Diseñar un amplificador BJT dadas algunas restricciones

Estoy tratando de diseñar un amplificador BJT siguiendo este modelo: ingrese la descripción de la imagen aquí

Cuando el parámetro beta puede variar de 100 a 800, el voltaje entre la base y el emisor es igual a 0.6V (modo activo), y se puede ignorar el efecto temprano. $V_t = 25 mV$

También se puede suponer que los condensadores de derivación simplemente actúan como un cortocircuito para CA y un circuito abierto para CC.

Hay tres restricciones:

Disipación de potencia estática <25 mW;
Oscilación de señal de salida de 6Vpp
Error máximo del 5% en la corriente del colector para cualquier variación en beta

He podido demostrar que el voltaje entre el colector y el emisor será de 3.2V (usando la información de oscilación de la señal), pero no sé qué hacer a continuación.

Editar:

Cálculo que condujo a : $V_{CE} = 3.2V$

La oscilación de la señal de salida produce que el límite superior será + 3V y el límite inferior será -3V. El amplificador se cortará o se saturará. Además, el circuito es un sistema lineal, lo que significa que se puede utilizar el teorema de superposición. En cualquier nodo, el voltaje será la suma del voltaje de polarización (DC) y el voltaje de la señal (AC). Entonces, usando la oscilación de la señal y suponiendo una salida simétrica ( y son los voltajes de polarización en el colector y el emisor): $V_C$ $V_E$

$V_{cmax} = V_C + 3V = V_C + v_{omax} = V_C + I_C * R_C//R_L\\ V_{cmin} = V_C - 3V$

La primera ecuación dice que (condición de corte, no entra corriente al transistor; ) y opera con la segunda ecuación (suponiendo que el voltaje mínimo del colector es que conduce a la saturación): $I_C * R_C//R_L = 3V$ $i_{R_C} = i_{R_L}$ $V_E + 0.2V$

$V_{cmin} = V_C - 3V = V_E + 0.2V \rightarrow V_C - V_E = 3V + 0.2V \rightarrow V_{CE} = 3.2V$

amplifier bjt

— Thiago
fuente

Luego, simulas la cosa y juegas con valores parciales hasta que obtienes el comportamiento que deseas.

— Kaz

¿Su instructor no le proporcionó algunas ecuaciones y un procedimiento para resolver esto? ¿Hay algún problema conceptual con el que estés luchando?

— Joe Hass

Muestre el cálculo que condujo a por favor.

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE}=3.2V$

— Vasiliy

Se agregó el cálculo para . Mi instructor proporcionó las ecuaciones y los modelos utilizados para analizar los circuitos de transistores, pero no exactamente cómo resolver dicho problema. Se supone que no debo simularlo.

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE} = 3.2V$

— Thiago

Respuestas:

Primero, traduzca las especificaciones en ecuaciones de restricción.

Para la disipación de energía estática:

Supongamos, por ahora, que para el peor de los casos . $I_{R2} \ge 10 \cdot I_B = \dfrac{I_C}{10}$ $\beta = 100$

La corriente de suministro es entonces:

$I_{PS} = I_C + 11 \cdot I_B = 1.11 \cdot I_C$

La restricción de energía estática se convierte en:

$\rightarrow I_C < \dfrac{25mW}{1.11 \cdot 10V} = 2.25mA$

La ecuación de sesgo:

La ecuación de sesgo BJT es:

$I_C = \dfrac{V_{BB} - V_{EE} - V_{BE}}{\frac{R_{BB}}{\beta} + \frac{R_{EE}}{\alpha}}$

Para este circuito, tenemos:

$V_{BB} = 10V \dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$

$V_{EE} = 0V$

$V_{BE} = 0.6V$

$R_{BB} = R_1||R_2$

$R_{EE} = R_E$

Entonces, la ecuación de sesgo para este circuito es:

$I_C = \dfrac{10V \frac{R_2}{R_1 + R_2} - 0.6V}{\frac{R_1||R_2}{\beta} + \frac{R_E}{\alpha}}$

Ahora, desea menos del 5% de variación en para . Después de un poco de álgebra, descubra que esto requiere: $I_C$ $100 \le \beta \le 800$

$\rightarrow R_E > 0.165 \cdot R_1||R_2$

Oscilación de salida:

Se puede demostrar que el nivel de recorte positivo es :

$v^+_O = 3V = I_C \cdot R_C||R_L$

Se puede demostrar que el nivel de recorte negativo se trata de:

$v^-_O = -3V = I_C(R_C + R_E) - 9.8V \rightarrow 6.8V = I_C(R_E + R_C)$

Pon todo esto junto:

Elija, por ejemplo, luego: $I_C = 1mA$

$R_C||10k\Omega = 3k\Omega \rightarrow R_C = 4.3k\Omega$

$R_E + R_C = 6.8k\Omega \rightarrow R_E = 2.5k\Omega$

Por lo tanto, y $V_E = 2.5V$ $V_B = 3.1V$

Entonces,

$R_2 = \dfrac{V_B}{10 \cdot I_B} = \dfrac{3.1V}{100\mu A} = 31k\Omega$

$R_1 = \dfrac{10 - V_B}{11 \cdot I_B} = \dfrac{6.9}{110\mu A} = 62.7k\Omega$

Revisa ahora

$0.165 \cdot R_1||R_2 = 3.42k \Omega > R_E$

Entonces, esto no cumple con la ecuación de restricción de estabilidad de sesgo que establecimos anteriormente.

