspricht Basisschaltung)

Der Einsatz der verschiedenen Bauformen der Feldeffekttransistoren ist vor allem abhängig von den Ansprüchen an Stabilität und Rauschverhalten. Grundsätzlich gibt es Feldeffekttransistoren für all Einsatzgebiete, dabei werden jedoch die IGFETs eher in der Digitaltechnik eingesetzt, JFETs eher in der Hochfrequenztechnik. ^[10]

Leistungs-MOSFET sind Bipolartransistoren hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Verlusten insbesondere bei Spannungen bis ca. 950 V (Super-Mesh-V-Technologie) überlegen. Sie werden daher в Schaltnetzteilen und Schaltreglern eingesetzt. Aufgrund der damit möglichen hohen Schaltfrequenzen (до примерно 1 МГц) lassen sich kleinere индуктивная Bauteile einsetzen.

Des Weiteren sind sie in Form von so genannten «Intelligenten», das heißt mit integrierten Schutzschaltungen versehenen, Leistungsschaltern im Automotive-Bereich verbreitet.Darüber hinaus finden sie Anwendung als HF-Leistungsverstärker meist gefertigt в Bauformen mit speziellen Kennlinien und Gehäusen. Klasse-D-Audioverstärker arbeiten in den PWM-Schaltstufen mit MOSFETs.

• Рейнхольд Пауль: MOS — Feldeffekttransistoren . Springer, Берлин, 2002 г., ISBN 3-540-55867-5.
• Штефан Госснер: Grundlagen der Elektronik (Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen) . 11. Aufl. Шейкер, 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2.

1. ↑ Г.К. Тил, Дж. Б. Литтл: Рост монокристаллов германия . В: Phys. Rev. Band 78, 1950, S. 647, DOI: 10.1103 / PhysRev.78.637 (Труды Американского физического общества; протокол собрания в Ок-Ридже, 16-18 марта 1950 г.).
2. ↑ Д. Канг: Исторический взгляд на развитие МОП-транзисторов и связанных устройств . В: Электронные устройства, транзакции IEEE на . Группа 23, № 7, 1976, S. 655–657, DOI: 10.1109 / T-ED.1976.18468.
3. ↑ S. M. Sze, Kwok Kwok Ng: Физика полупроводниковых приборов . John Wiley and Sons, 2007, ISBN 978-0-471-14323-9 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
4. ↑ Патент US1745175: Метод и устройство для управления электрическими токами. Angemeldet am 22. Октябрь 1925, Erfinder: J. E. Lilienfeld.‌
5. ↑ Рейнхольд Пауль, Feldeffekttransistoren — Physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union [u.а.], Штутгарт, 1972 г., ISBN 3-408-53050-5.
6. ↑ Патент GB439457: Усовершенствования в электрических усилителях и других устройствах и устройствах управления. Erfinder: Oskar Heil (англ. В Германии, 2 марта 1934 г.).
7. ↑ Бо Лойек: История полупроводниковой техники . Springer. Берлин / Гейдельберг, 2007, ISBN 978-3-540-34257-1, S. 321 f.
8. ↑ Патент DE1439921A: Halbleitereinrichtung. Angemeldet am 19. Mai 1961, veröffentlicht am 28.Ноябрь 1968 г., Erfinder: Dawon Kahng (Priorität: US3102230, angemeldet am 19. Mai 1960).
9. ↑ ^{a b} vgl. Михаэль Райш: Halbleiter-Bauelemente . Springer, 2007, ISBN 978-3-540-73200-6, S. 219 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
10. ↑ Хайнц Бенкинг: Feldeffekttransistoren . Springer Verlag, Берлин 1973, ISBN 3-540-06377-3.

Создание лучшего генератора: диссипативные солитоны и полевые транзисторы бегущей волны

Ключом к улучшению характеристик высокоскоростных электронных схем является генерация коротких электрических импульсов с пониженным фазовым шумом.Доктор Коичи Нарахара из Департамента электротехники и электроники Технологического института Канагавы изучает электрические импульсы, генерируемые полевыми транзисторами бегущей волны. Он обнаружил, что устройства обладают уникальными свойствами, которые могут обеспечить повышенные рабочие частоты и снижение фазового шума по сравнению с традиционными генераторами, что делает их бесценными для современной электроники.

Полевой транзистор бегущей волны (TWFET) — это особый тип полевого транзистора (FET) с электродами, используемыми в качестве линий передачи в дополнение к его электрическим контактам.Полевой транзистор — это полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электрических сигналов и мощности, которое имеет три вывода; вывод истока, куда входят электроны, сток, через который они покидают канал, и затвор. Подавая напряжение на затвор, можно управлять электронами, которые движутся от истока к стоку. Когда между корпусом и затвором создается разность напряжений, создается электрическое поле, которое увеличивает проводимость между выводами стока и истока.TWFET состоит из двух линий передачи: одна или другая периодически нагружается током, текущим из затвора и стока небольшого заземленного полевого транзистора соответственно. С момента открытия в 1965 году TWFET-транзисторы изучались на предмет их использования в широкополосном усилении. Однако из-за наличия электромагнитных связей между линиями передачи не было разработано эффективного метода проектирования для короткоканальных TWFET.

