Asistencia en el diseño de amplificadores de transistores BJT

Sigamos con el diseño CE. Se encuentra en todas partes en los libros de texto y no es difícil de entender y aplicar. Sin embargo, voy a discutir el arranque.

Permítanme comenzar presentando los dos esquemas:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El lado izquierdo es esencialmente el que dispuso (y debería haber dibujado con el editor de esquemas provisto). El lado derecho es una edición de arranque de lo mismo.

Un problema enorme y evidente con el diseño básico de CE de la izquierda es que el par de polarización debe ser lo suficientemente "rígido" para proporcionar un punto de polarización predecible. En términos generales, suponiendo que el BJT tiene una ganancia de corriente de al menos 100 y que "rígido" significa que el par de polarización debe exhibir aproximadamente diez veces la corriente de recombinación base, el resultado es que la corriente del par de polarización es aproximadamente una décima parte del colector en reposo. actual. Claro, es solo una regla. Pero no puedes alejarte demasiado de él sin más problemas. (Y tiene algunas limitaciones importantes, por cierto).

Peor aún, el par de polarización generalmente no puede establecer la base en el punto medio entre$V_{CC}$y tierra Especialmente cuando necesita el rango de salida que necesita. Esto significa que$R_3$en los circuitos anteriores debe ser pequeño y domina la carga de entrada (si la resistencia del emisor reflejado no lo mete en problemas, primero).

En resumen, su$R_{OUT}\le 15\:\textrm{k}\Omega$y el rango de voltaje de salida sugiere$I_{C_{q}} \ge 300\:\mu\textrm{A}$y una corriente de par de polarización de$I_{bias} \ge 30\:\mu\textrm{A}$. Esto probablemente significa que$R_3\le 100\:\textrm{k}\Omega$y ya no vas a hacer tu$R_{IN}\ge 200\:\textrm{k}\Omega$. Y eso suponiendo que no haya márgenes ni otros problemas con los que lidiar (como una ganancia alta que sugiera un valor bajo para$R_5$sugiriendo una baja impedancia paralela referida a la entrada para empeorar aún más las cosas).

Lado derecho al rescate. Aquí,$R_6$ayuda a aislar su fuente de entrada de la carga del par de polarización. Establece cierta distancia y eso ayuda, mucho.

$C_4$hace lo siguiente aquí. Dado que el emisor de$Q_1$tiene aproximadamente la misma señal que se encuentra en la base,$C_4$refleja esto de vuelta al nodo compartido del par de polarización. Dado que la señal en sí parece casi exactamente igual, ahora, en ambos lados de$R_6$entonces solo hay una muy pequeña$\Delta V$apareciendo a través$R_6$y esto significa que la corriente causada por la señal a través de$R_6$es igualmente muy pequeño.

En un mundo perfecto, la señal sería exactamente la misma en ambos lados del$R_6$y habría exactamente cero corriente inducida por la entrada de señal cambiante, lo que significa que no había ninguna carga causada por el par de polarización. En ese caso, podría ignorar el par de polarización por completo como un problema de carga de entrada y solo examinar la impedancia reflejada por el emisor.

Por supuesto, el mundo no es perfecto. Pero este método funciona muy, muy bien de todos modos. Casi aísla el par de polarización de la entrada. Esto significa que todo lo que tiene que preocuparse es la impedancia del emisor reflejada en la fuente de entrada. ¡Lindo!

Bueno. Entonces, digamos que quieres usar$R_1=12\:\textrm{k}\Omega$en el esquema del lado derecho. Pero debe asegurarse de que su carga en la entrada cumpla con su$R_{IN}\ge 200\:\textrm{k}\Omega$especificación. Supongamos que solo puede contar con$\beta\ge 100$por el bien del margen. Entonces es obvio que$R_5\ge 2\:\textrm{k}\Omega$. Eso suponiendo que podamos ignorar la carga del par de polarización de entrada debido a la magia de$R_6$.

