Emettitore comune in cascata e collettore comune
Sto cercando di progettare un amplificatore per un altoparlante da 1 W 8 ohm per scopi didattici. L'idea è di partire da un amplificatore emettitore comune per amplificare la tensione e quindi aggiungere un amplificatore collettore comune (inseguitore di emettitore) per amplificare la potenza e gestire l'adattamento di impedenza. Sono un ingegnere meccanico e sto imparando solo l'elettronica, quindi per favore abbi pazienza.
Il primo passaggio sembra funzionare bene. Ho dimensionato i vari componenti seguendo questo tutorial . Ho ipotizzato un guadagno richiesto di -10.
Il modello per il transistor 2N2222 è il seguente
.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)
Ora vorrei aggiungere il secondo stadio (collezionista comune) e mi è venuto in mente questo:
Il modello per il transistor di potenza è (scaricato)
.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)
La scelta della resistenza da 16 ohm è stata dettata dall'impedenza di ingresso per il collettore comune Z in = beta * RE_2 (è corretto?)
Se ora aggiungo un carico R L = 8 ohm dopo il condensatore C out ho la seguente V out e corrente su di esso:
Chiaramente non è sufficiente guidare l'altoparlante. Ovviamente mi mancano alcune cose, ma lo scopo di questo esercizio era iniziare in piccolo e poi costruire la mia strada.
- Posso effettivamente costruire un amplificatore (educativo) con questo approccio?
- Devo aumentare il guadagno del primo stadio e cambiare il transistor?
Ovviamente potrei comprare un kit pre-progettato, ma che divertimento c'è ...
Circuito 1 aggiornato
Grazie ai suggerimenti ho aggiornato il circuito sostituendo il transistor Q2 con una coppia Darlington e riducendo la resistenza dell'emettitore del collettore comune a 2 ohm. Forse non è realistico, ma presumo di poterlo ottenere utilizzando più resistenze in parallelo.
E un risultato decisamente migliore !!
Circuito 2 aggiornato
Dopo aver letto i vari commenti e risposte, ricerche online e molta sperimentazione, penso di aver fatto dei progressi. (O ha ottenuto gli stessi risultati con un circuito molto più complicato :-))
Ho apportato le seguenti modifiche:
- Sostituiti i transistor del secondo stadio con quello che avevo a disposizione (2n3904 e bd139)
- Ridotta l'ampiezza del segnale di ingresso a 100 mV
- Condensatore di disaccoppiamento in uscita aumentato a 1000uF
- Aumenta la resistenza RE2 a 20 Ohm
- Aggiunto un condensatore di bypass all'emettitore del primo stadio per aumentare il guadagno. Ciò causava oscillazioni nella potenza attraverso gli altoparlanti
- Aggiunti i bootstrap in entrambe le fasi. Ho ancora bisogno di capire come funziona il bootstrap per definire meglio i valori delle resistenze e dei condensatori, ma sembra aumentare il guadagno complessivo e le oscillazioni della potenza di uscita
- Aggiunto resistore di feedback Rfb. Basato su questo articolo.
Modelli di transistor (da 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
A me sembra migliore. Il grafico della potenza non è così fluido. Non sono sicuro che si tratti di un problema di LTSpice o di un problema.
Un paio di note:
- Anche l'efficienza è leggermente migliore
- La potenza massima su RE2 è stata ridotta da 2,2 W (tutto il calore) a 1,5 W.
- Ho dovuto modificare alcuni parametri e voglio capire un po 'di più come calcolarli.
Credi che io sia sulla strada giusta? Ora sto iniziando a esaminare le fonti attuali.
Risposte
Sì, questo è assolutamente l'approccio giusto da adottare quando si impara a conoscere l'elettronica.
Nel software, hanno un mantra che è più facile ottenere un codice corretto da eseguire velocemente, piuttosto che ottenere un codice corretto veloce.
Allo stesso modo con l'hardware, camminare, prima che le persone fuorviate che sono state lì, lo abbiano fatto, sanno tutto e hanno dimenticato quanto fosse difficile all'inizio, suggerisci di correre.
