NF JFET Amp Frequenzgang

[Unbekannt (Gast)]

Hallo!

Ich habe eine Frage zum Frequenzgang eines JFET Vorverstärkers für den 
NF Bereich von 20Hz-20KHz.
Die Simulation habe ich hier mal angehängt.
Um ehrlich zu sein habe ich noch nicht sonderlich viel mit JFETs 
gemacht, daher basiert die Schaltung etwas auf meinen Erfahrungen mit 
bipolaren Transistoren.
Da muss auch irgendwo das Problem liegen, nur komme ich leider nicht so 
recht dahinter.
Wenn man sich den Frequenzgang anschaut, dann ist der natürlich jenseits 
von Gut und Böse.
Wünschenswert wären <1dB Abweichung im Bereich 20Hz-20KHz.

Der Arbeitspunkt ist stabil und entspricht den Knotenpotentialen, die 
ich als Kommentar an die Leitungen geschrieben habe.
Den Kondensator an Source (C1) habe ich so dimensioniert, dass er bei 
der unteren Grenzfrequenz des gewünschten Übertragungsbereiches einen 
Blindwiderstand aufweißt, der nicht größer als 1/100 des ihm parallel 
geschalteten Widerstandes (R4) ist.
Tatsächlich habe ich hier sogar mit 10Hz kalkuliert, daher bin ich mir 
sicher hier ein Problem ausschließen zu können.
Vielmehr glaube ich, dass ich den eingangsseitigen Koppelkondensator zu 
klein gewählt habe.
Dafür habe ich einen RC Hochpass betrachtet, der aus dem besagten 
Kondensator (C2) und einer Parallelschaltung der Widerstände R2&R3 
besteht.
Wenn man das macht ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von ca. 1Hz.
Zu erwähnen sei noch, dass R7 eine Schutzfunktion übernimmt, falls R1 
nicht vorhanden ist und dass R5 erstmal nur ein Dummy ist, daher hat er 
auch lediglich einen Wert von 1 Ohm.

Wenn ich an den Eingang ein Signal von 20mVpp und 20Hz anlege, dann ist 
die Spannung am Gate bereits auf ca. 614µVpp abgefallen, sprich um 30dB, 
gedämpft.
Die Signalquelle ist ideal und ich bin verzweifelt!
Was habe ich nicht beachtet?
Über eure Hilfe würde ich mich sehr freuen!

LG

[Michael M. (michaelm)]

Willst du freiwillig eine Betriebssapnnung von 40 V haben? Oder ist die 
aus irgendwelchen Gründen vorgegeben?

Anderungsvorschlag:

S-R gegen Gnd ca. 150 R (I-D ca. 1 mA)
G gegen Gnd 100 K
C1 direkt an S (kann kleiner)
R2 wech, "Schutzwiderstand" wech
Last-R gegen + auf ca. <=20 V U-DS dimensionieren

Ergebnis?

Hast du das richtige Modell in der Simu?

[Franko P. (sgssn)]

Dein C2 ist auch ein bisschen klein. der Eingang ist ja ein RC-Glied. 
rechne mal das Xc für 10 Hz aus!

Gruß
Gerhard

[Michael M. (michaelm)]

Franko P. schrieb:
> Dein C2 ist auch ein bisschen klein. der Eingang ist ja ein RC-Glied.
> rechne mal das Xc für 10 Hz aus

Jo, vergessen...

[Der Zahn der Zeit (🦷⏳) (Gast)]

Du willst also einen rauscharmen Mikrofon-Vorverstärker für 48 
V-Phantomspeisung machen. Das macht man viel einfacher (und besser), 
geradezu trivial. Für eine symmetrische Version mit nur 2 FETs, 3 
Widerständen und 2 Dioden - fertig. Lass' mich wissen, falls es dich 
interessiert.

DZDZ

[Unbekannt (Gast)]

Michael M. schrieb:
> Willst du freiwillig eine Betriebssapnnung von 40 V haben? Oder ist die
> aus irgendwelchen Gründen vorgegeben?

Ja, das ist leider vorgegeben, die 48V und R1 sind in Realität Teil 
eines Mikrofoneingang.
D.h. hier hat man keinen Einfluss, auch auf den Lastwiderstand nur 
bedingt.