Для ограничения слабых сигналов предполагается, что выход любого устройства линейно зависит от входа, что означает, что сила и форма создаваемой электромагнитной волны не изменятся.Однако это предположение не выполняется для многих устройств, у которых такие свойства, как сопротивление, емкость и индуктивность, непостоянны. Эти устройства известны как «нелинейные». До сих пор нелинейными свойствами TWFET обычно пренебрегали.

Д-р Нарахара изучает метод усиления коротких электрических импульсов с использованием TWFET-транзисторов с электромагнитными связями (где электромагнитное поле в одном наборе электропроводки или цепи приводит к возникновению электрического заряда в другом) и разработал способ использования их нелинейности для формирования электромагнитных волн. или импульсы.Эти связи вызывают два разных режима распространения (пути распространения импульсов) в TWFET. Ему удалось ограничить всю энергию импульса в одном из режимов и усилить импульсы, переносимые этим режимом. Пока импульс распространяется в уникальном режиме, он свободен от искажений, вызванных различием между режимами.

Фронт ударной волны действует как приближающаяся стенка для встречных волн, частота отраженной волны становится больше, чем падающая, из-за эффекта Доплера.

Обычно коротковолновые волны распространяются медленнее, чем длинноволновые волны в TWFET, что вызывает дисперсионные искажения коротких импульсов и импульсов основной полосы частот. За счет введения нелинейности эту дисперсию можно компенсировать. Более того, TWFET удается уравновесить диссипацию и усиление. В результате он поддерживает диссипативные солитоны. Солитон — это волна, которая сохраняет свою форму при движении с постоянной скоростью. Таким образом, доктор Нарахара разработал TWFET, который поддерживает короткие электрические импульсы без значительных искажений.

Взаимодействие диссипативных солитонов может привести к технологическому прорыву в характеристиках фазового шума генераторов. Осцилляторы — это устройства, которые изменяют постоянный ток, полученный от источника питания, на переменный ток. Они встречаются во многих обычных электрических устройствах, но обычно создают высокий уровень фазового шума, который может мешать их работе. Рассматривая замкнутую топологию, д-р Нарахара создал то, что по сути является импульсным генератором с использованием TWFET-транзисторов, который когда-нибудь может стать полезной схемой для снижения фазового шума.

Помимо развития диссипативных солитонов, нелинейность в TWFET вызывает несколько других волновых явлений, используемых для генерации высокочастотных непрерывных или импульсных сигналов. Без нелинейности волны переносятся наложенными синусоидальными модами распространения, а экспоненциальные моды не могут способствовать их распространению. Напротив, гибридизация синусоидального и экспоненциального режимов становится возможной при наличии нелинейности. Доктор Нарахара обнаружил, что гибридный режим поддерживает квазистабильное распространение падающих импульсов и значительно сужает их ширину.

Кроме того, он обнаружил, что ударные волны могут возбуждаться в TWFET-транзисторах, которые отличаются тем, что они могут отражать любые приходящие волны, что приводит к увеличению частоты. Кроме того, ударная волна в резонаторе демонстрирует интересную самоорганизацию. Благодаря правильной конструкции структуры и приложенному напряжению ударная волна достигает дальнего конца и отражается назад к входу. Кромка снова отражается на входе и становится устойчивым фронтом ударной волны. В результате повторения этого процесса ударный фронт колеблется в резонаторе TWFET.При увеличении входной амплитуды два или более колебательных фронта развиваются автономно и взаимно синхронизируются.

Эти явления могут быть объединены с динамикой диссипативных солитонов, что приводит к сложным методам для многофазных, (де) мультиплексированных или синхронизированных по фазе потоков ультракоротких импульсов.

Диссипативные солитоны
Диссипативные солитоны обычно обладают однозначно определенной амплитудой и скоростью и могут взаимодействовать с другими солитонами, а также с другими типами волн.Повторяющиеся лобовые столкновения двух диссипативных солитонов генерируют серию небольших импульсов. Встречающиеся импульсы отдают часть своей энергии генерируемым импульсам при каждом столкновении, и поэтому амплитуда встречных импульсов со временем уменьшается. Хотя импульс против часовой стрелки имеет немного меньшую амплитуду, чем импульс по часовой стрелке до столкновения, расхождение амплитуды увеличивается после столкновения; в частности, амплитуда импульса против часовой стрелки уменьшается, тогда как амплитуда импульса по часовой стрелке либо увеличивается, либо остается неизменной.После нескольких последующих лобовых столкновений импульс против часовой стрелки исчезает, а импульс по часовой стрелке однозначно сохраняется и вращается на закрытом TWFET.

