Kaskadieren von gemeinsamem Emitter und gemeinsamem Kollektor

Question

Kaskadieren von gemeinsamem Emitter und gemeinsamem Kollektor

Klasse a
Physik
Verstärker
Bootstrap
gemeinsamer Emitter
Common-Sammler

Rojj

Ich versuche, einen Verstärker für einen 1-W-8-Ohm-Lautsprecher für Bildungszwecke zu entwerfen. Die Idee ist, mit einem Verstärker mit gemeinsamem Emitter zu beginnen , um die Spannung zu verstärken, und dann einen Verstärker mit gemeinsamem Kollektor (Emitterfolger) hinzuzufügen, um die Leistung zu verstärken und die Impedanzanpassung zu bewältigen. Ich bin Maschinenbauingenieur und lerne gerade etwas über Elektronik, also haben Sie bitte etwas Geduld mit mir.

Der erste Schritt scheint gut zu funktionieren. Ich habe die verschiedenen Komponenten nach diesem Tutorial dimensioniert . Ich bin von einer erforderlichen Verstärkung von -10 ausgegangen.

Das Modell für den Transistor 2N2222 ist das folgende

.model Q2N2222 NPN(IS=1E-14 VAF=100
+   BF=250 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3
+   CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=100E-9 TF=400E-12
+   ITF=1 VTF=2 XTF=3 RB=10 RC=.3 RE=.2 Vceo=30 Icrating=800m  mfg=Philips)

Jetzt möchte ich die zweite Stufe (gemeinsamer Kollektor) hinzufügen und bin auf Folgendes gekommen:

Das Modell für den Leistungstransistor ist (heruntergeladen)

.MODEL D44H11_HD NPN(
+IS=2.14e-10 NF=1.271265 BF=208.89 RB=2 RBM=0.1 IRB=10
+VAF=342 NE=2.7349 ISE=1e-8 IKF=30 NK=0.9687
+BR=4 IKR=1.05 VAR=35
+XTF=1800 TF=1.9e-9 ITF=200 VTF=40
+CJE=1.4e-9 MJE=0.3092662 VJE=0.4723539
+CJC=175.527e-12 MJC=0.383595 VJC=0.479488
+TNOM=25 Vceo=80 Icrating=8 mfg=ON)

Die Wahl des 16-Ohm-Widerstands wurde durch die Eingangsimpedanz für den gemeinsamen Kollektor Z _in = Beta * RE_2 bestimmt (ist das richtig?)

Wenn ich jetzt eine Last R _L = 8 Ohm nach dem C _out -Kondensator hinzufüge, habe ich die folgende V _out und den folgenden Strom darüber:

Es reicht eindeutig nicht aus, den Lautsprecher anzutreiben. Natürlich fehlen mir ein paar Dinge, aber der Zweck dieser Übung war es, klein anzufangen und mich dann hochzuarbeiten.

Kann ich mit diesem Ansatz tatsächlich einen (Bildungs-) Verstärker bauen?
Muss ich die Verstärkung der ersten Stufe erhöhen und den Transistor wechseln?

Ich könnte natürlich ein vorgefertigtes Kit kaufen, aber was ist der Spaß daran ...

Aktualisierte Schaltung 1

Dank der Vorschläge habe ich die Schaltung aktualisiert, indem ich den Q2-Transistor durch ein Darlington-Paar ersetzt und den gemeinsamen Kollektor-Emitterwiderstand auf 2 Ohm reduziert habe. Vielleicht ist es unrealistisch, aber ich gehe davon aus, dass ich es erreichen kann, indem ich mehrere Widerstände parallel verwende.

Und ein viel besseres Ergebnis!!