Der Schutzwiderstand ist tatsächlich etwas ungünstig, da er zwar die 
Schaltung selbst und den nachfolgenden Eingang schützt, jedoch eine 
Dämpfung von ca. 4,52dB bewirkt.
Verzichtbar ist er leider nicht gänzlich.
Vielleicht ist er etwas groß.


Michael M. schrieb:
> Hast du das richtige Modell in der Simu?
Das ist ein recht simples Modell, leider weiß ich nicht mehr wo ich es 
gefunden habe.
Da sollte zumindest nichts völlig seltsames passieren, oder?
.model 2SK117GR NJF(beta=13.7m vto=-0.547 is=-1n cgd= 8.0445p 
cgs=4.9555p lambda=30.41 mfg=TOSHIBA)

Franko P. schrieb:
> Dein C2 ist auch ein bisschen klein. der Eingang ist ja ein RC-Glied.
> rechne mal das Xc für 10 Hz aus!

Der liegt bei ca. 72kOhm, das entspricht in etwa der Parallelschaltung 
von R2&R3.
Wenn ich zur Berechnung die übliche Formel für einen RC Hochpass 
verwende, dann komme ich für 10Hz auf ca. 220nF.
Nach meinem Wissen sollte bei dieser Frequenz die Kurve um 3dB 
abknicken.
Tatsächlich sind es aber 30dB!
Warum ist das so?

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> Du willst also einen rauscharmen Mikrofon-Vorverstärker für 48
> V-Phantomspeisung machen. Das macht man viel einfacher (und besser),
> geradezu trivial. Für eine symmetrische Version mit nur 2 FETs, 3
> Widerständen und 2 Dioden - fertig. Lass' mich wissen, falls es dich
> interessiert.
So ziemlich das ist der Plan!
Ich bin auf jeden Fall interessiert.

LG

[Michael M. (michaelm)]

Und, was sagt die Simu nun (mit Änderungen)?

[Der Zahn der Zeit (🦷⏳) (Gast)]

Schneller mit Worten als gezeichnet:

2 JFETs, Gates an die Eingangs-, Drains an die Ausgangspins. Von jedem 
Gate einen R nach Masse, z. B. 2k2, parallel zu je einer Schutzdiode 
(Anode an Masse). Vom gemeinsamen Source ein R, z. B. 47R, auch nach 
Masse.

Die 6k8 der Phantomspeisung sind die Arbeitswiderstände im Drain der 
FETs.

Bei den Teilen, bei denen ich das gesehen hatte, waren je 2 J-FETs 
parallel geschaltet. Das senkt noch einmal das Rauschen.

[Michael M. (michaelm)]

2sk117 model:

.model J2sk117 NJF(Beta=26.72m Rs=12.31 Rd=12.31 Betatce=-.5 
Lambda=2.462m Vto=-.8647 Vtotc=-2.5m Cgd=7.762p M=.384 Pb=1.153 Fc=.5 
Cgs=14.09p Isr=112.8p Nr=2 Is=11.28p N=1 Xti=3 Alpha=10u Vk=100 Kf=1E-18 
Af=1)

Vielleicht kannste das mal testen..

[Elliot (Gast)]

Unbekannt schrieb:
> Tatsächlich sind es aber 30dB!
> Warum ist das so?

Weil du mit R2 am Drain einen invertierenden Verstärker gebaut hast, der 
am Eingang eine virtuelle Masse erzeugt. Deine Signalquelle arbeitet 
praktisch auf einen Kurzschluß und nicht etwa nur auf den 
Spannungsteiler R2/R3. Das kannst du leicht überprüfen, indem du den R2 
nicht an Drain, sondern an eine konstante Spannung legst (natürlich 
passend dimensionieren, damit die Spannungen wieder gleich sind).

[Helge (Gast)]

Schau mal, ob du mit Beschaltung in dieser Größenordnung zurechtkommst. 
Dein R2 koppelt mit Verstärkungsfaktor gegen, das verschiebt die 
grenzfrequenz am eingang erheblich. Deinen R5 so auslegen, daß der 
dynamikumfang nicht begrenzt wird.

[Unbekannt (Gast)]

Vielen Dank für die zahlreichen hilfreichen Beiträge!

Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> Bei den Teilen, bei denen ich das gesehen hatte, waren je 2 J-FETs
> parallel geschaltet. Das senkt noch einmal das Rauschen.

