场效应晶体管上的有源滤波器。方案、说明

场效应晶体管上的有源滤波器。无线电电子电气工程百科全书

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本文提出了基于源追随者的简单有源滤波器。此类滤波器的低失真度及其低阶特性有助于实现频谱丰富的音乐信号的声音纯度。这使得它们能够成功地与基于运算放大器的有源滤波器竞争。

基于场效应晶体管的音频设备组件的优点包括它们在放大信号中引入的谐波和互调失真水平较低。由于这种情况，设计人员越来越多地在 UMZCH 的输出级中使用这些晶体管。然而，此类设备很少在初级阶段使用，主要用于业余开发。但徒劳无功！它们的使用使得可以创建设计简单、无需一般反馈的设备，从而产生温暖的“管”声音。即使有局部OOS，放大器的谐波系数也不超过0,1...0,3%，实际上不存在高次谐波。

场效应晶体管的优点在简单的设计中尤其明显。确实，在这种情况下，它们的主要缺点变得显而易见——它们自身参数的技术分布相当大。因此，通常需要对每个产品进行单独定制。这对于无线电爱好者来说并不是一个障碍，但电路最简单的设备对于大规模生产来说几乎没有什么用处。但也可以考虑到这种情况：在小规模生产中，功能良好的设计，使用同批次的晶体管就足够了；在一个包内，参数的分布不是那么大。

开发所提出的滤波器时设定的主要条件是在宽频带内电平高达数百毫伏的信号具有高线性度，并且设备极其简单。如果使用截止电压低于 -3 V 的 n 沟道晶体管（KPZ0ZG、KPZ0ZE），则无需栅极偏置即可实现所需的单极电源工作模式。在这种情况下，级联输入端不需要去耦电容器。这进一步提高了音质。

直流电的级联模式（图1）和传输系数可以使用线性近似方法计算[1]。这种方法比[2]中给出的方法更简单、更直观，并且提供了几乎相同的结果。

场效应晶体管上的有源滤波器

为了计算，需要知道晶体管特性S的斜率，并且建议不要使用参考值，而使用实际值。然而，在业余条件下直接测量坡度是很困难的。线性近似使得可以使用更便于测量的参数来确定结构：初始漏极电流Iin和截止电压Uots。这种情况下的特性斜率由以下公式确定：

S=是开始/我们。

源电路Ri中的电阻器的电阻可以近似地从比率Ri=(3...6)/S中选择。漏极 VT1 级联的输出电压可通过关系式 Uout = UBXSRC/(1+SRi) 和源极信号电压近似确定 - 使用公式 Uout = UBXSRi/(1+SRi)，其中 S是晶体管的跨导； Ri、RC - 源极和漏极电路中的电阻（在图 1 中分别为 R3 和 R2）。

最简单的设计是基于源极跟随器的二阶高通滤波器（图 2）。该滤波器的缺点与其传输系数低有关。该参数取决于特性的斜率，对于 S = 3...7 mA/V 的常见低功率场效应晶体管，该斜率将为 0,8...0,85。因此，频率设置元件的计算值（对于单位传输系数）必须进行调整，或者必须使用考虑实际传输系数的公式进行计算[3]。

场效应晶体管上的有源滤波器

因此，根据图中所示的部件额定值，计算出的截止频率为 72 Hz，实际截止频率为 85...90 Hz。虽然R2/R1 - 2的值比对应于巴特沃斯滤波器，但截止频率比计算值略高，并且频率响应的拐点更加平滑。为了增加拐点区域频率响应的陡度，必须减小电阻 R1，使得 R2/R1 之比为 3...10。可以通过按比例改变电阻器R1、R2的电阻或电容器C1、C2的电容来改变截止频率。

这种滤波器输出端的信号被削弱2...2,5 dB，而级联的过载能力较低。在这种条件下，最大不失真输出电压不会超过500 mV。为了克服这些缺点，可以采用“共源-共集电极”结构的组合级联（图3），但这样的滤波器输出端的信号会发生反转。

场效应晶体管上的有源滤波器

在滤波器输出端使用射极跟随器将输出阻抗降低至大约 50 欧姆，并显着提高了负载能力。根据图中所示的元件额定值，截止频率约为 80 Hz。增益 (2...3 dB) 取决于所用场效应晶体管的特性和电阻器 R3 的电阻。设置它归结为选择其值，使晶体管 VT2 发射极的电压约等于电源电压的一半。如果您有示波器，最好根据输出信号限制的对称性选择准确的电阻值。前面的考虑适用于截止频率和滤波器类型的计算。要模拟滤波器，可以方便地使用 Microcap 程序。

为了进一步增加频率响应的斜率，可以使用两链路反馈电路。在图中。图 4 显示了 Fcp = 25 Hz 的次低频阻塞滤波器图。 5 - 其频率响应。

场效应晶体管上的有源滤波器

根据所考虑的结构，可以创建带通滤波器，这在创建具有多频带放大的系统时是必需的。这种滤波器的示意图如图 6 所示。 XNUMX.

