Rakennusohje REVENGE J-FET RIAA

Voisiko diskreeteillä puoijohteilla tänä päivänä lähestyä samaa äänenlaatua, jonka onnistuin saamaan suosion saaneeseen putki-RIAA-korjaimeeni? Se kun on esitelty täällä AudioVideo.fi:ssä kymmenen vuotta sitten!

Tässä esitetään pitkän kokeilurupeaman tulos, j-feteillä toteutettu ilman pitkää takaisinkytkentää toimiva RIAA-korjain eli levysoitinetuvahvistin. Alunperin suunnittelin sen vain MM-rasioille mutta yli 40 vuoden takaisen alkukokeiluni jälkeen on tullut markkinoille mm. Toshibalta ja Linear Systemsiltä audiofettejä joilla on huikea “vääntö”. Keulan fetinvaihdolla tuollaiseen tämä laite toimii hienosti myös MC-rasioilla.

Jatkosuunnittelu oli pitkään hyllyllä, mutta pulpahti kolmisen vuotta sitten esiin ja uudemmat kokeilut tuottivat tämän ulostulon. Itsellenihän tämän toki tein, mutta kun lopputulos oli oikein hyvä niin rohkenin laittaa sen julkaisuun. Varsinkin, kun haluan uskoa että tietty osa harrastajista on vielä oikeasti kiinnostuneita diskreettitason elektroniikasta ja sen toteutusmahdollisuuksista. Vielä saa hyvin diskreettejä langallisia komponentteja, joilla protoilu on helppoa kun ei tarvitse tähdätä suoraan maaliin. Simulointi on tuonut tähän tuon uuden perspektiivin, joka sinänsä on kiinnostava, mutta hukkaa kenties jotain vanhan koulukunnan kytke ja kokeile -asenteesta.

Rakennusohje REVENGE J-FET RIAA — Alkukokeilu 1970-luvulta

Nousukiito 1970-luvulta

Kytkennän alkukokeilut ulottuvat siis taaksepäin 1970-luvun lopulle, jolloin tein ensimmäisen RIAA-prototyyppini fetillä 2N3819. Inspiraation lähteenä oli muistaakseni puolijohdeguru Erno Borbelyn esimerkkikytkentä Radiotekniikan käsikirjassa (osa ‘Puolijohdetekniikka’, 1973) ja siihen aikaan vielä melko harvinaisia fettejä oli saatavilla työpaikallani tietoliikennelaitteiden (NOKIA) mitattuina tehdasvaraosina. Tämä laite on siitä saakka ollut käytössä ja on tällä hetkellä “lainassa” tutun hifiharrastajan laitteistossa.

Löysin myös tuonaikaisia käytännön mittauksia arkistostani ja oheinen kuva kertoo edelleen oleellisen kokeiluita varten: Mittauskohteena oli tänä päivänäkin tuttu 2N3819. J-fetin Ug/Id-graafista tietyn IDSS-virran käyrältä peilataan käytettävää ID-toiminta-arvoa vastaava hilaetujännite x-akselille ja sen mukaan lasketaan sopiva source-vastus tuolle virta-/jänniteparille, joka muodostaa negatiivisen hilaetujännitteen fetille. Tämä riittääkin asteiden virittämiseen, joka kylläkään ei putkipuolelta juuri eroa. Tästä löytyy myös kuvausta ja viitteet AudioVideon etuvahvistinjutussani joku vuosi taaksepäin.

J-fetti on luonteltaan pentodin kaltainen Ug/Ia-käyrää ja toimintapisteen asettelua myöten. Käyrästön vaakasuoraa osiota kutsutaankin joskus nimellä “pentode region”. Fettien, kuten jyrkkien pentodienkin parametreissa on hajontaa. Pentodeilla anodivirta, suojahilavirta ja jyrkkyys voivat vaihdella yksilöstä toiseen liki 20 %, ja nekin joudutaan tyypillisesti valitsemaan pareiksi harrastajien vastakytkemättömissä sterosovelluksissa. Hajonta seuraa vaikka pentodi kytkettäisiin pseudotriodiksi. J-feteillä tietty tyyppi on usein tuotannossa valikoitu muutamaan ryhmään IDSS-arvon mukaan, mutta silti IDSS-/jyrkkyyshajontaa on ryhmänkin sisällä reippaasti (tyypillisesti 1:2,5).

