Разработка усилителя BJT с учетом некоторых ограничений

12

Я пытаюсь разработать усилитель BJT, следуя этой модели: введите описание изображения здесь

Если бета-параметр может варьироваться от 100 до 800, напряжение между базой и эмиттером равно 0,6 В (активный режим), и ранний эффект может игнорироваться.ВTзнак равно25мВ

Можно также предположить, что обводные конденсаторы просто действуют как короткое замыкание для переменного тока и разомкнутая цепь для постоянного тока.

Есть три ограничения:

  • Рассеивание статической мощности <25 мВт;
  • Колебание выходного сигнала 6Vpp
  • Максимальная погрешность 5% при токе коллектора для любого изменения в бета

Мне удалось показать, что напряжение между коллектором и эмиттером будет 3,2 В (с использованием информации о колебании сигнала), но я не знаю, что делать дальше.

Редактировать:

Расчет, который привел к :ВСЕзнак равно3,2В

Размах выходного сигнала дает то, что верхний предел будет + 3В, а нижний предел будет -3В. Усилитель будет либо отключен, либо насыщен. Кроме того, схема представляет собой линейную систему, что означает, что можно использовать теорему суперпозиции. В любом узле напряжение будет суммой напряжения поляризации (DC) и напряжения сигнала (AC). Итак, используя колебание сигнала и допуская симметричный выход ( и V E - напряжения поляризации на коллекторе и эмиттере):ВСВЕ

ВсмaИксзнак равноВС+3Взнак равноВС+vомaИксзнак равноВС+яС*рС//рLВсмяNзнак равноВС-3В

Первое уравнение говорит, что (условие отсечки, ток не поступает на транзистор; i R C = i R L ) и работает со вторым уравнением (при условии, что минимальное напряжение коллектора составляет V E + 0,2 В, что приводит к насыщению):яС*рС//рLзнак равно3ВярСзнак равноярLВЕ+0.2В

ВсмяNзнак равноВС-3Взнак равноВЕ+0.2ВВС-ВЕзнак равно3В+0.2ВВСЕзнак равно3,2В

Тьяго
источник
2
Затем вы моделируете вещь и играете со значениями деталей, пока не получите желаемое поведение.
Каз
3
Разве ваш инструктор не предоставил некоторые уравнения и процедуру для решения этой проблемы? Есть ли какая-то концептуальная проблема, с которой вы боретесь?
Джо Хасс
Покажите расчет, который привел к Пожалуйста. ВСЕзнак равно3,2В
Василий
Добавлен расчет для . Мой инструктор предоставил уравнения и модели, используемые для анализа транзисторных схем, но не совсем точно, как решить такую ​​проблему. Я не должен имитировать это. ВСЕзнак равно3,2В
Тиаго

Ответы:

6

Сначала переведите спецификации в уравнения ограничений.

Для рассеивания статической мощности:

Предположим пока, что для наихудшего случаяβ=100.яр210яВзнак равнояС10βзнак равно100

Ток питания тогда:

япSзнак равнояС+11яВзнак равно1,11яС

Тогда ограничение статической мощности становится:

яС<25мW1,1110Взнак равно2,25мA

Уравнение смещения:

Уравнение смещения BJT имеет вид:

яСзнак равноВВВ-ВЕЕ-ВВЕрВВβ+рЕЕα

Для этой схемы имеем:

ВВВзнак равно10Вр2р1+р2

ВЕЕзнак равно0В

ВВЕзнак равно0.6В

рВВзнак равнор1||р2

рЕЕзнак равнорЕ

Итак, уравнение смещения для этой схемы:

яСзнак равно10Вр2р1+р2-0.6Вр1||р2β+рЕα

Теперь вы хотите, чтобы изменение составило менее 5% для 100 β 800 . После небольшого количества алгебры, найдите, что это требует:яС100β800

рЕ>0,165р1||р2

Выходной свинг:

