¿Pensamientos sobre este amplificador BJT de una sola etapa?

He estado estudiando electrónica por mi cuenta y actualmente estoy tratando de diseñar un amplificador BJT de una sola etapa de alta ganancia. Esto es lo que tengo hasta ahora:

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Q1 sirve como fuente de corriente "carga activa" para el amplificador de emisor común. R4 y R5 forman un divisor de voltaje de polarización suministrado desde el colector de Q2. C2 pasa por alto R6 para aumentar la ganancia en las frecuencias de la señal.

  1. Simulé este circuito en MacSpice y encontré una ganancia de aproximadamente 250. Esto es comparable a una resistencia de colector de aproximadamente 12,5 kΩ (suponiendo una resistencia total del emisor de alrededor de 50 Ω en las frecuencias de la señal). Esperaba que la "carga activa" de la fuente de corriente en el colector de Q2 presentara una mayor impedancia y resultara en una mayor ganancia.

  2. Por otro lado, dado que estoy usando el colector de Q2 para suministrar el voltaje para el divisor de voltaje de polarización (una forma de retroalimentación negativa), podría haber esperado que la ganancia fuera aproximadamente (R4 + R5)/R5 ≈ 10. Específicamente, la ganancia de bucle abierto es 250, devuelvo el 10 % de la señal de salida a la base a través de la retroalimentación y la ecuación de ganancia da 250/(1+250*0,1) = 9,6 de ganancia esperada. ¿Qué tiene de malo esta lógica?

  3. ¿Cómo mejoraría en general este circuito para obtener una mayor ganancia, manteniéndose en una sola etapa usando solo transistores BJT?

Olvidé incluir en el diagrama, Vcc es 20V.
¿Cuáles son sus impedancias de fuente y carga? Su diseño depende profundamente de ambos. frecuencia de trabajo? También tienes elementos reactivos.
En general, no tiene mucho sentido intentar obtener una ganancia muy alta con un BJT. Hay muy pocas circunstancias en las que eso funcione sin que resulte una distorsión terrible o grave o que la alta ganancia se aplique de tal manera que la salida solo tenga una señal de salida muy pequeña (lo que significa que la entrada tiene que ser mucho más pequeña, aún). Simplemente no es útil. Si desea una ganancia alta pero constante, entonces también desea NFB. Y eso significa más de un dispositivo activo (BJT.)
@broken.eggshell ¿Cuáles son sus objetivos de diseño aquí? ¿Cuál es la impedancia de la fuente? ¿Cuál se espera que sea la entrada de pico a pico, descargada? ¿Qué impulsa este circuito?
En cuanto a Q2, consulte esta respuesta electronics.stackexchange.com/questions/537846/…
@broken.eggshell También debería haber preguntado qué es Vcc. Eso también es importante.
No puede pedir seriamente una mejora sin especificaciones de diseño o solo 1 transistor. Por favor, defina Zin, Zout, Av, THD y Pd max.
También defina f min
Me imagino una señal de audiofrecuencia de alrededor de 1uV, digamos, proveniente de un electret. Es solo un ejercicio, así que a decir verdad, no especifiqué la entrada tan claramente. En cuanto a las impedancias de entrada y salida, asumí (¿incorrectamente?) que podía ignorarlas por ahora porque siempre podía adjuntar seguidores o algo a cualquiera de los extremos.
Además, para aclarar un punto, solo quería intentar mantener una sola etapa de amplificador, no necesariamente un solo transistor. Tal como está, ya tengo dos.
@broken.eggshell Electrets vienen en al menos tres variedades: básicos sin ningún dispositivo activo (no tan común en estos días pero aún disponible), con una etapa JFET activa o algún IC de 2 hilos (muy común), y como un 3- Sistema IC de cable para un rendimiento aún mejor. Y no imagino que la realidad se limite a mi escasa experiencia. Es posible que haya más encarnaciones de las que he visto. ¿Está considerando solo el JFET activo de 2 hilos o la forma IC que es común? O cualquiera de los otros dos (¿desnudo o de 3 hilos?) Importa.

Respuestas (3)

Primero, algunos comentarios sobre el diagrama del circuito:

  1. La fuente de corriente depende del voltaje. Esto se puede mejorar sustituyendo R1 por 2 diodos de silicio conectados en serie, de modo que la corriente dependerá principalmente del valor de R3.
  2. Como ya se mencionó en los comentarios, la ganancia (así como el ancho de banda) depende de Rload y la retroalimentación negativa Rsource/R4.

