Agregue retroalimentación negativa a este amplificador de 2 etapas

Existe una gran variedad de topologías de amplificadores de audio CE que utilizan solo un BJT.

Comencemos con tres comentarios sobre los métodos de polarización del punto de operación de CC. (No estoy mostrando el circuito del emisor porque esa es una discusión separada).

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

• A tiene la ventaja de que la corriente de polarización de CC es realmente pequeña. Entonces, la corriente continua de reposo para la etapa del amplificador está determinada casi por completo por$I_{\text{C}_Q}$. Sin embargo, el circuito está mal gestionado. Su punto de funcionamiento inactivo de CC está determinado casi en su totalidad por los caprichos del BJT, como las variaciones de un dispositivo a otro y las variaciones debidas a la temperatura. Es la sensibilidad a las variaciones en$\beta$son tales que$\%\,I_{\text{C}_Q}\approx \frac{R_\text{B}+R_\text{E}}{R_\text{B}+\left(\beta+1\right)R_\text{E}}\cdot \%\,\beta$. Para un circuito típico de este tipo, esto generalmente significa que un cambio del 50% en$\beta$(muy posible con BJT de la misma bolsa) conduce a un cambio de aproximadamente el 40% en el punto de funcionamiento inactivo de CC. Aquí,$A_v\approx\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}$cuando$R_\text{E}\gg r_e^{\:'}$.
• B soluciona gran parte de los problemas con el punto de funcionamiento inactivo de CC. Es la sensibilidad a las variaciones en$\beta$son tales que$\%\,I_{\text{C}_Q}\approx \frac{R_\text{B}+R_\text{C}+R_\text{E}}{R_\text{B}+\left(\beta+1\right)\left(R_\text{C}+R_\text{E}\right)}\cdot \%\,\beta$. Para un circuito típico de este tipo, esto generalmente significa que un cambio del 50% en$\beta$conduce a un cambio de alrededor del 15% en el punto de funcionamiento de reposo de CC. Ahora depende de$R_\text{C}$. Así que ese es otro factor a considerar. Este circuito también proporciona NFB local adicional ($R_\text{E}$también proporciona NFB local) porque devuelve parte del voltaje del colector (invertido y amplificado por el BJT) a la base, desfasado con la señal de entrada de la base. Aquí,$A_v\approx \frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}\cdot\frac{1}{\left[1+\frac{ 1}{\frac{R_\text{E}}{R_\text{C}}+\frac{R_\text{B}+R_\text{C}}{\left(\beta+1\right)R_\text{E}}}\right]}$cuando$R_\text{E}\gg r_e^{\:'}$. Se desperdician muchas ganancias, pero el NFB agregado mejora el THD.
• C generalmente establece una corriente de polarización que es aproximadamente 10 veces mayor que la corriente base requerida para A o B arriba, por lo que su corriente de funcionamiento en reposo es aproximadamente un 10% más. Pero para eso, obtiene un punto de operación de CC mucho más estable y la libertad de seleccionar el voltaje base determinado por un voltaje de Thevenin que usted controla. No me molestaré en escribir la ecuación de sensibilidad, debido a su longitud, pero los resultados son que un cambio del 50 % en$\beta$conduce a un cambio de alrededor del 1% en el punto de funcionamiento de reposo de CC. Esta es una de las razones por las que la corriente de reposo de CC ligeramente aumentada vale la pena. Reduce en gran medida las variaciones en el funcionamiento del circuito debido a los caprichos relacionados con el BJT. Según A arriba,$A_v\approx\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}$cuando$R_\text{E}\gg r_e^{\:'}$. Pero al carecer del NFB agregado de B , el THD será más alto que B.

Todavía no he mencionado la resistencia de entrada. A y B tendrán una impedancia de entrada más alta que C y, por lo tanto, dependiendo de la impedancia de entrada de la fuente, es más probable que C atenúe un poco la señal de entrada. Por lo tanto, puede esperar obtener una ganancia de voltaje algo menor de C que de A , a pesar de que las ecuaciones simplificadas sugieren una ganancia de voltaje similar entre los dos.

Bootstrapping es una forma de aumentar considerablemente (más de un factor de 10 se logra fácilmente) la resistencia de entrada:

^{simular este circuito}

En el caso anterior, estoy mostrando una pierna de emisor de uso común con una resistencia en derivación para aumentar la ganancia de voltaje de CA. Esto llega a otro punto: hay innumerables topologías para una etapa amplificadora CE. Y la variedad de objetivos y prioridades dará forma a las decisiones que se tomen al seleccionar uno de otro.