Interessantes Vorgehen, habe ich noch nie von gehört.
Wie ist das geringere Rauschen zu erklären?
Ich könnte mir allerdings vorstellen, dass es hier ganz ohne 
Stromgegenkopplung aufgrund der Exemplarstreuung zu Problemen kommt.
Waren das kommerzielle Verstärker?
Falls ja, welche?


Elliot schrieb:
> Weil du mit R2 am Drain einen invertierenden Verstärker gebaut hast, der
> am Eingang eine virtuelle Masse erzeugt. Deine Signalquelle arbeitet
> praktisch auf einen Kurzschluß und nicht etwa nur auf den
> Spannungsteiler R2/R3. Das kannst du leicht überprüfen, indem du den R2
> nicht an Drain, sondern an eine konstante Spannung legst (natürlich
> passend dimensionieren, damit die Spannungen wieder gleich sind).

Danke für den Hinweis.
Kann ich noch nicht 100% nachvollziehen, aber ich habe noch etwas 
abweichende Konzepte ausprobiert, die auf R2 verzichten und wenig 
problematisch im lowend sind.



Helge schrieb:
> Dein R2 koppelt mit Verstärkungsfaktor gegen, das verschiebt die
> grenzfrequenz am eingang erheblich.

Heißt die Gegenkopplung ist zu stark und verschiebt dadurch die 
Grenzfrequenz?

LG

[Michael M. (michaelm)]

Unbekannt schrieb:
> Heißt die Gegenkopplung ist zu stark und verschiebt dadurch die
> Grenzfrequenz?

So isses. Brauchst du überhaupt diese Sp.-GK?

[Elliot (Gast)]

Unbekannt schrieb:
> Heißt die Gegenkopplung ist zu stark und verschiebt dadurch die
> Grenzfrequenz?

Nee, Helge meint im Grunde das gleiche wie ich. Durch den wegen der 
invertierenden Gegenkopplung absinkenden Eingangswiderstand verschiebt 
sich die untere Grenzfrequenz nach oben.

[Harald W. (wilhelms)]

Unbekannt schrieb:

> JFET Vorverstärker für den NF Bereich von 20Hz-20KHz.

Gibts einen besonderen Grund, statt eines Bipos einen Fet zu verwenden?
M.W. sind Bipos als Mikrofonverstärker eher rauschärmer.

[Carlo (Gast)]

zur Diskussion :-)
https://sagittronics.wordpress.com/2019/07/04/simple-phantom-power-preamp-alex-rice-piezo-amplifier/

[Helge (Gast)]

JFET wird ja eher für hochohmige Quellen genommen. R2, R3 stellen nur 
den Betriebspunkt am Gate ein und bestimmen den Eingangswiderstand.

Die Verstärkung wird nur eingestellt mit R7/R5 plus die internen 
(nichtlinearen) Widerstände des JFET. R5=1k2 Größenordnung 12dB, R2=430 
Größenordnung 18dB, ab hier und größere Verstärkungen hängen stark vom 
JFET ab (Streuung) und erhöhen Verzerrungen.

[Der Zahn der Zeit (🦷⏳) (Gast)]

Unbekannt schrieb:
> Interessantes Vorgehen, habe ich noch nie von gehört.
> Wie ist das geringere Rauschen zu erklären?
Meinst du das geringere Rauschen wegen der Parallelschaltung? Das ist 
ein einfacher Zusammenhang: Mit zwei parallelen Transistoren verdoppelt 
sich die Rauschleistung am Ausgang, aber die Signalspannung ebenfalls. 
Anders gesagt: Die Rauschspannung steigt um den Faktor √2, die 
Signalspannung um den Faktor 2. 3 dB mehr Rauschabstand.
> Ich könnte mir allerdings vorstellen, dass es hier ganz ohne
> Stromgegenkopplung aufgrund der Exemplarstreuung zu Problemen kommt.
Du meinst, Source-Widerstände? Das ist vernachlässigbar. Die FETs 
arbeiten mit Ugs = ~0, da ist der Drainstrom maximal und damit das 
Rauschen minimal. Die Drainströme sind nicht besonders gleich (es sei 
denn, man selektiert), aber das ist eher vernachlässigbar.
> Waren das kommerzielle Verstärker?
Ich kenne die nur von Fotos, den bzw. die Hersteller kenne ich nicht.
> Falls ja, welche?
Ich könnte denjenigen fragen, bei dem ich die Fotos gesehen habe.

