Fügen Sie diesem 2-Stufen-Verstärker eine negative Rückkopplung hinzu

Es gibt eine ganze Reihe von CE-Audioverstärkertopologien, die nur einen BJT verwenden.

Beginnen wir mit drei Kommentarmethoden zur Vorspannung des DC-Arbeitspunkts. (Ich zeige die Emitterschaltung nicht, weil das eine separate Diskussion ist.)

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

• A hat den Vorteil, dass der DC-Vorspannungsstrom wirklich winzig ist. Der DC-Ruhestrom für die Verstärkerstufe wird also fast vollständig durch bestimmt$I_{\text{C}_Q}$. Allerdings ist die Schaltung schlecht gemanagt. Sein Gleichstrom-Ruhearbeitspunkt wird fast vollständig von den Launen des BJT bestimmt, wie z. B. Schwankungen von einem Gerät zum anderen und Schwankungen aufgrund der Temperatur. Es ist die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in$\beta$sind solche$\%\,I_{\text{C}_Q}\approx \frac{R_\text{B}+R_\text{E}}{R_\text{B}+\left(\beta+1\right)R_\text{E}}\cdot \%\,\beta$. Für eine typische Schaltung dieser Art bedeutet dies normalerweise, dass eine 50%ige Änderung in$\beta$(durchaus möglich mit BJTs aus derselben Tasche) führt zu einer Änderung des DC-Ruhearbeitspunkts um etwa 40%. Hier,$A_v\approx\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}$Wenn$R_\text{E}\gg r_e^{\:'}$.
• B behebt einen Großteil der Probleme mit dem DC-Ruhearbeitspunkt. Es ist die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in$\beta$sind solche$\%\,I_{\text{C}_Q}\approx \frac{R_\text{B}+R_\text{C}+R_\text{E}}{R_\text{B}+\left(\beta+1\right)\left(R_\text{C}+R_\text{E}\right)}\cdot \%\,\beta$. Für eine typische Schaltung dieser Art bedeutet dies normalerweise, dass eine 50%ige Änderung in$\beta$führt zu einer etwa 15%igen Änderung des DC-Ruhearbeitspunktes. Es ist jetzt abhängig von$R_\text{C}$. Das ist also ein weiterer Faktor, den es zu berücksichtigen gilt. Diese Schaltung bietet auch einige zusätzliche lokale NFB ($R_\text{E}$bietet auch lokales NFB), weil es einen Teil der Kollektorspannung (invertiert und verstärkt durch den BJT) zurück zur Basis bringt, phasenverschoben mit dem Eingangssignal der Basis. Hier,$A_v\approx \frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}\cdot\frac{1}{\left[1+\frac{ 1}{\frac{R_\text{E}}{R_\text{C}}+\frac{R_\text{B}+R_\text{C}}{\left(\beta+1\right)R_\text{E}}}\right]}$Wenn$R_\text{E}\gg r_e^{\:'}$. Viel Gewinn wird weggeworfen, aber der hinzugefügte NFB verbessert den THD.
• C baut normalerweise einen Vorstrom auf, der etwa 10-mal größer ist als der erforderliche Basisstrom für entweder A oder B oben, sodass sein Ruhebetriebsstrom etwa 10 % höher ist. Aber dafür erhalten Sie einen viel stabileren DC-Arbeitspunkt und die Freiheit, die Basisspannung auszuwählen, die durch eine von Ihnen gesteuerte Thevenin-Spannung bestimmt wird. Ich werde die Empfindlichkeitsgleichung aufgrund ihrer Länge nicht aufschreiben, aber das Ergebnis ist eine 50% ige Änderung$\beta$führt zu einer etwa 1%igen Änderung des DC-Ruhearbeitspunktes. Auch deshalb lohnt sich der leicht erhöhte DC-Ruhestrom. Es reduziert Schwankungen im Schaltungsbetrieb aufgrund von Unwägbarkeiten im Zusammenhang mit dem BJT erheblich. Wie unter A oben,$A_v\approx\frac{R_\text{C}}{R_\text{E}}$Wenn$R_\text{E}\gg r_e^{\:'}$. Aber ohne den hinzugefügten NFB von B ist der THD höher als bei B.

Eingangswiderstand habe ich noch nicht erwähnt. A und B haben eine höhere Eingangsimpedanz als C , und daher dämpft C je nach Eingangsimpedanz der Quelle das Eingangssignal eher etwas. Sie können also davon ausgehen, dass Sie etwas weniger Spannungsverstärkung von C als von A erhalten , obwohl die vereinfachten Gleichungen eine ähnliche Spannungsverstärkung zwischen den beiden nahelegen.

Bootstrapping ist eine Möglichkeit, den Eingangswiderstand stark zu erhöhen (ein Faktor von mehr als 10 ist leicht zu erreichen):

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Im obigen Fall zeige ich einen häufig verwendeten Emitterzweig mit einem umgangenen Widerstand, um die Wechselspannungsverstärkung zu erhöhen. Damit kommen wir zu einem weiteren Punkt: Es gibt unzählige Topologien für eine CE-Verstärkerstufe. Und unterschiedliche Ziele und Prioritäten prägen die Entscheidungen, die bei der Auswahl getroffen werden.

