การออกแบบแอมป์ BJT นั้นมีข้อ จำกัด บางประการ

ฉันพยายามออกแบบเครื่องขยายเสียง BJT ตามรุ่นนี้: ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

โดยที่พารามิเตอร์เบต้าอาจเปลี่ยนแปลงจาก 100 เป็น 800 แรงดันไฟฟ้าระหว่างฐานและตัวปล่อยเท่ากับ 0.6V (โหมดแอ็คทีฟ),และเอฟเฟกต์ก่อนหน้าอาจถูกละเว้น $V_t = 25 mV$

นอกจากนี้ยังสามารถบอกได้ว่าตัวเก็บประจุบายพาสนั้นทำหน้าที่เป็นไฟฟ้าลัดวงจรสำหรับ AC และวงจรเปิดสำหรับ DC

มีข้อ จำกัด สามประการ:

การกระจายพลังงานคงที่ <25mW;
สวิงสัญญาณเอาต์พุตของ 6Vpp
ข้อผิดพลาดสูงสุด 5% ที่นักสะสมในปัจจุบันสำหรับการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่เบต้า

ฉันสามารถแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวสะสมและตัวปล่อยจะเป็น 3.2V (โดยใช้ข้อมูลสัญญาณการแกว่ง) แต่ฉันไม่รู้ว่าจะทำอย่างไรต่อไป

แก้ไข:

การคำนวณที่นำไปสู่ : $V_{CE} = 3.2V$

การแกว่งของสัญญาณเอาต์พุตให้ขีด จำกัด สูงสุดที่ +3V และขีด จำกัด ล่างจะเป็น -3V เครื่องขยายเสียงจะตัดหรืออิ่มตัว นอกจากนี้วงจรเป็นระบบเชิงเส้นซึ่งหมายความว่าทฤษฎีบทการทับซ้อนอาจถูกนำมาใช้ ที่โหนดใด ๆ แรงดันไฟฟ้าจะเป็นผลรวมของแรงดันโพลาไรซ์ (DC) และแรงดันสัญญาณ (AC) ดังนั้นการใช้สัญญาณสวิงและสมมติว่าเอาต์พุตสมมาตร (และเป็นแรงดันโพลาไรเซชันที่ colletor และตัวปล่อยความร้อน): $V_C$ $V_E$

$V_{cmax} = V_C + 3V = V_C + v_{omax} = V_C + I_C * R_C//R_L\\ V_{cmin} = V_C - 3V$

สมการแรกบอกว่า (สภาวะการตัดไม่มีกระแสเข้าทรานซิสเตอร์; ) และทำงานด้วยสมการที่สอง (สมมติว่าแรงดันไฟฟ้าสะสมขั้นต่ำคือซึ่งนำไปสู่ความอิ่มตัว): $I_C * R_C//R_L = 3V$ $i_{R_C} = i_{R_L}$ $V_E + 0.2V$

$V_{cmin} = V_C - 3V = V_E + 0.2V \rightarrow V_C - V_E = 3V + 0.2V \rightarrow V_{CE} = 3.2V$

amplifier bjt

— ติอาโก้
แหล่งที่มา

ถัดไปคุณจำลองสิ่งและเล่นกับค่าชิ้นส่วนจนกว่าคุณจะได้รับพฤติกรรมที่คุณต้องการ

— Kaz

ผู้สอนของคุณไม่ได้ให้สมการและขั้นตอนในการแก้ปัญหานี้หรือไม่? คุณมีปัญหาทางความคิดบ้างไหม?

— Joe Hass

แสดงการคำนวณที่นำไปสู่โปรด

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE}=3.2V$

— Vasiliy

เพิ่มการคำนวณสำหรับ3.2V ผู้สอนของฉันให้สมการและตัวแบบที่ใช้ในการวิเคราะห์วงจรทรานซิสเตอร์ แต่ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาดังกล่าว ฉันไม่ควรจะจำลองมัน

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE} = 3.2V$

— Thiago

คำตอบ:

ก่อนอื่นให้แปลข้อกำหนดเป็นสมการ จำกัด

สำหรับการกระจายพลังงานคงที่:

สมมติสำหรับตอนนี้ที่สำหรับกรณีที่เลวร้ายที่สุด100 $I_{R2} \ge 10 \cdot I_B = \dfrac{I_C}{10}$ $\beta = 100$

อุปทานในปัจจุบันคือ:

$I_{PS} = I_C + 11 \cdot I_B = 1.11 \cdot I_C$

ข้อ จำกัด พลังงานคงที่จะกลายเป็น:

$\rightarrow I_C < \dfrac{25mW}{1.11 \cdot 10V} = 2.25mA$

สมการอคติ:

สมอคติ BJTคือ:

$I_C = \dfrac{V_{BB} - V_{EE} - V_{BE}}{\frac{R_{BB}}{\beta} + \frac{R_{EE}}{\alpha}}$

สำหรับวงจรนี้เรามี:

$V_{BB} = 10V \dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$

$V_{EE} = 0V$

$V_{BE} = 0.6V$

$R_{BB} = R_1||R_2$

$R_{EE} = R_E$

ดังนั้นสมการอคติสำหรับวงจรนี้คือ:

$I_C = \dfrac{10V \frac{R_2}{R_1 + R_2} - 0.6V}{\frac{R_1||R_2}{\beta} + \frac{R_E}{\alpha}}$

ตอนนี้คุณต้องการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า 5% ในสำหรับ800 หลังจากพีชคณิตนิดหน่อยพบว่าสิ่งนี้ต้องการ: $I_C$ $100 \le \beta \le 800$

$\rightarrow R_E > 0.165 \cdot R_1||R_2$

แกว่งเอาท์พุท:

ระดับการตัดที่เป็นบวกสามารถแสดงได้ดังนี้:

$v^+_O = 3V = I_C \cdot R_C||R_L$

ระดับการตัดเชิงลบสามารถแสดงได้เกี่ยวกับ:

$v^-_O = -3V = I_C(R_C + R_E) - 9.8V \rightarrow 6.8V = I_C(R_E + R_C)$

รวมทั้งหมดนี้เข้าด้วยกัน:

เลือกตัวอย่างเช่นจากนั้น: $I_C = 1mA$

$R_C||10k\Omega = 3k\Omega \rightarrow R_C = 4.3k\Omega$

$R_E + R_C = 6.8k\Omega \rightarrow R_E = 2.5k\Omega$

ดังนั้นและ $V_E = 2.5V$ $V_B = 3.1V$

จากนั้น

$R_2 = \dfrac{V_B}{10 \cdot I_B} = \dfrac{3.1V}{100\mu A} = 31k\Omega$

$R_1 = \dfrac{10 - V_B}{11 \cdot I_B} = \dfrac{6.9}{110\mu A} = 62.7k\Omega$

ตอนนี้ตรวจสอบ

$0.165 \cdot R_1||R_2 = 3.42k \Omega > R_E$

ดังนั้นสิ่งนี้จึงไม่เป็นไปตามสมการความมั่นคงแบบอคติที่เรากำหนดไว้ก่อนหน้านี้

ดังนั้นให้ดำเนินการผ่านสิ่งนี้อีกครั้ง (ใช้สเปรดชีต!) ด้วยใหญ่ขึ้นจนกว่าคุณจะได้พบกับสมการข้อ จำกัด เสถียรภาพอคติ $I_C$

หากคุณไม่สามารถปฏิบัติตามข้อ จำกัด กับคุณอาจต้องเพิ่มกระแสไฟฟ้าผ่านตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานเช่นและทำงานผ่านข้อ จำกัด ไฟฟ้าสถิตย์อีกครั้ง $I_C < 2.25mA$ $I_{R2} = 20 \cdot I_B$

เมื่อความถูกต้องของการคำนวณระดับการคลิปได้ถูกตั้งคำถามฉันจำลองวงจรโดยใช้ค่าที่คำนวณได้จากด้านบนยกเว้นว่าเพิ่มขึ้นเป็นสำหรับการคำนวณ $I_C$ $2mA$

โซลูชัน DC:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

ขับเครื่องขยายเสียงด้วยคลื่นไซน์ 500mV 1kHz:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

