V-FET e SIT

Il transistor ad induzione statica SIT è un dispositivo semiconduttore a tre terminali. Analogamente ad altri dispositivi attivi (come il transistore bipolare (BJT) o il transistor ad effetto di campo (JFET), in un SIT il flusso di corrente tra i due terminali (il Source ed il Drain) può essere controllato attraverso il terzo terminale (il Gate).

Il transistor ad induzione statica (SIT) fu inventato nel 1950 da Y. Watanabe e da Junichi Nishizawa professore dell'università di Tohoku, con una struttura multicanale; Esso controlla il flusso di corrente attraverso l'induzione statica o campo elettrostatico che circonda due porte opposte. Passarono molti anni prima che la tecnologia di fabbricazione dei transistor fu sufficientemente sviluppata per avvantaggiarsi di questo concetto. Nel 1975, tuttavia,  furono realizzati SIT sperimentali e si è dimostrato che la la corrente source-drain di questo dispositivo seguiva il previsto modello di iniezione di carica spaziale.

Detto  transistor non mostra  la saturazione delle caratteristiche I/V e superiori performance in alta frequenza ed elevata efficienza quale risultato della riduzione della resistenza serie del canale.
Il SIT ha un tipo di elettrodo di gate a gabbia simile alla griglia del triodo ed il potenziale elettrostatico intorno a detto elettrodo controlla il flusso dei portatori maggioritari.

L'idea era così innovativa che la gerarchia in seno alla comunità elettronica dello stato solido ebbe difficoltà a capire ed accettare questa scoperta.
Le traduzioni IEEE  su "Electron Devices" rivista  leader della IEEE hanno avuto difficoltà a trovare revisori appropriati e di conseguenza il processo di revisione è continuato per anni.
Il Giappone è stato l'unico paese in cui dispositivi della famiglia dei transistor ad induzione statica furono realizzati con successo.

I SIT sono stati originariamente concepiti come l'analogo allo stato solido dei triodi (tubi a vuoto). Il dispositivo è normalmente in conduzione, ed una polarizzazione inversa applicata al gate è utilizzata per modulare la corrente drain-source. In questo modo di funzionamento stazionario la corrente assorbita dal gate è trascurabile, ed il SIT può essere considerato un dispositivo controllato in tensione, come il JFET.

Un SIT, tuttavia, può anche essere progettato per funzionare con una polarizzazione diretta applicata al terminale di gate (in questo caso, il dispositivo si chiama BSIT cioè  bipolar-mode SIT). In quest'ultima modalità di funzionamento una corrente significativa passa attraverso il gate del SIT e il dispositivo diventa controllato in corrente, simile ad un transistor BJT.

Inoltre il BSIT è generalmente progettato come dispositivo normalmente spento ed è caratterizzato da una capacità di gestione della corrente molto più grande rispetto al SIT.

I Sit sono una classe di transistori FET con una struttura a canale corto in cui la corrente che scorre verticalmente tra source e drain è controllata  dalla altezza di una barriera di energia potenziale elettrostatica indotta sotto il source. Questa  barriera elettrostatica sviluppa una strozzatura quando caricando negativamente il gate le aree opposte di svuotamento si fondono esaurendo completamente i portatori di carica mobili del canale source-drain .

Analogamente al triodo vuoto, sia la tensione di gate (la griglia) che la tensione di drain (l'anodo)  influenzano la corrente di drain (anodo) perché, nel SIT, l'altezza della barriera elettrostatica indotta è influenzata da entrambi questi potenziali.

Nel 1969, è diventato un dispositivo completo che ha un tipo di caratteristiche corrente/tensione che non presentano saturazione. Uno dei principali vantaggi dei SIT è la sua caratteristica di commutazione ad alta velocità. Poiché nessun portatore è iniettato dal gate, la commutazione può essere effettuata ad una velocità estremamente elevata (senza effetti di memoria) ed una piccola resistenza di gate (rg) è utilizzata per minimizzare  le perdite di segnale ad elevata frequenza.

