Wie werden die Widerstandswerte R1 und R2 für einen Transistorverstärker mit Spannungsteilervorspannung berechnet?

Bei einem Verstärker wie diesem besteht Ihr Ziel bei der Auswahl von R1 und R2 darin, den Verstärker auf halbem Weg zwischen zwei Extremen vorzuspannen. Die beiden Extreme sind:

1. Der Transistor ist vollständig eingeschaltet und der Kollektorstrom wird nur durch Rc und Re begrenzt.
2. Der Transistor ist vollständig ausgeschaltet und der Kollektorstrom ist Null.

Wenn Sie eines dieser Extreme erreichen, wird die Ausgabe abgeschnitten. Wenn wir also den Verstärker so vorspannen können, dass er in der Mitte zwischen diesen Extremen liegt, dann haben wir die Eingangssignalamplitude maximiert, die verstärkt werden kann, ohne die positive oder negative Seite zu beschneiden.

Wir können ein paar vereinfachende Annahmen treffen:

1. Da der Transistor eine hohe Stromverstärkung hat (höchstwahrscheinlich β > 75), können wir davon ausgehen, dass der Strom in den Kollektor gleich dem Strom aus dem Emitter ist. Daraus folgt auch, dass der Strom durch Rc gleich dem Strom durch Re sein muss.
2. Da wir nur daran interessiert sind, bei DC vorzuspannen, können wir alle Kondensatoren ignorieren, als wären sie offene Schaltkreise.
3. Da die Sättigungsspannung für einen BJT-Transistor relativ zur Versorgungsspannung (9 V) klein ist (0,2 V), können wir davon ausgehen, dass diese Sättigungsspannung 0 ist.
4. Der Ausgang dieses Verstärkers wird mit einer hohen Impedanz verbunden, daher betrachten wir diesen Strom als Null. Bemerkenswert ist, dass ein Lautsprecher keine hohe Impedanz hat (8 Ω ist typisch). Wenn Sie diese Schaltung an einen Lautsprecher anschließen möchten, benötigen Sie einen Trennverstärker .

Die erste Frage lautet also: Im ersten Extrem, wenn der Kollektorstrom nur durch Rc und Re begrenzt ist, was ist dieser Strom?

Da Rc und Re in Reihe geschaltet sind, können wir diese Widerstände addieren und den Strom mit dem Ohmschen Gesetz berechnen:

Denken Sie daran, dass dies der Strom durch den Kollektor des Transistors bei einem Clipping-Extrem ist. Das andere Extrem ist überhaupt kein Strom. Die Hälfte zwischen diesen Punkten ist also nur die Hälfte$I_c$, oder etwa 1,32 mA.

Also welche Spannung muss man an der Basis machen$I_c = 1.32\:\mathrm{mA}$?

Der Basis-Emitter-Übergang eines BJT-Transistors ist effektiv eine Diode. Und wir haben bereits festgestellt, dass der Strom durch Rc, den Kollektor und Re gleich ist (siehe vereinfachende Annahme Nr. 1). Wir können dieses Problem also etwas vereinfachen:

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

Da wir den Strom durch Re (1,32 mA) kennen, können wir die Spannung darüber mit dem Ohmschen Gesetz berechnen:

Wir wissen auch, dass die Durchlassspannung jeder Siliziumdiode etwa 0,6 V beträgt. Addiert zu den 1,58 V oben bedeutet das, wenn wir wollen, dass der Strom 1,32 mA beträgt, dann muss V1 sein:

Jetzt müssen Sie nur noch ein Paar Widerstände für R1 und R2 finden, die einen Spannungsteiler mit einem Ausgang von 2,18 V bilden.

Sie müssen auch bedenken, dass der Strom in die Transistorbasis einen Fehler in Ihren Spannungsteiler einführt. Wir können abschätzen, dass dieser Strom der Kollektorstrom ist, dividiert durch die Verstärkung des Transistors. Wenn Sie Ihre Spannungsteilerwerte dann so wählen, dass der Strom durch den Teiler mindestens das 10-fache des Basisstroms beträgt, ist dieser Fehler vernachlässigbar klein.

Um die Mathematik einfach zu halten, ist es vernünftig zu vermuten, dass die Transistorverstärkung (β) 100 beträgt. Der Basisstrom beträgt also etwa 0,0265 mA. Sie möchten, dass der Strom durch den Spannungsteiler mindestens das Zehnfache oder 0,265 mA beträgt. Nach dem Ohmschen Gesetz:

Schließlich möchten Sie Ihren Simulator so einstellen, dass er ein Signal mit viel kleinerer Amplitude eingibt. Das Ausgangssignal kann unmöglich mehr als 9 V Spitze-zu-Spitze betragen, und tatsächlich weniger als das, weil der Transistor den Ausgang nicht bis zu den Versorgungsschienen treiben kann. Da es sich um einen Verstärker handelt, bedeutet dies, dass das Signal sehr viel weniger als 9 V Spitze-zu-Spitze betragen muss, da Sie sonst Clipping und Dämpfung sehen.

Was Sie sehen, hat nichts mit den Werten der Widerstände zu tun! Was Sie sehen, ist das Verhalten, das Sie erhalten, wenn Sie die Eingabe stark übersteuern. Sie legen viel zu viel Eingangssignal an diese Schaltung an.

Ist das eine 10-V-Spitze, die Sie eingeben? Meine Güte, die Versorgung beträgt nur 9 V. Wenn Sie eine geringe Verzerrung wünschen, kann der Ausgangshub nur 2 Vpeak oder so betragen.

Bleiben Sie am Eingang unter 1 Vpeak-peak und es sollte ordnungsgemäß funktionieren.

Wenn es Ihr Ziel ist, Ihren eigenen Audioverstärker zu entwerfen. du hast einen sehr langen Weg vor dir. Sie müssen verstehen, wie diese Schaltung funktioniert, verstehen, warum das Ändern der Widerstände nicht helfen würde und vieles mehr. Das Entwerfen einer Schaltung bedeutet nicht, etwas in einen Simulator zu stecken und auf das Beste zu hoffen. Etwas zu entwerfen erforderte Wissen und Übung.

Update: Hoppla, mein Fehler, vergessen zu berücksichtigen, dass CE von 100 uF die Verstärkung erhöht. WENN DER SCHALTKREIS RICHTIG DIMENSIONIERT WURDE, was er nicht ist. Dieser Verstärker ist falsch vorgespannt, RC ist zu hoch und treibt den Transistor in die Sättigung.

Dies erklärt, warum Sie die verzerrte Ausgabe erhalten!

Sie müssen ein bisschen mehr lernen, um zu lernen, wie man einen Transistor richtig vorspannt.