Stap 2: Hoe het werkt
Waar ging de bas?
Het schema hierboven is het volledige ontwerp van het circuit van de voorversterker. Om te begrijpen hoe het werkt, nemen we eerst kijken naar het probleem die we proberen op te lossen en daarna opbouwen naar een oplossing in stappen.
Een piëzo-element werkt als een spanningsbron in serie met een condensator--wanneer de piezo-kristallen trillen, produceren zij een spanning. Deze spanning kan hoog zijn, maar de huidige is zeer klein. Vanwege de serie capaciteit (Cpiezo), vrijwel geen DC stroom vloeit via de piezo. De ingang van een versterker werkt als een weerstand op grond (helling), bekend als de ingangsimpedantie. Cpiezo en oprit vormen samen een hoogdoorlaat filter dat lage frequenties snijdt. Voor de normale waarden in Cpiezo en helling is de cutoff frequentie goed in het hoorbare bereik van een gitaar spelen. Teneinde de cutoff frequentie zodat meer bastonen doorkomen, moeten we vergroten de ingangsimpedantie dat de piezo rijden. Dit is waar een voorversterker komt. De rol van de piezo contact mic preamp is echt niet om het signaal (de uitgangsspanning van de piëzo is veel hoge) versterken, het doel is veeleer om een buffer met een zeer hoge ingangsimpedantie van 10M Ohm of zo, dat is meer dan 10 keer of zo groter is dan de ingangsimpedantie van een typische gitaarversterker, dus dat meer van de bas krijgt via. Het biedt ook meer stroom naar station signalen op de kabel aan op de versterker, die ook de toppen kan verbeteren.
Versterkers gebruik transistoren (of buizen) buffer een signaal te versterken. Er zijn drie soorten transistoren te overwegen, bipolaire (BJT), MOSFET en JFET. Bipolaire transistoren hoeft niet een hoog genoeg ingangsimpedantie. MOSFETs hebben een extreem hoge ingangsimpedantie, maar de neiging om breekbaar (statische elektriciteit kan vernietigen) en kunnen ook luidruchtig in audio-toepassingen. JFETs hebben een zeer hoge ingangsimpedantie en zijn minder kwetsbaar en lawaaierige dan MOSFET, dus dat is wat we zullen gebruiken. De overgrote meerderheid van contact mic preamp ontwerpen gevonden op het web ook JFETs gebruiken.
Een eenvoudiger voorbeeld: De fundamentele JFET bron-Follower versterker
Als uitgangspunt voor het begrip van de volledige voorversterker, laten we een eenvoudigere versie hieronder:
Een JFET heeft 3 terminals, genaamd de gate (g), afvoer (d) en bron (s). In het algemeen, veroorzaakt het verhogen van de spanning Vin op de poort van de JFET een toename in de stroom die door het apparaat uit de afvoer naar de bron. Met nergens anders om te gaan, de huidige stroomt door de bron weerstand R1, die op zijn beurt een spanning over R1 produceert (Vergeet niet de wet van Ohm, V = IR), waardoor de uitgangsspanning Vout ook toe. Een van de ongebruikelijke dingen over een JFET is dat als de ingangsspanning 0 is, wat betekent dat de input is geaard, er is nog steeds een stroom die naar bron van de afvoer doorloopt, en je eigenlijk moet toe te passen van een negatieve spanning op de poort naar het apparaat uitschakelen. De plot hieronder toont de relatie tussen de ingangsspanning Vin en de uitgangsspanning Vout, gegeven een voedingsspanning Vdd = 9V en een weerstand van de bron van de 10 k ohm.
Merk op dat wanneer Vin = 0V, Vout = 1V, die aangeeft dat de stroom via R1 vloeit. Vout gaat naar 0V wanneer Vin rond - 1.25V, dat het punt waar de JFET wordt is is uitgeschakeld. In het bereik tussen Vin = - 1.25V en Vin = 7.5V, Vout stijgt lineair met Vin. In feite, voor elke verhoging van 1V van Vin stijgt Vout ook met 1V. De verhouding van de verandering in de Vout over de verandering in de Vin (de helling van de lijn) is het winnen van de versterker, die in dit geval gewoon gelijk aan 1 is.
Deze configuratie van een versterker, waar er een weerstand verbonden met de bron van de JFET en de uitgangsspanning "volgt" de ingangsspanning, heet een bron-follower. De waarde van de bron-weerstand, is enigszins van invloed op de winst van de versterker. Als de waarde van deze weerstand hoog genoeg is, de winst zal zeer dicht bij 1 en als de weerstand kleiner is dan de winst zullen enigszins kleiner is dan 1. Ik heb ontwerpen op het web waar de grootte van deze weerstand van 1 k-ohm tot 220 k ohm varieert. Als de waarde van de weerstand te hoog is, zal het opwarmen (lichtjes) als huidige passeert, die in lawaai resulteren kunnen. 10 k ohm is een goede middle-of-the-road waarde. U kunt ook zien sommige voorversterker ontwerpen op het web waar zich ook een weerstand die is aangesloten op de afvoer van de JFET. Deze stijl van versterker heet een common-bron en heeft doorgaans een groter dan één--dat is winst, de verandering in de uitgangsspanning is groter dan de verandering in de ingangsspanning--waar versterking. Dit kan heel handig zijn voor een elektrische gitaar met coil pickups, maar aangezien de uitvoer van de spanning van een piëzo-contactpersoon al voldoende hoog is, dit is niet echt nodig in ons geval.
