Wie kann verhindert werden, dass Strom aus dem Boden dieses Gegentaktverstärkers abfließt?

Kehren wir zu den Grundlagen zurück:

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

Ausgangsstufe

Oben ist ein Fragment der Schaltung in dem früheren Schema, das Sie untersucht haben.$V_\text{CC}=12\:\text{V}$und der Ausgang am Emitter von$Q_1$wird angenommen, um etwa zentriert zu sein$6\:\text{V}$und die Ausgangsschwankung sollte auf Spitzen begrenzt werden, die mindestens bleiben$1.5\:\text{V}$über oder unter den Schienen. So$6\:\text{V}\pm 4.5\:\text{V}$am Emittenten von$Q_1$. Diese sollte übertroffen werden können$1\:\text{W}$In ein$8\:\Omega$Lautsprecher.

Der Spitzenstrom ist$I_\text{PEAK}<570\:\text{mA}$in den Lautsprecher. Da dies ein Klasse-A-Verstärker sein soll, ist es wichtig, dass immer etwas Strom anliegt$Q_2$'s-Sammler (er sollte niemals Null erreichen.) Um den zu behalten$V_\text{BE}$Variation ein$Q_2$bis etwa$30\:\text{mV}$, Ich will$I_\text{MIN}=\frac{I_\text{PEAK}}{e^\frac{30\:\text{mV}}{V_T}-1}\approx 260\:\text{mA}$. Nennen wir es$I_\text{MIN}=250\:\text{mA}$. Das ist also das Minimum für diese Klasse-A. So$I_\text{MAX}=250\:\text{mA}+570\:\text{mA}=820\:\text{mA}$. Denken Sie daran, wir sprechen ausschließlich über den Kollektorstrom für$Q_2$. Der Emitterstrom z$Q_1$werden die gleichen Minima und Maxima sein, außer dass sie es sein werden$180^\circ$außer Phase mit denen von$Q_2$.

Die Summe beider Kollektorströme wird sein$250\:\text{mA}+820\:\text{mA}=1.07\:\text{A}$. (Wie Sie später sehen werden, ist diese Summe ziemlich konstant, ebenso wie die Summe der beiden Basisströme.) Bei einem NPN wie dem D44H11, den ich mir vorgestellt hatte$\beta\ge 90$für$Q_1$Und$Q_2$. Der Basisantrieb für beide Ausgangs-BJTs zusammengerechnet hat also ungefähr funktioniert$12\:\text{mA}$.

Bootstrap-Schleife

$R_2$wird durch die Bootstrap-Schleife in eine Stromquelle umgewandelt. (Der Grund, warum ich es eine Schleife nenne, wird schnell genug offensichtlich.) Wir können davon ausgehen, dass die$V_\text{BE}$von$Q_1$ist während des Betriebs des Verstärkers ungefähr fest (wie eine Batterie). Wir können auch davon ausgehen, dass die Spannung über$C_1$ist in ähnlicher Weise ungefähr fixiert (wiederum wie eine Batterie.)

Gehen Sie also mit KVL um die Schleife herum, beginnend am Ausgang. Das muss so sein$V_\text{OUT}+V_{C_1} + V_{R_2}+V_\text{BE}=V_\text{OUT}$. Aber das bedeutet das$V_{R_2}=-\left(V_{C_1} + V_\text{BE}\right)$und da die rechte Seite dieser Gleichung festgelegt ist, muss es der Fall sein, dass die Spannung über$R_2$Ist repariert. Und das bedeutet, dass der Strom in$R_2$Ist repariert. Und deshalb haben wir einen konstanten Strom in$R_2$.

QED

Da die Spannung über$C_1$wird die Hälfte der Versorgungsspannung sein und dass die$V_\text{BE}$von$Q_1$wird ungefähr sein$700\:\text{mV}$, Ich kann ausarbeiten, dass die Spannung über$R_2$Ist$\approx 5.3\:\text{V}$. Angesichts der im vorherigen Abschnitt angegebenen erforderlichen Basisstromsumme entschied ich, dass ich mindestens eine weitere benötigte$1\:\text{mA}$(mehr wäre in Ordnung.) Also dachte ich mir$R_2=\frac{5.3\:\text{V}}{13\:\text{mA}}\approx 407\:\Omega$. Ich habe das nach unten abgerundet (mehr Strom ist besser) auf die Nähe$R_2=390\:\Omega$.

