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Alt 14-07-2016, 20:31
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Standard AW: WetFur - Germanium Fuzz/Distortion for e-Guitar

Achtung - Artikel enthält Fehler: Siehe http://ltspiceusers.ch/showpost.php?p=293&postcount=7

Nebenbei, falls es jemanden interessiert:

Ein paar Worte zum Modell des AC128 Germanium PNP Transistors.


Leakage/Leckage - ein Reminder:

Germanium Transistoren lecken wie sau

Ich setze immer so einfach voraus, dass ein Mindesmaß an Verständnis gegenüber Leckagen in Halbleitern/Transistoren existiert. Dies ist aber überhaupt nicht selbstverständlich, da seit Silizium Leckage keine Rolle mehr spielt und es nirgendwo mehr anständig gelehrt wird. Vielleicht ist es deshalb an der Zeit, ein wenig drüber zu reden:

(PNP-)Transistoren Lecken von B nach C (=Tendenz zum "nicht mehr AUS kriegen") genauso wie von E nach B (Tendenz zum "nicht AN kriegen").

Ein Verständnis/eine Kenntnis der genauen Verschiebungen von Arbeitspunkt, DC-Gain etc. (wichtig für ein brauchbares Simulationsmodell) ist überhaupt nicht so leicht zu erlangen. Die beiden Parameter (BC/EB Leckströme) beeinflussen BEIDE das Verhalten des Transistors. Antagonisten mit unklarer Gewichtung. Da müsste man schon die Ätzmaske/die genaue Geometrie des Transistors kennen und selbst dann müsste man noch die Streuung berücksichtigen. Kein Germanium-Transistor ist wie der andere - die Dinger streuen (z.B. hFE) wie sau - eigentlich könnte man sich die Bezeichnung des Transistors sparen und einfach sagen: Germanium Small Signal - XX-Voltage. Ihr seht: Eine Modellierung wird somit zur Mission Impossible. Too Much unknown parameters. Sofern man kein Mathlab-Junkie ist. Generell ist zu sagen, dass das BC-Leck meist größer ist als das EB-Leck. Der Transistor ist also ohne dass man etwas an der Basis tut AN. Das ist aber auch schon alles - mehr lässt sich allgemein nicht sagen. Für DC mag man sich was drunter vorstellen können - bei AC versagt das instinktive Verständnis für Stromfluss...

- Statt nun -wie viele andere- mit den ISE/ISC Parametern (laut Doku sind dies die equivalenten Parameter für BC/EB Lecks) herumzuspielen und mir jedes einzelne Haar dabei auszuraufen, benutze ich den IS Parameter - aus der Dokumentation geht hervor, dass SPICE in diesem Falle die weitere Berechnung von ISC und ISE übernimmt. IS ist also wie ein künstlicher Faktor zu verstehen, aus dem SPICE die eigentlich wichtigen Parameter weitererrechnet. Natürlich ist dies nicht viel mehr als eine billige "Holzhammer mach es passend" Methode - noch dazu für Silizium und nicht Germanium - aber es funktioniert doch recht gut - besser als gedacht. Die Idee ist folgende: Von -realen- Germanium-Transistoren weiss man (=kann man messen) wie sie sich bei offener Basis verhalten - genauer: Man kann messen, ob- und wieviel Strom fließt, wenn die Basis nicht beschaltet wird. Meist mißt man einen Strom von 100uA bis 500uA bei 9V-Rail (Emitter am Rail, Kollektor auf Masse). Man -kann- nun mittels des IS-Parameters den Transistor so "einstellen" dass er dasselbe Verhalten zeigt. Für mein AC128 Modell sind das Werte von 4u<=IS<=12u. Natürlich ist dies eine ziemlich krude Methode, deswegen seien Probleme kurz erwähnt:

- Diese Methode zieht Unschärfen beim tatsächlichen Basisleckstrom nach sich - simuliert aber sehr gut den Leckstrom Iec (Emitter am +Rail - PNP!) mit offener Basis. Man muss sich im Klaren darüber sein, dass diese Methode absolut -nichts- darüber aussagt, oder aussagen -kann- was genau (=real) an der Basis geschieht. Man muss sich ebenfalls darüber im Klaren sein, dass man die -Berechnungsmethode- von SPICE nicht genau kennt. Das heißt, man muss ganz genau im Auge behalten, ob sich der simulierte Transistor zumindest einigermaßen wie ein echter verhält - dabei muss wahrscheinlich auch der BETA Faktor angepasst werden - und dabei kommt auch leider sehr schnell heraus, dass eine wirklich saubere Modellierung nicht zu bewerkstelligen ist. Also muss man seine Bedürfnisse anpassen: Mich interessiert hier NUR DC/BIAS-Verhalten. Voltage und-/oder Current Gain, Forward-Voltage und genaues Verzerrverhalten, V/I Verhalten all dies ist nicht korrekt simulierbar.

Aber dies ist nicht schlimm - weil die Möglichkeit -endlich- eine Aussage über das BIAS Verhalten treffen zu können - dieser Erfolg, die Misserfolge überwiegt. Im Endeffekt ist es bei einem Verzerrer auch relativ uninteressant ob er nun 6dB mehr oder weniger Gain hat - bei 80dB Gesamt-Gain - auch ist die genaue Vf/I Kurve uninteressant, da bei 5-10% THD keiner mehr den Unterschied hört. Wichtig ist, dass das Ding über die Zeit zuverlässig funktioniert - und dafür ist das DC-Bias Verhalten am wichtigsten. Und für die Analyse desselben ist das -neue- AC128 Modell eine mehr oder weniger große Hilfe.

