Impedancia de salida de bucle cerrado

Mi pregunta es ¿por qué? ¿Qué hemos descuidado en nuestro análisis que limita nuestros resultados solo a señales pequeñas?

Las suposiciones son lo que lo limita a una pequeña señal. Neil_UK se tomó un momento para mencionar la idea de la linealización y agregó que la idea es sinónimo de análisis de señales pequeñas .

Los circuitos pueden volverse complejos rápidamente. Los transistores de todo tipo tienen curvas que no son lineales (en el significado más simple de una "línea recta" al trazar una variable frente a otra). También lo hacen los condensadores, inductores, diodos, etc. No se necesita mucho y todos los que interactúan elementos pueden hacer que las matemáticas parezcan casi demasiado complejas. Sin embargo, un diseñador debe diseñar y ser capaz de leer los diseños de los demás.

Los científicos simplifican problemas complejos por reducción . Eliminan detalles relativamente poco importantes (que pueden tener un impacto, pero insignificante) de la consideración y se centran en los factores dominantes. Esto reduce en gran medida el problema y lo hace tratable. De manera similar, los ingenieros usan la linealización sobre un punto operativo diseñado o asumido para simplificar en gran medida obtener una respuesta rápida y significativa a un problema que de otro modo parece mucho más complejo.

Cada curva, sin importar cuán complicada sea, puede verse exactamente igual que una línea recta si se acerca lo suficiente. Esta es la aproximación de pequeña señal. Puede pensar en esto como nada más que tomar la derivada de alguna curva en algún punto específico, para obtener la "pendiente local" allí. Esto hace que sea mucho más fácil de analizar. Por supuesto, solo es válido en ese punto específico (punto de operación). Si va a otro lugar, es probable que la pendiente sea diferente.

En este caso, hay un punto de reposo para el cual este amplificador fue diseñado por alguien que sabía lo que estaba haciendo. Este punto de reposo probablemente esté diseñado alrededor del lugar donde la salida estará a mitad de camino entre los dos rieles de alimentación. (Si tiene experiencia y sabía que el diseñador también tenía experiencia, sería razonable hacer esta suposición). Por lo tanto, todas las estimaciones del análisis se realizarán con este punto operativo como una suposición para esos fines . Y cuando calcula los resultados de eso, está asumiendo que no va demasiado lejos de este supuesto punto de operación inactivo . Lo que implica que la señal de entrada en sí misma no provoca muchos cambios en la salida.

Entonces, por supuesto, un análisis de señal grande arrojaría resultados diferentes ya que el punto de operación asumido se está moviendo a una ubicación diferente. Y esto significa que todas esas vertientes locales han cambiado.

El libro de texto al que hizo referencia también le brinda una pequeña tabla en la página 122, que le muestra los valores de ganancia de bucle abierto y bucle cerrado a medida que la salida se mueve desde el supuesto$0\:\textrm{V}$a$-10\:\textrm{V}$y para$+10\:\textrm{V}$. Puede ver que la ganancia de bucle abierto varía de 1360 a 2400, mientras que la ganancia de bucle cerrado varía de 30,6 a 30,9. La ganancia de lazo abierto ayuda a ilustrar este punto, que los cambios en el punto de operación también cambian las pendientes y, por lo tanto, los cálculos resultantes. Pero ese cierre del ciclo usa retroalimentación negativa para administrar un parámetro importante, la ganancia, para minimizar la distorsión como resultado de ganancias que de otro modo variarían a medida que variaran los puntos operativos.

Pero un circuito amplificador como este no funcionará solo para que aparezcan pequeñas señales en la salida. Se buscan grandes señales. Entonces, una vez que haya realizado el análisis de señal pequeña, que se aplica solo cerca del punto de operación inactivo, retroceda y observe qué sucede también con las oscilaciones de señal grandes. En este punto, esas resistencias de emisor ciertamente entran en juego y actuarán para limitar la corriente disponible en una carga, por ejemplo. Pero como veremos,$R_6$presentará un desafío aún mayor al examinar señales grandes.

Entonces realmente haces dos tipos de análisis para un circuito como este. Un pequeño análisis de señal de cómo actuará el circuito cerca del punto de funcionamiento inactivo (o nominal). Y un gran análisis de señales que lo ayudará a determinar un rango útil de comportamiento. Algunos circuitos permiten que estos dos dominios de análisis sean relativamente separables. Algunos no se separan tan fácilmente.

En realidad, el libro de texto realmente hace un muy buen trabajo en el capítulo 2 preparándolo para el análisis que luego hacen en un par de páginas sobre ese circuito. Esta bastante bien.

Entonces, ¿qué pasa con el$0.3\:\Omega$? Bueno, sabes que la ganancia de bucle cerrado es de aproximadamente$31\:\frac{V}{V}$. Así que si un pequeño cambio de señal de$10\:\textrm{mV}$ocurre en la entrada, entonces esperaría ver un cambio descargado de aproximadamente$310\:\textrm{mV}$en la salida

Pero existe esa resistencia en serie dinámica estimada de$0.3\:\Omega$. Si colocó una carga a la salida de$1\:\Omega$(y la corriente que ingresaba era lo suficientemente pequeña como para que los grandes efectos de señal de las resistencias del emisor aún no sean importantes), entonces esperaría ver un cambio de salida cargado de$310\:\textrm{mV}\cdot\frac{1\:\Omega}{1\:\Omega + 0.3\:\Omega}\approx 240\:\textrm{mV}$.

