[心得] Pass Aleph 線路與 MOSFET 配對

看板Headphone作者hiro920463 (hiro)時間7年前 (2017/04/16 15:48)推噓14(14推 0噓 6→)

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圖文易讀版 http://chihhanlin.weebly.com/mosfet-3719723565.html ---------------------------------------- 重點: 想做 Nelson Pass Aleph 單端 A 類的架構（順便改個前級兼耳擴來玩）於是買了幾千顆 MOSFET 回來玩配對 ---------------------------------------- 最近開始想做類比的線路, 想從比較簡單的架構開始順便玩晶體配對, 於是看了一些 Nelson Pass 簡潔又奇特的 A 類線路後便一頭栽了進去 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/alephscheme_orig.png

剛看到 ALEPH 系這個單端擴大線路一開始還不太懂為什麼輸出是從差分對的另一支 PMOS 的 Gate 拉出來(以前學校好像沒教過這種的), 稍微跑過模擬, 網路上的討論串看過再推導一下大致抓到些感覺, 這個弄懂了以後回頭看 AMB beta22 的線路圖(其實很多A 類輸入級用 FET 的很多都像這樣, HA5000啊, winna FET 都是) 也不難理解該電路迴授電路的拉法與增益計算 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/beta22_orig.png

不覺得很像嗎（誤）, 從單端改成對稱並加上很多 cascode 的技巧, 多了第二級電壓增益, 最終放大電流的 follower 輸出迴授到第一個差動對的輸出, 同樣也需要主動元件的配對否則輸出會有夭壽大 DC offset 的危險架構。總之稍微搞懂了 Nelson Pass 的邏輯以後, 便打算以這類線路為核心下手 DIY, 線路的選料不知為何非常偏好 IRF 某些型號的 MOSFET, 又剛好發現掏寶上 IRF9610/IRF610/IRF240 這些型號的拆機件超級便宜, 索性每種直接拉 2000-3000pcs ( 說實在的整批買下來還沒有一些真空管的熱門老管貴, 拿來玩正好) 回來慢慢研究配對的手法. 因為手邊的Soekris DAM 1121 也缺一個前級電路, 就順便從 aleph 的概念改了一個耳擴的實驗線路 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/mini-a_orig.gif

https://www.google.com/patents/US5710522 這個基本上是 ALEPH 系列最迷你版本線路, 電流隨耦用中高功率的 IRFP240, 正壓端也用了 IRFP240 構成的動態電流源（就是 US patent US5710522A 的概念）來構成單端A 類的效果, 中間那顆 220uF 作為 bootstrap 使用, 目的是把 DC 工作點推到合適的偏壓 . 這種老作法在低頻近滿載的時候正半周波行會被削去地很嚴重 (參考 http://www.cndiyclub.com/bbs/read.php?tid=3440&page=1) .也由於上半周與下半周訊號的處理是不對稱的, 假如輸出負載抽取的電流太大同樣會造成上半周的電壓波型被 clip 削去一截. 如果想拿來推高阻抗(300-600ohm)的耳機的話, 首先考量到負載抽取的電流並不大, 以 20Vpk-pk 來說電流了不起 +-20mA, 實在不需要弄到原設計中 1-2A 那麼大的偏流, 大可降至 100mA-200mA . 如此一來不僅可以使用中低功率的 MOSFET , 也不需要太大的散熱片, 比較容易跟著 DAC 裝一起當成簡單前級兼耳擴. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/alephsscheme_orig.png

動態恆流源 (這樣翻譯有點矛盾, 不過我指的是 active current source) 因為還不確定怎麼改成小偏流比較好 (其實是還沒完全搞懂)就弄成定電流源, 因為電流不大索性把過流保護拔掉, 最後就變成上圖這副德性. 雖然不知道拔掉動態恆流源以後還會不會保留 ALEPH 系列的聽感, 不過這樣簡化的電路因為變因極少反而適合用來研究調音跟晶體配對. 另外一種可玩性更高的做法就是把 active current source 的偵測控制部分由 BJT 改成比較現代的 OP amp 來作, 也許會有不錯的效果. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/sam-6075_orig.jpg

因為自己懶得 layout 所以先找了阿仁的 ALEPH mini + A30 的板子來用, 到時候直接參考佈線,把原版跟我亂改的版本各洗幾十片來用. 接手的零件包號稱配對過 Vgs 的 IRF9610 實際量了一下也只有一組有到 0.01V 的誤差, 另一組完全不行, 果然配對這種事還是要自己來比較踏實. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/vgsmescv_orig.png

一般人在配對 P-MOSFET 的 Vgs 時會使用類似上圖的電路, 在 Source 加一個限流電阻配合定電壓源, 將 Gate 與 Drain 短路以電表量測 Vgs. 因為在導通狀態 Vgs 的壓降差不多是 3-4V, 所以可以直接估計 Is = Id = (V1-4)/R1, 通常配 ALEPH 的差分對偏流設定 10mA, 那麼測試條件就抓 V1 = 22V, R1=1.8K ohm 之類的設定. 另一方面由於Vgs 對於溫度相當敏感, 所以測試的時候一般需要控制在恆溫環境, 或者持續加定電流加熱晶體直到與室溫達到熱平衡為止才讀值(不過這會衍生出若大批測試時室溫有變動的話也是會出現誤差). http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/irf9610vgs_orig.png