Aktualisierte Schaltung 2

Nachdem ich die verschiedenen Kommentare und Antworten gelesen, online recherchiert und viel herumexperimentiert habe, denke ich, dass ich einige Fortschritte gemacht habe. (Oder habe die gleichen Ergebnisse mit einer viel komplizierteren Schaltung erhalten :-))

Folgende Änderungen habe ich vorgenommen:

Transistoren der zweiten Stufe durch das ersetzt, was ich zur Verfügung hatte (2n3904 & bd139)
Reduziert die Amplitude des Eingangssignals auf 100 mV
Ausgangsentkopplungskondensator auf 1000 uF erhöht
Erhöhen Sie den Widerstand RE2 auf 20 Ohm
Dem Emitter der ersten Stufe wurde ein Bypass-Kondensator hinzugefügt, um die Verstärkung zu erhöhen. Dies verursachte Schwankungen in der Leistung über den Lautsprechern
Bootstraps zu beiden Phasen hinzugefügt. Ich muss noch verstehen, wie Bootstrap funktioniert, um die Werte der Widerstände und Kondensatoren besser zu definieren, aber es scheint die Gesamtverstärkung und die Schwingungen der Ausgangsleistung zu erhöhen
Rückkopplungswiderstand Rfb hinzugefügt. Basierend auf diesem Artikel.

Transistormodelle (von Onsemi)

.MODEL Qbd139 npn
+IS=1e-09 BF=222.664 NF=0.85 VAF=36.4079
+IKF=0.166126 ISE=5.03418e-09 NE=1.45313 BR=1.35467
+NR=1.33751 VAR=142.931 IKR=1.66126 ISC=5.02557e-09
+NC=3.10227 RB=26.9143 IRB=0.1 RBM=0.1
+RE=0.000472454 RC=1.04109 XTB=0.727762 XTI=1.04311
+EG=1.05 CJE=1e-11 VJE=0.75 MJE=0.33
+TF=1e-09 XTF=1 VTF=10 ITF=0.01
+CJC=1e-11 VJC=0.75 MJC=0.33 XCJC=0.9
+FC=0.5 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5
+TR=1e-07 PTF=0 KF=0 AF=1
* Model generated on Feb 14, 2004
* Model format: PSpice

.MODEL Q2n3904 npn
+IS=1.26532e-10 BF=206.302 NF=1.5 VAF=1000
+IKF=0.0272221 ISE=2.30771e-09 NE=3.31052 BR=20.6302
+NR=2.89609 VAR=9.39809 IKR=0.272221 ISC=2.30771e-09
+NC=1.9876 RB=5.8376 IRB=50.3624 RBM=0.634251
+RE=0.0001 RC=2.65711 XTB=0.1 XTI=1
+EG=1.05 CJE=4.64214e-12 VJE=0.4 MJE=0.256227
+TF=4.19578e-10 XTF=0.906167 VTF=8.75418 ITF=0.0105823
+CJC=3.76961e-12 VJC=0.4 MJC=0.238109 XCJC=0.8
+FC=0.512134 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5
+TR=6.82023e-08 PTF=0 KF=0 AF=1

Für mich sieht es besser aus. Das Leistungsdiagramm ist nicht so glatt. Ich bin mir nicht sicher, ob es sich um ein LTSpice-Problem oder ein Problem handelt.

Ein paar Anmerkungen:

Auch der Wirkungsgrad ist etwas besser
Die maximale Leistung über RE2 wurde von 2,2 W (alle Wärme) auf 1,5 W reduziert.
Ich musste ein paar Parameter anpassen und möchte ein bisschen mehr verstehen, wie man sie berechnet.

Glaubst du, ich bin auf dem richtigen Weg? Jetzt fange ich an, in aktuelle Quellen zu suchen.

jonk

Sie möchten, dass Ihre Ausgangsstufe für den Lautsprecher 2 Quadranten ist. Ein Emitterfolger wird den Senf nicht schneiden. (Jedenfalls nicht ohne wahnsinnig verschwenderische Werte für den Emitter-Pulldown Ihrer Emitterfolgerstufe.) Ihr Emitterfolger kann aktiv hochziehen. Aber das einzige, was Sie zurückziehen müssen, ist dieser Widerstand. Und es ist nicht wirklich stark genug für den Job. (Es ist schließlich nur ein passives Gerät.) Schließlich würde ich empfehlen, etwas über Bootstrapping zu lernen - sowohl für Ihre 1. Stufe als auch für die Ausgangsstufe (die hoffentlich kein Emitterfolger sein wird). Trotz guter Arbeit einige Fragen!

