HeadMos, le basi

Per il dac ancora un po' di tempo...

Nelle puntate precedenti
Vedremo che per quello che ci serve a noi (ovvero per l'audio) i lateral mosfet sono i dispositivi più promettenti.

Il problema dei lateral mosfet è che sono considerati dall'industria ormai obsoleti. Il motivo per cui è capitata questa disgrazia è che l'impiego principale dei mosfet al giorno d'oggi è quello - sostanzialmente - di interruttori ultra veloci (negli alimentatori switching, ad esempio), impiego per il quale i mosfet a diffusione verticale (vertical mosfet) sono più indicati. Mentre l'audio è decisamente passato in secondo piano. Quando un componente è ritenuto obsoleto dai grandi fabbricanti e distributori di componenti elettronici, vuol dire che a fabbricarlo rimangono solo poche ditte, in genere piccole, che per via dei volumi più bassi devono fare prezzi più alti. Per questo un lateral mosfet può costare anche dieci euro, come quelli usati nel mio AF-6. Non è poco, considerando che ne servono due coppie.

Chi fosse interessato ad approfondire la conoscenza sui mosfet, può cliccare qui.

Se sono considerati obsoleti, devono esserci dei validi motivi che spingono ancora ad utilizzarli. E in effetti ora vedremo che di motivi ce ne sono diversi. Il primo motivo è scritto nella pagina di wikipedia che vi ho linkato sopra. Non l'avete letta, vero? Non fa niente, rimedio io:

Da notare che esistono anche MOSFET di potenza con struttura laterale, utilizzati soprattutto negli amplificatori audio high-end. Il loro vantaggio è un miglior comportamento nella regione di saturazione (corrispondente alla regione lineare dei Transistor a giunzione bipolare) rispetto ai MOSFET verticali. I Mosfet Verticali sono progettati per applicazioni switching e quindi sono utilizzati solo negli stati ON o OFF.

Ci sono però due piccole imprecisioni. La prima riguarda il termine high-end: andrebbe sostituito con il termine hi-fi, in quanto high-end non significa nulla. Inoltre, non è vero che i vertical mosfet sono utilizzati solo negli stati on e off: anzi, parecchi amplificatori hanno come dispositivi nello stadio di uscita proprio dei mosfet verticali, come ad esempio il β22 della AMB Laboratories.

Vediamo quali vantaggi apporta l'impiego dei mosfet in generale rispetto ai comuni transistor bipolari:

1) assenza del secondary breakdown;
2) nessun accumulo di carica (no charge storage);
3) nessuna caduta del "gain" alle alte correnti (no beta droop);
4) facilità di pilotaggio.

Inoltre, i lateral mosfet hanno questi vantaggi aggiuntivi rispetto agli altri mosfet:

5) corrente auto-limitata;
6) facile controllo del bias;
7) capacità C_GS e C_GD più basse.

Alcuni di questi punti sono molto importanti, altri - in un amplificatore per cuffia - lo sono di meno. Quelli in neretto sono quelli per cui vale la pena usare dispositivi costosi come i lateral mosfet in amplificatori di bassa potenza.

Facilità di pilotaggio
Rispetto ai transistor bipolari i mosfet hanno il gate isolato, il che significa che per controllare la corrente che li attraversa lo stadio che li precede (il driver) non deve erogare alcuna corrente. Per questo motivo i mosfet sono spesso assimilati alle valvole, la cui griglia di controllo (isolata) può essere vista come il gate di un mosfet. I mosfet sono quindi dispositivi che si pilotano in tensione, rispetto ai bjt che invece si pilotano in corrente. Se uno stadio driver (o un VAS) non deve erogare corrente per pilotare i finali, vuol dire che esso lavorerà meglio (meno distorsione) e probabilmente suonerà pure meglio.

Ma il punto 4) è legato indirettamente al punto 7).

Capacità C_GS e C_GD più basse
Il gate del mosfet è isolato, da cui deriva che l'impedenza di ingresso di un mosfet misurata al suo gate è elevatissima, e di conseguenza il driver che lo pilota non eroga corrente. Sarebbe bello se fosse tutto così semplice, purtroppo però i mosfet presentano una forte capacità parassita tra gate e source e tra gate e drain. Questa capacità (che può arrivare nei casi peggiori a qualche nanofarad) si comporta come un vero e proprio condensatore in parallelo al gate, condensatore che ha bisogno di corrente per caricarsi e scaricarsi. Di fatto, tale capacità parassita abbassa l'impedenza del gate vista dal driver, soprattutto ad alta frequenza. Quindi è vero che i mosfet si pilotano in tensione, ma fino a un certo punto.

