Cosa sono i FET e qual è il loro ruolo nella progettazione dei microfoni?

Quando si guardano i cataloghi di microfoni a condensatore, è abbastanza comune vedere i termini FET o stato solido usati per descrivere il microfono. Molti condensatori oggi sul mercato hanno FET o JFET nel loro design.

Cosa sono i FET e qual è il loro ruolo nella progettazione dei microfoni? I FET(Field Effect Transistors) sono dispositivi elettrici attivi che utilizzano un campo elettrico da una capsula del microfono per controllare un flusso di corrente che è in definitiva il segnale del microfono. I FET prelevano il segnale ad alta impedenza dalle capsule del microfono ed emettono un segnale utilizzabile e proporzionale a bassa impedenza.

In questo articolo, descriveremo più dettagliatamente i transistor a effetto di campo del microfono e discuteremo i microfoni che li richiedono insieme a quelli che non lo fanno.

Che cos’è un transistor ad effetto di campo?(FET)

Un transistor ad effetto di campo(FET) è un tipo di transistor che utilizza un campo elettrico per controllare il flusso di corrente. In termini più semplici, un FET utilizza un segnale di ingresso per modulare un segnale di uscita.

Facciamo un po’ di backup e descriviamo cos’è un transistor prima di approfondire i FET.

Un transistor è un dispositivo a semiconduttore attivo utilizzato per amplificare(pseudo-amplificare) o commutare segnali elettrici ed energia elettrica.

In molti casi i transistor sono usati per interruttori on/off e sono stati essenziali per l’elaborazione digitale binaria(1 e 0). Questo è il caso di molti dispositivi audio digitali. Nel caso dei microfoni FET analogici, il transistor agisce per convertire l’impedenza del segnale e aumentare il segnale(sebbene questa non sia una vera amplificazione).

I transistor sono realizzati in materiale semiconduttore(solitamente silicio) con almeno tre terminali che si collegano a un circuito esterno.

L’applicazione di una tensione o corrente a una coppia di terminali del transistor controllerà la corrente attraverso un’altra coppia di terminali. In questo modo, possiamo prendere un segnale di «ingresso» su una coppia di terminali e usarlo per modulare un segnale di «uscita» con tensione maggiore e/o impedenza inferiore(pseudo-amplificazione).

I microfoni che utilizzano transistor ad effetto di campo utilizzano in genere JFET o transistor ad effetto di campo con gate di giunzione.

Un JFET è forse il progetto FET più semplice ed esegue il compito sopra descritto. Il suo segnale di «ingresso»(tensione tra gate e source) modula un segnale di «uscita» proporzionale(tensione tra drain e source). Quindi, con un FET, possiamo prendere un segnale di basso livello in ingresso e convertirlo in un segnale di alto livello in uscita.

Gli ingressi e le uscite del transistor ad effetto di campo sono chiamati terminali. Ogni JFET ha 3 terminali, che sono chiamati:

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Ecco un semplice diagramma di un transistor a effetto di campo del gate di giunzione del microfono:

Quando applichiamo una tensione tra gate e source(alcuni lo chiamerebbero ingresso) del FET, il transistor altera la conduttività tra drain e source. Con la corretta tensione di polarizzazione CC, otteniamo una tensione di uscita tra drain e source proporzionale al segnale di ingresso al gate/source.

Quindi, in pratica, il segnale di uscita della capsula ad alta impedenza va ai terminali di gate e source e modula efficacemente un segnale a impedenza inferiore(e spesso a tensione maggiore) tra i terminali di drain e source.

A cosa servono i FET nei microfoni?

I FET sono utilizzati principalmente come convertitori di impedenza nei microfoni a condensatore.

La capsula del microfono a condensatore funziona come un trasduttore, convertendo le onde sonore(energia delle onde meccaniche) in segnali audio(energia elettrica). I segnali audio elettrici(tensioni CA) emessi da una capsula a condensatore hanno impedenze incredibilmente elevate e conducono pochissimo corrente.

È qui che entra in gioco il transistor ad effetto di campo di conversione dell’impedenza.

I FET, per progettazione, hanno impedenze di ingresso estremamente elevate ai loro gate. L’impedenza allo scarico, tuttavia, è molto più bassa e consente effettivamente il flusso di corrente.

Il segnale in uscita dalla capsula viene quindi inviato direttamente al gate del FET. Questo segnale CA altera la conduttività tra i terminali di scarico e sorgente e quindi altera la corrente nello scarico e, in definitiva, la tensione di «uscita» del FET.

In altre parole, il FET prende un segnale ad alta impedenza al suo ingresso e lo usa per modulare un segnale a bassa impedenza alla sua uscita. Questo segnale di uscita è in grado di viaggiare attraverso il resto dei circuiti del microfono; all’uscita microfonica e, tramite un cavo microfonico, ad un preamplificatore microfonico.

Ecco un semplice diagramma di un microfono a condensatore FET:

Come possiamo vedere da questo semplice diagramma, il FET richiede una certa tensione di polarizzazione CC da un alimentatore per funzionare.

Si noti che le capsule dei «veri» condensatori richiedono anche alimentazione esterna per polarizzare.

Il FET preleva il segnale ad alta impedenza dalla capsula e riduce l’impedenza a livelli utilizzabili prima che il segnale venga inviato all’uscita del microfono.