Así que repita esto (¡use una hoja de cálculo!) Con más hasta que haya cumplido la ecuación de restricción de estabilidad de sesgo. $I_C$

Si no puede cumplir la restricción con , es posible que necesite aumentar la corriente a través del divisor de voltaje base, por ejemplo, y trabajar nuevamente a través de la restricción de potencia estática. $I_C < 2.25mA$ $I_{R2} = 20 \cdot I_B$

$I_C$ $2mA$

La solución DC:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Conducción del amplificador con una onda sinusoidal de 500 mV 1 kHz:

ingrese la descripción de la imagen aquí

$I_C$ $\beta$

— Alfred Centauri
fuente

R_{E}

$R_E$

R_{3}

$R_3$

R_{E}

$R_E$

I_{E} R_{E}

$I_E R_E$

Tensión de CC sí, pero con respecto a la oscilación de tensión, se refiere a tensiones de CA, ¿no?

— Vasiliy

v_{O}^{-} = (I_{E} R_{E}) + V_{C E s a t} - (V^{+} - I_{C} R_{C})

$v^-_O = (I_E R_E) + V_{CEsat} - (V^+ - I_C R_C)$ El primer término a la derecha es el voltaje de CC a través del condensador de derivación del emisor. El último término a la derecha es el voltaje de CC a través del condensador de acoplamiento de salida. Para los cálculos de nivel de recorte, se supone que los condensadores de acoplamiento se pueden reemplazar por baterías, es decir, que son cortocircuitos de CA con un voltaje de CC.

— Alfred Centauri

Me estoy perdiendo tu punto. Intentaré leer esto nuevamente más tarde, tal vez luego lo entienda. Thx

— Vasiliy

Dado que esta es una tarea académica, déjame darte una guía en lugar de una respuesta completa.

El amplificador en cuestión es un amplificador de emisor común. Puede encontrar una breve descripción general y ecuaciones básicas para este amplificador aquí .

Ahora, veamos qué debe buscar para satisfacer todas las restricciones.

Disipación de energía estática:

$R_1$ $R_2$

(β + 1) R_{E} >> R_{1} | | R_{2}

$(\beta +1)R_E >> R_1||R_2$

Si se cumple la restricción anterior, conoce el valor del voltaje en el terminal base. Calcular el voltaje del emisor es sencillo.

Los valores de estas resistencias a veces serán lo suficientemente altos como para que la potencia estática obtenida por este divisor de voltaje sea insignificante. Creo que esta condición se cumple en esta configuración, aunque si hace esta suposición, debe verificar su validez después de resolver la pregunta.

La ruta de corriente DC adicional es:

p o w e r s u p p l y \to R_{C} \to Q_{1} \to R_{E} \to g n d

$power supply \rightarrow R_C \rightarrow Q_1 \rightarrow R_E \rightarrow gnd$

$P=IV$ $R_C$ $R_E$

Suma las dos contribuciones juntas.

Voltaje de salida oscilante:

Debe asegurarse de que el voltaje de salida pueda oscilar 6Vpp. Las restricciones más directas sobre el voltaje de CC del colector que se derivan de este requisito son:

V_{C} > V_{E} + V_{B E} + \frac{V p p}{2}

$V_C>V_{E}+V_{BE}+\frac{Vpp}{2}$

a n d

$and$

V_{C} < V_{C C} - \frac{V p p}{2}

$V_C<V_{CC}-\frac{Vpp}{2}$

$V_{BE}$

Además, por lo general, desea evitar que vaya demasiado bajo para que el transistor ingrese a la saturación. Entrando en la saturación causando una distorsión grave de la señal de salida. Aunque puede ignorar esta restricción si aún no ha aprendido esto. $V_{CE}$

Corriente de colector de CA en función de : $\beta$

Dibuje el modelo de señal pequeña del amplificador y obtenga la ecuación que relaciona la corriente del colector con todos los parámetros relevantes del problema. Verifique los parámetros que pueden minimizar el error debido a la variación en . $\beta$

$\beta$

Resumen:

Este es un problema muy interesante y complejo. No estoy seguro de que haya un método analítico que permita satisfacer todas las restricciones por completo. Comience satisfaciéndolos uno tras otro, y regrese y cambie los parámetros cuando encuentre un callejón sin salida. Creo que habrá terminado después de 2-3 iteraciones, aunque yo mismo no resolví la pregunta.

Buena suerte

— Vasiliy
fuente

@Vasily, la restricción está en la variación de la corriente del colector DC.

— Alfred Centauri