¿Cómo evitar que la corriente se drene por la parte inferior de este amplificador push-pull?

Volvamos a lo básico:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Etapa de salida

Arriba hay un fragmento del circuito en el esquema anterior que estabas examinando.$V_\text{CC}=12\:\text{V}$y la salida en el emisor de$Q_1$se supone que está centrado en aproximadamente$6\:\text{V}$y la oscilación de salida debe limitarse a picos que permanezcan al menos$1.5\:\text{V}$encima o debajo de los rieles. Entonces$6\:\text{V}\pm 4.5\:\text{V}$en el emisor de$Q_1$. Esto debe ser capaz de superar$1\:\text{W}$en una$8\:\Omega$vocero.

La corriente máxima es$I_\text{PEAK}<570\:\text{mA}$en el altavoz. Dado que se supone que es un amplificador de clase A, es importante que siempre haya algo de corriente en$Q_2$colector de (nunca debe llegar a cero). Para mantener el$V_\text{BE}$variación en$Q_2$a alrededor$30\:\text{mV}$, Deseo$I_\text{MIN}=\frac{I_\text{PEAK}}{e^\frac{30\:\text{mV}}{V_T}-1}\approx 260\:\text{mA}$. llamémoslo$I_\text{MIN}=250\:\text{mA}$. Así que ese es el mínimo para esta clase A. Entonces$I_\text{MAX}=250\:\text{mA}+570\:\text{mA}=820\:\text{mA}$. Tenga en cuenta que estamos hablando estrictamente de la corriente de colector para$Q_2$. Por implicación, la corriente de emisor para$Q_1$serán los mismos mínimos y máximos excepto que serán$180^\circ$fuera de fase con los de$Q_2$.

La suma de ambas corrientes de colector será$250\:\text{mA}+820\:\text{mA}=1.07\:\text{A}$. (Como verá más adelante, esta suma es bastante constante, al igual que la suma de las dos corrientes base). Dado un NPN como el D44H11, pensé$\beta\ge 90$para$Q_1$y$Q_2$. Entonces, la unidad base para ambos BJT de salida sumados juntos funcionó en aproximadamente$12\:\text{mA}$.

Bucle de arranque

$R_2$se convierte en una fuente actual por el bucle de arranque. (La razón por la que lo llamo bucle será evidente muy pronto). Podemos suponer que el$V_\text{BE}$de$Q_1$está aproximadamente fijo (como una batería) durante todo el funcionamiento del amplificador. También podemos suponer que el voltaje a través de$C_1$es igualmente aproximadamente fijo (nuevamente, como una batería).

Por lo tanto, recorra el ciclo usando KVL comenzando en la salida. Debe darse el caso de que$V_\text{OUT}+V_{C_1} + V_{R_2}+V_\text{BE}=V_\text{OUT}$. Pero esto significa que$V_{R_2}=-\left(V_{C_1} + V_\text{BE}\right)$y dado que el lado derecho de esa ecuación es fijo , entonces debe ser el caso de que el voltaje a través de$R_2$está arreglado. Y esto significa que la corriente en$R_2$está arreglado. Y por lo tanto, tenemos una corriente constante en$R_2$.

QED

Dado que el voltaje a través$C_1$será la mitad de la tensión de alimentación y que el$V_\text{BE}$de$Q_1$será sobre$700\:\text{mV}$, puedo calcular que el voltaje a través de$R_2$es$\approx 5.3\:\text{V}$. Dada la suma actual base necesaria anotada en la sección anterior, decidí que necesitaba al menos otro$1\:\text{mA}$(Más estaría bien.) Así que pensé$R_2=\frac{5.3\:\text{V}}{13\:\text{mA}}\approx 407\:\Omega$. Lo redondeé hacia abajo (más corriente es mejor) al cercano$R_2=390\:\Omega$.

Con más de$1\:\text{mA}$restante después de restar las corrientes de accionamiento base de la sección de salida, y sabiendo que$Q_2$'s$V_\text{BE}$necesidades sobre$700\:\text{mV}$, Lo puse$R_1=560\:\Omega$. Yo no lo pondría más bajo que eso. Pero también podría intentar un paso más alto en$R_1=680\:\Omega$, sin pestañear. De hecho, pensando en todo esto de nuevo ahora, probablemente preferiría$R_1=680\:\Omega$. Pero cualquiera de esos dos valores estaría bien.

Una nota final sobre este tipo de bootstrapping. Es realmente bueno porque es un método muy simple para crear un suministro de corriente constante simplemente reorganizando las partes que usaría de todos modos. Sin embargo, la corriente constante a través de$R_2$viene a través del altavoz. Entonces crea una corriente de polarización de CC en el altavoz. Podríamos desear que fuera de otra manera, pero es un precio a pagar por este acuerdo.