场效应晶体管上的有源滤波器

可调谐一阶无源低通滤波器 R5C3 连接在级之间。滤波器设计的这种简化之所以成为可能，是因为低频动圈磁头的频率响应在高频区域已经有所下降，并且在大多数情况下，它仍然只是为了与放大器的通带相匹配。调节器极限位置处滤波器的频率响应如图 7 所示。 XNUMX.

场效应晶体管上的有源滤波器

设置过滤器与本文中已经讨论的过滤器选项类似。应该记住，带宽调整的上限是由场效应晶体管级的输出电阻决定的，而这又是由电阻器R4的电阻决定的。

图 8 显示了所描述的滤波器的组合使用的示例。 XNUMX. 该模块用于形成左右立体声通道的 LF 和 MF-HF 频段，以及低音炮的总（单声道）信号。中高频频段的分离是由放大器输出端的无源滤波器实现的。通道滤波器电路与前面讨论的相同，因此我们将仅关注为低音炮选择低频信号的滤波器。

场效应晶体管上的有源滤波器

第一级 - 具有公共负载 R18 的两个场效应晶体管上的加法器与[4]中描述的类似。主滤波由有源二阶低通滤波器执行，在射极跟随器 VT7 上实现。截止频率可使用双可变电阻器（R40、R160）在 20.1 至 20.2 Hz 范围内调节。电容C8与第一级的输出电阻一起构成一阶低通滤波器，截止频率约为180Hz。这几乎不会影响通带内的频率响应，但提高了对带外分量的抑制。

根据低音炮相对于左右扬声器和收听者的位置，收听位置处的信号相移可能会使声图失真（低音“模糊”或“滞后”的效果）。为了校正低音炮通道中的相移，引入了带有运算放大器 DA1 的调节器。电源电路中安装有VD1C11二极管电容滤波器。

以下设计是专为汽车音响系统设计的。事实上，内部相当明显的共振，表现为低音中特有的“嗡嗡声”，让挑剔的发烧友感到不安。频率响应测量显示频率 120...160 Hz 时出现 3 至 8 dB 的“驼峰”！为了校正这种情况下的频率响应，使用陷波滤波器代替均衡器会很方便。这种用于一个通道的有源滤波器的示意图如图 9 所示。 5[XNUMX]。

场效应晶体管上的有源滤波器

第一级是负载共享放大器。其任务是产生反相电压来为滤波器链路 C2C3R4R5 供电。图中SA1按键开关的右侧位置，形成反向文氏电桥，衰减约3dB。在开关的左侧位置，向滤波器提供反相电压，并且调谐频率处的衰减增加至 5...6 dB。确切的衰减值取决于晶体管的跨导以及电阻器R2和R3的电阻之比。如果使它们相等，衰减将最大（高达 8 dB），但输出信号相对于输入将衰减 3...4 dB。该图显示了面额的最佳变体。

由于设备的输入阻抗很高，最好将滤波器安装在信号源附近，以避免输入端出现干扰。滤波器的输出阻抗约为 50 欧姆，远小于大多数主机的输出阻抗。这将消除连接电缆的电容的影响，使得滤波器同时执行匹配装置的功能。外壳必须是金属的，否则您必须在内部配备铜箔屏蔽并将其连接到公共电线。

滤波器的频率响应（见图 9）如图 10 所示。十。

场效应晶体管上的有源滤波器

正如您所看到的，这不再只是一个过滤器，而是一个真正的“氛围均衡器”。麦金托什放大器的“顶级”型号中使用了具有相同名称和非常相似频率响应的设备，但电路更加复杂......

除了图中所示的器件外，您还可以使用晶体管 KPZ0ZV-KPZ0ZZH、KT3102（具有任何字母索引）或 h21e > 50 的其他 npn 结构。在相位调节器中，您可以使用任何经过调整的运算放大器。为了单位增益。氧化物电容器的工作电压必须至少为 16 V。其他部件的选择并不重要。

文学

Mezhlumyan A.关于场效应晶体管级的计算。 - 广播，2000 年，第 6 期，第 46 页48-XNUMX。
Shkritek P. 音频电路参考手册 - M.：Mir，1991 年，第 74 页79-XNUMX。
Titze U., Shenk K. 电路的艺术。 - M.：和平号，1982 年。
Vasilyev V. A. 外国业余无线电设计。 - M.：无线电和通信，1982 年。
Shikhatov A. Hunchback 的坟墓将被修复... - “Master 12 Volts”，第 35 期（2001 年 XNUMX 月）。

作者：A. Shikhatov，莫斯科

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