Design von Transistorverstärkern

Ich muss einen gemeinsamen Emitterverstärker für mein nächstes Elektroniklabor entwerfen.CE-Verstärker

Spezifikationen sind die folgenden:

  1. 1 mA Kollektorstrom
  2. Lastwiderstand von 1k Ohm
  3. Spannungsverstärkung von 10

Für 1mA,

β = 185
laut Datenblatt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, habe ich ein Gleichungssystem erstellt, um die Werte der Widerstände zu erhalten. Zuerst habe ich die Biasing-Loop-Gleichung geschrieben:
15   v = 10 − 3 R C + 185 + 1 185 10 − 3 R E + 10   v
Wo ich gewählt habe
v C E = 10.
Vereinfachend erhalte ich:
R C + 1.005 R E = 5000
Als nächstes schrieb ich die Gleichung für die Verstärkerverstärkung des gemeinsamen Emitters und setzte sie mit -10 gleich.
− β   R C ∥ R L R π + ( β + 1 ) R E = − 10
Wo
R π = v T ICH B = 26  mV 5.405   μ A = 4810   Ω

Durch Ersetzen der Werte erhalte ich folgende Gleichung:

185 1000 R C 1000 + R C 4810 + 186 R E = 10
Mit Maple erhielt ich:
R C = 4942.8   Ω , R E = 56.86   Ω

Für den Rest der Widerstände habe ich die Spannungsteilerverhältnisse zum Vorspannen verwendet, erhalten

R B B 1 = 20797   Ω , R B B 2 = 1114   Ω .
Dann habe ich in LTspice folgende Schaltung simuliert:LTspice-Schaltung

Für die Verstärkung erhalte ich ungefähr 11,184, was innerhalb der Fehlergrenze liegt. Das Problem ist, wenn ich den DC-Arbeitspunkt des Kollektorstroms messe, messe ich 1,6 mA statt 1. Ich stecke irgendwie fest, ich weiß nicht, wo ich einen Fehler gemacht habe.

Ich rate Ihnen dringend, Ihre Präzision zu verringern, also nicht R2 = 56,86 Ohm, sondern R2 = 56 Ohm. 2 Ziffern sind im Allgemeinen ausreichend. In der Elektronik sind nur wenige Komponenten auf 0,1 % genau. Die meisten haben eine Toleranz von 10 %. Auch eine Verstärkung von 11,184, machen Sie diese Verstärkung = 11. Sie sollten Ihren DC-Arbeitspunkt überprüfen. R4 sieht für mich zu niedrig aus , was die Basisspannung zu niedrig macht, sodass fast kein Strom durch Q1 und R1, R2 fließt.
Ich schlage vor, dass Sie einen Blick auf: electronic-tutorials.ws/amplifier/amp_2.html werfen , um zu sehen, wie die gemeinsame Emitterschaltung dimensioniert wird.
3904-Transistoren, und die meisten BJT-Transistoren wirklich, haben fantastisch große Verstärkungsbereiche. Wenn Sie einen anderen 3904 verwenden, erhalten Sie ein SEHR anderes Ergebnis, wenn alle anderen gleich sind. In der Praxis würden wir für die Massenproduktion normalerweise eine Rückkopplung verwenden, die die meisten Besonderheiten des Transistors aus ihm herausnimmt, und die Schaltung wird von den stabileren Widerständen und Kondensatoren abhängig. (Hier gibt es ein KLEINES Feedback von R2, aber es ist nicht annähernd das, was erforderlich wäre, um die Abweichung zu negieren.) In Ihrem Fall erstellen Sie EINE, sodass Sie die Schaltung im Labor entsprechend anpassen können.
Ich stimme allem zu, was @KyleB sagt. Berechnungen bringen Sie in den Bereich, aber Abweichungen in 𝜷 bedeuten, dass die tatsächlichen Zahlen abweichen. Erhöhen Sie R2 für mehr Feedback, wenn Sie möchten.
@Bimpelrekkie Ich darf die Emitterwiderstands-Parallelkondensatormethode nicht verwenden, daher muss ich die Q-Punkt-Stabilität opfern, um die gewünschte Verstärkung zu erzielen.

Antworten (2)

Wählen Sie immer Rc <= als Rload, damit der Transistor niemals an Ic-Strom leidet. Andernfalls erhalten Sie eine asymmetrische Begrenzung, da die Last die Spannung stärker herunterzieht als Rc hochzieht

Dies ist jedoch eine ungewöhnlich große Vcc, Low Ic * Load = 1 V, die Ihren Spitzenhub begrenzt.