Mit über$1\:\text{mA}$verbleiben nach dem Subtrahieren der Grundtreiberströme des Ausgangsabschnitts und in Kenntnis dessen$Q_2$'S$V_\text{BE}$braucht etwa$700\:\text{mV}$, Ich setze$R_1=560\:\Omega$. Niedriger würde ich ihn nicht setzen. Aber ich könnte es auch noch eine Stufe höher versuchen$R_1=680\:\Omega$, ohne mit der Wimper zu zucken. Tatsächlich wäre es mir wahrscheinlich lieber, wenn ich jetzt noch einmal an all das zurückdenke$R_1=680\:\Omega$. Aber jeder dieser beiden Werte wäre in Ordnung.

Eine letzte Anmerkung zu dieser Art von Bootstrapping. Es ist wirklich schön, weil es eine sehr einfache Methode ist, eine konstante Stromversorgung zu schaffen, indem Sie einfach Teile neu anordnen, die Sie sowieso verwenden würden. Allerdings ist der Konstantstrom durch$R_2$kommt über den Lautsprecher. Es erzeugt also einen DC-Vorspannungsstrom im Lautsprecher. Wir würden uns vielleicht wünschen, es könnte anders sein, aber es ist ein Preis, den man für dieses Arrangement zahlen muss.

Phasensplitter

Wir haben eine Stromquelle am Kollektor von$Q_3$Wo$R_2$Der Wert von legt die aktuelle Quelle für fest$Q_3$'s Collector und die Basis von$Q_1$. Nach Abzug von$Q_1$'s Basisstrom, der Rest wird dann durchgetrieben$Q_3$'s Emitter und nach Abzug des Basisantriebs für$Q_2$erzeugt eine Spannung über$R_1$.

Ich denke, Sie können das Offensichtliche sehen. Tatsächlich sind die Kollektorströme von$Q_1$Und$Q_2$zueinander phasenverschoben sind, aber den gleichen Bereich abdecken. Ihre Summe ist also eine relative Konstante. Daher ist auch die Summe ihrer Basisströme eine relative Konstante.

Dies impliziert, dass der Konstantstrom aus$R_2$, nach Subtraktion der Summe von$Q_1$'s und$Q_2$'s Basisstrom, hinterlässt einen relativ konstanten Strom für$R_1$. Wir können also ungefähr einen Wert für vorhersagen$R_1$, wie früher gemacht.

Allerdings, und das ist wichtig, die Spannung über$R_1$ist nicht gerade konstant. Die Variation wird genau das sein, was zum Bewegen erforderlich ist$Q_2$durch seine ausgelegte Kollektorstromvariation. (Während Sie weiterlesen, können Sie jetzt auch daran denken, warum es, wie oben erwähnt, wichtig war, diese Variation einzuschränken.)

Aus dem früheren Designschritt haben wir$30\:\text{mVpp}$für$Q_2$. Ich hatte diesen Arbeitspunkt gewählt, indem ich die ohmschen Widerstände völlig ignorierte. Diese sind wichtig. Im Moment werde ich einfach die zuvor geschätzte Variation zufällig verdoppeln$R_2$. Also ungefähr$60\:\text{mVpp}$Variation vorbei$R_1$.

Was ist mit der Basis von$Q_3$? Erwarten Sie einen anderen$30\:\text{mVpp}$zu den jetzt geplanten hinzugefügt werden$60\:\text{mVpp}$für$Q_2$. ($Q_3$Der Kollektorstrom von durchläuft ähnliche Schwankungen.) Das bedeutet also, aufgerundet, ungefähr$100\:\text{mVpp}$für die Basis von$Q_3$als begründeter Plan.

Das ist also der Antrieb für$Q_3$. Der gesamte Ausgangsabschnitt und der Splitter zusammen müssen von einem Spannungssignal angesteuert werden, das nicht um mehr als variieren kann$100\:\text{mVpp}$. Wir wissen auch, dass der Mittelpunkt dieser Spannung ungefähr zwei sein muss$V_\text{BE}$s, oder? Das heisst$1.4\:\text{V}$oder so ungefähr.