Davon wird jedoch fast nichts mehr verwendet. Als Eingangsstufe wird fast immer das Long-Tailed-Pair-Differentialpaar mit versteifendem Stromspiegel für die Kollektorlasten verwendet. Auch in diskreten Schaltungen. Es bietet nicht nur eine bessere Leistung, sondern bietet auch einen sehr bequemen Ort, um globales NFB (eine der Basen des Diff-Paares) hinzuzufügen.

Aber kehren wir zum globalen NFB zurück und verwenden etwas, das Ihrer Konfiguration viel näher kommt. Hier ist etwas zu beachten:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Mit$V_\text{CC}=10\:\text{V}$,$I_\text{Q}\approx 1.1\:\text{mA}$Und$r_e^{\:'}\approx 24\:\Omega$für Stufe 1. Also für Stufe 1,$A_{v_{_1}}=\frac{R_{\text{C}_1}}{R_\text{E}+r_e^{\:'}}\approx 17.5$. In ähnlicher Weise werden Sie feststellen, dass die 2. Stufe (Wechselstrom-Erde-Emitter, der ohne globale NFB erhebliche Verzerrungen aufweisen würde) dies hat$I_\text{Q}\approx 1.3\:\text{mA}$und das$A_{v_{_2}}=\frac{R_{\text{C}_1}}{r_e^{\:'}}\approx 180$. Kombiniert scheint dies zu implizieren$A_v= 3150$, ohne globale NFB.

Aber der Eingang der 2. Stufe lädt den Ausgang der 1. Stufe. Das dämpft also um ca$\frac{R_4\mid\mid R_5\mid\mid \left(\beta+1\right)r_e^{\:'}}{R_\text{C1}+R_4\mid\mid R_5\mid\mid \left(\beta+1\right)r_e^{\:'}}\approx 0.257$. Die Gesamtspannungsverstärkung im offenen Regelkreis liegt also näher bei$A_v\approx 800$.

Ich habe globales NFB via hinzugefügt$C_6$Und$R_f$. Dass es sich hier um NFB handelt, erkennt man daran, dass der Ausgang der zweiten Stufe phasengleich mit dem Signaleingang ist, aber verstärkt. Wenn Sie ein gleichphasiges Signal an den Emitter des BJT anlegen, an den das Signal direkt angelegt ist, wirkt dies dem Eingang entgegen. Dies geschieht, weil, wenn der Signaleingang versucht, die Basisspannung nach oben zu erhöhen, der Ausgang der 2. Stufe (der damit in Phase ist) versucht, auch den Emitter des Eingangssignals BJT anzuheben. Kurz gesagt, es versucht, den Emitter nach oben zu bewegen, wenn das Signal versucht, die Basis nach oben zu bewegen. Wenn sich beide gemeinsam nach oben bewegen, sieht der BJT kein "Signal" mehr. Das ist also NFB. Wir müssen nur sicherstellen, dass es dem Eingangssignal nicht vollständig entgegensteht. Das ist alles.

Die Gleichung für die Spannungsverstärkung im geschlossenen Regelkreis lautet:

Schauen Sie genau hin und nehmen Sie das zur Kenntnis$R_f$fährt$R_\text{E}$Das ist also nur ein Spannungsteiler. Die hier angewandte NFB wird zugrunde gelegt$\frac{R_\text{E}}{R_\text{E}+R_f}$. Wir wissen, dass ein Teil des Emitterwiderstands der ersten Stufe umgangen wird. Aber der verbleibende Betrag bedeutet das$R_\text{E}=180\:\Omega$für diese Zwecke. Das Lösen dieser Gleichung ergibt$R_f=9420\:\Omega$. Ich würde einfach einen gemeinsamen verwenden$10\:\text{k}\Omega$Widerstand hier. Der resultierende erwartete Gewinn wäre dann$A_v\approx 53$. (Um$34\:\text{dB}$.)

Nahe genug.

Warum steckst du das nicht in einen Simulator? Sehen Sie, was es für Sie tut. Überprüfen Sie auch die THD.

Keines der oben genannten Dinge repariert Ihre Ausgangsantriebsstufe, was skrupellos ist. Für ein$8\:\Omega$Lautsprecher, werden Sie auf jeden Fall eine 2-Quadranten-Ausgangsstufe (Gegentakt) wünschen. Sie scheinen jedoch vorerst an der Idee festzuhalten , während Sie den Rest ausarbeiten. Also überlasse ich es Ihnen, an diesem Problem zu einem späteren Zeitpunkt zu arbeiten. Die obige Diskussion trifft, glaube ich, bereits den Kern Ihrer Hauptfrage.

Als letzte Anmerkung: Das obige Design dient nur zu Bildungszwecken. Die Spannungsverstärkung ist wahrscheinlich sowohl bei sehr niedrigen als auch bei sehr hohen Frequenzen zu hoch. Es wäre nützlich, einen Bandpassfilter zu entwerfen, um die Frequenzen zu begrenzen, die der Verstärker verarbeiten kann.

Hier ist ein Beispiel, das die Eingangsimpedanz erheblich verbessert und eine bescheidene Steuerung der Verstärkung in der Nähe der Audiobandschürzen bietet.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

(Möglicherweise bemerken Sie auch den Reihenkondensator + Widerstand dazwischen$R_f$.)

Besten Wünsche.

Bearbeiten: (Einen Schemafehler behoben, der mir bei der Eingabe des letzten Schemas passiert ist.)