14 września 2024

Tranzystor jako wzmacniacz? - budowa boostera gitarowego

Tematem pierwszego wpisu z serii poradników jest budowa boostera gitarowego. Booster jest według mnie najprostszym do zbudowania efektem. Zasada jego działania polega na zwyczajnym wzmocnieniu napięciowym sygnału, co przeważnie prowadzi do zwiększenia poziomu głośności gitary, a także wspomaga pracę innych efektów - najczęściej z rodziny overdrive. Prostota konstrukcji oraz uniwersalność czynią booster idealnym pierwszym projektem efektowym.

Mnogość sposobów na jaki można skonstruować booster sprawia że powstanie kilka oddzielnych wpisów opisujących rozmaite metody. Na początek, weźmiemy na warsztat booster oparty na tranzystorze bipolarnym - w skrócie BJT (bipolar junction transistor).

W kolejnych częściach serii poradników, pokażę Ci, jak ulepszyć parametry boostera, m.in. dodać filtrację. Pamiętasz jak na początku pisałem, że booster “zwyczajnie” wzmacnia napięcie? Było to pewne uproszczenie :) Już niedługo, dowiesz się jak budować inne typy boosterów. Zapraszam do obserwowania!

- Arek

Okazuje się, iż model BC550C znacznie szybciej się nasyca. Relatywnie wysoka rezystancja kolektora uniemożliwia tranzystorowi pobranie odpowiedniej ilości prądu. BC550C to tranzystor o wysokim współczynniku , sięgającym nawet 800 - dla porównania domyślny model NPN ma równą 100 :)

Na szczęście, możemy dość łatwo to naprawić - wystarczy zapewnić tranzystorowi więcej prądu. W tym celu, obniżymy rezystancję kolektora i emitera, zachowując jednocześnie ich współczynnik 10x (+ delikatna korekta o której dyskutowaliśmy wcześniej). Wybrałem wartości 3,3k oraz 270 ohm.

Poniżej wyniki, wraz z pasmem przenoszenia, oraz kompletny układ z dodanymi drobnymi detalami, w tym regulacją głośności :)

Teraz klikamy PPM na słowo “NPN” przy tranzystorze. To otworzy okienko “Enter new value for Q1” i zamieniamy NPN na BC550C. Jeżeli masz pod ręką inne tranzystory, wejdź na https://ltwiki.org/index.php?title=Standard.bjt , za pomocą wyszukiwarki powinieneś szybko znaleźć swój tranzystor, o ile jest dostępny :)

Po zamianie modelu, okazuje się że wzmacniacz przestał poprawnie działać!

Kopiujemy powyższy tekst, następnie wklejamy go do okienka “Edit text on schematic: “ i zaznaczamy “SPICE directive”:

.MODEL BC550C npn

+IS=45e-15 BF=689 VAF=162

+IKF=0.09 ISE=4600e-15 NE=2 NF=0.9965

+RB=167 RC=1 RE=0.04

+CJE=18.7e-12 MJE=0.35 VJE=0.75

+CJC=6.2e-12 MJC=0.25 VJC=0.4 FC=0.5

+TF=595e-12 XTF=10 VTF=10 ITF=1

+TR=10e-9 BR=12.2 IKR=0.34

+EG=1.2 XTB=1.65 XTI=3 NC=0.996

+NR=1.0 VAR=120 IRB=7e-5 RBM=1.1

+XCJC=0.6

+ISC=5e-15 mfg=CA030111

Widać kilka niewielkich słupków. Dzięki asymetrycznemu przesterowaniu, sygnał zawiera mieszankę niewielkich parzystych i nieparzystych harmonicznych. To zwiastuje miły dla ucha, ciepły, delikatny crunch.

Do tej pory symulacja wykorzystywała generyczny model tranzystora. Spróbujmy użyć modelu wzorowanym na prawdziwym tranzystorze - ja wybrałem BC550C gdyż mam akurat sporo tych tranzystorków pod ręką :)

Aby LTspice załadował model danego tranzystora, najłatwiej wkleić znaleziony w internecie skrypt SPICE:

Nieźle. Widoczne są niewielkie asymetryczne zniekształcenia, na dolnej półfali.