Noiden ensikokeilujen jälkeen tuli pitkä välivaihe kun aloinkin 1980-luvun alussa kokeilla uuden sukupolven operaatiovahvistimilla, joita alkoi tulla markkinoille, LM 381, uA739, TL07x- sarja, LF35x sarja, NE553x sarja, OP27/37 jne. Sainkin tuolloin aikaan useita rakennusohjeita Hifi-lehteen näitä soveltaen. Tämän perään jatkuu edelleen yli neljän vuosikymmenen taival lähinnä putkivahvistimien ihmeellisessä maailmassa.

Hyvin menestyneen Uraltonen RIAA-rakennussarjani jälkeen oli pitkä hiljaiselon kausi tällä rintamalla kunnes pari vuotta sitten heräsi ajatus, että 1970-luvulla alkanut kokeiluni täytynee vielä kertaalleen herättää henkiin ja toteuttaa: j-fet-RIAA, edelleen passiivikorjaintoteutuksena, paremmalla osaamisella (?) kuin silloin. Toteutuksen eteen tuli kuitenkin Uraltonen kanssa toteutettu etuvahvistinrakennussarjan sähköinen suunnittelu ja testaus, itselleni liki vuoden mielenkiintoinen ja haasteellinen kokeilurupeama. Sen jälkeen fettikokeilun viimeistelemistä ja julkaisua siivitti vielä taannoisen Tekniikan Museon Köykkä-näyttelyn valmisteludokumentteihin arkistostani löytynyt Köykän lausuma ERT-lehdessä (1966, vol.4, s.66), tiivistettynä: “Kanavatransistoreilla voidaan tehdä yhtä hyvä RIAA kuin putkilla, hankaluutena on niiden kalleus ja suuri parametrihajonta”. Tosin hänkin sittemmin päätyi OP3:n myöhemmissä malleissa ja Wattramissa symmetroituihin transistorikytkentöihin ja kas kummaa, onnistui saamaan sellaiselle suomalaisen patentinkin (nro 62917, myönnetty 10.03.1983).

Yllä mainittu j-fetin valmistusprosessille luontainen ominaisuus, suuri hajonta IDSS-arvossa, on tämänkin päivän fakta ja kynnys fettitoteutuksissa, mm. taannoisessa fetti/putki-hybridikaskodissa putki-RIAA:ssani. Tässäkin toteutuksessa täytyy saman asteen fettien eri kanavissa olla sovitettu mielellään alle 0,3 mA:n sisään IDSS-arvoltaan. On osoittautunut, että tämä ei enää toimi ostamalla läjä fettejä ja niistä valitsemalla, kun saanti maailmalta on kaikenkaikkiaankin mennyt heikoksi. Tässä täytyy toimia niin, että jälleenmyyjätaho valitsee pareja etukäteen valmiiksi myyntiin; tämä ei ole kovinkaan suuri ponnistus. Nämä langalliset fetit taitavat olla katoavaa kansanperinnettä ja siksi olevia varantoja on syytä kunnioittaa kun luotettavat bulkkierätkin alkavat huveta markkinoilta. Pintaliitostyyppisiä versioita on edelleen paremmin saatavilla ja niiden ymppääminen tähänkin vippaskonstein on helpohkoa harrastajalle, mutta niiden mittaaminen on hankalahkoa.