Sin embargo, dicho esto, casi ninguno de estos se usa más. Casi siempre se utiliza el par diferencial de cola larga como etapa de entrada, con un espejo de corriente de refuerzo para las cargas del colector. Incluso en circuitos discretos. No solo proporciona un mejor rendimiento, sino que también proporciona un lugar muy conveniente para agregar NFB global (una de las bases del par diferencial).

Pero volvamos a la NFB global usando algo mucho más cercano a su configuración. Aquí hay algo para considerar:

^{simular este circuito}

Con$V_\text{CC}=10\:\text{V}$,$I_\text{Q}\approx 1.1\:\text{mA}$y$r_e^{\:'}\approx 24\:\Omega$para la etapa 1. Entonces, para la etapa 1,$A_{v_{_1}}=\frac{R_{\text{C}_1}}{R_\text{E}+r_e^{\:'}}\approx 17.5$. De manera similar, encontrará que la segunda etapa (emisor conectado a tierra de CA que, sin NFB global exhibiría una distorsión sustancial) tiene$I_\text{Q}\approx 1.3\:\text{mA}$y eso$A_{v_{_2}}=\frac{R_{\text{C}_1}}{r_e^{\:'}}\approx 180$. Combinado, esto parece implicar$A_v= 3150$, sin NFB global.

Pero la entrada de la segunda etapa carga la salida de la primera etapa. Entonces, esto se atenúa en aproximadamente$\frac{R_4\mid\mid R_5\mid\mid \left(\beta+1\right)r_e^{\:'}}{R_\text{C1}+R_4\mid\mid R_5\mid\mid \left(\beta+1\right)r_e^{\:'}}\approx 0.257$. Entonces, la ganancia total de voltaje en lazo abierto está más cerca de$A_v\approx 800$.

He agregado NFB global a través de$C_6$y$R_f$. Puede decir que esto es NFB, porque la salida de la segunda etapa está en fase con la señal de entrada, pero amplificada. Cuando aplica una señal en fase al emisor del BJT que tiene la señal directamente aplicada, esto contrarresta la entrada. Lo hace porque, cuando la señal de entrada intenta elevar el voltaje base hacia arriba, la salida de la segunda etapa (que está en fase con esta) también intenta elevar el emisor de la señal de entrada BJT. En resumen, intenta que el emisor se mueva hacia arriba cuando la señal intenta mover la base hacia arriba. Si ambos se mueven hacia arriba juntos, entonces el BJT ya no ve una "señal". Así que esto es NFB. Solo debemos asegurarnos de que no se oponga completamente a la señal de entrada. Eso es todo.

La ecuación de ganancia de voltaje de bucle cerrado es:

Mira de cerca y toma nota de que$R_f$unidades$R_\text{E}$y entonces esto es solo un divisor de voltaje. El NFB aplicado aquí se basará en$\frac{R_\text{E}}{R_\text{E}+R_f}$. Sabemos que se pasa por alto parte de la resistencia del emisor de la primera etapa. Pero la cantidad restante significa que$R_\text{E}=180\:\Omega$para estos fines. Resolviendo esta ecuación se obtiene$R_f=9420\:\Omega$. Yo solo usaría un común$10\:\text{k}\Omega$resistencia aquí. La ganancia esperada resultante sería entonces$A_v\approx 53$. (Acerca de$34\:\text{dB}$.)

Suficientemente cerca.

¿Por qué no metes eso en un simulador? Vea lo que hace por usted. Echa un vistazo a la THD, también.

Nada de lo anterior soluciona la etapa de la unidad de salida, que es desmesurada. Por un$8\:\Omega$altavoz, definitivamente querrá una etapa de salida de 2 cuadrantes (push-pull). Sin embargo, pareces estancado en la idea por ahora mientras resuelves el resto. Así que dejaré ese problema para que lo resuelvas más adelante. La discusión anterior, creo, ya da en el centro de su pregunta principal.

Como nota final: el diseño anterior es solo para fines educativos. Es probable que la ganancia de voltaje sea demasiado alta tanto a frecuencias muy bajas como muy altas. Sería útil diseñar un filtro de paso de banda para limitar las frecuencias que puede procesar el amplificador.

Aquí hay un ejemplo que mejora significativamente la impedancia de entrada y proporciona un control modesto de la ganancia cerca de las faldas de la banda de audio.

^{simular este circuito}

(También puede notar el condensador en serie + resistencia a través$R_f$.)

Los mejores deseos.

Editar: (Se corrigió un error de esquema que obtuve al ingresar al último esquema).