Ahora, podrías hacer un poco de trampa aquí. podrías asumir$\beta\ge 200$, en cambio. Es casi seguro que un BJT 2N3904 también pueda llevarlo allí. Pero si desea diseñar esto con algún margen... o si tuviera un rango de voltaje de salida aún más amplio que podría exprimir el$V_{CE}$de su BJT un poco ... entonces podría ser más inteligente asumir un valor más bajo.

También podrías girar$R_1$copia de seguridad al completo$15\:\textrm{k}\Omega$y exprimir algo de ganancia de esa manera, también.

Pero como puede ver, si bien el arranque lo ayudará a aislar su entrada de su par de polarización, no lo protegerá de la carga de su emisor. No hay forma de escapar de ese problema con esta topología. Pero en mi libro, tomas lo que puedes conseguir. Por lo tanto, el arranque puede facilitarle las cosas al permitirle al menos una ganancia razonable y cumplir con la especificación de entrada.

Aquí hay un diseño de ejemplo donde he asumido$\beta=200$es aceptable para que la especificación de carga de entrada se pueda cumplir aproximadamente mientras también busco un valor de ganancia más alto configurando$R_5=1\:\textrm{k}\Omega$. (Con mejor$\beta$, podría ser incluso más que cumplido. Pero esa es tu llamada.)

Lo siguiente no logra la ganancia que desea en una etapa. Por lo tanto, debe ser seguido por otra etapa.

^{simular este circuito}

Repasemos los números. Asumí que quiero el mínimo absoluto$V_{CE}\ge 4\:\textrm{V}$. Esto es por experiencia. También quiero que el voltaje del emisor sea tan alto como me lo pueda permitir. Dada una ganancia de voltaje en el área de 10 aquí, y una entrada con$V_{IN_{PP}}=160\:\textrm{mV}$, solo estoy hablando de$V_{OUT_{PP}}=2\:\textrm{V}$y eso significa que puedo configurar el emisor al menos$3\:\textrm{V}$. Lindo. También proporcionaré el mismo margen contra el riel superior. Entonces esto significa que quiero$V_{C_q}=15\:\textrm{V}-3\:\textrm{V}-\frac{2\:\textrm{V}_\textrm{PP}}{2}=11\:\textrm{V}$. La corriente de reposo es entonces$400\:\mu\textrm{A}$, como se muestra. he puesto$R_5=1\:\textrm{k}\Omega$(teniendo en cuenta$\beta\ge 200$aquí) y reconociendo que$r_e=\frac{26\:\textrm{mV}}{400\:\mu\textrm{A}}=65\:\Omega$. Puedo esperar una ganancia cercana a 10, pero no del todo. ($\frac{10\:\textrm{k}\Omega}{1\:\textrm{k}\Omega+65\:\Omega}\approx 9.4$.)

$C_4$puede ser bastante pequeño. Necesita pasar suficiente corriente para la carga del par de polarización que enfrenta. Pero te dejaré resolver eso por tu cuenta. No es tan complicado. Lo mismo para los otros condensadores. Eso queda como trabajo por delante (aunque no es trabajo duro).

solía$R_6=270\:\textrm{k}\Omega$. En realidad, podría ser un poco más alto sin dificultad. El cambio en la corriente del colector para los cambios esperados en la señal ($\pm 80\:\textrm{mV}$) son menos que$\pm 10\:\mu\textrm{A}$. Dado mi supuesto$\beta=200$, esto significa quizás$\pm 50\:\textrm{nA}$cambio en la base. Esto se parece a$\frac{\Delta V}{\Delta I}=\frac{80\:\textrm{mV}}{50\:\textrm{nA}}=1.6\:\textrm{M}\Omega$. El valor de$R_6$es sustancialmente menor, por lo que no hay problemas. Dada una corriente base esperada de$2\:\mu\textrm{A}$, esto implica sobre$540\:\textrm{mV}$al otro lado de$R_6$, de ahí el voltaje de punto de polarización previsto que agregué al esquema. No es crítico.

Pensé en configurar una corriente de polarización de al menos 10 veces. Pero en este caso lo hice 40 veces más grande. Lo conseguí simplemente configurando$R_3=47\:\textrm{k}\Omega$y luego averiguar que la corriente de polarización sería de aproximadamente$90\:\mu\textrm{A}$. Esto está muy por encima de la necesidad, lo cual es genial. A partir de ahí, me di cuenta$R_2$, también.

