Entwerfen eines BJT-Verstärkers unter Berücksichtigung einiger Einschränkungen

Ich versuche, einen BJT-Verstärker nach diesem Modell zu entwerfen: Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn der Beta-Parameter von 100 bis 800 variieren kann, beträgt die Spannung zwischen Basis und Emitter 0,6 (aktiver Modus), $V_t = 25 mV$ und der frühe Effekt kann ignoriert werden.

Es kann auch angenommen werden, dass die Bypass-Kondensatoren einfach als Kurzschluss für Wechselstrom und Unterbrechung für Gleichstrom wirken.

Es gibt drei Einschränkungen:

Statische Verlustleistung <25 mW;
Ausgangssignalschwung von 6Vpp
Maximaler Fehler von 5% am Kollektorstrom für jede Variation in der Beta

Ich konnte zeigen, dass die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter 3,2 V beträgt (unter Verwendung der Signalwechselinformationen), aber ich weiß nicht, was ich als nächstes tun soll.

Bearbeiten:

Berechnung, die zu : $V_{CE} = 3.2V$

Der Ausgangssignalhub ergibt, dass die Obergrenze + 3 V und die Untergrenze -3 V beträgt. Der Verstärker wird entweder abgeschaltet oder gesättigt. Die Schaltung ist auch ein lineares System, was bedeutet, dass der Überlagerungssatz verwendet werden kann. An jedem Knoten ist die Spannung die Summe aus der Polarisationsspannung (DC) und der Signalspannung (AC). Verwenden Sie also den Signalhub und nehmen Sie einen symmetrischen Ausgang an ( und sind die Polarisationsspannungen am Colletor und am Emitter): $V_C$ $V_E$

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

Die erste Gleichung besagt, dass (Abschaltbedingung, kein Strom tritt in den Transistor ein; ) und mit der zweiten Gleichung arbeitet (vorausgesetzt, die minimale Kollektorspannung ist was zur Sättigung führt): $I_C * R_C//R_L = 3V$ $i_{R_C} = i_{R_L}$ $V_E + 0.2V$

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

amplifier bjt

— Thiago
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Als nächstes simulieren Sie das Ding und spielen mit Teilewerten, bis Sie das gewünschte Verhalten erhalten.

— Kaz

Hat Ihr Lehrer nicht einige Gleichungen und ein Verfahren zur Lösung dieses Problems angegeben? Gibt es ein konzeptionelles Problem, mit dem Sie zu kämpfen haben?

— Joe Hass

Zeigen Sie bitte die Berechnung, die zu

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE}=3.2V$

— Vasiliy

Die Berechnung für

hinzugefügt . Mein Lehrer hat die Gleichungen und Modelle zur Analyse von Transistorschaltungen bereitgestellt, aber nicht genau, wie ein solches Problem gelöst werden kann. Ich soll es nicht simulieren.

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE} = 3.2V$

— Thiago

Antworten:

Übersetzen Sie zunächst die Spezifikationen in Einschränkungsgleichungen.

Für die statische Verlustleistung:

Nehmen wir vorerst an, dass für den schlimmsten Fall. $I_{R2} \ge 10 \cdot I_B = \dfrac{I_C}{10}$ $\beta = 100$

Der Versorgungsstrom ist dann:

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

Die statische Leistungsbeschränkung wird dann:

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

Die Bias-Gleichung:

Die BJT-Bias-Gleichung lautet:

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

Für diese Schaltung haben wir:

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

$V_{EE} = 0V$

$V_{BE} = 0.6V$

$R_{BB} = R_1||R_2$

$R_{EE} = R_E$

Die Vorspannungsgleichung für diese Schaltung lautet also:

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

$I_C$ $100 \le \beta \le 800$

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

Ausgangsschwung:

Der positive Clipping-Level kann wie folgt angezeigt werden :

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

Es kann gezeigt werden, dass der negative Clipping-Level ungefähr:

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

Alles zusammen:

$I_C = 1mA$

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

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

$V_E = 2.5V$ $V_B = 3.1V$

Dann,

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

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

Jetzt überprüfen

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

Dies entspricht also nicht der zuvor festgelegten Gleichung für die Vorspannungsstabilitätsbeschränkung.