Il SIT ha un'alta impedenza di ingresso ed è un dispositivo controllato in tensione ed è quindi richiesta bassa potenza di pilotaggio al gate. L'assenza di concentrazioni di corrente elettrica per elevate tensioni di  rottura può essere spiegato con il coefficiente di temperatura negativo della corrente di drain, a causa di una certa residua resistenza del canale, che rende difficile per instabilità termica il verificarsi del fenomeno. I Sit quindi sono molto adatti per applicazioni ad alta potenza. Le caratteristiche corrente/tensione senza saturazione sono basate sulle caratteristiche di funzione esponenziale a causa della loro ridotta capacità di feedback negativo.

Il SIT  può essere definito come un tipo di transistore ad effetto di campo (FET) con canale v, in cui la distanza tra gli strati del source e della zona di svuotamento del drain è così ridotto che il feedback negativo della resistenza di canale non influenza le caratteristiche in corrente continua. Il Sit, come già detto,  richiede un segnale di tensione negativa per disattivarlo, in  quanto esso è un dispositivo già normalmente attivo.

Possono funzionare come dispositivi unipolari o bipolari (BSIT). Generalmente, la modalità unipolare viene utilizzata per applicazioni ad alta frequenza, mentre la modalità bipolare è utilizzata per circuiti di trattamento ad alta potenza. La modalità bipolare richiede la rimozione dei portatori minoritari dal substrato bulk, che richiede più tempo, per il cui motivo la massima frequenza risulta ridotta

Comunque, i transistori ad induzione statica qui presentati sono dispositivi normalmente ON, nel senso che richiedono l'applicazione di un segnale di tensione di gate negativa (rispetto alla tensione principale positiva Vds) (Vds e Vgs debbono essere opposte) per spegnere il dispositivo. Nella struttura del SIT, la tensione di gate controlla il flusso di corrente attraverso le regioni di svuotamento che si estendono dalle giunzioni di gate dentro il canale di tipo n, estendendosi più in profondità  come aumenta il valore della tensione negativa gate-source. Quando il dispositivo ha zero tensione di gate o una piccola tensione di gate negativa, una piccola regione di svuotamento si forma tra l'interfaccia p + / n-, e il canale che si forma ha una larghezza di distanza tra le due regioni di svuotamento. Con una tensione drain-source positivo, gli elettroni (portatori maggioritari) fluiscono dal source al drain.

Con grandi tensioni  e correnti applicate, una caduta di tensione resistiva avviene lungo la lunghezza del canale, causando una distorsione nella larghezza degli strati di svuotamento. Se la tensione Vp pinch-off viene applicato alla porta ed una elevata tensione è applicata tra source e drain al dispositivo, una completa strozzatura non si verifica, e la corrente continuerà a fluire. Per garantire una completa strozzatura con elevata tensione Vds di  funzionamento, deve essere applicata al gate una tensione che sia più negativa della tensione nominale di pinch-off del dispositivo. Il requisito di una tensione di gate più negativa è essenziale per il corretto funzionamento del dispositivo.

Quest'ultima caratteristica è utilmente sfruttata nella realizzazione di amplificatori audio in classe B o AB in quanto a differenza di altri dispositivi esso praticamente non si spegne mai completamente e quindi anche in  questa modalità di funzionamento non passa completamente dallo stato conduzione a quello di spegnimento con tutti i benefici sul suono per la mancata produzione di artifatti dovuti alle oscillazioni che altrimenti si genererebbero nella commutazione fra i predetti stati.

Il transistor ad induzione statica (SIT) è fondamentalmente un JFET  con il gate "sepolto" dentro la struttura del dispositivo, come mostrato nella Figura b. La costruzione così come il funzionamento ricorda il triodo.