Можно показать, что положительный уровень отсечения :

vО+знак равно3Взнак равнояСрС||рL

Можно показать, что отрицательный уровень отсечения составляет:

vО-знак равно-3Взнак равнояС(рС+рЕ)-9,8В6,8Взнак равнояС(рЕ+рС)

Положите все это вместе:

яСзнак равно1мA

рС||10КΩзнак равно3КΩрСзнак равно4,3КΩ

рЕ+рСзнак равно6,8КΩрЕзнак равно2.5КΩ

ВЕзнак равно2.5ВВВзнак равно3,1В

Затем,

р2знак равноВВ10яВзнак равно3,1В100μAзнак равно31КΩ

р1знак равно10-ВВ11яВзнак равно6,9110μAзнак равно62,7КΩ

Теперь проверь

0,165р1||р2знак равно3,42КΩ>рЕ

Таким образом, это не соответствует уравнению ограничения устойчивости смещения, которое мы установили ранее.

яС

яС<2,25мAяр2знак равно20яВ


Поскольку правильность приведенных выше вычислений уровня отсечения была поставлена ​​под сомнение, я смоделировал схему, используя значения, рассчитанные из приведенного выше, за исключением того, что яС2мA

Решение DC:

введите описание изображения здесь

Управление усилителем с синусоидальным сигналом 500 мВ 1 кГц:

введите описание изображения здесь

яСβ

Альфред Центавра
источник
рЕр3
рЕ яЕрЕ
Напряжение постоянного тока да, но что касается колебания напряжения, вы имеете в виду переменное напряжение, нет?
Василий
vО-знак равно(яЕрЕ)+ВСЕsaT-(В+-яСрС) Первый член справа - это напряжение постоянного тока на обводном конденсаторе эмиттера. Последний член справа - это напряжение постоянного тока на выходе конденсатора связи. Для вычислений уровня ограничения предполагается, что конденсаторы связи могут быть заменены батареями, то есть они являются короткими замыканиями переменного тока с постоянным напряжением поперек.
Альфред Центавра
Я скучаю по твоей точке зрения. Я попробую прочитать это позже - может быть, тогда я пойму. Спасибо
Василий
6

Поскольку это академическая задача, позвольте мне дать вам несколько советов, а не полный ответ.

Данный усилитель является усилителем с общим излучателем. Вы можете найти краткий обзор и основные уравнения для этого усилителя здесь .

Теперь давайте посмотрим, что вы должны искать, чтобы удовлетворить все ограничения.

Рассеиваемая статическая мощность:

р1р2

(β+1)рЕ>>р1||р2

Если вышеуказанное ограничение выполнено, вы знаете значение напряжения на базовой клемме. Расчет напряжения эмиттера не вызывает затруднений.

Значения этих резисторов иногда могут быть достаточно высокими, чтобы статическая мощность, потребляемая этим делителем напряжения, была незначительной. Я считаю, что это условие выполняется в этой конфигурации, хотя, если вы сделаете это предположение, вы должны проверить его правильность после решения вопроса.

Дополнительный путь постоянного тока:

повесерsUппLYрСQ1рЕграммNd

пзнак равнояВрСрE .

Добавьте два вклада вместе.

Размах выходного напряжения:

Вы должны убедиться, что выходное напряжение может колебаться 6Vpp. Наиболее простыми ограничениями постоянного напряжения коллектора, вытекающими из этого требования, являются:

ВС>ВЕ+ВВЕ+Впп2

aNd

ВС<ВСС-Впп2

ВВЕ

ВСЕ

β :

β

β

Резюме:

Это очень интересная и сложная проблема. Я не уверен, что существует аналитический метод, который позволяет полностью удовлетворить все ограничения. Начните удовлетворять их один за другим, возвращайтесь и изменяйте параметры, когда вы попадаете в тупик. Я полагаю, что вы закончите после 2-3 итераций, хотя я сам не решил вопрос.

Удачи

Василий
источник
@ Василий, ограничение на изменение тока коллектора постоянного тока.
Альфред Центавра