Когда два TWFET соединены друг с другом через резистор, диссипативный солитон, вращающийся на одном из них, привлекательно взаимодействует с диссипативным солитоном, который вращается на другом TWFET. Следовательно, два диссипативных солитона в этих связанных TWFET синхронизированы по фазе таким образом, что они одновременно проходят через соединительные ячейки.Используя это свойство, замкнутая система TWFET может использоваться для генерации последовательности импульсов с регулируемой фазой. Используя двухточечные соединения закрытых TWFET, два диссипативных солитона могут быть спроектированы так, чтобы вращаться либо в общем, либо в обратном направлении. Подобные синхронизированные диссипативные солитоны могут образовываться даже в трех и более TWFET. Такое расширение шкалы может привести к различным схемам управления фазой, включая генерацию многофазных последовательностей импульсов.

В частности, соединение двух TWFET, где размер одного установлен на целое число, кратное другому, генерирует два или более диссипативных солитона в большем из них.Доктор Нарахара обнаружил, что два диссипативных солитона отталкивающе взаимодействуют в замкнутом TWFET. Следовательно, стабилизированный диссипативный солитон в замкнутом TWFET может позиционировать антипод своего парного диссипативного солитона. Это взаимодействие способствует уменьшению флуктуации расстояния между импульсами, что приводит к уменьшению фазового шума, присутствующего на выходе последовательности импульсов.

Ударные волны
Одним из нелинейных эффектов в распределенных системах является развитие ударных волн.Ударная волна — это тип распространяющейся волны, которая несет энергию, как обычная волна, но характеризуется резким, почти прерывистым изменением давления, температуры и плотности среды. Ударные волны наблюдались в линиях передачи, которые нагружены по всей своей длине конденсаторами, зависящими от напряжения, известными как варакторы.

Доктор Нарахара вывел условия образования ударной волны на TWFET и экспериментально показал, что TWFET успешно демонстрирует формирование ударной волны.Кроме того, он показал, что ударная волна сопровождает ток стока, так что он отражает волны, возникающие впереди. Когда ударный фронт образуется на стоке, он вступает в контакт с встречно движущимися волнами, и при этом его частота становится больше, чем встречных волн из-за механизма, называемого эффектом Доплера. По сути, говорит доктор Нарахара: «Фронт ударной волны действует как приближающаяся стена для встречных волн, частота отраженной волны становится больше, чем падающая, из-за эффекта Доплера.”

Эффект Доплера — это изменение длины волны по отношению к наблюдателю, который движется относительно источника волны. По мере того, как наблюдатель приближается к волнам, каждой волне требуется немного меньше времени, чтобы достичь наблюдателя, чем предыдущей, что приводит к уменьшению времени между приходом волн к месту нахождения наблюдателя. Это вызывает увеличение частоты.

Благодаря объединенной динамике между диссипативными солитонами и скачками, сети TWFET могут привести к новой систематической схеме разработки генераторов.

Кроме того, при правильном проектировании размера линии передачи и уровней напряжения прикладываемых импульсов, когда фронт ударной волны достигает дальнего конца, он отражается обратно к входу. Кромка снова отражается на входе и становится устойчивым фронтом ударной волны. Процесс повторяется непрерывно для установления колебаний кромки. Подобное колебание возникает в линии передачи, периодически загружаемой туннельными диодами, и показано, что это своего рода предельный цикл, который может быть синхронизирован с внешними колебаниями или, возможно, с сосуществующими краевыми колебаниями.Кроме того, количество колеблющихся фронтов увеличивается с амплитудой входного сигнала в линию затвора. Каждый край можно синхронизировать с другими краями. Двойные и учетверенные колеблющиеся края были успешно обнаружены с помощью измерений во временной области, выполненных доктором Нарахарой.

Будущее TWFET
Д-р Нарахара оптимистично полагает, что когда-нибудь TWFET смогут заменить генераторы в современных устройствах, поскольку электроника требует все меньших и более высокоскоростных схем.«Благодаря объединенной динамике между диссипативными солитонами и толчками сети TWFET могут привести к новой систематической схеме проектирования осцилляторов», — сказал д-р Нарахара. Многое еще не известно о природе диссипативных солитонов, и знания, полученные в результате исследования доктора Нарахары, показали, что TWFET является ценным инструментом для изучения этих удивительных форм волн, которые могут продвинуть вперед область физики волновых форм, а также внесет огромный вклад в будущие прорывы в области электронных технологий.