Il V-FET è un JFET di potenza con la scanalatura a V.                                                                            Il SIT ha un gate a maglie incorporato                                        

Altro tipo di costruzione del SIT e simbolo elettrico   Tipiche curve caratteristiche di uscita di un SIT a canale N             Curve di uscita del Yamaha 2SJ24 a canale P              

 Mi sono interessato ai SIT (Static Induction Transistor) dal 1985, da quando su una rivista italiana (ELETTRONICA OGGI) fecero un interessante articolo su questi nuovi dispositivi e sulle loro eccellenti caratteristiche che promettevano performance incredibili nel campo dell'elettronica industriale, delle Telecomunicazioni  ad altissima frequenza e nel campo dell'elettronica di bassa frequenza (amplificatori ad audiofrequenza). In particolare per quest'ultimo impiego fui catturato dal sogno di venirne un giorno in possesso e costruirci attorno dei magnifici amplificatori di potenza per uso Hi-Fi. I vantaggi nell'uso audio si intravedevano principalmente per tre caratteristiche:

1. curve di uscita simili ai triodi con elevata linearità ed assenza del fenomeno di saturazione delle caratteristiche;

2. capacità parassite notevolmente inferiori ad altri dispositivi di simile potenza che si traduce in una banda di funzionamento molto più elevata.

3. il dispositivo, come accennato sopra, a differenza di tutti gli altri, non si spegne mai completamente, per cui esibisce un vantaggio notevole nella realizzazione di amplificatori in classe B e AB perchè in questo caso la distorsione di commutazione è assente.

Potrei elencare altre prerogative, come la maggiore stabilità di funzionamento al variare della temperatura o la bassa impedenza di uscita, ma dal punto di vista audio sono questi 3 punti sopradescritti che sono fondamentali, tutto il resto è  un di più.

Da chi erano prodotti tali dispositivi? dalla giapponese TOKIN.

Chi li aveva visti? forse nessuno in Europa men che meno in Italia.

Ed Internet? Internet all'epoca non esisteva o c'erano pochissime informazioni in giro. Comunque da allora non ho fatto altro che fare delle ricerche pedissequamente. Dopo qualche anno di tentativi infruttuosi, si comincia finalmente a trovare qualche notizia al riguardo. In particolare si capì che i SIT ed i V-fet avevano molto in comune anzi potevano essere considerati dei sinonimi visto che  avevano lo stesso principio di funzionamento e la stessa tipologia di curve (triode like), nonche' gli stessi inventori.

In campo audio tali dispositivi erano conosciuti come V-fet  (grazie a Sony) richiamandosi alla tecnologia costruttiva a  " forma di V del canale verticale " (vedi disegno sopra), mentre in campo industriale erano conosciuti come SIT abbreviazione di  Static Induction Transistor riferendosi al principio fisico relativo al campo " ELETTROSTATICO " che con la sua " INDUZIONE " ne governa il funzionamento.

Alla fine con i nomi V-FET, VJFET o SIT si intende lo stesso tipo di dispositivo.

Se pensiamo alle applicazioni in cui sono stati utilizzati, oggi potremmo fare una suddivisione (a dir la verità un pò forzosa): 

Con l'allargamento della famiglia in teoria crescevano le speranze di trovarne qualcuno in giro. Ma la ricerca si dimostrava molto difficile anche perchè nonostante la produzione degli anni '70/'80 di amplificatori audio a Vfet ad opera di Sony, Yamaha, Sansui, Hitachi, Wega, molti utenti si lamentavano di non riuscire a far riparare le loro apparecchiature guaste per mancanza di ricambi di tali particolari dispositivi.

Con il tempo però e la pervicacia sono riuscito a farne qualche scorta per le mie realizzazioni, nonchè  ne ho dato notizia su alcuni importanti forum per consentire anche ad altri appassionati di entrarne in possesso e costruirsi  il proprio amplificatore a V-fet.

Come membro di DIYAUDIO.COM ho presentato anche i seguenti progetti:

Altri amplificatori a Vfet realizzati li potete trovare nella sezione "SCHEMI DIY"

In questa pagina voglio sottoporvi altri schemi che ho proposto in passato sul citato forum relativi alla richiesta di un utente che richiedeva schemi a V-fet non utilizzando coppie complementari.

Essendo solo dei circuiti simulati al computer ma non realizzati praticamente e quindi non completi e definitivi, si precisa che non mi assumo nessuna responsabilità di eventuali danni che ne potrebbero scaturire se qualche utente intende costruirli in proprio.