Benutzer136077

Die neue Darlington-Version scheint in der Lage zu sein, 2-Ohm-Widerstände zu speisen. Alles, was es bekommt, wird abgeführt und der massive Leerlauf-DC durch Q2 wird es leicht heiß machen, zu heiß ohne Kühlung. Ich schätze, Ihr Lautsprecher - wenn nicht irgendein Miniaturtyp - kann einige hundert mA Gleichstrom aushalten. Reduzieren Sie die Verlustleistung, indem Sie den Lautsprecher anstelle von RE2 verwenden.

Rojj

@ user287001 Wie würde ich in diesem Fall die DC-Komponente entfernen?

Benutzer136077

Der ganze Vorschlag basierte auf der Annahme, dass DC toleriert werden kann. Ich hatte bis zu 500 mA lang anhaltenden Gleichstrom durch einen 8-Ohm-Lautsprecher ohne Rauch. Der Lautsprecher wurde für 5W Dauerleistung ausgelegt. Der Gleichstrom verursachte nur eine Verlustleistung von 2 W im Lautsprecher und zog den Kegel nicht zu nahe an den Rand des verfügbaren Bewegungsraums. Der Lautsprecher hatte einen Gleichstromwiderstand = 8 Ohm.

SS

Das Hinzufügen von DC zu einem Lautsprecher ist eine schlechte Idee, es sei denn, es handelt sich um einen Einweglautsprecher und die Ströme sind sehr, sehr niedrig.

jonk

@Rojj Schau auch hier und hier . Um

1 W

$1\:\text{W}$ hinein

8 Ω

$8\:\Omega$ . Klasse-A, die etwas weniger kompliziert ist. Der LM380 liegt bei etwa 2,5 Watt. (Siehe auch hier .) Das soll erstmal reichen?

Rojj

@jonk Wow! Das reicht auf jeden Fall :-) Danke

jonk

@Rojj Der 2. Link in meinem Kommentar enthält wahrscheinlich das meiste, was Sie für Klasse A benötigen. Der LM380 bietet Ihnen eine Klasse-AB-Anordnung (geringere Verlustleistung), die ziemlich typisch ist. Besten Wünsche!!

Antworten (3)

Kaskadieren von gemeinsamem Emitter und gemeinsamem Kollektor

Sie möchten, dass Ihre Ausgangsstufe für den Lautsprecher 2 Quadranten ist. Ein Emitterfolger wird den Senf nicht schneiden. (Jedenfalls nicht ohne wahnsinnig verschwenderische Werte für den Emitter-Pulldown Ihrer Emitterfolgerstufe.) Ihr Emitterfolger kann aktiv hochziehen. Aber das einzige, was Sie zurückziehen müssen, ist dieser Widerstand. Und es ist nicht wirklich stark genug für den Job. (Es ist schließlich nur ein passives Gerät.) Schließlich würde ich empfehlen, etwas über Bootstrapping zu lernen - sowohl für Ihre 1. Stufe als auch für die Ausgangsstufe (die hoffentlich kein Emitterfolger sein wird). Trotz guter Arbeit einige Fragen!
Die neue Darlington-Version scheint in der Lage zu sein, 2-Ohm-Widerstände zu speisen. Alles, was es bekommt, wird abgeführt und der massive Leerlauf-DC durch Q2 wird es leicht heiß machen, zu heiß ohne Kühlung. Ich schätze, Ihr Lautsprecher - wenn nicht irgendein Miniaturtyp - kann einige hundert mA Gleichstrom aushalten. Reduzieren Sie die Verlustleistung, indem Sie den Lautsprecher anstelle von RE2 verwenden.
@ user287001 Wie würde ich in diesem Fall die DC-Komponente entfernen?
Der ganze Vorschlag basierte auf der Annahme, dass DC toleriert werden kann. Ich hatte bis zu 500 mA lang anhaltenden Gleichstrom durch einen 8-Ohm-Lautsprecher ohne Rauch. Der Lautsprecher wurde für 5W Dauerleistung ausgelegt. Der Gleichstrom verursachte nur eine Verlustleistung von 2 W im Lautsprecher und zog den Kegel nicht zu nahe an den Rand des verfügbaren Bewegungsraums. Der Lautsprecher hatte einen Gleichstromwiderstand = 8 Ohm.
Das Hinzufügen von DC zu einem Lautsprecher ist eine schlechte Idee, es sei denn, es handelt sich um einen Einweglautsprecher und die Ströme sind sehr, sehr niedrig.
@Rojj Schau auch hier und hier . Um $1\:\text{W}$ hinein $8\:\Omega$ . Klasse-A, die etwas weniger kompliziert ist. Der LM380 liegt bei etwa 2,5 Watt. (Siehe auch hier .) Das soll erstmal reichen?
@Rojj Der 2. Link in meinem Kommentar enthält wahrscheinlich das meiste, was Sie für Klasse A benötigen. Der LM380 bietet Ihnen eine Klasse-AB-Anordnung (geringere Verlustleistung), die ziemlich typisch ist. Besten Wünsche!!