Harald W. schrieb:
> Gibts einen besonderen Grund, statt eines Bipos einen Fet zu verwenden?
> M.W. sind Bipos als Mikrofonverstärker eher rauschärmer.
Hier: Die geradezu primitive Schaltung. Aber es gibt auch sehr 
rauscharme J-FETs: 2SSK117, 2SK369, BF862. Leider alle auf der 
Abschussliste bzw. schon abgeschossen. Mit massiver Parallelschaltung 
von J-FETs lassen sich sehr rauscharme Vorverstärker, die dennoch eine 
sehr hohe Eingangsimpedanz haben, realisieren.

[Unbekannt (Gast)]

Michael M. schrieb:
> So isses. Brauchst du überhaupt diese Sp.-GK?

Wahrscheinlich nicht zwingend.
Ist eher mit Kanonen auf Spatzen geschossen.

Wer mehr zum Thema "Einfluss Rückkopplungsnetzwerk auf 
Eingangswiderstand" wissen möchte, dem kann ich das hier sehr empfehlen:
https://docplayer.org/55795067-4-1-auswirkung-von-gegenkopplung-bei-emitter-bzw-source-schaltung.html

Ich habe mich hauptsächlich für das Phänomen interessiert, da es mir nur 
bedingt bewusst war.
Der Einfachheit halber werde ich wohl ohne die Spannungsgegenkopplung 
bauen.



Helge schrieb:
> Die Verstärkung wird nur eingestellt mit R7/R5 plus die internen
> (nichtlinearen) Widerstände des JFET. R5=1k2 Größenordnung 12dB, R2=430
> Größenordnung 18dB, ab hier und größere Verstärkungen hängen stark vom
> JFET ab (Streuung) und erhöhen Verzerrungen.

Absolut richtig :)
Bzw. muss der Widerstand R1 noch Beachtung finden und die Dämpfung durch 
den Spannungsteiler aus R1&R7!
Dann ergibt sich:
+6dB:  R5=3,3K
+12dB: R5=1,5K
+18dB: R5=820
+24dB: R5=390



Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:
> Meinst du das geringere Rauschen wegen der Parallelschaltung? Das ist
> ein einfacher Zusammenhang: Mit zwei parallelen Transistoren verdoppelt
> sich die Rauschleistung am Ausgang, aber die Signalspannung ebenfalls.
> Anders gesagt: Die Rauschspannung steigt um den Faktor √2, die
> Signalspannung um den Faktor 2. 3 dB mehr Rauschabstand.

Interessant.
3dB sind natürlich nicht viel, aber ich werde mal damit experimentieren.
Ich sehe die Voodoisten und Fetischisten vor meinem geistigen Auge, wie 
sie riesige Bänke von JFETs zusammenschalten...


LG

[Der Zahn der Zeit (🦷⏳) (Gast)]

Unbekannt schrieb:
> Ich sehe die Voodoisten und Fetischisten vor meinem geistigen Auge, wie
> sie riesige Bänke von JFETs zusammenschalten...
Es gibt sowohl Voodoisten und Fetischisten als auch Andere, die riesige 
Bänke von JFETs zusammenschalten. Das sind aber eher selten dieselben.

Es gibt nun einmal Quellen, die eine außerordentlich geringe 
Ausgangsspannung bei gleichzeitig niedriger Quellimpedanz liefern. In 
der Audiotechnik z. B. Bändchenmikrofone und Moving Coil Tonabnehmer. 
Damit die eine ordentliche, mit normalen Vorverstärkern verwertbare 
Spannung liefern, werden dann Trafos eingesetzt. Nicht ganz ohne 
Nachteile, da kommen dann die ultra-rauscharmen Vorverstärker in den 
Fokus.

Man sollte aber wissen, dass allein schon ein Widerstand von 60 Ohm 
ungefähr so viel rauscht, wie ein besonders rauscharmer Op-Amp oder 
J-FET (~1 nV/√Hz).

Und wenn man durch Parallelschaltung von z. B. mind. 4 J-FETs z. B. 0,5 
nV/√Hz erreicht, führen Quellimpedanzen, Schutz- oder 
Gegenkopplungswiderstände (Emitterwiderstände) > 10 Ohm die ganzen 
Anstrengungen ad Absurdum.