I seguenti circuiti sono comunque molto interessanti ed originali, nonchè molto semplici da realizzare, specie perchè richiedono una sezione di alimentazione molto semplificata rispetto ad altri schemi a V-fet che richiedono fino a 6 o più alimentatori a causa delle diverse polarità delle Vds rispetto alle Vgs come accennato sopra.

Nello schema base che vedete in basso, il circuito necessita addirittura di una sola singola alimentazione. Per un push-pull di V-fet non credo possa esistere qualche schema più semplice e con un minor numero di componenti!

Cliccare sul relativo pulsante per vedere:

Essendo incerte le capacità parassite  nel modello utilizzato del Vfet non sono state volutamente pubblicate tutte le risposte in frequenza, ma  comunque c'è da aspettarsi che siano buone se non ottime entro la banda audio.

Le potenze RMS dei vari circuiti di esempio variano da 10 Watt a 220 Watt su 8 Ohm. 

Come testare i V-FET

1) con il multimetro.

In questo primo semplice modo puoi testare se si tratta di un vero V-FET                   ( qui è descritto l'esempio per il tipo a canale N (2SKxx)

Con il multimetro predisposto per misurare diodi, mettere il terminale positivo sul gate ed il negativo una volta sul source ed un'altra sul drain: devi  misurare una tensione di giunzione di 0,4 - 0,5 V;

N.B. devi misurare questa tensione di 0,4 0,5 Volt sia fra gate e source che fra gate e drain.

Poi mettendo il multimetro sulla funzione misure di resistenze (alla scala più bassa), fra Drain e Source devi misurare una resistenza di 0,5 - 1,5 Ohm circa.

Tutto questo è simile a come misurare un Fet di segnale.

Per misurare un canale P (2SJxx), devi invertire i terminali del multimetro (negativo sul gate e positivo una volta sul drain ed un'altra sul source).

2) realizzando un circuito

Per verificare più in profondità necessita realizzare un piccolo circuito così costituito

           E' consigliabile montare il Vfet su un dissipatore di calore.

 Sequenza delle Operazioni

1. Mantenere l'alimentatore spento;

2. Preregolare la resistenza variabile RS al suo massimo valore.

3. Accendere l'alimentatore

4. Dovresti leggere una caduta di tensione sul voltometro

5. Se non leggi nulla, devi diminuire lentamente il valore della resistenza Rs finche' inizi a leggere qualche valore sul voltometro. La relativa corrente del circuito sarà V/Rd cioè per 100 mA di corrente devi leggere sul voltometro un tensione di 10 Volt.

Generalmente, i V-fet a canale N vanno in conduzione quando la Vgs è inferiore a -15V ma cambia anche a seconda del modello e del rank (-5 come minimo)

ELENCO DEI TRANSISTOR V-FET E SIT

4 nuovi schemi di amplificatori a V-fet a bassissima distorsione

Gli schemi che seguiranno sono stati sviluppati e simulati nel corso dell'ultimo anno con l'intento di realizzare amplificatori  con la maggiore linearità possibile (bassa distorsione), per meglio esaltare l'impiego ed il ruolo dei Vfet in applicazioni audio di media potenza.

Prima di procedere con la descrizione dei vari circuiti è bene sottolineare che al momento essi sono solo simulati e non realizzati praticamente.

Da ciò ne consegue che il sottoscritto non si assume nessuna responsabilità per eventuali malfunzionamenti e conseguenze negative causate dalla realizzazione in proprio conto (DIY) di tali progetti.

Il primo schema  che intendo sottoporre alla vostra attenzione non poteva che chiamarsi "NUMBER ONE", il numero uno, appunto.

Esso è uno circuito a simmetria complementare ad accoppiamento diretto da 100 watt di potenza rms su 8 Ohm, ma cosa più importante, esso ha una distorsione armonica molto bassa su tutta la potenza e particolarmente eccellente fino a 35 watt effettivi. Tali valori sono ottenuti a dispetto del funzionamento in classe AB e con l'uso di un tasso di reazione totale moderato. Il sistema di alimentazione è anch'esso abbastanza semplice e prevede l'uso di una alimentazione duale. Un amplificatore facile da costruire, con una buona potenza per usi domestici e dalle eccellenti prestazioni.

