Consejos para bajar el punto q del transistor

Hay muchas cosas mal con tu diseño. También hay una gran cantidad de diseños ajustados y viables en la web, que combinan algunas ideas, pero en realidad no abordan su pregunta. Usted dijo,

Estoy pensando que tiene algo que ver con la parcialidad.

y pregunto,

¿Cómo lo sesgo correctamente?

Empecemos por ahí.

Lo primero que hay que reconocer es que su$Q_1$se configura como un amplificador degenerativo básico. Nada inusual en su topología. Su$Q_2$tampoco es inusual, pero está configurado para maximizar la ganancia (probablemente en cientos) debido a$C_5$pasando por alto por completo$R_6$. Su ganancia depende de la temperatura y de la corriente del emisor, que varía mucho con el valor de la señal de un momento a otro. Entonces, sin retroalimentación negativa global, será una fuente potencial de distorsión significativa. (Sí, ves ese esquema en la web. Sí, se puede hacer que funcione. Y no, no voy a abordar un diseño usando ese método aquí. Tendría que escribir aún más de lo que ya lo hice. No esta pasando.)

Retrocedamos un momento. La idea básica del arreglo de dos BJT es que tiene dos etapas de amplificación para que la entrada y la salida final estén aproximadamente en fase (cada etapa BJT agrega$180^{\circ}$.) Digo aproximadamente, porque una vez que agrega la red de configuración de frecuencia, eso no estará exactamente en fase cuando haga un circuito completo. Sin embargo, la idea clave con este diseño es que la red en sí misma es un filtro de paso alto y de paso bajo y que el filtro de alto Q resultante tiene pendientes relacionadas con la fase que conducirán hacia el punto de operación correcto y lo encontrarán .

Si simplemente desea no volverse demasiado sofisticado (control de ganancia automático o la combinación de redes más complejas en otras más simples que no son tan obvias), entonces es el siguiente ciclo cerrado de piezas: ganancia de etapa 1, pérdida de carga, ganancia de etapa 2, pérdida de carga, un divisor de red y luego de regreso a la entrada de la etapa 1. Si ignora las pérdidas de carga y solo se enfoca en las dos etapas de ganancia y el divisor de red, y si el divisor de red se basa en un Diseño R+C+(R||C) con los dos valores R y C (teniendo en cuenta los parásitos) siendo iguales, entonces las ganancias combinadas del amplificador deben ser 3 para tener en cuenta el divisor de la red.$v_o=\tfrac{1}{3}v_i$comportamiento. Sin embargo, tiene pérdidas de carga debido a que la etapa 2 carga la etapa 1 y debido a la carga de la red en la salida de la etapa 2. Así que en realidad necesitarás más ganancia que eso. Cuánto más depende en gran medida de las elecciones que haga para sus dos etapas de amplificación.

Por cierto, el problema de la carga es importante. Al menos, si usa la topología de amplificador que eligió. Realmente ayudaría en un caso como este usar bootstrapping. Pero eso agregaría más partes. También sería bueno usar una pata de CA de ajuste de ganancia en los emisores de su amplificador, para que tenga un grado importante de libertad en el diseño de su amplificación. Pero podemos ver si es evitable (tal vez) y si no, entonces usarlo solo para una etapa y no para ambas, tal vez.

Comencemos con la red en sí misma:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La red anterior cargará su salida de etapa 2. Si la resistencia del colector es de aproximadamente$10\:\textrm{k}\Omega$luego disminuirá la amplitud de salida a alrededor del 72% al 73% de la amplitud diseñada, por ejemplo. Luego se dividirá por 3. A$3.3\:\textrm{k}\Omega$Sin embargo, la carga del colector le dará casi el 90%. Y proporcione una corriente de reposo razonable. Así que ese es mi primer paso:

^{simular este circuito}

Ya puede ver que necesitamos una ganancia de al menos$\tfrac{10}{3}$. Necesitamos establecer el$Q_1$punto de reposo del colector, ahora. Voy a tomar una decisión y decir que el voltaje de la señal será$v_o=4\:\textrm{V}_{pp}$. Y también quiero al menos$1\:\textrm{V}$de margen de comodidad entre el pico y la barandilla, por lo que estoy configurando$\textrm{V}_{qc_1}=8.7\:\textrm{V}$para que tenga una corriente de reposo de exactamente$1\:\textrm{mA}$. Quiero que el voltaje del emisor de reposo sea al menos$1\:\textrm{V}$(razones térmicas). Otras preocupaciones de equilibrio serán la polarización de Thevenin como una carga en la etapa 1 y el efecto temprano. Sin embargo, principalmente quiero obtener una carga más baja en la etapa 1, así que decido hacer que el voltaje del emisor$\approx 2\:\textrm{V}$y ajustando la resistencia del emisor a$1.8\:\textrm{k}\Omega$. El diseño resultante ahora se ve así:

^{simular este circuito}

Esto presentará una carga de aproximadamente$21\:\textrm{k}\Omega$en la etapa amplificadora anterior. Ahora, esto presenta un problema. Si no quiero cargar mucho la etapa anterior, tendré que operarla aproximadamente con la misma corriente de reposo que ya estoy usando. Pero esto significa casi lo mismo para lo que sea que lo esté impulsando... y resulta que es nuestra red, que usa$10\:\textrm{k}\Omega$valores de resistencia La carga cambiará la frecuencia de funcionamiento o bien hará que tengamos que tenerla en cuenta a la hora de diseñar la red. Aquí es donde realmente me gustaría usar bootstrapping. La otra opción es reducir la carga en la red, pero luego aumentar la pérdida de carga entre la primera y la segunda etapa, lo que significa que de alguna manera tendré que obtener más ganancia para compensarla. Es molesto. Entonces, evitemos el arranque, pero agreguemos una ganancia adicional agregando un tramo de ajuste de ganancia de CA en esta etapa, y busquemos un Thevenin de polarización de aproximadamente$120\:\textrm{k}\Omega$. Eso todavía tirará un poco de la frecuencia. Pero espero que podamos vivir con eso.

^{simular este circuito}

Muchos compromisos aquí. Y esta cosa tardará un tiempo en iniciarse, como se muestra. Pero llegará. Y no hay control de ganancia automática. Por lo tanto, es posible que deba configurar un arreglo de potenciómetro para la pata de CA de la etapa 1 para modificar las cosas. Pero si todos mis cálculos son correctos, la ganancia debería ser correcta.

Repasemos el diseño de esa primera etapa, ahora.

Con la decisión de limitar la carga en la red a$120\:\textrm{k}\Omega$, me vi obligado a configurar las resistencias de polarización como se muestra. Mantuve el punto de polarización utilizado en la segunda etapa, por lo que los puntos de operación son casi los mismos. Esto me llevó a tener que configurar la resistencia del colector con aproximadamente 10 veces la corriente que fluye en la polarización.$R_9$y$R_{10}$divisor.$17\:\mu \textrm{A}$en el divisor, así que sobre$170\:\mu \textrm{A}$para la corriente de colector en reposo. Entonces$R_7=\frac{3.3\:\textrm{V}}{170\:\mu \textrm{A}}\approx 19\:\textrm{k}\Omega$. Elegí$R_7=18\:\textrm{k}\Omega$como un valor cercano. Consideraciones similares llevaron a$R_8=\frac{1.8\:\textrm{V}}{170\:\mu \textrm{A}}\approx 10\:\textrm{k}\Omega$.

Ahora, necesitaba calcular la ganancia necesaria para el escenario y configurar un tramo de CA. La ganancia que necesitaba era$\frac{1}{0.3\cdot\ 0.92\cdot 0.54\cdot 1.833}\approx 3.7$. Para lograr esto, necesitaba calcular una resistencia, que cuando se toma en paralelo a$R_8$produciría la ganancia necesaria. Esto significa$R_{11}=\frac{\frac{R_7}{3.7}\cdot R_8}{R_8-\frac{R_7}{3.7}}\approx 9.5\:\textrm{k}\Omega$. Elegí el cercano$R_{11}=9.1\:\textrm{k}\Omega$valor.

Eso es todo. Con suerte, eso te muestra cómo sesgar las cosas. Pero también algunos de los problemas que enfrentaría al pensar en esto.

Este circuito es muy sensible y no puedo prometer que el diseño que se muestra realmente funcione, si lo construyes. Necesita una forma de ajustar el valor de ganancia. Sin embargo, puede hacerlo con el tramo de ganancia de CA aplicando un potenciómetro y valores de resistencia cercanos razonablemente elegidos para que tenga una forma de hacer ajustes. Pero debería acercarte mucho, mucho.

Querías saber cómo sesgar las cosas. Mantuve esto simple, utilicé topologías estándar y formas estándar de conectar las cosas. Hay muchas maneras de tomar lo que ves aquí y reconocer equivalencias que podrías usar para reducir partes. Pero pensé en pasar por un proceso de diseño básico para que pudieran verlo en funcionamiento, en cada paso del camino. Con suerte, este proceso le permitirá probar su propio enfoque. Espero eso ayude.