Divisor de fase

Tenemos una fuente actual en el colector de$Q_3$dónde$R_2$El valor de establece la fuente actual para$Q_3$'s colector y la base de$Q_1$. Después de la resta de$Q_1$corriente de base, lo que queda se conduce a través$Q_3$'s emitter y, después de restar la unidad base para$Q_2$produce un voltaje a través de$R_1$.

Creo que puedes ver lo obvio. En efecto, las corrientes de colector de$Q_1$y$Q_2$están fuera de fase entre sí pero cubren el mismo rango. Entonces su suma es una constante relativa. Por tanto, también la suma de sus corrientes de base es también una constante relativa.

Esto implica que la corriente constante de$R_2$, después de restar la suma de$Q_1$'arena$Q_2$corriente base, dejará una corriente relativamente constante para$R_1$. Así que podemos predecir aproximadamente un valor para$R_1$, como se hizo anteriormente.

Sin embargo, y esto es importante, el voltaje a través$R_1$no es exactamente constante. La variación será justo lo que se requiere para moverse$Q_2$a través de su variación de corriente de colector diseñada . (A medida que avanza en la lectura, también puede recordar por qué era importante, como se indicó anteriormente, limitar esta variación).

Desde el paso de diseño anterior tenemos$30\:\text{mVpp}$para$Q_2$. Había seleccionado este punto de operación ignorando por completo las resistencias óhmicas. Estos importan. Por ahora, voy a duplicar aleatoriamente la variación estimada anterior sobre$R_2$. entonces sobre$60\:\text{mVpp}$variación sobre$R_1$.

¿Qué pasa con la base de$Q_3$? Espera otro$30\:\text{mVpp}$para ser añadido a lo ahora planeado$60\:\text{mVpp}$para$Q_2$. ($Q_3$la corriente del colector de está pasando por variaciones similares). Eso significa, redondeado hacia arriba, aproximadamente$100\:\text{mVpp}$para la base de$Q_3$como un plan razonado.

Así que ese es el impulso para$Q_3$. Toda la sección de salida y el divisor combinados deben ser impulsados ​​por una señal de voltaje que no puede variar en más de$100\:\text{mVpp}$. También sabemos que el centro de este voltaje debe estar aproximadamente a dos$V_\text{BE}$s, ¿verdad? Esto significa$1.4\:\text{V}$o por ahí.

Entonces$V_\text{DRIVE}=1.4\:\text{V}\pm 50\:\text{mV}$. Además, necesitaremos una corriente base máxima para$Q_3$de tal vez$60\:\mu\text{A}$. Solo para estar seguro, asuma el peor de los casos de$100\:\mu\text{A}$.

NFB

Esta parte es relativamente trivial. Es solo un divisor de CA básico que, en CC, simplemente devuelve la salida con una ganancia de 1. Pero en CA devuelve solo una parte dividida de la salida.

Es una señal de voltaje. Tal como está, deberíamos esperar una ganancia de aproximadamente$\lvert A_v\rvert \approx 15$. Pero más sobre eso más adelante. (De hecho , primero configuré la ganancia en 15 y luego calculé los valores de resistencia más tarde, como verá a continuación).

Etapa PNP añadida

Entonces. Tenemos algunos NFB listos para funcionar y necesitamos una señal DRIVE.

Ahora podemos considerar el nuevo circuito.

^{simular este circuito}

Ya se supone que la salida del amplificador es capaz de$600\:\text{mA}$conducir. Por lo tanto, podrá conducir perfectamente el emisor del PNP agregado,$Q_4$. La señal de entrada mucho más débil realmente no puede conducir tanto (por suposición), por lo que alimentamos eso a la base de$Q_4$.

$Q_4$La corriente del colector tiene que suministrar la base de$Q_3$y queremos que esto sea rígido , por lo que la regla habitual es multiplicar por 10 (mantener las cosas por debajo del 10% de variación). Entonces, la corriente del colector de$Q_4$está determinado a ser$1\:\text{mA}$(ya que antes apartamos$100\:\mu\text{A}$unidad base en el peor de los casos para$Q_3$.) Sabemos que queremos$1.4\:\text{V}$en la base de$Q_3$, también. (También determinado anteriormente). Entonces, esto significa que la resistencia del colector de$Q_4$se establece en el valor estándar que ve arriba.

Dado$4.5\:\text{Vp}$para la salida y una ganancia de 15, sabemos que la señal de entrada debe ser$V_\text{IN}\le 300\:\text{mVp}$. O$600\:\text{mVpp}$. Debido al efecto Early en los BJT, quiero mantener la variación de$Q_4$'s$V_\text{CE}$al mínimo. Pero el emisor va a seguir esa base alrededor. Así que decidí que quería establecer el centro (reposo)$V_\text{CE}$de$Q_4$en$3\:\text{V}$o más. Pero dados los espacios reducidos aquí (no hay mucho espacio para voltaje), decidí conformarme con$V_{\text{CE}_\text{Q}}=3\:\text{V}$para$Q_4$.