Warum so? Warum überhaupt ? Warum soviel Heckmeck darum?
In der Welt der FuzzFaces hat sich diese Prozedur (Basis Offen, Iec messen) als quasi-Standard etabliert, um Germanium-Transistoren Lecktechnisch zu vergleichen. Zweitens interessiert (hinsichtlich BIAS) hauptsächlich auf welcher DC-Voltage der Collector bzw. der Emitter sitzt. Dies ist wiederum abhängig vom Strom durch den Transistor - bzw. dem Arbeitsstrom, der sich aus Leckstrom plus Biasstrom zusammensetzt. Bei 300uA Leckage und (sagen wir) 700 uA Gesamtarbeitsstrom Iec, wird schon relativ deutlich, welchen Einfluss die Lecks haben. Leakage ist extrem abhängig von der Temperatur.

Lecks sind instabil, kein -ich wiederhole- >kein< stabiler Skalar, sondern eine Funktion verschiedener Parameter!.

Ändert sich die Leakage um nur 100uA, verzieht es den Arbeitspunkt um geschätzt mindestens ein siebentel. Das ist viel und ohne Feedback wäre das der Horror. Aber auch mit Feedback ergibt sich eine erhebliche Instabilität des Arbeitspunktes (80dB Gain - Doppelstufe, DC-Coupled - Fehler multiplizieren sich und werden nur vom Feedback wieder korrigiert - davon ist nicht viel da und auch nicht besonders stabil). Und das ist genau das um was es geht. Will man dies stabilisieren, muss man erstmal das Leckverhalten einigermaßen nachbilden. Dann muss man das Verhalten bei verschiedenen Leckströmen beobachten - dann kann man den Fdbk.-Pfad entsprechend anpassen oder erweitern um Abweichungen zu minimieren - und das Verhalten bei verschiedenen Leckzuständen möglichst homogen zu bekommen. (z.b. durch emitterwiderstände oder kleinerem Global-Feedback-Widerstand, oder anderen Hokuspokus)

- Der IS Parameter lässt diesbezüglich eine ziemlich genaue Anpassung zu. Standardmäßig (also so wie hier geuploaded) fließt ein Iec0 von c.a. 100uA. Dies entspricht einem sehr guten AC128 Exemplar. Ein schlechtes Exemplar hat 300uA Leckstrom Iec0. Alles was drüber ist ist natürlich noch schlechter - aber auch nicht mehr zu gebrauchen (vllt. als Diode )...

Ist die Unschärfe (=unkenntnis) des tatsächlichen Basisstroms interessant?

Nein - solange man genügend Strom liefern kann. Das bedeutet: Man sollte darauf achten, dass die Vorstufe genügend Strom liefern kann (/abfließen lassen kann), bzw. dass die Source-Impedance/Resistance mgl. niederohmig ist. Ein DC-Return(=Feedback-)Widerstand von 100k ist definitiv zu hoch - meine 47k sind auch noch zu hoch, aber tiefer kann ich nicht gehen. Eine Drive-Impedance Zs von 20k ist ebenfalls zu hoch (kriegt man Gain-Probleme) - 2k-6k8 ist realistisch.

Beides (also niedrigerer DC-Feedbackwiderstand und niedrigere Drive-Impedance) - sprich: mehr Potential an der Basis - zieht nach sich, dass die Basis gern auch mal zulangen darf, ohne dass dem System der Strom ausgeht oder es im Strom ertrinkt (hoffentlich). Darüber hinaus ist der Basisleckstrom nicht interessant - interessant ist der EC-Leckstrom, denn dieser wirkt sich direkt auf den Arbeitspunkt des VFB-Pairs aus.

Kleinere Anpassungen wie z.B. Early Effect und parasitäre Kapazitäten habe ich auch vorgenommen.

Das ursprüngliche Original (also das Modell, welches ich weiterentwickelt habe) stammt aus dem DIY-Audio-Forum. Der Tipp mit dem IS-Parameter stammt von einem ziemlich renommierten User dort(PRR) - seinen Nebensatz scheinen aber die meisten (alle?) nicht bemerkt zu haben.

Anlagen:
2 Screenshots
1 Simulation zum spielen
1 Modell-LIB (mit Editor öffnen zum anpassen)

Weiterlesen (bitte mit vorsicht genießen - beide Seiten enthalten unschärfen und teils sogar fehler):
http://www.geofex.com/article_folder...ace/fffram.htm
http://www.electrosmash.com/fuzz-face
Miniaturansicht angehängter Grafiken
Transistor Test3.jpg   Transistor Test.jpg  
Angehängte Dateien
Dateityp: asc WetFur-Transistor Test Beta.asc (702 Bytes, 1x aufgerufen)
Dateityp: lib wetfur.lib (1,1 KB, 1x aufgerufen)
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Fachgebiete: Linear/Analog, Audio, Filter, Modelling
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Geändert von JoeHill (11-08-2016 um 03:53 Uhr)
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spicer (14-07-2016)