โปรดสังเกตว่าระดับการตัดจะแม่นยำ + 3V และ -3V ตามที่ออกแบบไว้ การเปลี่ยนแปลงในนั้นมีค่ามากกว่า 5% ในช่วงดังนั้นขั้นตอนต่อไปคือการเพิ่มจำนวนของกระแสฐานผ่าน R2 ถึงเช่น 20 และเสียบตัวเลข (ซึ่งจะทำให้เกิดข้อ จำกัด ทั้งหมด) $I_C$ $\beta$

— อัลเฟรดเซ็นทอรี
แหล่งที่มา

ฉันคิดว่าไม่ควรปรากฏในสมการสำหรับการลบเชิงลบเนื่องจากตัวเก็บประจุถูกข้ามอย่างสมบูรณ์ ในการอ้างอิงที่คุณระบุแบตเตอรี่จะแทนที่ตัวเก็บประจุ แต่สถานะของนั้นไม่ได้คล้ายกับวงจรของ OP

R_{E}

$R_E$

R_{3}

$R_3$

— Vasiliy

@Vasiliy,ต้องปรากฏในสมการตั้งแต่แรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุอีซีแอลบายพาสเป็นอย่างแม่นยำR_E

R_{E}

$R_E$

I_{E} R_{E}

$I_E R_E$

— Alfred Centauri

แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงใช่ แต่เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าแบบแกว่งคุณหมายถึงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับใช่หรือไม่

— Vasiliy

@Vasily เอกสารที่เชื่อมโยงกับระดับการคลิปค่อนข้างตรงไปตรงมา การตั้งค่า R3 ให้เป็นศูนย์เป็นที่ชัดเจนว่าแรงดันลบที่เป็นลบมากที่สุดในโหลดคือ: คำแรกทางขวาคือ แรงดัน DC ข้ามตัวเก็บประจุบายพาสของตัวปล่อยความร้อน เทอมสุดท้ายทางด้านขวาคือแรงดัน DC ข้ามตัวเก็บประจุคัปปลิ้งเอาท์พุท สำหรับการคำนวณระดับการตัดจะสันนิษฐานว่าตัวเก็บประจุแบบคลัปปิงสามารถถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่กล่าวคือพวกมันเป็นวงจรไฟฟ้ากระแสสลับสั้นที่มีแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

v_{O}^{-} = (I_{E} R_{E}) + V_{C E s a t} - (V^{+} - I_{C} R_{C})

$v^-_O = (I_E R_E) + V_{CEsat} - (V^+ - I_C R_C)$

— Alfred Centauri

ฉันพลาดจุดของคุณ ฉันจะลองอ่านอีกครั้งในภายหลัง - บางทีฉันอาจจะเข้าใจ ขอบคุณ

— Vasiliy

เนื่องจากนี่เป็นภารกิจทางเคมีฉันขอให้คำแนะนำแก่คุณมากกว่าคำตอบที่สมบูรณ์

แอมป์ในคำถามคือแอมพลิฟายเออร์ทั่วไป คุณสามารถค้นหาภาพรวมในระยะสั้นและสมการพื้นฐานสำหรับเครื่องขยายเสียงนี้ที่นี่

ตอนนี้เรามาดูกันว่าคุณควรมองหาอะไรบ้างเพื่อให้เป็นไปตามข้อ จำกัด ทั้งหมด

การกระจายพลังงานคงที่:

วัตถุประสงค์ทั้งหมดของตัวต้านทานและคือเพื่อให้แรงดันและอคติกระแสไปยังฐานของ BJT ควรใช้ค่าของพวกเขาให้สูงที่สุดเพื่อลดการใช้พลังงานแบบคงที่และเพิ่มความต้านทานอินพุตของแอมป์ อย่างไรก็ตามเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วฐานมีความเสถียรที่ค่าที่กำหนดโดยตัวแบ่งนี้ต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขดังต่อไปนี้: $R_1$ $R_2$

(β + 1) R_{E} >> R_{1} | | R_{2}

$(\beta +1)R_E >> R_1||R_2$

หากข้อ จำกัด ข้างต้นเป็นที่พอใจคุณรู้ค่าของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วฐาน การคำนวณแรงดันของอีซีแอลนั้นง่าย