So$V_\text{DRIVE}=1.4\:\text{V}\pm 50\:\text{mV}$. Außerdem benötigen wir einen Spitzenbasisstrom für$Q_3$von vielleicht$60\:\mu\text{A}$. Gehen Sie sicherheitshalber von einem schlimmsten Fall aus$100\:\mu\text{A}$.

NFB

Dieser Teil ist relativ trivial. Es ist nur ein einfacher AC-Teiler, der bei DC den Ausgang einfach mit einer Verstärkung von 1 zurückgibt. Aber bei AC gibt er nur einen geteilten Teil des Ausgangs zurück.

Es ist ein Spannungssignal. So wie es aussieht, sollten wir mit einem Gewinn von etwa rechnen$\lvert A_v\rvert \approx 15$. Aber dazu später mehr. (Ich habe die Verstärkung tatsächlich zuerst auf 15 eingestellt und dann später die Widerstandswerte ausgearbeitet, wie Sie unten sehen werden.)

PNP-Stufe hinzugefügt

So. Wir haben etwas NFB bereit und brauchen ein DRIVE-Signal.

Jetzt können wir die neue Schaltung betrachten.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Der Verstärkerausgang wird bereits als geeignet vorausgesetzt$600\:\text{mA}$Antrieb. Es wird also perfekt in der Lage sein, den Emitter des hinzugefügten PNP anzusteuern,$Q_4$. Das viel schwächere Eingangssignal kann (nach Annahme) nicht wirklich viel treiben, also speisen wir es in die Basis von ein$Q_4$.

$Q_4$Kollektorstrom muss die Basis versorgen$Q_3$und wir wollen, dass dies steif ist, also ist die übliche Regel, mit 10 zu multiplizieren (die Dinge unter 10% Schwankung zu halten). Also der Kollektorstrom von$Q_4$bestimmt ist$1\:\text{mA}$(da wir früher beiseite gelegt haben$100\:\mu\text{A}$Worst-Case-Basislaufwerk für$Q_3$.) Wir wissen, dass wir ungefähr wollen$1.4\:\text{V}$an der Basis von$Q_3$, zu. (Auch früher ermittelt.) Das bedeutet also, dass der Kollektorwiderstand von$Q_4$ist auf den Standardwert eingestellt, den Sie oben sehen.

Gegeben$4.5\:\text{Vp}$für den Ausgang und eine Verstärkung von 15, wir wissen, das Eingangssignal muss sein$V_\text{IN}\le 300\:\text{mVp}$. Oder$600\:\text{mVpp}$. Aufgrund des Early-Effekts auf BJTs möchte ich die Variation beibehalten$Q_4$'S$V_\text{CE}$auf ein Minimum. Aber der Emitter wird dieser Basis folgen. Also entschied ich, dass ich das Zentrum einstellen wollte (Ruhe)$V_\text{CE}$von$Q_4$bei$3\:\text{V}$oder mehr. Aber angesichts der beengten Verhältnisse hier (nicht viel Spannungsraum) beschloss ich, mich darauf festzulegen$V_{\text{CE}_\text{Q}}=3\:\text{V}$für$Q_4$.

In Anbetracht dessen und dem Wissen, dass ich es noch bekommen muss$1\:\text{mA}$vom Ausgang, um den Emitter zu speisen$Q_4$, Ich setze$R_3$wie du siehst. (Daher, und wenn man einen Gewinn von 15 kennt, lieferte das den Wert von$R_4$.)

Vielleicht haben Sie sich für eine andere entschieden$V_{\text{CE}_\text{Q}}$für$Q_4$als ich. Vielleicht noch etwas höher einstellen. Oder niedriger. Und das würde auch funktionieren. Aber das ist die Zahl, die ich ausgewählt habe. Ich bin gerade so schnell durch ein Design geeilt, wie meine Finger tippen konnten (das Gehirn bewegte sich schneller) und ich wollte keine Zeit damit verschwenden, zweitrangige Überlegungen abzuwägen (es gibt ein paar).

Das war wirklich alles. Das einzige, was übrig blieb, war, die Basisruhespannung für herauszufinden$Q_4$(trivial) und erarbeiten Sie eine Teileranordnung dafür.