Neil_DE · Answer 1

Ja, das ist absolut der richtige Ansatz, um etwas über Elektronik zu lernen.

Bei der Software haben sie ein Mantra, dass es einfacher ist, richtigen Code schnell zum Laufen zu bringen, als schnellen Code richtig zu bekommen.

Ähnlich verhält es sich mit Hardware, zu Fuß, bevor fehlgeleitete Leute, die dort waren, das getan haben, alles wissen und vergessen haben, wie schwer es am Anfang war, vorschlagen, dass Sie laufen.

Ihre Schaltung wird funktionieren. Es wird nicht sehr gut funktionieren, es wird nicht sehr energieeffizient sein, aber es wird funktionieren, und die Leistung der Hardware sollte ziemlich genau der der Simulation entsprechen.

Durch den Aufbau einer solchen Schaltung erfahren Sie, warum keine kommerziellen Verstärker einen RE_2 verwenden. Sobald Sie verstehen, was alles tut, wird es sinnvoll, es zuerst durch eine Stromquelle und dann durch die untere Hälfte des Gegentaktausgangs zu ersetzen. Die Weiterentwicklung zu einer Push-Pull-Ausgangsstufe ist eine ganze Dose Würmer (Vorspannung, Übergangsverzerrung, thermische Stabilität), also würde ich mir das für viel später aufheben).

Aber bevor Sie eines davon mit der Ausgangsstufe machen, können und sollten Sie viel über grundlegende Verstärker mit dem, was Sie dort haben, lernen. Zum Beispiel das Umgehen eines Teils von RE mit einem Kondensator, um die Verstärkung der ersten Stufe zu ändern.

Viel Spaß beim Lernen. Geh es langsam an. Versuchen Sie nicht zu rennen, bevor Sie gehen können, was zu Entmutigung führen kann.

Danke! Sehr ermutigende Nachricht. Mein nächster Schritt war tatsächlich, den partiellen Bypass zu lernen und zu testen.

Analogsystemerf · Answer 2

Auf diese Weise können Sie einen hervorragenden Klasse-A-Verstärker (ohne Übergangsverzerrung) implementieren.

Die zweite Stufe (Ihr Puffer) muss ein Darlington-Transistor sein , daher wird sein R _in ziemlich hoch (>> 10 kOhm) und somit ist Ihre Verstärkung von stage_1 ziemlich genau bei R _c /R _e .

Eine weitere Herausforderung ist die Voreingenommenheit.

Ich habe oft DC_Feedback vom Ausgangsemitter der Stufe_2 zurück zur Basis von Stufe_1 verwendet.

Betreiben Sie dazu die Basis von Stufe_2 direkt am Kollektor von Stufe_1.

Der Schlüssel ist ein 2_Widerstand 1_Kondensator DC_Feedback vom Ausgangsemitter zur Eingangsbasis.

Verwenden Sie zwei Vorwiderstände und einen mittleren Nebenschlusskondensator.

