電界効果トランジスタのアクティブフィルター。スキーム、説明

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電界効果トランジスタのアクティブフィルター。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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この記事では、ソースリピーターに基づいたシンプルなアクティブフィルターを提案しています。このようなフィルターの特徴である低レベルの歪みとその低次性は、スペクトル的に飽和した音楽信号のサウンドの純度を達成するのに役立ちます。これにより、オペアンプをベースとしたアクティブフィルターとうまく競合することができます。

電界効果トランジスタのオーディオ機器ノードの利点には、電界効果トランジスタによって増幅された信号に導入される高調波歪みや相互変調歪みが低レベルであることが挙げられます。このような状況のため、設計者は UMZCH の出力段でこれらのトランジスタを使用することが増えています。ただし、予備的なカスケードでは、主にアマチュアの開発でそのようなデバイスが使用されることはほとんどありません。そして無駄に！これらを使用すると、一般的なフィードバックのないシンプルなデザインのデバイスを作成でき、温かみのある「チューブ」サウンドを作り出すことができます。アンプの高調波係数は、局所的な環境保護が施されていても 0,1 ～ 0,3% を超えず、高次高調波は実質的に存在しません。

電界効果トランジスタの利点は、シンプルな設計で特に顕著になります。確かに、この場合、彼らの主な欠点は顕著になります - 独自のパラメータのかなり大きな技術的広がりです。そのため、通常は各製品を個別に調整する必要があります。これはアマチュア無線家にとっては障害ではありませんが、最も単純な回路を備えたデバイスは大量生産にはほとんど役に立ちません。ただし、この状況も考慮に入れることができます。適切に機能する設計の小規模生産では、XNUMX つのバッチからのトランジスタを使用するだけで十分です。 XNUMX つのパッケージ内では、パラメーターの広がりはそれほど大きくありません。

提案されたフィルタの開発中に設定された主な条件は、デバイスを最大限に簡素化し、広い周波数帯域で最大数百ミリボルトのレベルの信号に対する高い線形性を実現することです。カットオフ電圧が -3 V 未満の P チャネルトランジスタ (KPZ0ZG、KPZ0ZE) を使用すると、ユニポーラ電源で必要な動作モードがゲートバイアスなしで実現されます。この場合、カスケードの入力に絶縁コンデンサは必要ありません。そしてこれにより音質がさらに向上します。

直流のカスケードモード(図1)と伝達係数は、線形近似法を用いて計算することができます[1]。この方法は、[2] で示されている方法よりもはるかに単純かつ明確であり、実質的に同じ結果が得られます。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

計算にはトランジスタＳの特性の傾きを知る必要があり、基準ではなく実際の値を用いることが望ましい。しかし、素人の状況で傾斜を直接測定することは困難です。線形近似により、初期ドレイン電流 Iini とカットオフ電圧 Utr という構造を決定するための測定に便利なパラメータを使用することができます。この場合の特性の傾きは次の式で求められます。

S=スタート/Usです。

ソース回路の抵抗の抵抗値 Ri は、Ri = (3...6)/S の比率から大まかに選択できます。ドレインVT1からのカスケードの出力電圧は、Uout \u1d UBXSRC / (1 + SRi)の比率と、ソースの信号電圧から、式Uout \u1d UBXSRi / (3 + SRi)に従ってほぼ決定できます。ここで、S はトランジスタの傾きです。 R および RC - ソースおよびドレイン回路の抵抗 (図 2 ではそれぞれ RXNUMX と RXNUMX)。

最も単純な設計は、ソースフォロワに基づく 2 次ハイパスフィルターです (図 3)。このフィルターの欠点は、ゲインが低いことに関連しています。このパラメータは特性の急峻さに依存し、S = 7...0,8 mA/V の一般的な低電力電界効果トランジスタの場合は 0,85...3 になります。したがって、周波数設定要素の（単位透過係数の）計算値を補正するか、実際の透過係数[XNUMX]を考慮した計算式を使用して計算する必要があります。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