Wanneer Vin groter dan ongeveer 7.5V is, Vout begint herverdeling af op een beetje hieronder 9V. Dit is omdat de JFET zover het kan gaan, en een verdere toename van de Vin zal niet extra stroom door het apparaat produceren is ingeschakeld. Technischer, de JFET stopt gedraagt zich als een stroombron door de poort-spanning gecontroleerd en begint zich meer gedraagt als een weerstand. Merk op dat de overgang naar deze regio van gedrag veel geleidelijker dan het gedrag aan de andere kant, waar de JFET uitschakelt als meer abrupt wanneer Vin zakt tot onder - 1.25V.
Het tegengaan van concurrentiedistorties: Het doel van de poort Bias weerstanden R1 en R2
Wat doet deze herverdeling uit tegen extreem lage en hoge input spanningen betekenen in termen van de geluidskwaliteit van de versterker? Een piezo contact microfoon op een gitaar produceert een signaal dat plus en minus boven en onder de 0V, dat wil zeggen, aan beide zijden van de rode stip in de bovenstaande grafiek varieert. Als de input in het amp wordt gewijzigd, verandert de uitvoer soepel mee. Als de input ondergedompeld onder - 1.25V, echter, zou de uitvoer worden "geknipt" op 0V. Dit veroorzaakt vervorming in het geluid, die soms wenselijk is, maar over het algemeen niet voor een voorversterker voor een akoestische gitaar. Als een of andere manier kreeg het ingangssignaal boven 7.5V, zou het ook krijgen vervormd, maar dit zou meer geleidelijk gebeuren. Dit type van geleidelijke vervorming is één van de gewaardeerde eigenschappen van buis versterkers voor elektrische gitaren, die vele spelers het gevoel heeft een mooie 'warme' geluid.
Hoe waarschijnlijk is het dat de spanning geproduceerd door een piezo contact mic ondergedompeld onder - 1.25V? Afhankelijk van hoe de contact mic op de gitaar is aangesloten, kan het gebeuren wanneer u hard spelen, maar voor het grootste deel van onze experimenten, het signaal van de mic verbleef meestal in het bereik van plus of min 0.5V. Er is een zeer eenvoudige oplossing, echter, dat kan geven de input signaal meer ruimte door een verschuiving van het middelpunt van de operationele naar een hoger voltage, zoals geïllustreerd in de onderstaande plot.
Dit is het doel van de R1 en R2 in het schema aan de bovenkant van de sectie. Als we alleen had R1, zou het operationele punt bij de ingang van de versterker 0V. Maar als we voegen R2, die beschikt over dezelfde weerstand R1, de twee weerstanden akte aan beide optrekken de ingang naar de Vdd = 9V en omlaag naar grond met gelijke sterkte, resulterend in een operationele punt bias spanning gelijk is aan Vdd/2 of 4.5V. In de praktijk, die we hebben gevonden dat het weglaten van R2 over het algemeen goed is en we niet veel vervorming krijgen. Allermeest naar de contact mic-voorversterker ontwerpen die ik online gewoon gezien heb verlaten de bias spanning op de grond en R2 weglaten, maar verplaatsen van de bias punt dichter naar het midden van het 'veilige' bereik gewoon voegt één meer weerstand. De waarden voor R1 en R2 moet ten minste 10M Ohm--niet vergeten dat het hele punt van de voorversterker is bedoeld als een hoge ingangsimpedantie en je zou niet willen dit compromis met een kleine weerstand! Met behulp van weerstanden over 22 M ohm meerwaarde niet echt geen.
Verwijderen van DC Bias van Input en Output: C1, C2 en R4
Zoals we net zagen, het verhogen van de gemiddelde spanning van het ingangssignaal waar het raakt de poort van de JFET een goede zaak kan worden zodat de JFET in een vervormingsvrije opereren kan "veilige zone". Verschuiving van de gemiddelde spanning zoals dit heet een DC bias aan het signaal toe te voegen. Het is een slechte vorm, echter te passeren langs een signaal met een niet-nulzijnde DC bias naar het andere onderdeel, zoals een stomp box of versterker stroomafwaarts. Koppeling condensatoren in serie met de input en output van een circuit verwijderen DC vooringenomenheid van een inkomende en uitgaande signaal. Dat is het doel van de koppeling van de condensator C1 en output koppeling condensator C2 input. Aangezien een piëzo een serie capaciteit op de uitvoer heeft, C1 is waarschijnlijk niet nodig in dit geval, maar meeste voorversterker ontwerpen bevatten het en het doet geen pijn. Als de JFET waren bevooroordeeld om te werken rond 0V door het weglaten van R2, C2 ook mogelijk optioneel. Echter, ik heb eens had een zaak waar een volume pedaal geproduceerd lawaai in een audio-onderdeel dat voordat het in de keten van effecten was en de invoering van een condensator 10uF koppeling tussen hen het probleem oplossen, dus het is best te verlaten C2 daar. R2 helpt ook verzekeren dat de output is bevooroordeeld rond grond.
Een beetje Extra energie op te slaan voor spanningspieken: C3
Tot slot veranderende de 10uF condensator die C3 tussen Vdd en Gnd dient voor het opslaan van een beetje extra energie uit de voeding (9V batterij), als het nodig is aan te passen aan de snel signalen die lawaai kunnen veroorzaken. U kunt dit probleem nooit opmerken als u laat C3 uit, maar het wordt beschouwd als goede circuit ontwerppraktijk hebben een largish condensator via de voeding.
Zo veel voor de kleine elektronica les, nu zijn we klaar om te bouwen!