$I_C$

$I_C < 2.25mA$ $I_{R2} = 20 \cdot I_B$

$I_C$ $2mA$

Die DC-Lösung:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ansteuern des Verstärkers mit einer 500 mV 1 kHz Sinuswelle:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

$I_C$ $\beta$

— Alfred Centauri
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R_{E}

$R_E$

R_{3}

$R_3$

R_{E}

$R_E$

I_{E} R_{E}

$I_E R_E$

Gleichspannung ja, aber in Bezug auf Spannungshub meinen Sie Wechselspannungen, nein?

— Vasiliy

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

$v^-_O = (I_E R_E) + V_{CEsat} - (V^+ - I_C R_C)$ Der erste Term rechts ist die Gleichspannung am Emitter-Bypass-Kondensator. Der letzte Term rechts ist die Gleichspannung am Ausgangskopplungskondensator. Für die Berechnung des Begrenzungspegels wird angenommen, dass die Kopplungskondensatoren durch Batterien ersetzt werden können, dh, dass es sich um Wechselstromkurzschlüsse mit einer Gleichspannung handelt.

— Alfred Centauri

Ich vermisse deinen Standpunkt. Ich werde versuchen, das später noch einmal zu lesen - vielleicht verstehe ich es dann. Thx

— Vasiliy

Da dies eine akademische Aufgabe ist, möchte ich Ihnen eher eine Anleitung als eine vollständige Antwort geben.

Der fragliche Verstärker ist ein Common-Emitter-Verstärker. Eine kurze Übersicht und Grundgleichungen für diesen Verstärker finden Sie hier .

Nun wollen wir sehen, wonach Sie suchen sollten, um alle Einschränkungen zu erfüllen.

Statische Verlustleistung:

$R_1$ $R_2$

(β + 1) R_{E} >> R_{1} | | R_{2}

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

Wenn die obige Bedingung erfüllt ist, kennen Sie den Wert der Spannung an der Basisklemme. Die Berechnung der Emitterspannung ist unkompliziert.

Die Werte dieser Widerstände sind manchmal hoch genug, damit die von diesem Spannungsteiler aufgenommene statische Leistung vernachlässigbar ist. Ich glaube, dass diese Bedingung in dieser Konfiguration gilt. Wenn Sie diese Annahme treffen, müssen Sie ihre Gültigkeit überprüfen, nachdem Sie die Frage gelöst haben.

Zusätzlicher Gleichstrompfad ist:

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

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

$P=IV$ $R_C$ $R_E$

Addieren Sie die beiden Beiträge.

Ausgangsspannungshub:

Sie müssen sicherstellen, dass die Ausgangsspannung 6 Vss schwingen kann. Die einfachsten Einschränkungen für die Gleichspannung des Kollektors, die sich aus dieser Anforderung ergeben, sind:

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}

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

$V_{BE}$

$V_{CE}$

$\beta$

$\beta$

Zusammenfassung:

Dies ist ein sehr interessantes und komplexes Problem. Ich bin mir nicht sicher, ob es eine Analysemethode gibt, mit der alle Einschränkungen insgesamt erfüllt werden können. Beginnen Sie damit, sie nacheinander zu befriedigen, und ändern Sie die Parameter, wenn Sie auf eine Sackgasse stoßen. Ich glaube, Sie sind nach 2-3 Iterationen fertig, obwohl ich die Frage nicht selbst gelöst habe.

Viel Glück

— Vasiliy
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@Vasily ist die Einschränkung der Variation des DC-Kollektorstroms.

— Alfred Centauri