Dado eso, y sabiendo que todavía necesito conseguir$1\:\text{mA}$de la salida para alimentar el emisor de$Q_4$, Lo puse$R_3$como ves. (De eso, y sabiendo una ganancia de 15, eso proporcionó el valor de$R_4$.)

Es posible que hayas elegido otro$V_{\text{CE}_\text{Q}}$para$Q_4$que yo. Tal vez establecerlo un poco más alto aún. O bajo. Y eso también funcionaría. Pero esa es la cifra que elegí. Estaba apurando un diseño tan rápido como mis dedos podían escribir (el cerebro se movía más rápido) y no quería perder el tiempo intercambiando consideraciones secundarias (hay algunas).

Eso es realmente todo lo que había. Lo único que quedaba era averiguar el voltaje base de reposo para$Q_4$(trivial) y elabore un arreglo divisorio para ello.

ganar notas

Ignorando el$Q_4$la ganancia de lazo abierto del amplificador proviene de convertir aproximadamente$100\:\text{mVpp}$a alrededor$9\:\text{Vpp}$-- acerca de$A_{VOL}=90$. (El valor real puede ser un poco más alto que eso porque redondeé hacia arriba en el cambio de entrada). Pero$Q_4$es también lo que se puede ver como un amplificador CE (observe la carga del emisor frente a la carga del colector). En este caso, me imagino$r_e\approx 26\:\Omega$(a temperatura ambiente) y$100\:\Omega\mid\mid 1.5\:\text{k}\Omega\approx 94\:\Omega$. Entonces$A_{VOL}=90\cdot\frac{1.5\:\text{k}\Omega}{94\:\Omega+26\Omega=120\:\Omega}=1125$.

Entonces la ganancia de lazo cerrado debe ser$\frac{1125}{1+\frac{100\:\Omega}{1.5\:\text{k}\Omega+100\:\Omega}\cdot 1125}= 15.8$.

(Todo esto sugiere que la entrada debe mantenerse menos de aproximadamente$250\:\text{mVp}$en lugar de lo mencionado originalmente$300\:\text{mVp}$, y tal vez solo un poco menos).

Una pregunta restante a considerar resultará ser un detalle menor. Debido a la proximidad de la magnitud de$r_e$contra$R_4$, la ganancia de bucle abierto mencionada anteriormente depende de la temperatura.$Q_4$no es probable que se autocaliente tanto, pero las variaciones ambientales pueden ser amplias. Sobre el rango de$-20\:^\circ\text{C}$a$+40\:^\circ\text{C}$,$22\:\Omega\le r_e\le 27\:\Omega$. Cualquiera que esté familiarizado con el poder de NFB inmediatamente se dará cuenta de que esto no importará mucho (la ganancia de bucle abierto puede ser de 1115 a aproximadamente 1165 aquí) al final. La ganancia de bucle cerrado seguirá siendo sólida como una roca. Pruebe los cálculos usted mismo y vea.

Actualizar

Actualicé el esquema final arriba. Me había olvidado por completo de la necesidad de forzar un roll-off de alta frecuencia. he añadido$C_3$con un valor nominal que está razonablemente colocado, creo. Las resistencias óhmicas en$Q_1$y$Q_2$también debe ponerse bajo administración y la limitación de corriente también sería útil. Pero ese poste de compensación es imprescindible. Así que ahora se agrega.

Te estás olvidando de la unión de diodo emisor de base que tienen todos los bjt. Su unión Q3 be está sujetando el emisor de Q1 a aproximadamente 0,65 voltios.

Es porque tiene un diseño de tótem, que es bueno para acercar la salida a la V o al riel de tierra, pero necesita una resistencia base para Q3 de 2.2 K o más. Puede pasarlo por alto con un capacitor igual a la mitad de la capacitancia de Q3, o alrededor de 22 pF a 47 pF.

Una salida push-pull no tendría este problema, pero Q1 no podría controlarlo.

Una alternativa utilizada en algunos amplificadores operacionales es agregar un PNP (2N3906) para controlar Q3 con su emisor. Para polarizar el emisor del PNP, use un 10 K para el riel de alimentación. Su colector iría a tierra. Una resistencia de 100 ohmios fuera del emisor de Q1 aún evitaría las corrientes de disparo. Este complemento no invierte la señal, pero cambia la unidad a Q3 para que su base tenga una resistencia pull-up.

Pruebe primero la resistencia de 2,2 K, luego el PNP adicional.