Projektowanie wzmacniacza BJT z pewnymi ograniczeniami

Próbuję zaprojektować wzmacniacz BJT na podstawie tego modelu:

Tam, gdzie parametr beta może wynosić od 100 do 800, napięcie między bazą a emiterem wynosi 0,6 (tryb aktywny), V t = 25 m $V_t = 25 mV$ a efekt wczesny można zignorować.

Można również przypuszczać, że kondensatory obejściowe działają po prostu jako zwarcie dla prądu przemiennego i obwód otwarty dla prądu stałego.

Istnieją trzy ograniczenia:

• Straty mocy statycznej <25 mW;
• Swing sygnału wyjściowego 6Vpp
• Maksymalny błąd 5% przy prądzie kolektora dla dowolnej zmiany w fazie beta

Udało mi się wykazać, że napięcie między kolektorem a emiterem wyniesie 3,2 V (przy użyciu informacji o zmianie sygnału), ale nie wiem, co dalej.

Edytować:

Obliczenia, które doprowadziły do :$V_{CE} = 3.2V$

Swing sygnału wyjściowego powoduje, że górna granica będzie wynosić + 3 V, a dolna granica będzie wynosić -3 V. Wzmacniacz albo odcina, albo nasyca. Obwód jest również układem liniowym, co oznacza, że ​​można zastosować twierdzenie o superpozycji. W dowolnym węźle napięcie będzie sumą napięcia polaryzacji (DC) i napięcia sygnału (AC). Tak więc, używając zmiany sygnału i zakładając symetryczne wyjście ( i to napięcia polaryzacyjne na kolektorze i emiterze):V $V_C$$V_E$

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

Pierwsze równanie mówi, że (stan odcięcia, bez prądu przepływającego tranzystora; ) pracujące z drugiego równania (przy założeniu, że minimalne napięcie kolektor jest co prowadzi do nasycenia):$I_C * R_C//R_L = 3V$$i_{R_C} = i_{R_L}$$V_E + 0.2V$

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

Najpierw przetłumacz specyfikacje na równania ograniczeń.

Do rozpraszania mocy statycznej:

Załóżmy na razie, że w najgorszym przypadkuβ=100.$I_{R2} \ge 10 \cdot I_B = \dfrac{I_C}{10}$$\beta = 100$

Prąd zasilania wynosi wtedy:

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

Ograniczenie mocy statycznej staje się wówczas:

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

Równanie stronniczości:

Równanie Odchylenie BJT jest:

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

Dla tego obwodu mamy:

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

$V_{EE} = 0V$

$V_{BE} = 0.6V$

$R_{BB} = R_1||R_2$

$R_{EE} = R_E$

Tak więc równanie polaryzacji dla tego obwodu jest następujące:

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

Teraz chcesz mniej niż 5% zmienności dla 100 ≤ β ≤ 800 . Po odrobinie algebry stwierdz, że wymaga to:$I_C$$100 \le \beta \le 800$

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

Huśtawka wyjściowa:

Dodatni poziom obcinania może być pokazany jako :

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

Ujemny poziom obcinania może być następujący:

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

Złóż to wszystko razem:

Wybierz na przykład a następnie:$I_C = 1mA$

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

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

Zatem i V B = 3,1 $V_E = 2.5V$$V_B = 3.1V$

Następnie,

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

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

Teraz sprawdź

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

Tak więc nie spełnia to równania ograniczenia stabilności uprzedzeń, które ustaliliśmy wcześniej.

$I_C$

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

$I_C$$2mA$

Rozwiązanie DC:

Sterowanie wzmacniaczem za pomocą fali sinusoidalnej 500 mV 1 kHz:

$I_C$$\beta$

Ponieważ jest to zadanie akademickie, pozwól, że dam ci trochę wskazówek, a nie pełną odpowiedź.

Wzmacniacz, o którym mowa, to wzmacniacz wspólnego emitera. Krótki przegląd i podstawowe równania dla tego wzmacniacza można znaleźć tutaj .

Zobaczmy teraz, czego należy szukać, aby spełnić wszystkie ograniczenia.

Straty mocy statycznej:

$R_1$$R_2$

Jeśli powyższe ograniczenie jest spełnione, znasz wartość napięcia na terminalu bazowym. Obliczanie napięcia emitera jest proste.

Wartości tych rezystorów będą czasami wystarczająco wysokie, aby moc statyczna pobierana przez ten dzielnik napięcia była nieznaczna. Uważam, że ten warunek obowiązuje w tej konfiguracji, ale jeśli podejmiesz takie założenie, musisz sprawdzić jego ważność po rozwiązaniu pytania.

Dodatkowa ścieżka prądu stałego to:

$P=IV$$R_C$$R_E$

Dodaj dwa wkłady razem.

Zmiana napięcia wyjściowego:

Musisz upewnić się, że napięcie wyjściowe może oscylować w zakresie 6 Vpp. Najprostsze ograniczenia napięcia stałego kolektora wynikające z tego wymogu to:

$V_{BE}$

$V_{CE}$

$\beta$

$\beta$

$\beta$

Streszczenie:

To bardzo interesujący i złożony problem. Nie jestem pewien, czy istnieje metoda analityczna, która pozwala całkowicie spełnić wszystkie ograniczenia. Zacznij od zaspokojenia ich jeden po drugim, a następnie wróć i zmień parametry, gdy znajdziesz ślepy zaułek. Wierzę, że skończysz po 2-3 iteracjach, chociaż sam nie rozwiązałem tego pytania.

Powodzenia