Il problema maggiore però scaturisce non tanto dalla capacità in se', quanto dal fatto che essa varia con il segnale applicato sul gate. La variazione della capacità si traduce in una variazione di tensione indesiderata sovrapposta al segnale audio, quindi in distorsione. Per questo motivo è importante che lo stadio che precede il finale abbia l'impedenza di uscita più bassa possibile, in modo da neutralizzare le capacità C_GS e C_GD. Vedremo che nel caso dell'AF-6 quella che conta è solo la C_GD, in quanto lo stadio di uscita è un source follower e quindi la C_GS è neutralizzata dal bootstrap che ne deriva.

Partire con dei dispositivi che hanno una capacità C_GD più bassa come i lateral mosfet è quindi senz'altro un vantaggio da tenere in considerazione.

(segue)

Corrente auto-limitata
La corrente che scorre in un lateral mosfet è auto-limitata dalle caratteristiche intrinseche del dispositivo, e questa è garanzia di robustezza, anche in presenza di corto-circuiti all'uscita. Ciò significa poter fare a meno di protezioni, con relativa semplificazione circuitale.

Facile controllo del bias
A differenza dei transistor bipolari e dei vertical mosfet, i lateral mosfet sono termicamente stabili, in quanto il loro coefficiente termico diventa negativo già a partire da un centinaio di milliampere di corrente. Il coefficiente termico è dato da come varia la I_D (la corrente di drain) con la temperatura. Nei lateral mosfet la corrente tende a diminuire all'aumentare della temperatura, il contrario di quanto avviene nei bjt e nei vertical mosfet (il coefficiente termico di questi ultimi diventa negativo solo a partire da 1 A in su, a seconda dei vari tipi).

Il vantaggio sostanziale di questa caratteristica è che per stabilizzare il punto di lavoro non è necessario ricorrere al classico V_BE (V_GS) multiplier ancorato al dissipatore che traccia le variazioni di temperatura per mantenere il bias stabile. Una grande semplificazione, sia circuitale che costruttiva.

Con i lateral mosfet è possibile ottenere amplificatori di grande qualità utilizzando per lo stadio finale circuiti molto semplici ed estremamente affidabili.

Nel prossimo post analizzeremo lo stadio finale dell'AF-6 e vedremo quali mosfet sono impiegati per realizzarlo.

Seguo come sempre affascinato 

      

Alex,
come sempre spiegazioni chiare e interessanti, si preannuncia un progetto fantastico, probabilmente avrò un degno sostituto per il vhf1.2!

Grazie
Matteo

I mosfet utilizzati nell'AF-6 sono questi:


che lavoreranno insieme agli analoghi a canale P, gli ECW20-P20. Lo stadio finale dell'AF-6 è quindi un classico simmetria complementare. I finali sono sicuramente sovradimensionati per il compito richiesto, ma non è questo il motivo per cui sono stati scelti. L'amplificatore funziona bene con tutti i lateral mosfet, anche di potenza inferiore, purchè siano meccanicamente compatibili, ovviamente. Gli ECW20 sono stati messi a confronto con altri, e dopo lunghe e tormentate sedute di ascolto ho deciso di tenere questi. La pcb sarà compatibile anche con gli ECW10, sempre della Exicon, che sono più piccoli e meno costosi.

Per la gestione termica ci saranno due dissipatori, uno per ciascuna coppia di finali, ancorati alla pcb. L'uso dei dissipatori ha comportato l'aumento delle dimensioni della scheda, che ora misura 250 x 160 mm.



Questa sopra è la pianta con la disposizione dei componenti principali. Come si vede, i dissipatori occupano gran parte dello spazio, insieme ai moduli switching di alimentazione.

Questo è lo schema semplificato dello stadio finale:


Come si può vedere è uno schema molto classico. Q1 e Q2 sono la coppia di mosfet finali, T1 è il VAS che in questo caso fa anche da driver, e T2 è un generatore di corrente costante.