(No esperarías ver$310\:\textrm{mV}\cdot\frac{1\:\Omega}{1\:\Omega + \left(5\:\Omega+0.3\:\Omega\right)}\approx 50\:\textrm{mV}$.)

Y si la carga fuera$0.5\:\Omega$, entonces esperaría ver un cambio de aproximadamente$190\:\textrm{mV}$. Etc.

Ese es el significado aquí. Sin embargo, esto no continúa funcionando si las resistencias del emisor se vuelven importantes, ya que reducirán el voltaje de los rieles y limitarán la capacidad de suministrar un voltaje mayor a la carga. Tienes$15\:\textrm{V}$en el riel superior.$Q_4$necesitará al menos un$V_{CE}\ge 1\:\textrm{V}$permanecer en su modo activo no saturado. Así que ahora estás descargado$14\:\textrm{V}$máximo en la salida. Pero con la carga (actual), entonces$R_7$puede reducir aún más este voltaje máximo posible a algo aún menor. En realidad, esto no tiene nada que ver con el análisis de señales pequeñas. Es simplemente una cuestión de que la resistencia del emisor cae un voltaje cuando suministra corriente. Por lo tanto, la carga sí importa con respecto a las excursiones máximas posibles. Incluso con la estimación de pequeña señal sobre la resistencia de la serie dinámica.

Tenga en cuenta en respuesta a su primera pregunta comentada debajo de esta respuesta:

Sí, pero lo diría de otra manera, creo. El análisis de señal pequeña se realiza sin considerar la carga de salida. Luego puede agregar una carga particular y descubrir más. Entonces, si usas un$.5\:\Omega$resistencia en la salida, ahora sabe que en lugar de una ganancia de 31, tendrá una ganancia de$\tfrac{190}{310}\cdot 31=19$.

Pero esto no le dice en qué rango más grande seguirá funcionando esa ganancia de 19. Incluso unos pocos cientos de milivoltios y ya está en amperios de corriente, lo que provocará una gran caída en$R_7$, por ejemplo, una caída muy significativa.

Pero probablemente mucho antes de que eso se convierta en un problema, la corriente de accionamiento para$Q_5$será un problema. En algún punto en el lado negativo de la salida,$Q_5$La corriente del colector será bastante grande. digamos que es$1\:\textrm{A}$-- justo$-500\:\textrm{mV}$en la salida! Seguro,$R_8$va a caer un completo$5\:\textrm{V}$. Pero ese no es el verdadero problema. La base requerirá alrededor de$10\:\textrm{mA}$para proporcionar esa corriente de colector. Tal vez incluso más. Pero la base solo será$-500\:\textrm{mV}-5\:\textrm{V}-900\:\textrm{mV}\approx -6.4\:\textrm{V}$. Pero para obtener lo requerido$10\:\textrm{mA}$, debe haber$15\:\textrm{V}$al otro lado de$R_6$. Pero no hay ningún lugar CERCA de tanto. Solo sobre$8.6\:\textrm{V}$, en esta situación. Así que la mitad de lo que se necesita.

Así que este circuito simplemente no puede llegar allí desde aquí. En el lado negativo, a medida que aumentan las demandas actuales, la parte inferior simplemente entrará en un clip suave y eso significa mucha distorsión. Así que esta será la limitación real en el circuito.

$R_6$es una seria limitación en este circuito, en cuanto a la capacidad de manejar altas corrientes hacia el riel negativo. Y entrará en juego mucho antes que cualquiera de las resistencias del emisor.

Dos observaciones.

a) Generalmente. La 'Impedancia de salida' en realidad solo se define para señales pequeñas. Es el cambio en el voltaje de salida por un cambio en la corriente de salida, una resistencia de pendiente. Una vez que obtiene señales grandes, las condiciones de salida cambian, las corrientes de polarización cambian, un transistor puede cortarse y ya no tiene una curva V / I de salida que pueda aproximarse razonablemente a una línea recta. A menudo verá que el término "linealizado" se utiliza como sinónimo de comportamiento de señal pequeña.

b) Específicamente para este tipo de amplificador. Es un amplificador de audio. Una vez que obtiene señales lo suficientemente grandes como para alejarlo del comportamiento de "señal pequeña", se distorsiona y ya no es un buen amplificador de audio. No lo usaría en esa región, y tampoco estaría interesado en calcular su comportamiento allí, aparte de saber que ya no es una señal pequeña.

Mi pregunta es ¿por qué? ¿Qué hemos descuidado en nuestro análisis que limita nuestros resultados solo a señales pequeñas?

La impedancia de salida forma un divisor de potencial con la carga y, por supuesto, cuando se conduce cerca del riel de alimentación completo, no hay más espacio libre que se pueda usar.