Nyt itse kytkentään

Note 1: polcap or silver mica, up to cartridge recommendation (cable capacitance to be noted)
Note 2: Resistor for ”Neuman TC”, can be sustituted with a short without any other changes
Note 3: 2,5…3,4 mA IDSS, note different pinouts for types recommended ( 2SK30 for lowest noise here). For MC, use 2SK170 of ca.3 mA IDSS and shunt 47K with proper MC load resistor
Note 4: 5…6 mA IDSS, note different pinouts for types recommended, bigger values possible by adjusting Rs for 4 mA ID
Note 5: ID trimmed for ca. 4 mA
Note 6: 6…9 mA IDSS, note different pinouts for types recommended, bigger values possible by adjusting Rs for 6 mA ID
Note 7: ID trimmed for ca. 5 mA
General note 1 : * marked TC components are of 2% tolerance for 5k and 15 nF, or measured as accurate pairs in channels (from 4,7k and 15 nF standard values of 5…10% tolerance for 75uS TC)
General note 2: the stage coupling RC time constants are in ratio of 1:5 for no interaction

G = ca. 100 (40 dB) to 100 kohm load, depending on fet types used
THD (1 kHz, 3 mV in) typ. < 0,15 % Noise rms voltage at output: less than 100uV, correstponding roughly ca.1 uV input noise (meter linear bandwith 800 kHz) S/N >73 dB (HP Audio Analyzer, 400 Hz HP filter, and 30kHz LP filter in use)

Ensimmäinen aste toimii maksimivahvistuksella IDSS-arvollaan source suoraan maadoitettuna. Positiivisen hilajännitealueen puolella on puolisen volttia lineaarista ohjausvaraa, tätä ei usein ymmärretä tai huomioida. Näin fetti antaa tässä pienimmän säröspektrin, merkittävänä siinä toinen harmooninen. Jännnitepelivaraa MM-signaalille gatella on riittävästi, mahdollinen yliohjaus ei tapahdu tässä. 2120 Hz:n (75 us) käännepiste on nyt toteutettu shunttaamalla drain-vastus kondensaattorilla; tähän voi yhdistää myös kiistellyn Neumann-taitteen (50 kHz, kytkentäkaaviossa vastus 180 ohm) tai jättää sen pois (vastuksen tilalla oikosulku). Tämä muutos ei heilauta toimintaa mitenkään. Tämä drainille siirtämäni yläkaistan 2120 Hz:n käännepistetoteutus (“current input”) on vähemmän käytetty ja mielestäni fiksumpi toteutustapa kuin jättää tämä aikavakio “peremmälle” passiivipakettiin; nyt diskanttipää on oikaistu ensimmäisessä mahdollisessa paikassa ja alapään kaista samalla vahvistettu lineaarisesti yli 20 dB. Signaalitaso on tässä 30 mV:n luokkaa (1 kHz).

Huomautettakoon, että putkitriodiasteessa korjausta ei voi toteuttaa näin, kaskodilla ja pentodilla sensijaan kyllä. Keulassa olen käyttänyt pienikohinaista Toshiban audiofettiä 2SK30A (kategoria GR, IDSS valittu 2,5 – 3,3 mA), mutta 2N3819, BF245A ja 2N5457 käyvät myös hyvin kunhan fettiparin IDSS-arvo vain on n. 3 mA (huomaa erilaiset kantakytkennät!). Mainittakoon, että suurempivirtaistakin fettiparia voi toki käyttää mutta drain-vastus on tällöin valittava sen mukaisesti ja shunttikondensaattori vastukselle sopivaksi. SK170 tai LSK170 ei oikein sovellu tähän MM-sovellukseen kun source on maissa, ellei drain-virtaa pudoteta source-vastuksella noin kolmasosaan, milloin sitten menetetään tämän fetin suurin vääntö ja alkuperäinen vähäsäröinen IDSS-toimintapisteidea tässä.

Tunnetun Miller-ilmiön asteen vahvistuksella kertaama Crss-kapasitanssi näkyy (source suoraan maadoitettuna) inputissa yli 600 pF:n suuruisena ja on vielä 27 ohmin source-vastuksen kanssakin (kun vahvistus siis pienenee) yli 400 pF, olen nämä mitannut laitteesta (IDSS 4 mA, drain-vastus 3,9 kohm). Tässä on syytä pitäytyä fetissä jonka vääntö on hehtaarilla 3 – 6 mA/V ja inputin tulokapasitanssi määritellään erillisellä kondensaattorilla (mielellään styro tai mica). Kallista uudemman tuotannon LSK389 (A) -dualfettiä voisi ehkä käyttää (Gm yli 15 mA/V) sopivan source-vastuksen kanssa, tällöin ilman erillistä tulon shunttikondensaattoria. Tätä ratkaisua en ole kokeillut.

