Progettare un amplificatore BJT dato alcuni vincoli

Sto cercando di progettare un amplificatore BJT seguendo questo modello: inserisci qui la descrizione dell'immagine

Laddove il parametro beta può variare da 100 a 800, la tensione tra la base e l'emettitore è pari a 0,6 V (modalità attiva), e l'effetto iniziale può essere ignorato. $V_t = 25 mV$

Si può anche supporre che i condensatori di bypass fungano semplicemente da cortocircuito per CA e circuito aperto per CC.

Esistono tre vincoli:

Dissipazione di potenza statica <25mW;
Oscillazione del segnale di uscita di 6 Vpp
Errore massimo del 5% alla corrente del collettore per qualsiasi variazione in beta

Sono stato in grado di dimostrare che la tensione tra il collettore e l'emettitore sarà di 3,2 V (utilizzando le informazioni sull'oscillazione del segnale), ma non so cosa fare dopo.

Modificare:

Calcolo che ha portato a : $V_{CE} = 3.2V$

L'oscillazione del segnale di uscita produce che il limite superiore sarà + 3V e il limite inferiore sarà -3V. L'amplificatore può essere disattivato o saturato. Inoltre, il circuito è un sistema lineare, il che significa che può essere utilizzato il teorema di sovrapposizione. In qualsiasi nodo, la tensione sarà la somma della tensione di polarizzazione (CC) e della tensione del segnale (CA). Quindi, usando l'oscillazione del segnale e supponendo un'uscita simmetrica ( e sono le tensioni di polarizzazione sul collettore e sull'emettitore): $V_C$ $V_E$

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

$I_C * R_C//R_L = 3V$ $i_{R_C} = i_{R_L}$ $V_E + 0.2V$

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

amplifier bjt

— Thiago
fonte

Successivamente, simuli la cosa e giochi con i valori delle parti fino a ottenere il comportamento che desideri.

— Kaz,

Il tuo istruttore non ha fornito alcune equazioni e una procedura per risolvere questo? C'è qualche problema concettuale con cui stai lottando?

— Joe Hass,

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE}=3.2V$

V_{C E} = 3.2 V

$V_{CE} = 3.2V$

Risposte:

Innanzitutto, traduci le specifiche in equazioni di vincolo.

Per la dissipazione di potenza statica:

$I_{R2} \ge 10 \cdot I_B = \dfrac{I_C}{10}$ $\beta = 100$

La corrente di alimentazione è quindi:

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

Il vincolo di potenza statica diventa quindi:

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

L'equazione di polarizzazione:

L' equazione di polarizzazione BJT è:

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

Per questo circuito, abbiamo:

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

$V_{EE} = 0V$

$V_{BE} = 0.6V$

$R_{BB} = R_1||R_2$

$R_{EE} = R_E$

Quindi, l'equazione di polarizzazione per questo circuito è:

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

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

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

Altalena in uscita:

Il livello di clipping positivo può essere indicato come :

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

Il livello di clipping negativo può essere indicato per:

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

Metti tutto insieme:

$I_C = 1mA$

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

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

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

Poi,

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

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

Adesso controlla

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

Quindi, questo non soddisfa l'equazione del vincolo di stabilità di polarizzazione che abbiamo stabilito in precedenza.

$I_C$

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

$I_C$ $2mA$

La soluzione DC:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Guidare l'amplificatore con un'onda sinusoidale da 500 mV 1 kHz:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

$I_C$ $\beta$

— Alfred Centauri
fonte

R_{E}

$R_E$

R_{3}

$R_3$

R_{E}

$R_E$

I_{E} R_{E}

$I_E R_E$

Tensione CC sì, ma per oscillazione di tensione intendi tensioni CA, no?

— Vasiliy,

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

$v^-_O = (I_E R_E) + V_{CEsat} - (V^+ - I_C R_C)$ Il primo termine a destra è la tensione CC attraverso il condensatore di bypass dell'emettitore. L'ultimo termine a destra è la tensione CC attraverso il condensatore di accoppiamento in uscita. Per i calcoli del livello di clipping, si presume che i condensatori di accoppiamento possano essere sostituiti da batterie, vale a dire che si tratta di cortocircuiti CA con una tensione continua CC.

— Alfred Centauri,

Mi manca il tuo punto. Proverò a rileggerlo più tardi - forse allora capirò. Thx

— Vasiliy,

Dal momento che questo è un compito accademico, lascia che ti dia una guida piuttosto che una risposta completa.

L'amplificatore in questione è un amplificatore a emettitore comune. Puoi trovare una breve panoramica ed equazioni di base per questo amplificatore qui .

Ora, vediamo cosa dovresti cercare per soddisfare tutti i vincoli.

Dissipazione di potenza statica:

$R_1$ $R_2$

(β + 1) R_{E} >> R_{1} | | R_{2}

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

Se il vincolo sopra è soddisfatto, si conosce il valore della tensione sul terminale di base. Il calcolo della tensione dell'emettitore è semplice.

I valori di questi resistori a volte saranno abbastanza alti da rendere trascurabile la potenza statica assorbita da questo divisore di tensione. Credo che questa condizione valga in questa configurazione, anche se se si assume questo presupposto è necessario verificarne la validità dopo aver risolto la domanda.

Il percorso corrente CC aggiuntivo è:

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

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

$P=IV$ $R_C$ $R_E$

Aggiungi i due contributi insieme.

Oscillazione della tensione di uscita:

È necessario assicurarsi che la tensione di uscita possa oscillare di 6 Vpp. I vincoli più semplici sulla tensione CC del collettore che seguono da questo requisito sono:

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}

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

$V_{BE}$

$V_{CE}$

$\beta$

$\beta$

Sommario:

Questo è un problema molto interessante e complesso. Non sono sicuro che esista un metodo analitico che consenta di soddisfare tutti i vincoli. Inizia soddisfacendoli uno dopo l'altro e torna indietro e modifica i parametri quando incontri un vicolo cieco. Credo che avrai finito dopo 2-3 iterazioni anche se non ho risolto la domanda da solo.

In bocca al lupo

— Vasiliy
fonte

@Vasily, il vincolo è sulla variazione della corrente del collettore DC.

— Alfred Centauri,