Notizen erhalten

Ignorieren der$Q_4$die Open-Loop-Verstärkung des Verstärkers kommt von der Wandlung zustande$100\:\text{mVpp}$bis etwa$9\:\text{Vpp}$-- um$A_{VOL}=90$. (Der tatsächliche Wert kann etwas höher sein, weil ich den Input-Swing aufgerundet habe.) Aber$Q_4$ist auch das, was als CE-Verstärker angesehen werden kann (sehen Sie sich die Emitterlast gegenüber der Kollektorlast an). In diesem Fall stelle ich fest$r_e\approx 26\:\Omega$(bei Raumtemperatur) und$100\:\Omega\mid\mid 1.5\:\text{k}\Omega\approx 94\:\Omega$. So$A_{VOL}=90\cdot\frac{1.5\:\text{k}\Omega}{94\:\Omega+26\Omega=120\:\Omega}=1125$.

So sollte die Closed-Loop-Verstärkung sein$\frac{1125}{1+\frac{100\:\Omega}{1.5\:\text{k}\Omega+100\:\Omega}\cdot 1125}= 15.8$.

(All dies deutet darauf hin, dass die Eingabe kleiner als etwa gehalten werden sollte$250\:\text{mVp}$eher als die ursprünglich erwähnte$300\:\text{mVp}$, und vielleicht nur ein bisschen weniger.)

Eine verbleibende Frage, die es zu berücksichtigen gilt, wird sich als kleines Detail herausstellen. Aufgrund der Nähe der Größenordnung von$r_e$vs$R_4$, ist die oben erwähnte Open-Loop-Verstärkung temperaturabhängig.$Q_4$wird sich wahrscheinlich nicht so stark selbst erhitzen, aber die Umgebungsschwankungen können groß sein. Über den Bereich von$-20\:^\circ\text{C}$Zu$+40\:^\circ\text{C}$,$22\:\Omega\le r_e\le 27\:\Omega$. Jeder, der mit der Leistungsfähigkeit von NFB vertraut ist, wird sofort erkennen, dass dies am Ende nicht so wichtig ist (die Open-Loop-Verstärkung kann hier zwischen 1115 und etwa 1165 liegen). Die Closed-Loop-Verstärkung wird immer noch felsenfest sein. Probieren Sie die Berechnungen selbst aus und sehen Sie.

Aktualisieren

Ich habe das letzte Schema oben aktualisiert. Ich hatte völlig vergessen, dass es notwendig ist, einen Hochfrequenz-Roll-Off zu erzwingen. Ich habe hinzugefügt$C_3$mit einem Nominalwert, der vernünftig platziert ist, denke ich. Die ohmschen Widerstände in$Q_1$Und$Q_2$sollten ebenfalls verwaltet werden und eine Strombegrenzung wäre ebenfalls nützlich. Aber diese Ausgleichsstange ist ein Muss. Also ist es jetzt hinzugefügt.

Sie vergessen den Basis-Emitter-Diodenübergang, den alle BJTs haben. Ihr Q3 be-Übergang klemmt den Emitter von Q1 auf etwa 0,65 Volt.

Dies liegt daran, dass Sie ein Totempfahl-Design haben, das den Ausgang gut in die Nähe der Vee- oder Erdungsschiene bringt, aber Sie benötigen einen Basiswiderstand für Q3 von etwa 2,2 K. Sie können es mit einem Kondensator umgehen, der der Hälfte der Kapazität von Q3 oder etwa 22 pF bis 47 pF entspricht.

Ein Gegentaktausgang hätte dieses Problem nicht, aber Q1 könnte ihn nicht ansteuern.

Eine Alternative, die in einigen Operationsverstärkern verwendet wird, besteht darin, einen PNP (2N3906) hinzuzufügen, um Q3 mit seinem Emitter anzusteuern. Um den Emitter des PNP vorzuspannen, verwenden Sie eine 10-K-Spannung an der Stromschiene. Sein Kollektor würde zu Boden gehen. Ein 100-Ohm-Widerstand vor dem Emitter von Q1 würde immer noch Durchschussströme verhindern. Dieses Add-On invertiert das Signal nicht, sondern verschiebt den Antrieb auf Q3, sodass seine Basis einen Pull-up-Widerstand hat.

Probieren Sie zuerst den 2,2-K-Widerstand aus, dann den zusätzlichen PNP.