Nella maggior parte dei casi, compresi i microfoni, la funzione del transistor ad effetto di campo veniva svolta dalle valvole a vuoto. I transistor sono generalmente molto più piccoli; richiedono meno energia per funzionare(alimentazione phantom o polarizzazione CC invece di alimentatori dedicati) e sono meno costosi da produrre e implementare.

Sebbene ci siano differenze nel suono dei FET rispetto alle valvole(gli audiofili direbbero sicuramente), oggi i microfoni FET e i microfoni a tubo possono essere prodotti con gli stessi standard di qualità.

È anche importante notare che i FET sono diventati standard nei microfoni a condensatore. Quello che voglio dire con questo è che se un microfono a condensatore ha un tubo, sarà chiamato «condensatore a tubo», mentre un condensatore FET sarà normalmente chiamato semplicemente «microfono a condensatore». Questo a meno che il prefisso «FET» non distingua il microfono da una versione a tubo dello stesso microfono.

Quali microfoni non richiedono FET?

Non tutti i microfoni richiedono transistor ad effetto di campo. In effetti, i FET vengono utilizzati solo in alcuni modelli di microfoni a condensatore e talvolta in microfoni a nastro attivi.

Diamo un’occhiata ai tipi di microfoni che non richiedono FET.

microfoni passivi

I FET sono dispositivi attivi. Richiedono la polarizzazione CC per funzionare correttamente. Pertanto, i microfoni passivi, per la semplice definizione di passivo, non hanno FET nei loro progetti. Diamo un’occhiata ai tipi di microfoni dinamici ea nastro, che funzionano entrambi su principi elettrici passivi.

microfoni dinamici

I microfoni dinamici a bobina mobile funzionano per induzione elettromagnetica e non richiedono componenti attivi.

I loro segnali di uscita a capsula(cartuccia) sono a bassa impedenza e possono essere inviati direttamente alla connessione di uscita del microfono(sebbene vengano spesso inviati prima attraverso un trasformatore di uscita).

microfoni a nastro

I microfoni a nastro convertono anche il suono in audio utilizzando l’induzione elettromagnetica.

Le loro «capsule»(note come elementi a nastro o deflettori) emettono segnali a bassa impedenza che non richiedono un FET a conversione di impedenza. I microfoni a nastro sono progettati con trasformatori per aiutare a proteggere i loro fragili diaframmi a nastro da potenziali cortocircuiti di tensione CC.

I microfoni a nastro attivi potrebbero avere FET nei loro progetti. Questi progetti avrebbero trasformatori step-up ad alto rapporto tra il deflettore del nastro e il FET per aumentare la tensione relativamente bassa dell’uscita del nastro.

Questi trasformatori step-up aumentano anche l’impedenza dei segnali, e quindi i FET a volte sono utili nel ridurre l’impedenza a livelli utilizzabili senza ridurre anche la potenza del segnale.

microfoni a tubo

Le valvole a vuoto svolgono essenzialmente la stessa funzione dei transistor ad effetto di campo nei microfoni. Cioè, convertono l’impedenza dei segnali della cartuccia ad alta impedenza e agiscono come pseudoamplificatori.

Diamo un’occhiata rapidamente al diagramma di una valvola a triodo(la più semplice per un microfono) ed elenchiamo i suoi componenti:

• H è il riscaldatore
• K è il catodo
• A è l’anodo
• G è la griglia

Una fonte di energia riscalda il riscaldatore che quindi provoca un flusso costante di elettroni(una corrente elettrica) dal catodo caricato negativamente all’anodo caricato positivamente. Questo è simile al flusso di corrente tra i terminali di source e drain del transistor ad effetto di campo.

L’uscita della capsula ad alta impedenza è collegata alla griglia ad alta impedenza(ingresso) del tubo a vuoto del triodo. La tensione CA sulla griglia del tubo modula il flusso di elettroni tra il catodo e l’anodo. In altre parole, il segnale di ingresso ad alta impedenza alla rete pilota un segnale a bassa impedenza(e spesso ad alta tensione) all’uscita del tubo. Questo è in qualche modo analogo al terminale di gate del FET.

Quindi, sebbene le valvole siano molto diverse dai transistor, possono essere considerate analoghe ai FET nei seguenti modi:

• Riscaldatore = circuito di polarizzazione CC
• catodo = terminale sorgente
• Anodo = terminale di scarico
• Griglia = terminale del cancello

In effetti, i primi microfoni a condensatore richiedevano tubi a vuoto per convertire i segnali ad alta impedenza dalle loro capsule. Il transistor è stato inventato solo nel 1947 e il FET/JFET ha fatto il suo debutto nella tecnologia dei microfoni commerciali solo nel 1964.

Domande correlate

Cos’è una capsula microfonica? La capsula del microfono è la parte responsabile della conversione delle onde sonore in segnali del microfono. Le capsule sono sempre dotate di diaframma/i e dell’alloggiamento per quei diaframmi. La capsula, nella sua interezza, funge da trasduttore per il microfono, convertendo il suono in audio.

Cosa misura un microfono? Un microfono misura essenzialmente le variazioni di pressione sonora al suo diaframma all’interno di una gamma di frequenze udibili. Poiché le onde sonore causano pressioni variabili attorno al diaframma del microfono, il microfono produce un segnale audio elettrico corrispondente.