Erden Sie den Kondensator (dies wird ein polarisierter Kondensator), (-) auf Masse; nennen Sie das (+) die V- _Vorspannung ; Verwenden Sie 100 µF als Startwert
Entfernen Sie Ihre vorhandenen (zwei) Vorspannungswiderstände auf der Basis von Q ₁
Führen Sie einen 10-kOhm-Widerstand von der Basis von Q1 zum V - _{Vorspannungsknoten}
Führen Sie einen 100-kOhm-Widerstand vom V- _{Vorspannungsknoten} zum Ausgangsemitter

Da der DC_Feedback-Kondensator (100 µF) anfangs keine Ladung hat, liegt der Kollektor von Q1 anfangs auf VDD, was einen kurzen Hochstromstoß durch Ihren Darlington-Transistor und ein lautes Knallen aus dem Lautsprecher verursacht.

Da Q1 etwa 1 Milliampere Kollektorstrom und etwa 10 µA Basisstrom benötigt, fallen am (10 kΩ + 100 kΩ) Rückkopplungsnetzwerk 1,1 Volt ab. Somit liegt die Eingangsbasis um 1,1 Volt DC niedriger als der Ausgangsemitter.

Sie können dies nach Belieben anpassen.

Danke ! Siehe erstes Update meiner Frage. Jetzt brauche ich etwas mehr Zeit, um den zweiten Teil Ihrer Antwort zu verdauen :-)

Bimpelrekkie · Answer 3

Wie in den Kommentaren erwähnt, ist eine Einzeltransistor-Ausgangsstufe zum Ansteuern eines 8-Ohm-Lautsprechers in der Tat keine so gute Idee, es kann gemacht werden und es wird funktionieren, es wird Ihnen eine enttäuschende Leistung liefern (geringe Lautstärke und Verzerrung, wenn Sie die Volumen).

Stattdessen schlage ich vor, dass Sie eine "Class AB Push Pull" -Stufe erstellen, wie in vielen Tutorials beschrieben. Hier ist eine, die hilfreich sein sollte .

..und beschäftigen sich mit der Impedanzanpassung.

Das ist ein häufiges Missverständnis unter Anfängern. Auch wenn Audioverstärker oft angeben, dass sie beispielsweise einen "8-Ohm-Ausgang" haben, bedeutet das nicht, dass sie impedanzangepasst sind . Das bedeutet, dass die Stufe dafür ausgelegt ist, eine 8-Ohm-Last zu treiben. Die Spannung und der Strom, die die Stufe liefern kann, sind für eine 8-Ohm-Last optimiert.

In Wirklichkeit ist ein Audioverstärkerausgang so ausgelegt, dass er eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz hat, damit er sich wie eine Spannungsquelle verhält . Die Gegentaktstufe der Klasse AB kommt diesem Verhalten nahe.

Impedanzanpassung, bei der Eingangs- und Ausgangsimpedanz übereinstimmen müssen, wird normalerweise nur in Hochfrequenzschaltungen benötigt, nicht in Audioschaltungen, da die Signalfrequenzen viel niedriger sind.

Siehe meine Bearbeitung. Ich verstehe vollkommen, dass AB-Push-Pull ein besserer Ansatz wäre, aber dieser einfache Fall hat es mir ermöglicht, so viel zu verstehen, und ich möchte sehen, wie weit ich es bringen kann.
..dieser einfache Fall hat es mir ermöglicht, so viel zu verstehen, und ich möchte sehen, wie weit ich damit gehen kann. Ausgezeichnet, es scheint, Sie haben "Ihre Hausaufgaben gemacht", was immer gut ist. In der Tat ist es eine gute Lernübung, um zu sehen, wie weit die Schaltung, die Sie haben, gehen wird, und um ihre Grenzen zu erkennen. Ich stimme Neil_UK zu, dass dies der richtige Ansatz ist. Viele Einsteiger wollen hier nur „etwas bauen“, anstatt zu verstehen, warum es so eine Schaltung braucht. Aber wenn Sie verstehen, warum Elektronik einfacher wird und viel mehr Spaß macht, lernen Sie weiter!

Kaskadieren von gemeinsamem Emitter und gemeinsamem Kollektor

Rojj

Aktualisierte Schaltung 1

Aktualisierte Schaltung 2

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Benutzer136077

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SS

jonk

Rojj

jonk

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