Amplificador de audio: calcule la ganancia actual de un par BJT Push-Pull (y elimine la dependencia Beta)

Estaba diseñando un amplificador de audio para un proyecto final de un curso de electrónica. Nos dieron un conjunto muy vago de requisitos y no nos dijeron casi nada sobre nuestras señales de entrada o la salida deseada menos las ganancias relativas.

Este fue nuestro mensaje exacto:

  1. Diseñe, construya y pruebe un amplificador de audio práctico que cumpla con los siguientes criterios (esta parte se construirá en el laboratorio).

Señal de entrada: frecuencias de audio

Ganancia de voltaje: 100 o superior

Impedancia de entrada: > 1 M ohmios

Impedancia de salida: despreciable

Impedancia de carga: altavoz de 8 ohmios

Indique cualquier suposición que haga, use componentes discretos (resistencias, tapas, diodos, transistores, amplificadores operacionales), uso de fuente de alimentación +/- 9 V

Hemos cubierto un conjunto justo de topologías de transistores, cómo calcular ganancias y buenas prácticas de diseño, pero esencialmente no hicimos nada en los amplificadores push-pull, que es en lo que se basa mi diseño:

el gráfico 1 es entrada, 2 es salida, 3 es carga a través de una resistencia de 8 ohmios (carga de salida)

Al revisar parte de la literatura, me di cuenta de que esto es más o menos el aspecto de un amplificador Clase AB, actualmente este diseño puede generar ganancias de voltaje de 1000 (algo así como 500-2500 si pongo un potenciómetro variable 5k-15k) pero una cosa me esta molestando No tengo idea de cómo calcular la ganancia actual del push pull, y creo que en este diseño hay una dependencia beta de la corriente de salida. Si es así, ese es un problema bastante grande, ya que eso significa que mi ganancia actual puede fluctuar enormemente y ni siquiera ser la misma entre dos transistores, y puede escalar de manera impredecible en diferentes condiciones.

Mi pregunta es doble:

  1. ¿Cómo calculo mi ganancia actual para este circuito?

y

  1. ¿Cómo puedo modificar este push-pull de modo que si hay una dependencia de beta puedo eliminar esa dependencia?
La etapa push-pull es básicamente un seguidor de emisor. La ganancia actual es prácticamente la misma que Beta. Para eliminar la dependencia de Beta, deberá asegurarse de que la etapa del controlador (en su circuito dibujado como un opamp) realmente pueda generar las corrientes de base requeridas al encontrar el valor mínimo en la hoja de datos y usarlo en sus cálculos de diseño. Si está probando este circuito en la práctica, querrá verificar la oscilación del voltaje de salida del opamp.
En nuestro curso, hemos tomado muchos circuitos de transistores y hemos podido hacer que las ganancias dependan de nuestras resistencias en lugar del valor beta. Al igual que la ecuación de ganancia para un seguidor de emisor, sea $R_E/(R_E+r_e+R_b/\beta)$. Si tuviera que agregar resistencias en las bases y los emisores, ¿podría obtener un efecto similar?
lo siento, no estoy seguro de cómo se hace el marcado de látex/matemáticas en este SE
Lo único que importa al cambiar Beta es la relación entre la resistencia base (dividida por Beta) y R(E)+r(e). Si R(B)/Beta << R(E)+r(e) lograste tu objetivo. En la práctica, << significa un factor de 10. En este caso, puede ignorar la parte R(B)/Beta.
Su circuito no es una topología de clase AB, sino de clase B, porque hay un pequeño rango de voltajes de entrada (centrados alrededor de 0 V) ​​para los cuales ambos BJT de salida se cortarán. Esto conduce a una distorsión cruzada. Busque en Google amplificadores de clase AB para ver qué modificaciones tiene que hacer en su circuito para tener un amplificador de clase AB real (básicamente, debe sesgar las bases de ambos BJT para que para la entrada de 0 V, ambos BJT sean ligeramente conductores).
Originalmente tenía los diodos de polarización, pero el amplificador operacional debería eliminar las distorsiones cruzadas hasta la velocidad de respuesta del dispositivo, que debería estar en el rango de MHz, ¿no es así?
@Skyler sigue siendo muy audible.
Se le pidió una ganancia de voltaje específica, no una ganancia de corriente. La ganancia actual está dentro de los dispositivos. La ganancia de voltaje surge debido a las resistencias y la ecuación de retroalimentación negativa.
¿Estás seguro de que puedes usar opamps? Me parece una trampa dada la naturaleza de la pregunta: eliminar el impacto de la versión beta. ¡La respuesta, por supuesto, es NO usar transistores!
La naturaleza del problema es diseñar un amplificador relativamente robusto y efectivo y tratar de corroborarlo con cálculos. Mi problema cuando preguntaba esto era más el hecho de que no estaba seguro de cómo fundamentar mi idea de diseño. (Finalmente terminé haciendo un diseño muy diferente, pero esta era una pregunta importante para mí)

Respuestas (3)

Tu concepto básico está bien, pero necesitas pensar en algunos detalles. Básicamente, está utilizando seguidores de emisor push-pull para obtener una gran cantidad de ganancia actual pero, por lo demás, no tiene características tan buenas, luego un opamp y una retroalimentación de circuito cerrado alrededor de todo el lío para solucionar los problemas.

Nuevamente, ese no es necesariamente un mal concepto para una tarea como esta. Sin embargo:

  1. Solo necesita una ganancia de 100. No tiene sentido hacer las cosas más difíciles excediendo eso por 10x. Iría un poco por encima del mínimo para asegurarme de que se cumplan las especificaciones, pero de lo contrario, ir más allá de las especificaciones es un desperdicio. Mucha ganancia también tiene inconvenientes.

  2. Sí, la retroalimentación solucionará muchos de los errores del amplificador de potencia seguidor de emisor básico. Pero, el opamp es un dispositivo del mundo real, por lo que no corregirá todo a la perfección. Busque formas sencillas de hacer que el amplificador de potencia básico sea más lineal. Por ejemplo, tenga en cuenta el salto instantáneo que debe hacer el voltaje de salida del opamp cuando se cambia entre conducción alta y conducción baja. Piense en cómo podría disminuir el salto de caída de dos diodos.

  3. Su capacidad de corriente de salida es básicamente la corriente de salida opamp multiplicada por la ganancia de los transistores. Debe buscarlos y luego compararlos con el máximo que requiere su carga.

    Si lo que tiene no puede suministrar suficiente corriente, entonces necesita más ganancia de corriente entre el opamp y la salida. Piense en cómo puede usar dos transistores en cada lado para obtener más ganancia de corriente, pero no hacer que la brecha de voltaje en el cruce sea aún peor de lo que ya es.

La ganancia actual para los transistores en el par push-pull será esencialmente su ganancia actual como se describe arriba. En un buen diseño de amplificador, no debería ser crítico debido al uso de retroalimentación negativa. Como se describió, los transistores en cascada (consulte los pares Sziklai) podrían ser útiles para permitir corrientes de accionamiento más bajas. El otro punto importante que destacaría es que la versión que muestra es realmente de clase B porque no hay CC a través del par de salida a 0V.

Si el amplificador operacional es ideal, entonces no tiene demasiadas preocupaciones, PERO la corriente máxima esperada es de 1 amperio, lo que permite 1 voltio Vce, por lo que necesita más ganancia en los transistores. A menudo, se usa un darlington o similar para mantener bajas las corrientes de base.

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