Il tuo circuito funzionerà. Non funzionerà molto bene, non sarà molto efficiente dal punto di vista energetico, ma funzionerà e le prestazioni dell'hardware dovrebbero corrispondere praticamente a quelle della simulazione.
È costruendo un circuito come questo che impari perché nessun amplificatore commerciale usa un RE_2. Una volta capito cosa sta facendo tutto, la sostituzione prima con una sorgente di corrente e poi la metà inferiore dell'uscita push-pull diventerà significativa. La progressione verso uno stadio di uscita push-pull è un intero barattolo di worm (biassing, distorsione incrociata, stabilità termica), quindi lo terrei per molto dopo).
Ma prima di eseguire una di queste operazioni sullo stadio di uscita, c'è molto che puoi e dovresti imparare sugli amplificatori di base con quello che hai lì. Ad esempio, bypassando parte di RE con un condensatore per modificare il guadagno del primo stadio.
Buon apprendimento. Prendila con calma. Non provare a correre prima di poter camminare, perché potresti scoraggiarti.
In questo modo puoi implementare un eccellente amplificatore di classe A (senza distorsione crossover).
Il secondo stadio (il tuo buffer) deve essere un transistor Darlington , quindi il suo R in diventa piuttosto alto (>> 10 kohm) e quindi il tuo guadagno dello stage_1 è piuttosto preciso a R c / R e .
Un'altra sfida è il bias.
Ho spesso usato DC_feedback dall'emettitore di uscita dello stage_2, tornando alla base dello stage_1.
Per fare ciò, aziona direttamente stage_2 base dal raccoglitore di stage_1.
La chiave è un 2_resistor 1_capacitor DC_feedback dall'emettitore di uscita alla base di ingresso.
Utilizzare due resistori in serie e un condensatore di derivazione nel punto medio.
Collegare a terra il condensatore (questo sarà un condensatore polarizzato), (-) a terra; chiama il (+) il bias V ; utilizzare 100 µF come valore iniziale
rimuovere le (due) resistenze di polarizzazione esistenti sulla base di Q 1
eseguire un resistore da 10 kohm dalla base di Q1 al nodo di polarizzazione V.
eseguire una resistenza da 100 kohm dal nodo di polarizzazione V all'emettitore di uscita
Con il condensatore DC_feedback (100 µF) inizialmente senza carica, il collettore di Q1 sarà inizialmente a VDD, il che provoca una breve scarica di alta corrente attraverso il transistor Darlington e un forte scoppio dall'altoparlante.
Con Q1 che richiede circa 1 milliampere di corrente del collettore e circa 10 µA di corrente di base, ci sarà una caduta di 1,1 volt attraverso la rete di feedback (10 kΩ + 100 kΩ). Pertanto la base di ingresso sarà di 1,1 volt CC inferiore all'emettitore di uscita.
Puoi regolarlo come (se) lo desideri.
Come accennato nei commenti, in effetti uno stadio di uscita a transistor singolo per pilotare un altoparlante da 8 ohm non è una buona idea, può essere fatto e funzionerà ti darà prestazioni deludenti (volume basso e distorsione quando alzi il volume).
Invece ti suggerisco di costruire uno stage "push pull di classe AB" come descritto in molti tutorial. Eccone uno che dovrebbe essere utile .
.. e occuparsi dell'adattamento dell'impedenza.
Questo è un malinteso comune tra i principianti. Anche se gli amplificatori audio spesso affermano di avere, ad esempio, una "uscita da 8 ohm", ciò non significa che abbiano una corrispondenza di impedenza . Ciò significa che il palco è progettato per pilotare un carico di 8 ohm. La tensione e la corrente che il palco può fornire è ottimizzata per un carico di 8 ohm.
In realtà l'uscita di un amplificatore audio è progettata per avere un'impedenza di uscita molto bassa in modo che si comporti come una sorgente di tensione . La fase push pull di Classe AB si avvicina a quel comportamento.
L'adattamento dell'impedenza in cui l'impedenza di ingresso e di uscita deve corrispondere è solitamente necessaria solo nei circuiti ad alta frequenza, non nei circuiti audio poiché le frequenze del segnale sono molto più basse.