2 % bis 10 % Toleranzen sind akzeptabel und hFE kann weitgehend vernachlässigt werden.

Die größte Fehlerquelle nur in diesem Fall ist, dass die Lehrer Ihnen immer sagen, dass Sie Vbe = 0,7 V annehmen sollen, aber für Ic = 1 mA ist es sehr nahe an Vbe = 600 mV. Dies fügt Ihrem Design mehr Ve und damit mehr Ic-Strom hinzu.

Daher schlage ich vor, dass Sie R3 für eine kleinere Vbe neu berechnen und Ihr Design "möglicherweise" wie erwartet funktioniert. ( außer Leerlaufverstärkung = Rc/Re und Belastungsverstärkung = 10 ) . Aufgrund des Last/Rc-Verhältnisses sind in diesem Design selbst mit 1 %-Widerständen 15 % Toleranzen zu erwarten. Bei jedem Design gibt es Kompromisse, und mehr Spezifikationen führen zu besseren Designs.

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Die einfachste Lösung besteht natürlich darin, Rc einfach als Last zu definieren

Das Lastregelungsverhältnis für Gleichstrom oder Verstärkung ist einfach eine Funktion des Impedanzverhältnisses mit Ausgang.

Ich habe R3 mit Ihrem Vorschlag neu berechnet, aber die Verstärkung fiel auf weniger als 10 und Ic = 0,482 mA, immer noch weit entfernt vom Designwert.
@SantiagoLopez Angenommen, ein Wert von 0,7 V für Vbe ist ein zu hoher Wert und 0,6 V ein zu niedriger Wert. Der tatsächliche Wert von Vbe wird irgendwo dazwischen liegen, aber es ist ziemlich schwierig, den wahren Wert zu bestimmen. Das Reduzieren des Werts von Vbe unter 0,7 V in der Berechnung hat den Effekt, dass der Wert von R3 erhöht wird. Versuchen Sie also einfach, R3 um etwa 1 kOhm auf beispielsweise 21,8 kOhm zu erhöhen, und es sollte Ihr Design ziemlich nahe an das bringen, was erforderlich ist.
Guter Punkt @James und das hat natürlich eine thermische NTC-Empfindlichkeit. Die Lernerfahrung hier ist meiner Meinung nach, dass gewöhnliche Emitter mit einer Last R < Rc nicht so genau sind und er lernen muss, keine 5 signifikanten Zahlen zu verwenden. Es ist ein Neulingsgeschenk. Aber mit mehr Gain und NFB ist eine bessere Genauigkeit möglich, vielleicht 2 Sigfigs.
@James Okey das hat tatsächlich funktioniert! eine Erhöhung auf 22 kOhm fixiert die Verstärkung auf fast 10 und Ic = 1,04 mA!
Ja aufgrund der Vbe-Empfindlichkeit

Die Probleme, die Sie erlebt haben, sind auf die Vbe-Empfindlichkeit zurückzuführen, die durch eine so niedrige Spannung am Emitter (56 mV) verursacht wird. Das niedrige Ve ist ein Folgeeffekt eines so niedrigen Lastwiderstands in Kombination mit der hohen Verstärkung. Die Verstärkung von 10 ist ungefähr das Maximum, das Sie normalerweise haben würden, ohne den Emitterwiderstand mit einem Kondensator zu umgehen oder teilweise zu umgehen.

Normalerweise würde ein Konstrukteur ein Ve von etwa 1 V anstreben, um eine gute DC-Vorspannungsstabilität zu erhalten, so dass Änderungen in Vbe, beispielsweise aufgrund der Temperatur, dann im Vergleich zum Ve von 1 V gering wären und daher viel weniger Einfluss auf die DC-Vorspannung haben würden.

Eine Möglichkeit für Sie, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, zwischen dem Kollektor des gemeinsamen Emitterverstärkers und der 1k-Last einen Emitterfolger (gemeinsamer Kollektor) in der Nähe eines "Verstärkers" mit Einheitsverstärkung hinzuzufügen. Dies würde die Lastimpedanz Ihres Verstärkers erheblich erhöhen, was zu einem größeren Rc//RL führt, und so könnte RE größer sein als in Ihrem aktuellen Design, was eine größere Spannung am Emitter (Ve) mit seiner vorteilhaften Erhöhung der DC-Vorspannungsstabilität ergibt (weniger empfindlich gegenüber Änderungen). in Vbe).

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