N.B.: Questo amplificatore è dimensionato per altoparlanti da 8 Ohm. Se si intende pilotare carichi da 4 Ohm bisogna aggiungere un'altra coppia di V-fet. In questo caso la potenza massima ottenibile potrebbe arrivare a 200 Wrms.

sopra: spettro della distorsione a 1W

sopra: spettro della distorsione a 30W

spettro della distorsione a 100W

risposta in frequenza ed in fase

Il secondo circuito che presento si chiama "BOB" iniziali di "Best Of Both" world, cioè il meglio dei due mondi ovvero quello dei circuiti valvolari e dei circuiti a semiconduttori.

Dei primi utilizza il trasformatore di uscita e l'uso di dispositivi di identica polarità nei due rami del push-pull, conferendo un migliore bilanciamento del segnale.

Dei secondi utilizza in primis i Vfet anch'essi in una unica polarità per una migliore simmetria, con una potenza di uscita ed una velocità ai transienti da stato solido.

Il tutto viene spinto a livello di ulteriore eccellenza grazie all'impiego di uno sfasatore (secondo me) insuperabile: il Fully Differential Phase Inverter. Esso permette un pilotaggio della coppia di dispositivi di potenza perfettamente bilanciato con positivi effetti sulla linearità e sulla purezza del segnale di uscita.

La potenza è superiore a 50 W rms su 8 Ohm, con un profilo di distorsione molto basso, particolarmente entro i primi 28Wrms/8.

La quantità di reazione totale impiegata è abbastanza moderata e Il sistema di alimentazione è molto semplice prevedendo due sole tensioni necessarie.

N.B: Questo ampli è stato progettato per altoparlanti da 8 Ohm. Per carichi inferiori è consigliabile raddoppiare le coppie di uscita.

sopra: distorsione armonica ad 1W

sopra: distorsione armonica a 28W

sopra: distorsione armonica a 50W

risposta in frequenza ed in fase

Il terzo circuito è una diretta derivazione del secondo per cui si chiama "HI BOB". L'aggiunta della cui HI specifica che esso è una versione a più alto guadagno (ad anello aperto) rispetto alla versione del secondo circuito.

Essendo ad anello chiuso il guadagno uguale esattamente al precedente, ne risulta un coefficiente di retroazione superiore. Ciò consente di raggiungere livelli di distorsione veramente ultra bassi ponendosi in questo senso quale di riferimento da battere. 

Nonostante il maggiore livello di GNFB adottato , esso comunque rimane lontano dalle dosi particolarmente elevate raggiunte da altri circuiti. La estrema linearità è PRINCIPALMENTE ottenuta con la scelta dei dispositivi e del punto di lavoro ottimale. Esso è infatti quasi identico al secondo schema eccetto che per l'aggiunta dei due condensatori di By-pass.

La potenza di uscita in questo caso raggiunge i 55 W rms su 8 Ohm, con un tasso di distorsione bassissimo che si estende fino a 40 W rms/8.

N.B: Questo ampli è stato progettato per altoparlanti da 8 Ohm. Per carichi inferiori è consigliabile raddoppiare le coppie di Vfet.

sopra: distorsione armonica ad 1W

sopra: distorsione armonica a 28W

sopra: distorsione armonica a 55W

andamento della risposta in frequenza e fase

Il quarto ed ultimo circuito, nonostante sia sempre votato al raggiungimento di una elevatissima linearità, ne è abbastanza differente nella logica.

Esso, infatti, si distingue per i seguenti principali motivi:

1. non fa uso di GNFB

2. lavora sempre in classe A.

Lo schema è un full complementare dall'ingresso all'uscita con un disegno inedito in cui è facile riconoscere tre lettere X, da cui il nome dato a questo circuito " XXX Amplifier".