Ah, y una nota extraña para agregar. Tenga en cuenta que configuramos la etapa 1 para una ganancia de alrededor de 3,7 y la etapa 2 para una ganancia de alrededor de 1,83. Sobre el papel, ¡esto parecería una ganancia de alrededor de 6,8! Sin embargo, podríamos suponer ingenuamente que solo necesitábamos una ganancia de 3, más quizás "un poco". Bueno, la parte de "un poco" parece ser más que solo un poco. Entonces, esto es lo que sucede si no haces los cálculos y solo disparas desde la cadera. Es posible que esté equivocado por un factor de más de 2. Eso se debe a que ignora las pérdidas alrededor del ciclo, que como dije, no son intrascendentes.

Finalmente metí esta cosa en el simulador. Me preocupaba que no pudiera simular. Un tiempo de inicio prolongado (lo que puede ocurrir porque la red está desequilibrada debido a$R_3$Añadiendo a$R_2$, por lo que lleva un tiempo realizar el seguimiento) y mis preocupaciones sobre hacer bien todos los cálculos y no perderme algo importante eran preocupaciones válidas. Lindo. Simplemente simuló bien. También mostró el arranque prolongado: ¡dos segundos! La frecuencia surgió como$1440\:\textrm{Hz}$, que esperábamos que estuviera más cerca de$1590\:\textrm{Hz}$. Pero dado el impacto de$R_3$en$R_2$y el impacto de carga de la primera etapa en$R_1$, No me sorprende.

Así que cambié$R_2$para que fuera$6.8\:\textrm{k}\Omega$(para compensar$R_3$) y comenzó de inmediato, rápido. Como se esperaba. Sin embargo, la salida estaba un poco distorsionada. Ligeramente demasiada ganancia, por supuesto. (Tenga en cuenta que esto es un simulador; la realidad puede variar). Así que aumenté$R_{11}$un poco para ajustarlo -- aproximadamente$11\:\textrm{k}\Omega$se veía agradable y sinusoidal. Esto cambia la ganancia de la primera etapa de aproximadamente 3,7 a aproximadamente 3,44. Eso no es mucho y, como dije antes, configurar un potenciómetro allí para ajustar un poco la ganancia es probablemente una buena idea en un circuito real.

En general, el simulador probó los cálculos de diseño básicos, que pudieron proceder de manera razonable y rápida y no desviaron a nadie. Las ideas básicas de diseño predijeron los problemas de sensibilidad de ganancia, tiempo de inicio (y por qué), y luego también dónde hacer cambios para que las cosas se muevan en las direcciones deseadas.

Las condiciones para la oscilación en un oscilador de cambio de fase requieren que la ganancia total sea exactamente la unidad en f. Como está saturando, en la primera etapa aparece en el lado alto de la segunda etapa. Esto significa que el sesgo V es demasiado alto para Q1. Reducir la ganancia y Vb de Q1 reduciendo R3 hasta que mejore. Prueba 3.3k. . Se puede calcular...

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hay mejores formas con retroalimentación de limitador suave...

la realimentación de bucle de nota R10/(R11//R3) reduce la ganancia general con una ganancia de 1.ª etapa = 3 y una ganancia de 2 etapas muy alta. por lo tanto, una retroalimentación de limitador suave al derivar R10 con otra serie R y un par de diodos puede regular la ganancia en la unidad con una distorsión mínima.

Primero corrija el sesgo en Q1-b para hacer que Q1-C sea simétrico y no recorte. Es posible que sea necesario reducir R1.

Un mejor arreglo de retroalimentación también usa un potenciómetro para ajustar la ganancia unitaria de una salida sinusoidal pura.

Aunque después de este ejercicio te darás cuenta de las ventajas de un puente Op Amp Wien.

El oscilador Wein Bridge es excelente para definir la frecuencia de oscilación pero, a menos que haya componentes adicionales que puedan controlar activamente (y ajustar de forma continua y activa) la ganancia, la amplitud de salida aumenta hasta que golpea uno o ambos rieles de suministro.

Debe tener una ganancia mayor que la unidad para que comience la oscilación y, a menos que esta ganancia se vuelva a convertir activamente en la unidad, obtendrá exactamente lo que ve. Para los osciladores de puente Wein de amplificador operacional, el método preferido es usar un circuito que "mida" la amplitud y ajuste la ganancia: -

El circuito anterior usa un JFET para ajustar la ganancia: a medida que aumenta la amplitud de salida, el JFET comienza a apagarse (aumenta la resistencia) y esto reduce la ganancia del amplificador operacional. También puede implementar esta idea con un oscilador de puente wein de transistor, pero es un poco más complicado hacerlo bien.