Eteenpäin, kytkennän seuraavat kaksi vahvistusastetta

Toinen aste on lineaarinen, vahvistus on yli 20 dB ja tällä saadaan perässä olevalle passiiviselle bassokorostuspiirille (itse asiassa 20 dB vaimennin 1 kHz:lle ref. 50 Hz) vakio syöttöimpedanssi (3,9 kohm). Tällöin taso (1 kHz) viimeisen asteen gatella on edelleen 30 mV:n hehtaarilla ja koko kaista nyt oikaistu. Tässä voi käyttää kaikkia edellämainittuja suositeltuja fettityyppejä; sovitetun parin IDSS-arvo voi olla 5 – 7 mA/V. Tässä kohtaa on käytettävä source-vastusta, joka valitaan niin että ID-asteessa on n. 4 mA kun drain–vastus on kytkentäkaavion mukainen 3,9 kohm. Tällöin jännite on 25 V:n syötöllä fetin drainilla on n. 16 V joka jättää fetin yli n. 9 V ja sallii syöttöjännitteen (tässä akut 2 x 12 V) pudota muutaman voltin. Drain-vastusta ja source-vastusta voi osaava trimmata fettiparin mukaan, tavoitteena n. 300 – 400 mV sourcella. ja 15 – 16 V drainilla. Kytkentäkaavion 82 ohm sopii fetille jonka IDSS on n. 6 mA.

Tällä kohtaa voisi huomauttaa, että signaalitien kytkentäkondensaattorien RC- aikavakioiden suhde peräkkäisissä asteissa on 1:5 keskinäisvaikutuksen minimoimiseksi. Source-vastuksen voisi AC-maksimivahvistuksen palauttamiseksi shuntata elektrolyytillä, mutta testattuna tämä näkyi hieman huonontuneena THD-arvona analysaatorissa.

Kolmas aste toimii samalla lineaariperiaatteella kuin edellinen. Gatelle tehdään source-vastuksella n. 0,5 V:n biasjännite, millä saadaan asteelle pelivaraa inputissa liki voltti (peak). Fetti voi olla 7 – 9 mA IDSS-arvoltaan, drain-vastusta voi pienenentää isommille IDSS-arvoille kytkentäkaavion 2,7 kohmin arvosta tarpeen mukaan niin, että drainin jännite on 15 – 16 V. Kytkentäkaavion 100 ohmin source-vastus ja 2,7 kohmin drain-vastus sopivat fetille jonka IDSS on n. 7 mA. Toimintapisteiden trimmailu ei vaikuta asteen (samoin kuin edellisen asteen kohdalla) vahvistukseen kuin 1 – 2 dB. Tässä on keinulautailmiö: kun virtaa suurennetaan ja drainin kuormavastusta pienennetään, fetin vääntö kasvaa ja liki kompensoi vastaavasti drain-vastuksen muutoksen pienempään arvoon. Asteen vahvistus on likipitäen vääntö (datalehden [Gfs], mA/V tai [Yfs], uA/V) kerrottuna drain-vastuksella (ohmeina), samoin kuin pentodilla. Nyrkkisääntö on, että virtaa ei degeneroinnilla pudoteta alle 70% IDSS-arvosta parhaan lineaarisuuden säilyttämiseksi.

Laitteen yliohjaus määräytyy tässä kolmannessa asteessa, se antaa ulos n. 5V (rms) ja leikkaa pyöreästi. Tulojännite MM-inputissa 1 kHz:llä on tällöin n. 50 mV (rms) vastaten yli 24 dB yliohjausvaraa (ref. 3 mV), ja särö, kun pieni pyöristys alkaa näkyä oskilloskoopissa, on 3 – 4%; tyypillistä putkiasteenkin käytöstä. Tässäkin asteessa source-vastuksen shunttaaminen huonontaa särölopputulosta. Laitteen lähtöimpedanssi on suunnilleen drain-vastuksen suuruinen ja ulkoinen kuormitus 20 – 100 kohm vaikuttaa vain lähtötasoon (50 kohm kuorma n. -10%), ei mainittavasti säröön; bufferia ei tarvita.