La sensibilità  di questo amplificatore è abbastanza bassa, per cui  non è consigliato a tutti ed è particolarmente dedicato ai puristi, a quelli che apprezzano i  circuiti senza reazione globale, dove le prestazioni  agli strumenti di misura maggiormente corrispondono a prestazioni vere, in un impianto vero, con altoparlanti reali e non  con carichi artificiali.

La potenza di uscita massima è di 50 W rms su 8 Ohm tutta in classe A.

N.B: Questo schema è ottimizzato per l'utilizzo con carichi di 8 Ohm. Nel caso di utilizzo di altoparlanti da 4 Ohm è tassativo il raddoppio dei dispositivi di uscita. In tal caso la potenza di uscita potrebbe raggiungere i 100W.

sopra: distorsione armonica ad 1W

sopra: distorsione armonica a 10W

sopra: distorsione armonica a 20W

sopra: distorsione armonica a 50W

risposta in frequenza ed in fase

NUOVO STADIO DI USCITA PER I V-FET

Premessa

A causa della particolare polarizzazione richiesta dai V-fet, che lo ricordiamo è simile a quella richiesta dai tubi a vuoto, quando lo stadio di uscita è configurato in common source, spesso necessitano 2 alimentatori separati  per uno stadio single-ended ed addirittura 4 alimentatori nel caso di uno stadio push-pull complementare. Questa esigenza complica molto la realizzazione pratica di un amplificatore a V-fet con lo stadio di uscita che amplifica in tensione ed infatti anche per evitare questa complicazione quasi tutti gli schemi del passato prevedono l'uso dei SIT in uscita configurati come followers (inseguitori). Avendo inoltre constatato che i vari amplificatori a V-fet del passato utilizzati in quest'ultimo modo ossia da inseguitori e che negli stadi di amplificazione del segnale e driver si utilizzavano  i soliti bjt o jfet o mosfet ne risultava a mio avviso un risultato sonico complessivo che non esaltava,  se non in maniera limitata, le elevate qualità potenziali timbriche di questi dispositivi. Per tale motivo mi sono sforzato in alcuni dei miei progetti a fare in modo che lo stadio di potenza a V-fet fosse dotato anche di guadagno in tensione, oltre che in corrente. In tale modo la timbrica risente maggiormente delle caratteristiche del V-fet e quindi con un suono più aderente a tali dispositivi. Quindi fin dai primi progetti ho presentato in tal senso dei circuiti con stadi di uscita transnova tipico fra gli altri degli amplificatori Hafler e QSC.

Qui ne riporto una versione:

In tale schema lo stadio di uscita a Vfet è dotato di amplificazione in tensione nonostante sono necessari solo due alimentatori e non quattro come ho accennato prima, ma nonostante questo indubbio vantaggio alcuni tecnici storcono il naso per il fatto che l'altoparlante è connesso da un lato per il tramite dei due condensatori elettrolitici da 10.000 microfarad. Questo è un falso problema perchè in tutti gli amplificatori, anche in quelli cosiddetti ad accoppiamento diretto la maglia audio dello stadio di potenza si chiude sempre sui condensatori dell'alimentazione!!!!

Premesso questi fatti e considerazioni in merito ho ricercato altre soluzioni alternative che potessero soddisfare queste due necessità considerate per me prioritarie:

1) realizzare uno stadio di uscita che permettesse ai Vfet di amplificare in tensione

2) contemporaneamente al punto 1 trovare uno schema che rendesse minimale la quantità di alimentatori necessari al suo funzionamento.

Il risultato è stato trovato qualche anno più tardi come è stato pubblicato a suo tempo anche sul forum Diyaudio.com al seguente indirizzo:

 https://www.diyaudio.com/forums/solid-state/309618-fet-complementary-output-stage.html

Questi sono gli schemi  che ho presentato e che ho voluto denominare:

STADIO CISNOVA

per analogia complementare al già conosciuto Transnova

Per una diretta comparazione fra il nuovo stadio da me ideato ed  il conosciuto trans-nova allego i due seguenti schemi con indicati i sensi di circolazione delle correnti audio.