Pruébelo en especias y vea cómo le gusta su comportamiento. Debe estar aproximadamente en la vecindad correcta. Pruebe varios valores beta y también cambie un poco la temperatura. Vea cómo se desarrolla. Luego verifique la carga de corriente RMS para su fuente de voltaje. Creo que lo encuentras agradable.

Una breve nota sobre cómo pensar por sí mismo en la carga de entrada. Imagina que haces un cambio muy pequeño y rápido de$\Delta V=100\:\mu\textrm{V}$a la entrada en la base de$Q_1$. Mire ese nodo e imagine las implicaciones en términos de corriente. Como esto se arranca, casi no hay cambios en la corriente a través$R_6$. Así que ignora esa consideración. ¿Qué otra cosa? Bueno, el emisor de$Q_1$se eleva casi exactamente en la misma cantidad (suponiendo un cambio insignificante en la corriente del colector/emisor). Pero esto se eleva en un extremo de$R_5$. Sin embargo, el otro extremo de$R_5$está atado a$C_2$. Debido a lo repentino que es esto, el voltaje a través$C_2$no tiene tiempo para cambiar todavía. Así que el otro lado de$R_5$no puede cambiar su voltaje. Así que el efecto neto aquí es cambiar el voltaje a través$R_5$por este mismo$\Delta V=100\:\mu\textrm{V}$. Eso implica un aumento en la corriente del emisor de$\frac{\Delta V}{R_5}$. (La impedancia de CA en el emisor es básicamente solo$R_5$, en resumen.) Pero la corriente base solo cambia en una cantidad que es menor por un factor de$\beta+1$. Entonces, el efecto neto es que la entrada ve solo ese ligero cambio de corriente base para ese ligero cambio de voltaje. Por lo tanto, la impedancia de entrada es$\approx \left(\beta+1\right)\cdot R_5$. Esto no es del todo cierto, porque también hay una impedancia de CA debido a$r_e=\frac{V_T}{I_C}$. Así que quizás sea mejor aproximarlo como$\approx \left(\beta+1\right)\cdot \left(R_5+r_e\right)$.

En el circuito anterior, teniendo en cuenta también una carga muy ligera vista a través$R_6$y$C_4$, la impedancia de entrada debe ser de aproximadamente$201\:\textrm{k}\Omega$cuando$\beta=200$. Que solo cumple con sus especificaciones. Lo hice por diseño.

Hay un truco barato que te dará una ganancia de 50 usando dos de estas etapas. Casi no se necesita pensar ni esforzarse para hacerlo.

Suponiendo que pueda garantizar un mínimo$\beta=200$para su transistor NPN (no es una garantía difícil), entonces la primera etapa tendrá una carga de entrada de$201\:\textrm{k}\Omega$y tienen una ganancia de voltaje de alrededor de 9.4. Su impedancia de salida es$10\:\textrm{k}\Omega$.

Si copia esta etapa y crea otra igual, entonces cargará la primera etapa para que la ganancia resultante sea$9.4\cdot \frac{201\:\textrm{k}\Omega}{10\:\textrm{k}\Omega+201\:\textrm{k}\Omega}\approx 8.95$, antes de que se aplique la ganancia de la siguiente etapa. Por lo tanto, necesita una nueva ganancia neta de aproximadamente$\frac{50}{8.95}\approx 5.59$para que funcione bien.

No se moleste en cambiar la resistencia de salida ($R_1$) en la segunda etapa. Es bueno y funciona mejor que la especificación. Dejalo. De hecho, deja casi todo lo demás en paz. Solo queremos cambiar la ganancia y tal vez solo aumentar ligeramente la corriente de reposo para que podamos reducir el voltaje de reposo en el colector de la etapa final, para obtener un poco más de espacio para la salida de voltaje más amplia.