所以一般來說你在 MOSFET 上看到的量測數據(比如說這是 IRF9610) 很多時候都是用脈衝電源下去測的, 這樣可以保證晶體本身的發熱對於環境溫度量的干擾最小. 以操作條件 Id = 10-20mA 來說你還會發現不同溫度下 Id-Vgs 的曲線還會交叉, 所以即便透過簡易方式在某個特定電流與溫度配到一對 Vgs 相同的 MOSFET 也很難保證溫度改變了以後還能保持配對誤差, 最後免不了要上實際電路觀察或者透過 curve tracer 來作全面性的參數比較. 不過這篇文章主要還是先討論透過 Vgs 來達到快速篩選的目的. 使用的工具是 National Instrument 的 SMU (Source Measure Unit) 模組 pxi-4130 來充當脈衝電流源 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/pxi4130mos_orig.png

這玩意基本上要說多準有多準, 重複精度非常的好, 以我設定的條件來說施加 10mA 定電流,4ms後穩定取電壓值, 間隔 200ms 重複五次取平均的 Vgs 量測值來說做到小數點後 4 位(ex. 3.9642 Volt)沒有問題 (當然把重複插拔造成接觸阻抗變化與輕微溫度漂移考慮進來實際上大概剩三位). 測試的時候發現 20 mA 以上就會造成小數點後第 4 位的漂移, 不過只要量測參數嚴格控制還是有參考價值, 最後決定建立資料庫的方式就以 10mA, 20mA, 30mA, 40mA 與 50mA 五個點的 Vgs 作為主要參考數據去開發篩檢系統. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/fullvgs1_orig.png

當然這種等級的 SMU 是 programmable 所以掃 2D curve 也簡單, 模組上還有一個備用的 6V source 可以拿來同時掃兩個維度的參數比如說 Id-Vgs-Vds 等等或者求 gm 之類的應用. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/sam-6067_orig.jpg

一開始先買了 400pcs 的 IRF9610 來設定量測 SOP , 後來發現棉手套還是沒辦法隔絕手部溫度對晶體的影響就改用塑膠鑷子來夾放. tray 盤簡單用瓦楞紙跟雙面膠來作, 一盤放一百顆, 每盤會多量一顆 golden sample 來作簡易的溫度校正.包含歸料一個小時大概只能作 200pcs, 算是相當耗人工的雜務, 目前就中午休息放空的時候邊聽音樂邊量,或者追一集新番正好量完一盤 XD 估計也得幾個禮拜才能配完幾千顆. 特地挑拆機品一方面覺得等效上附帶了老化測試, 一方面是因為價格問題, 拆機品1 pcs 大約只要 1.5 NTD ( 買來打掉 20% 腳長剪過頭的瑕疵品, 不過也是可以用). 新品雖然同批號數值會接近一點但是單價起碼高十倍. 這種配對的東西還是靠數量決勝負, 相信大數法則跟常態分布就對了. 整體快篩的成本平均下來大概一隻台幣兩塊半至三塊吧 (量測設備折舊一小時算 50-100, 找產線大媽加班一小時 150-200, 進價一隻一塊半) http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/sam-6060_orig.jpg

一開始用麵包板發現穩定度太差就乖乖用好一點的治具夾, 原先兩線式覺得不夠準就改成四線式 .這種 40pin 治具座如果配合大量恆流源可以設計成同時量10支 MOSFET 的機器 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/sam-6066_orig.jpg

弄成 10x10 的方式簡單黏著固定, 之後按編號找料也方便, 雙面膠黏性有點黏又不會太黏最好. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/progmain_orig.png

每量完一盤最後都會得到一個 101x6 的數據表格,之後才是需要動腦寫程式 sorting 的地方, 比如說根據某個設定的偏流條件與需要的Vgs 誤差範圍, 用這五個量測值去 fitting 內插排序分組. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/sam-6071_orig.jpg

先試驗性配了三盤, 當中也簡單抓了幾對 0.01V 內的來作進階配對, 當中有批號接近的 , 也有看起來完全不同時期的製品. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/300pcs_orig.png

以300pcs 的數據來說可以發現Vgs平均值落在 3.9V 左右, 從 3.5V-4.4V 都有, 接下來從正負一個標準差的區塊內選料再作二次配對應該可以省事很多 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/300pcs2_orig.png

假如以 0.01V 的誤差來挑選差不多可以挑出十來組來慢慢測, 假如樣本有兩千隻以上我想光是針對 Vgs 要挑出誤差 0.002V 的組合都不是太大的問題, 我猜用這樣配出來的 PMOS pair 拿來作 ALEPH 的線路要把 DC offset 控制到 10mV 以下不會事太大的問題. 至於二次配對需要的 curve tracer 和實際電路還在研究最有效率的做法. 最後附上這些量測程式部分的 LabVIEW code 讓想自己動手的人參考一下 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/5p1_orig.png