Il trimmer R3 serve a regolare la corrente di riposo, mentre il diodo led è all'infrarosso e serve ad ottenere una caduta di circa 1.1 V, utile per mantenere basso il valore di R3. I source dei mosfet sono collegati tra loro per mezzo delle resistenze R1 e R2, che hanno il mero compito di consentire la misura della corrente di riposo in maniera agevole, per facilitare l'operazione di taratura. In effetti tali resistenze potrebbero anche non esserci, e non cambierebbe praticamente nulla ai fini del funzionamento del circuito. In un normale amplificatore in classe B (o AB) esse hanno un ruolo cruciale, soprattutto con i mosfet verticali e i normali transistor bipolari, ma nel nostro caso esse assumono un ruolo del tutto secondario.

Nel prossimo post vedremo altre caratteristiche del circuito entrando più in dettaglio nell'analisi dell'amplificatore.

Slurp!!!   

WOW, finalmente!

Qui, oramai, urge ascoltarlo!!!!!!!!!!    

Edmond ha scritto:Qui, oramai, urge ascoltarlo!!!!!!!!!!    

Hai ragione! Lo farò appena torno a casa.  

Resto in fiduciosa attesa.......................  

Ieri sera stavo per scrivere ad Alex per dirgli che mi sarei tenuto il prototipo dell'Headmos, per quanto suona bene. E' stato progettato con l'HE6 in mente, ma la LCD3 così non l'avevo mai sentita, anche grazie al cavo FAW Noir Hybrid, che ha aumentato i "layers" della ricostruzione musicale, aggiunto delicatezza e musicalità (e giò certo non mancava), ampliato la scena in tutte le direzioni, aggiunto controllo ai bassi, aumentato l'aria,,,,,,Una meraviglia. Ora è come una HE6 per correttezza ma con la corposità e la musicalità della LCD3F. 

Per me, al momento: end game!

Qui si vede un dissipatore a confronto con una pcb del VHF-MOS (così si percepisce la grandezza relativa).

Vicino, un paio di lateral mosfet, un Exicon e un Alfet.

Ma come si montano?



PS: è la x100?

Pgragnani2 ha scritto:Ma come si montano?

Domani farò qualche foto con un mosfet montato e il tutto agganciato ad una pcb di fortuna...   

PS: è la x100?

Sì...

Come sempre, seguo con grandissimo interesse
Quindi Immagino che con una tale pcb non sia possibile utilizzare lo stesso case del mos o si?
E, una curiosità, Alex che tu sappia ci sono degli ampli cuffia che utilizzano lateral mosfet nello stadio finale?

Dk90 ha scritto:Come sempre, seguo con grandissimo interesse

Grazie, Claudio.   

Quindi Immagino che con una tale pcb non sia possibile utilizzare lo stesso case del mos o si?

Direi di sì, la scheda sarà 250 x 160, quindi dovrebbe entrare senza problemi.

E, una curiosità, Alex che tu sappia ci sono degli ampli cuffia che utilizzano lateral mosfet nello stadio finale?

Questo li usa di sicuro (si vedono nella foto dell'interno, ancorati alla barra di alluminio di dissipazione):

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Ops

Ho letto recensioni stellari del BMC in bilanciato. Peccato che le uscite sbilanciate (cuffia e pre) sembra non siano un granchè (la BMC è specializzata nel bilanciato, da cui la B del nome) e che l'ingresso SPDIF  sia limitato a 96 Khz (sono concentrati sull'ingresso USB).

qui si aspetta fiduciosi.

Così, per curiosità, l'AF-6 riuscirebbe a muovere un paio di queste?
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AndreaFx ha scritto:Così, per curiosità, l'AF-6 riuscirebbe a muovere un paio di queste?
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Assolutamente sì. Immaginando che l'AF-6 possa erogare fino a 1 A di picco (quindi non in regime continuo), si possono ottenere fino a circa 8 W musicali su 8 ohm, con una distorsione non troppo alta. Alcuni test effettuati tempo fa con l'analizzatore di spettro, indicavano circa l'1% di THD con 10 V di picco su 8 ohm. Conto di fare misure più accurate appena termino di assemblare la nuova scheda.