Zobaczmy, jak wygląda widmo:

Układ działa jak założyłem. Wzmocnienie i headroom są nawet większe niż projekt przewiduje: kolejno 12x i 370mV! Aby dokładnie ustawić te wartości można by policzyć dokładnie wartości rezystancji, jednak wolałem wybrać popularne, łatwo dostępne wartości przekraczając delikatnie wymagania projektu.

Sprawdźmy co się stanie gdy mocniej szarpniemy strunę - poniższy wykres przedstawia wynik symulacji dla sygnału wejściowego 300mV:

Jest prawie idealnie! Wzmocnienie jest delikatnie niższe niż założyliśmy - wynosi ono praktycznie 8x. Dzieje się tak, gdyż wzór na wzmocnienie który wcześniej podałem, jest uproszczony :) Na wzmocnienie ma również wpływ transkonduktancja tranzystora - ten parametr zależy od danego modelu - oraz impedancja obciążenia. Skorygowanie go to nie duży problem - po prostu zmniejszymy delikatnie rezystancję emiterową: R4 680 ohm. Ponadto napięcie na emiterze jest odrobinę za niskie - 250mV. Aby je powiększyć, zwiększam rezystancję R3 na 100k.

Tak prezentuje się układ wraz z wynikami:

Jak widać, mamy bardzo delikatną drugą harmoniczną i troszkę szumów wysokoczęstotliwościowych - najpewniej artefakty symulacji - możemy je zignorować. Ogólnie spektrum jest bardzo ładne i dowodzi iż nie mamy dużej ilości zniekształceń harmonicznych - sprzężenie zdało egzamin. Booster wciąż jednak wymaga dopracowania - obecnie wzmocnienie nie wynosi nawet 2x. Poprawmy to! Na początek przyjmijmy pewne założenia: niech wzmocnienie wynosi 10x (20dB), a efektywny zakres dynamiki na wejściu - 300mV. To powinno nam zapewnić sporo headroomu podczas gry na single coilach, i delikatny crunch na humbuckerach + spory boost sygnału. Aby to osiągnąć, zdradzę Ci kolejne dwie złote zasady: 1) headroom ograniczony jest przez napięcie na emiterze 2) wzmocnienie możemy obliczyć jako stosunek rezystancji na kolektorze do rezystancji na emiterze, pomnożone przez -1: Av = -Rc/Re. Te dwie zasady to oczywiście pewne uproszczenia, lecz wystarczająco dobre aby zrobić niezły booster. Przyjrzyjmy się najpierw wzmocnieniu. Wiemy iż rezystancja na kolektorze musi być 10x większa od emiterowej - obecne R6 10k jest rozsądną wartością. Zostawmy je i zmniejszmy rezystancję na emiterze do 1k. Zostaje nam jeszcze ustawienie odpowiedniego napięcia na emiterze - pożądane 300mV. Przypominam złotą zasadę iż złącze baza-emiter BJT zachowuje się jak dioda - zatem potrzebujemy około 1V na bazie. Zmieniam wartości rezystorów dzielnika na 68k i 470k.

Sygnał wygląda czysto, ale wzmocnienie jest bardzo słabe. Sprzężenie zwrotne zadziałało! Przyjrzyjmy się jeszcze zniekształceniom w dziedzinie częstotliwości:

Wynik wygląda znacznie lepiej - widać sygnał wyjściowy, znacznie wzmocniony, lecz w dalszym ciągu zdeformowany. Aby to naprawić, dodamy drugi z brakujących elementów - sprzężenie zwrotne. W przypadku topologii CE, popularne są 2 sposoby na uzyskanie ujemnego sprzężenia - za pomocą rezystora emiterowego, lub łącząc rezystorem kolektor z bazą. W tym poradniku wykorzystamy pierwszy sposób - prawdę mówiąc, ten rezystor zawsze powinien być obecny w układzie CE, jeśli chcemy zmaksymalizować liniowość wzmacniacza. Ponadto, stabilizuje on termicznie tranzystor, dzięki czemu wzmacniacz nie reaguje drastycznie na zmianę temperatury, oraz zabezpiecza tranzystor przed spaleniem (hamuje on tzw. thermal runaway - pozytywne termiczne sprzężenie zwrotne prądowe). Oczywiście nie jest to pozbawione wad - rezystor emiterowy drastycznie zmniejszy nam wzmocnienie, ale z kolei umożliwi precyzyjne jego ustawienie. Dodaję rezystor emiterowy R4:

Teraz tranzystor w ogóle nie pracuje :) Co się zmieniło? Napięcie 100mV jest za niskie aby prąd przepłynął przez bazę tranzystora co implikuje w brak prądu kolektora i brak sygnału wyjściowego. Bazę tranzystora powinniśmy traktować jak diodę (z technicznego punktu widzenia jest to złącze P-N), co wiąże się z podobnym sterowaniem. Musimy utrzymać napięcie baza-emiter na poziomie co najmniej 600-700mV. Ustawienie napięcia na bazie zwiemy ustawieniem punktu pracy tranzystora - jest to kluczowy etap projektowania w przypadku bardziej skomplikowanych, precyzyjnych urządzeń. My natomiast projektujemy prosty booster, więc jedyne o czym musimy pamiętać to pewna złota zasada: tranzystor zrobi co może, aby napięcie na emiterze było stale niższe od napięcia bazy o około 600-700mV. Jedynie z tą wiedzą, można całkiem daleko zajść w świecie elektroniki :) Wróćmy jednak do boostera. Dodaję prosty układ bias, z dzielnika napięcia R2 i R3:

Oczekujemy czystego boostera, a tymczasem otrzymaliśmy… fuzz! Dlaczego tak się stało? Booster w obecnym stanie ma dwa główne problemy: brak poprawnie ustawionego punktu pracy oraz brak sprzężenia zwrotnego. Ponadto, sygnał wejściowy sięgający stałej amplitudy 1V jest nieco za wysoki od realnego sygnału z przetwornika. Obniżmy to napięcie do 100mV i zobaczmy jak układ się zachowa.

Każda topologia charakteryzuje się innymi parametrami - najpowszechniej stosowane to wspólny emiter; ze względu na wysokie wzmocnienie napięciowe i prądowe; oraz wspólny kolektor, ze względu na wysoką impedancję wejściową i wzmocnienie prądowe. Układ ze wspólną bazą jest rzadko stosowany w technice audio, ale ogólnie również oferuje spore wzmocnienie napięciowe i co najważniejsze: niweluje tzw. Efekt Millera, czyli ujemne pojemnościowe sprzężenie zwrotne, spowodowane pasożytniczą pojemnością złącza baza-emiter - co jest ważne w układach pracujących przy wysokich częstotliwościach. Jako że układ CC oferuje wzmocnienie równe 1, a układ ze wspólną bazą wymaga nieco bardziej złożonego układu, do zbudowania naszego boostera wykorzystamy układ CE. Projekt rozwiniemy krok po kroku, zaczynając od formy przedstawionej na schemacie wyżej. Po kolei będziemy identyfikować problemy naszego boostera oraz je rozwiązywać. Do przeprowadzenia symulacji wykorzystuję darmowy program LTspice.

Poniższe zdjęcie przedstawia początkową formę boostera, wraz z wykresem wyników symulacji. Dodałem źródło sygnału symulujące przetwornik gitarowy, wraz z niską szeregową rezystancją R5 oraz kondensatory odsprzęgające C1 i C2. Odbiornik sygnału (np. wzmacniacz, efekt) symuluje R1.

Tranzystor bipolarny jest najczęściej pierwszym elementem aktywnym, na jaki natrafiają adepci sztuki elektroniki. Jest mnóstwo opracowań, rozdziałów w literaturze oraz filmików na temat zasady działania BJT, dlatego w niniejszym poradniku skupimy się na praktyce. Tranzystor bipolarny występuje w dwóch odmianach: NPN i PNP. BJT w dużym uogólnieniu możemy traktować jako źródło prądowe - taki sprytny “rezystor” który tak się dopasuje do układu, aby zapewnić odpowiedni przepływ prądu kolektora. Prądem tym możemy sterować regulując prąd bazy. Tę właściwość inżynierowie na przestrzeni dekad wykorzystywali do tworzenia elektroniki która nas otacza. Tranzystory mają ogromną liczbę zastosowań - wzmacniacze są tylko pewną wąską grupą.

Najbardziej popularnymi aplikacjami wzmacniacza BJT są trzy topologie - ze wspólnym kolektorem (CC), wspólną bazą (CB) oraz wspólnym emiterem (CE).