(Recuerda que lo puse en$11\:\textrm{V}$antes. Pero con una oscilación ascendente esperada de$4\:\textrm{V}$, que nos estrella contra la barandilla superior. Entonces, el valor de reposo debe bajar un voltio, más o menos).

La parte de ganancia es fácil. un valor de$R_5=1.8\:\textrm{k}\Omega$en la segunda etapa se acerca mucho. Así que llamémoslo bueno. Sin embargo, la resistencia total en la pata del emisor debe permanecer igual, por lo que ahora$R_4=5.6\:\textrm{k}\Omega$también se necesita, todas las demás cosas permanecen igual.

Sin embargo, dije que deberíamos bajar un poco el voltaje de salida de reposo para obtener algo de margen superior. Entonces esto significa dejar caer la segunda etapa$R_4=4.7\:\textrm{k}\Omega$podría ser una opción un poco mejor aquí. Necesitamos el margen adicional.

Entonces, la etapa 2 es exactamente igual que la etapa 1, excepto que cambia los valores de$R_4$y$R_5$como se indicó anteriormente. De lo contrario, eso es todo.

Oh. Bien. También puede cambiar la segunda etapa$R_6=220\:\textrm{k}\Omega$. He subido un poco la corriente de reposo (un 10 % más o menos) y esto significa que la corriente base de reposo es aproximadamente la misma cantidad más, cayendo un poco más de voltaje de lo planeado. Por lo tanto, reducir un poco su valor tiene sentido para que la caída vuelva al plan. Tengo un poco más de margen en contra$V_{CC}$de esta manera (vale la pena, creo), pero probablemente también tenga suficiente sin el cambio. probablemente dejaría caer$R_6$abajo. Pero probablemente tampoco sea necesario. Tú decides.

Debería ver un valor de ganancia de voltaje muy cercano a los 50 deseados. En la práctica, tal vez solo un poco menos o tal vez solo un poco más. No puedes confiar en un 50 exacto: (1) la vida discreta no funciona así; y (2) acabo de usar valores estándar para las resistencias; y (3) todavía no se tiene en cuenta la impedancia de la fuente de entrada desconocida (todavía) o la carga de salida desconocida (todavía). Pero como dicen algunos en inglés, "debería ser lo suficientemente bueno para un juego de herraduras".

¿Cascode (google) una etapa base común sobre el colector de la etapa de entrada, luego se retroalimenta desde el emisor de la etapa de salida a un punto adecuado en la red de polarización?

La retroalimentación es tu amigo (como lo es arrancar la red de polarización).

También tenga en cuenta que los transistores PNP están disponibles, así como NPN, esto puede resultar útil o no.

Hay cosas buenas en la biblioteca, lo remito tanto a TAOE como al "Diseño de audio de señal pequeña" de Self, que IIRC tiene algunos trucos bipolares de alta impedancia de entrada.

Es posible que desee investigar el "par de cola larga" como etapa de entrada, tiene posibilidades interesantes.

es bastante fácil de diseñar.

comenzando hacia atrás. Como la etapa de entrada está inactiva a 1.0 ma, elegiría la etapa de salida para inactiva a 1 ma. Re3=5.5k -> elija un valor estándar. Ro = Re3/beta, y seguramente satisfará Ro<15K.

para la etapa de entrada, ganancia = (Rc//beta * Re2) / Re1 ~=Rc / Re2 = 50. Entonces, Re2 = 10k / 50 = 200. Elija el capacitor lo suficientemente grande.

Re2 está ahí para la estabilidad de la polarización de CC. 220R - 1K estaría bien. digamos 1K.

La caída de voltaje sobre Re2 es entonces (15v-6.2v)/10k * 1k ~= 1v (o 1ma * 1k). Eso significa que el voltaje en la base del transistor de entrada es 1v + 0.7v = 1.7v.

Elegiría R2 para que sea un poco más grande que la resistencia de entrada requerida. entonces R2 = 220K.

Luego elija R1 para que la base se asiente en 1.7v: = (15 - 1.7v) / (1.7v/ 220K) = ...

Una simulación rápida sugiere una ganancia de 70x. Un Re1 ligeramente más alto lo volverá a marcar.