Toteutin ja testasin aluksi ensin myös 1970-luvun protoni mukaisesen kahden fettiasteen version, jossa koko passiivinen RIAA-korjaus on paketissa asteiden välissä. Keulassa on 4 mA:n 2SK170-fetti, drainilla 3,9 kohm ja sourcella 50 ohm degenerointivastus, ja ottokapasitanssi ilman erillistä inputin shunttikondensaattoria on n. 300 pF. Kuormitusratkaisuna tämä ei ole kovin tyylikäs koska kapasitanssi ei ole kiveen kirjoitettu eikä vakaa, käytännössä sillä ei kuitenkaan ole merkitystä. Lähtöasteessa on 5 mA:n 2SK161-fetti, drainilla 2,7 kohm ja sourcella 120 ohm.

Näillä saadaan kohtuullisen mukava vahvistus, 56x (35dB). Kahden asteen kytkennässä koko passiivinen korjausketju on siis sijoitettu tuttuna pakettina lineaarisen ensimmäisen asteen perään, millä sille saadaan myös vakioimpedansisyöttö.

Tuollainen kahden asteen kaupallinen rakennussarjakin näköjään löytyy 2SK170-feteillä, ‘Boozehound’ tai ‘Le Pacific’. Näissä on ilmiselvästi tuo yllämainittu gate-kapasitanssiongelma; tulokapasitanssia on liikaa lähes mille tahansa MM-rasialle, ensimmäisessä yli 300 pF (50 ohm source-vastus) ja jälkimmäisessä yli 600 pF (source suoraan maissa). Tätä ei ole suunnittelija ehkä huomannut tai mitannut ollenkaan. MM-vasteen piikitys kasvaa ja siirtyy tällöin alemmas kaistalla. Saattaa hämätä kuulostamalla “hyvältä”. Päädyin lopulta kokeiluissa kuitenkin mielestäni selkeästi parempaan kolmen fetin versioon, joka antaa yli 300 mV:n (1 kHz) lähtöjänniteen fettivalinnoista riippuen, ja vähän pienemmän särön.

MC-vaihtoehto

Vaikka edellä mainittu Toshiba 2SK170 tai uudempi vastava Linear Systems LSK170 ei ole sopiva keulan MM-toteutukseen, se toimii siinä vallan mainiosti MC-ottoasteena. Kun tulo shuntataan rasialle sopivalla 20 – 500 ohmin vastuksella, Miller-kapasitanssin merkitys vasteeseen audiokaistalla häviää. Vahvistus tulee n. 8-kertaiseksi (+18 dB) 2SK30A-toteutukseen verrattuna, ja ainakin oman Linn Sondekkini vanha peruskunnostettu Troika-rasia toimii hienosti, vaikkei ihan herkemmästä päästä olekaan. Jos haluaa molemmat rasiaoptiot mukavasti vaihdettavaksi, nuo MC-kuormitusvastukset voi laittaa miniatyyrivipukytkimen taakse ja keulan fetit pistokantoihin. Kantakytkentä on kääntäen sama kuin 2SK30A ja 2N3819 -feteillä (gate keskellä).

Yleisiä huomioita rakenteesta, virransyötöstä ja osien saatavuudesta

Laite on rakennettu kaupalliseen koteloon ja sitä syötetään vaihtoehtoisesti viidellä litteällä 4,5 V:n paristolla tai kahdella 12 V:n hyytelöakulla sarjaan kytkettynä, akkujen kapasiteetiksi riittää 4 – 6 Ah kun virrankulutus on alle 40 mA. Oma laitteeni on nyt soinut yhdellä latauksella yli 3 kk. En ole toistaiseksi edes miettinyt verkkovirtalähteen tekemistä tähän; akkusyöttö on tässä kenties soundillisestikin paras vaihtoehto ja hurinaongelmat sieltäpäin tipotiessään.