したがって、図に示されている部品の定格により、計算されたカットオフ周波数は 72 Hz となり、実際のカットオフ周波数は 85 ... 90 Hz となります。 R2/R1 - 2 比はバターワースフィルターに相当しますが、カットオフ周波数は計算値よりわずかに高く、周波数応答の変曲はより滑らかです。変曲領域での周波数応答の急峻性を高めるには、比 R1/R2 が 1...3 になるように抵抗 R10 を下げる必要があります。カットオフ周波数は、抵抗 R1、R2 の抵抗値またはコンデンサ C1、C2 の容量を比例的に変更することでシフトできます。

このようなフィルターの出力の信号は 2 ... 2,5 dB 弱まりますが、カスケードの過負荷容量は低くなります。このような条件下では、歪みのない最大出力電圧は 500 mV を超えません。これらの欠点を克服するには、コモンソースコモンコレクタを組み合わせたステージを使用できます(図3)。ただし、そのようなフィルタの出力の信号は反転します。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

フィルタの出力でエミッタフォロワを使用することにより、出力インピーダンスが約 50 オームに減少し、駆動能力が大幅に向上しました。図に示されている要素の値では、カットオフ周波数は約 80 Hz です。ゲイン (2 ... 3 dB) は、適用される電界効果トランジスタの特性と抵抗 R3 の抵抗値によって異なります。確立は、トランジスタＶＴ２のエミッタの電圧が電源電圧の半分にほぼ等しくなるような値を選択することに帰着する。オシロスコープをお持ちの場合は、出力信号制限の対称性によって正確な抵抗値を選択することをお勧めします。カットオフ周波数とフィルターの種類の計算に関しては、上記の考慮事項が有効です。フィルターをシミュレートするには、Microcap プログラムを使用すると便利です。

周波数応答の傾きをさらに大きくするには、4 リンクフィードバック回路を適用します。図上。図４は、Ｆｃｐ＝２５Ｈｚの超低周波用のトラップフィルタの図を示す。 25 - 周波数応答。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

検討した構造に基づいて、マルチバンド増幅を備えたシステムを作成するときに必要なバンドパスフィルターを作成することもできます。このようなフィルターのスキームを図に示します。 6.

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

5 次の調整可能なパッシブローパスフィルター R3C7 がカスケード間に接続されています。このようなフィルタ設計の簡素化が可能になったのは、低周波ダイナミックヘッドの高周波領域における周波数応答がすでに低下しており、ほとんどの場合、アンプの帯域幅をそれに合わせるだけで済むためです。レギュレータの極端な位置でのフィルタの周波数応答を図に示します。 XNUMX。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

フィルターの確立は、この記事ですでに説明したフィルターオプションと似ています。帯域幅調整の上限は FET 段の出力抵抗によって決まり、さらに抵抗 R4 の抵抗によって決まることに留意する必要があります。

説明したフィルターを組み合わせて使用する例を図に示します。 8. これは、左右のステレオチャンネルの LF 帯域と MF-HF 帯域、およびサブウーファーの合計 (モノラル) 信号を形成するためのブロックです。 MF 帯域と HF 帯域の分離は、アンプの出力にあるパッシブフィルターによって実行されます。チャネルフィルター回路は前に説明したものと同じなので、サブウーファーの低周波信号を選択するフィルターにのみ焦点を当てます。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

最初のステージは、[18] で説明されているものと同様の合計負荷 R4 を持つ 7 つの電界効果トランジスタの加算器です。主なフィルタリングは、エミッタフォロワ VT40 上に作成された 160 次のアクティブローパスフィルタによって実行されます。カットオフ周波数は20.1重可変抵抗器(R20.2、R8)により180～XNUMXHzまで調整可能です。コンデンサ CXNUMX は、初段の出力インピーダンスとともに、約 XNUMX Hz のカットオフ周波数を持つ XNUMX 次ローパスフィルターを形成します。これは、通過帯域内の周波数応答の経過にはほとんど影響しませんが、帯域外成分の抑制が向上します。