ค่าของตัวต้านทานเหล่านี้บางครั้งจะสูงพอสำหรับการใช้พลังงานไฟฟ้าสถิตย์โดยตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้านี้ที่จะเล็กน้อย ฉันเชื่อว่าเงื่อนไขนี้มีอยู่ในการกำหนดค่านี้ แต่ถ้าคุณทำสมมติฐานนี้คุณต้องตรวจสอบความถูกต้องของมันหลังจากที่คุณแก้ไขคำถาม

เส้นทาง DC ปัจจุบันเพิ่มเติมคือ:

พี โอ W อี R s ยู พี พี ล. Y \to R_{ค} \to Q_{1} \to R_{E} \to ก. n d

$power supply \rightarrow R_C \rightarrow Q_1 \rightarrow R_E \rightarrow gnd$

คุณจำเป็นต้องคำนวณกระแสตรงในเส้นทางนี้และใช้มาตรฐานสมการเพื่อแสดงพลังแบบคงที่ในสาขานี้เป็นหน้าที่ของและR_E $P=IV$ $R_C$ $R_E$

เพิ่มการสนับสนุนทั้งสองเข้าด้วยกัน

แรงดันเอาท์พุทแกว่ง:

คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกสามารถแกว่งได้ 6Vpp ข้อ จำกัด ที่ตรงไปตรงมาที่สุดสำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงของตัวสะสมต่อจากข้อกำหนดนี้คือ:

V_{ค} > V_{E} + V_{B E} + \frac{V พี พี}{2}

$V_C>V_{E}+V_{BE}+\frac{Vpp}{2}$

a n d

$and$

V_{ค} < V_{ค ค} - \frac{V พี พี}{2}

$V_C<V_{CC}-\frac{Vpp}{2}$

โปรดทราบว่าทรานซิสเตอร์ไม่สามารถถูกตัดออกในการกำหนดค่านี้เนื่องจากเป็นค่าคงที่ (เนื่องจากการมีบายพาสแคป) $V_{BE}$

นอกจากนี้โดยปกติคุณต้องการหลีกเลี่ยงต่ำเกินไปเพื่อให้ทรานซิสเตอร์เข้าสู่ความอิ่มตัว การเข้าสู่ความอิ่มตัวทำให้เกิดสัญญาณผิดเพี้ยนอย่างรุนแรง แม้ว่าคุณสามารถเพิกเฉยต่อข้อ จำกัด นี้ได้หากคุณยังไม่ได้เรียนรู้ $V_{CE}$

AC Collector ปัจจุบันเป็นฟังก์ชั่นของ : $\beta$

วาดรูปแบบสัญญาณขนาดเล็กของเครื่องขยายเสียงและรับสมการที่เกี่ยวข้องกับการสะสมในปัจจุบันกับพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมดของปัญหา ตรวจสอบพารามิเตอร์ที่สามารถลดข้อผิดพลาดอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงใน\ $\beta$

ตามสัญชาตญาณของฉันบอกว่ามันเป็นไปไม่ได้ - การเปลี่ยนแปลง x8 ในสูงเกินไปสำหรับการเปลี่ยนแปลง 5% ในกระแส AC ของนักสะสม เป็นไปได้ไหมว่ากระแสไฟฟ้าที่เป็นปัญหานั้นเป็น DC $\beta$

สรุป:

นี่เป็นปัญหาที่น่าสนใจและซับซ้อนมาก ฉันไม่แน่ใจว่ามีวิธีการวิเคราะห์ที่ช่วยให้สามารถตอบสนองข้อ จำกัด ทั้งหมดได้อย่างสมบูรณ์ เริ่มต้นด้วยการทำให้พวกเขาพึงพอใจและกลับมาและเปลี่ยนพารามิเตอร์เมื่อคุณพบกับจุดจบ ฉันเชื่อว่าคุณจะทำหลังจากทำซ้ำ 2-3 ครั้ง แต่ฉันไม่ได้แก้ปัญหาด้วยตัวเอง

โชคดี

— Vasiliy
แหล่งที่มา

@Vasily ข้อ จำกัด ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของกระแส DC

— Alfred Centauri