AGM-akkujen kanssa syöttöjännite on vähän marginalilla (ladattuna yli 26 V) mutta kokeiluissa ei ole yhtään 25 V:n fettiä tuhoutunut. Juovalevy on tällaisen laitteen protoilussa ja yhden yksilön toteutuksessakin vertaansa vailla ja nopea. Kondensaattoreiksi riittää tässä 63 V:n versiot ja vastuksiksi pienet 100 – 250 V / 300 mW -versiot. Kun vielä laitoin kannat (katkaistu pitkästä 2,54 mm -reikäjaon pinnikiskosta kolmen pinnin pätkiä vero-levyyn) kaikille feteille sekä juotostornit 2. ja 3. asteen source-vastuksille (em. pinnit käy myös tähän, vastuksen vaihto onnistuu tällöin juottamatta), oli helppo hakea parasta lopputulosta HP:n analysaattorin kanssa ja mainiota tulikin: THD (3 mV / 1 kHz in) on protossa 0,1 %:n hujakoilla, voilà!

Huomautan vielä uudestaan että on valitettavasti epäsuotavaa ja tänä päivänä melko toivotontakin lähteä liikkeelle yrittämällä ostaa tähän mistään fettejä läjittäin. Itselläni tilanne oli tässä toinen kun näitä on kymmenien vuosien varrella kertynyt miljoonalaatikkoon kun saanti on ollut hyvä. Uraltone Amplification Oy on pitkällä jänteellä kiitettävästi hankkinut hyllyynsä laadukkaita sopivia audiofettieriä ja valikoinut pareja myyntiin; tässä voisi rakentamisesta kiinnostuneille ja myyjätaholle olla nyt hyvä paikka hyödyntää näitä varantoja.

En uskalla nytkään kovasti kehua tekelettäni. Totean vain, että hyvää yritin, mutta tulikin erinomainen. Se kilpailee soundillisesti em. fetti-/putkipohjaisen RIAA:n kanssa samassa sarjassa. Motiivini julkaisemiselle, joka jälleen kerran oli ankaran kynnyksen takana, on enemmänkin ollut hyödyntää ulos hiljaista käytännön tietoa ja vielä tarjota suuntaviivaa ja rakenneltavaa oikeasti kiinnostuneille diskreettien puolijohteiden kanssa; tällaista RIAA- kytkentää olen huomannut joskus peräänkuulutetunkin foorumeilla. Ja taas, musiikkia ilmoille!

Rakenteluterveisin Mauri Pännäri, 0400 – 816 604.

Mittaustuloksia:

Vahvistus (1 kHz, kuorma 100 kohm): n. 40 dB fettivalinnoista riippuen.

RIAA-tarkkuus: +/- 0,3 dB

Yliohjausvara inputissa : 50 Hz: 25 mV, 1 kHz: 50 mV (yli 24 dB ref. 3 mV), 10 kHz: 210 mV (vastaa kaikilla em. taajuuksilla n. 5V:n rms-lähtötasoa 3…4% säröllä)

Harmooninen särö (1 kHz, 3 mV in): 0,11 %

Lähtöimpedanssi: n. 2,7 kohm

Kohinajännite lähdössä (lin. mittaus, BW = 800 kHz): n. 100 uV (vastaa karkeasti peilaten n. 1 uV ottokohinaa (n. 70 dB lin / ref 3 mV)

S/N mittaus HP:n analysaattorilla (3 mV in, taajuusasetus 1 kHz, H-P/ 400 Hz, L-P/ 30kHz) : > 73 dB

Mittauslaitteet:

Hameg 40 MHz analoginen oskilloskooppi HM400

B&K audio- millivolttimittari Type 2410

HP 8903B -audioanalysaattori

Grundig low distortion audio generator TG100

Omatekoiset millivolttimittari ja audiogeneraattori. Halusin nyt laittaa näistä ennenkin täällä mainitsemistani laitteista kuvan lukijoille, kun ovat moitteettomasti palvelleet 45 vuotta korjaus- ja protoilutyössä. Prujailin aikoinaan näitä rakentaessani soveltaen mm. Hewlett- Packardin kytkentöjä jotka olivat työn puolesta saatavilla. Hyvän oskilloskoopin kanssa varsin riittävä setti moneen lähtöön, verrattoman HP28S RPN- tieteislaskimen (tämäkin palvellut 35 vuotta) tuen kanssa.