左右のチャンネルのスピーカーおよびリスナーに対するサブウーファーの位置によっては、リスニング位置での信号の位相シフトによってサウンドイメージが歪む可能性があります（低音の「ぼやけ」または「遅れ」効果）。サブウーファーチャンネルの位相シフトを補正するために、オペアンプ DA1 を備えたレギュレーターが導入されました。電源回路にはダイオードコンデンサフィルタVD1C11が搭載されています。

以下のデザインはカーオーディオシステム向けに特別に設計されています。実際のところ、低音の特徴的な「バズ音」として現れるかなり顕著な内部共鳴が、ホイールにこだわるオーディオファンを動揺させます。周波数応答測定では、120 ～ 160 Hz の周波数で 3 ～ 8 dB の「ハンプ」が示されています。この場合の周波数応答を補正するには、イコライザーの代わりにノッチフィルターを使用すると便利です。 9つのチャネルに対するこのようなアクティブフィルタのスキームを図に示します。 5[XNUMX]。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

最初のステージは分割負荷アンプです。その役割は、C2C3R4R5 フィルタユニットに電力を供給するための逆相電圧を生成することです。キースイッチSA1の図の右側の位置では、約3dBの減衰を持つ逆ウィーンブリッジが形成されます。スイッチの左側の位置では、逆相電圧がフィルターに供給され、同調周波数での減衰が 5...6 dB に増加します。正確な減衰値は、トランジスタの相互コンダクタンスと、抵抗 R2 と R3 の抵抗比によって決まります。それらを等しくすると、減衰は最大 (最大 8 dB) になりますが、出力信号は入力 nv に対して 3...4 dB 減衰します。この図は、金種の最適なバリエーションを示しています。

デバイスの入力インピーダンスは非常に高いため、入力干渉を避けるためにフィルターを信号源の近くに設置することをお勧めします。フィルターの出力インピーダンスは約 50 オームで、ほとんどのヘッドユニットの出力インピーダンスよりもはるかに低くなります。これにより、接続ケーブルの静電容量の影響がなくなり、フィルタが整合器の機能を同時に果たします。ケースは金属でなければなりません。そうでない場合は、内部に銅箔シールドを設け、共通のワイヤに接続する必要があります。

フィルタの周波数応答 (図 9 を参照) を図 10 に示します。十。

電界効果トランジスタのアクティブフィルタ

ご覧のとおり、これは単なるフィルターではなく、本当の「アンビエンスイコライザー」です。この名前と非常によく似た周波数応答を持つデバイスは、マッキントッシュアンプの「上位」モデルで使用されていますが、回路はより複雑です...

図に示されているデバイスに加えて、トランジスタ KPZ0ZV ～ KPZ0ZZh、KT3102 (任意の文字インデックス付き)、または h21e> 50 の他の npn 構造も使用でき、任意の補正されたオペアンプを位相コントローラーで使用できます。ユニティゲインのために。酸化物コンデンサの動作電圧は少なくとも 16 V である必要があります。他の部品の選択は重要ではありません。

文学

Mezhlumyan A. 電界効果トランジスタのステップの計算について。 - ラジオ、2000 年、第 6 号、p. 46-48。
Shkritek P. サウンド回路のリファレンスガイド - M .: Mir、1991 年、p. 74-79。
Titze U.、Shenk K.回路の芸術。 - M.: ミール、1982年。
Vasiliev V.A. 外国のアマチュア無線のデザイン。 - M.: ラジオと通信、1982 年。
Shikhatov A. ザトウクジラの墓は修正されます... - 「マスター12ボルト」、第35号（2001年XNUMX月）。

著者: A. シハトフ、モスクワ

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