Estos son los resultados (Fig. 1) con algunos valores modificados y la fuente de corriente resultante de aproximadamente 1 mA, simulando LTSpice: Figura 1a una frecuencia de 1 kHz, Vin = 1 mV sinusoidal y Rcarga: 1 M - ganancia 2500; 10k - 350; 1k - 40;

Puse sus nuevos valores en Spice y sigo obteniendo la misma ganancia. Es muy posible que mi circuito Spice esté mal, pero suponiendo que no lo esté, me hace preguntarme un poco sobre la precisión con la que Spice puede modelar circuitos como este. ¿Cuánto debería realmente confiar en él y confiar en él para los diseños? Además, ignorando las preguntas sobre si es deseable hacerlo, ¿es realmente posible una ganancia de 2500 para un amplificador BJT de una sola etapa?
@broken.eggshell No hay trampa, probé esquemas similares, todo es exactamente como en la simulación.
Acabo de echar otro vistazo a esto y, de hecho, hubo errores en mi circuito Spice. ¡Estoy usando un modelo 2N3906 para el pnp y obtengo una ganancia de> 2000!
@broken.eggshell Sí, es mi error, pero estos transistores son casi idénticos para este propósito. Por cierto, puede descartar R5 y omitir R6 y C2.
Interesante. Sin embargo, los errores fueron una mente ... Acababa de implementar su circuito incorrectamente. ¿Puedo preguntar cómo llegó a los valores para R4 y R5?
Primero eliges la corriente de colector dependiendo de si quieres un amplificador más económico o una carga de menor impedancia con una ganancia decente. El valor de R4 debe ser inversamente proporcional a esta corriente. Lo elige para mantener aproximadamente la mitad de Vcc en el colector Q1 para que pueda obtener la amplitud máxima sin distorsión. R4 admite automáticamente el régimen Q1 con retroalimentación de CC negativa y su valor no es crítico.

Suponiendo que su entrada de señal es una fuente de voltaje (impedancia cero) y no conectó ninguna carga en "fuera", esto es lo que tenemos:

Esperaba que la "carga activa" de la fuente de corriente en el colector de Q2 presentara una mayor impedancia y resultara en una mayor ganancia.

Su "carga activa" es algo negada por R4. Su colector Q2 ve algo menos de 154k de carga (en CA).

Podría haber esperado que la ganancia fuera aproximadamente (R4 + R5)/R5 ≈ 10.

Incorrecto también porque desde el punto de vista de la retroalimentación, su R5 está en paralelo con C1 y la fuente. A una frecuencia lo suficientemente alta, R4 no es una retroalimentación en absoluto.

Creo que entiendo tu primer punto, pero en Spice si ejecuto R4 desde una fuente de voltaje de 17 V en lugar de desde el colector, la ganancia cae a 28 en lugar de subir. Segundo punto que tengo menos claro. A frecuencias lo suficientemente altas, solo imagino a C1 como un cortocircuito y sin afectar el circuito.
No estoy exactamente seguro de qué sucede con el sesgo de CC de su colector Q2. En R4 a 17V Q2 probablemente se satura.

Simulé este circuito en MacSpice y encontré una ganancia de alrededor de 250 ?

Análisis de CA... Parece estar bien. Pero TRAN y DC Analysis parecen "raros".

(Su R3 = 1k8 debe ser 7k5 para un buen "punto de quietud de CC").

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Zin, Zout...

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Después de "remirar"... esto parece mejor. Zout = ~ 100k! (EE&O)

Prueba de análisis TRAN:

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Banda ancha:

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Impedancias Zin, Zout:

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Su primer punto es centrar el voltaje del colector de Q2 eligiendo apropiadamente R3... tiene sentido. Además, nunca se me ocurrió que podía obtener impedancias de entrada y salida directamente de Spice, por lo que aprender eso ya hizo que esta respuesta fuera útil. Creo que está proponiendo cambiar el circuito sin pasar por la resistencia del colector de Q1, pero no creo que entienda el beneficio de hacerlo.
Intenté ajustar el punto de silencio de CC cambiando solo (mi elección) la resistencia del emisor Q3. Pero ciertamente, hay otro medio de hacerlo. Dejé los 154 kOhm porque hace retroalimentación negativa para polarizar Q4 (todos los beneficios), pero no he medido la incidencia en QP cambiando su valor.
Tenga cuidado de que Zin y Zout tengan valores extraños.
Re "punto de reposo" : ¿No querrás decir " punto de reposo " ?
Sí, lo es. Mi "error" francés...
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