Emissor comum em cascata e coletor comum

Question

Estou tentando projetar um amplificador para um alto-falante de 1 W 8 ohm para fins educacionais. A ideia é começar a partir de um amplificador de emissor comum para amplificar a tensão e então adicionar um amplificador de coletor comum (seguidor de emissor) para amplificar a potência e lidar com o casamento de impedância. Eu sou um engenheiro mecânico e estou começando a aprender sobre eletrônica, então, por favor, tenha paciência comigo.

A primeira etapa parece funcionar bem. Eu dimensionei os vários componentes seguindo este tutorial . Presumi um ganho necessário de -10.

O modelo do transistor 2N2222 é o seguinte

.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)

Agora eu gostaria de adicionar o segundo estágio (coletor comum) e vim com isso:

O modelo do transistor de potência é (baixado)

.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)

A escolha do resistor de 16 ohms foi ditada pela impedância de entrada para o coletor comum Z _in = beta * RE_2 (correto?)

Se agora eu adicionar uma carga R _L = 8 ohm após o capacitor C _out , tenho a seguinte V _out e corrente nele:

Claramente, não é o suficiente para conduzir o alto-falante. É claro que estou perdendo algumas coisas, mas o objetivo deste exercício era começar pequeno e, em seguida, construir meu caminho para cima.

1. Posso realmente construir um amplificador (educacional) com essa abordagem?
2. Preciso aumentar o ganho do primeiro estágio e trocar o transistor?

Eu poderia comprar um kit pré-elaborado, é claro, mas qual é a graça disso ...

Circuito 1 atualizado

Graças às sugestões, atualizei o circuito substituindo o transistor Q2 por um par Darlington e reduzindo a resistência do coletor emissor comum para 2 ohms. Talvez não seja realista, mas presumo que posso consegui-lo usando várias resistências em paralelo.

E um resultado muito melhor !!

Circuito 2 atualizado

Depois de ler os vários comentários e respostas, pesquisar online e fazer muitas experiências, acho que fiz algum progresso. (Ou obteve os mesmos resultados com um circuito muito mais complicado :-))

Eu fiz as seguintes alterações:

1. Transistores de segundo estágio substituídos pelos que eu tinha disponível (2n3904 e bd139)
2. Reduziu a amplitude do sinal de entrada para 100mV
3. Capacitor de desacoplamento de saída aumentado para 1000uF
4. Aumente o resistor RE2 para 20 Ohm
5. Adicionado um capacitor de bypass ao emissor do primeiro estágio para aumentar o ganho. Isso estava causando oscilações na potência dos alto-falantes
6. Adicionado bootstraps para ambos os estágios. Ainda preciso entender como funciona o bootstrap para definir melhor os valores dos resistores e capacitores, mas parece aumentar o ganho geral e as oscilações da potência de saída
7. Adicionado resistor de feedback Rfb. Com base neste artigo.

Modelos de transistores (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

Parece melhor para mim. O gráfico de poder não é tão bom. Não tenho certeza se é um problema LTSpice ou um problema.

Algumas notas:

• A eficiência também é um pouco melhor
• A potência máxima em RE2 foi reduzida de 2,2 W (todo calor) para 1,5 W.
• Tive que ajustar alguns parâmetros e quero entender um pouco mais como calculá-los.

Você acha que estou no caminho certo? Agora estou começando a olhar para as fontes atuais.

Answer 1

Sim, esta é absolutamente a abordagem certa a ser seguida ao aprender sobre eletrônica.

No software, eles têm o mantra de que é mais fácil fazer com que o código correto seja executado rapidamente do que obter o código rápido correto.

Da mesma forma com o hardware, caminhe, antes de pessoas mal orientadas que estiveram lá, fizeram isso, sabem de tudo e se esqueceram de como foi difícil no início, sugiro que você corra.

Seu circuito funcionará. Não funcionará muito bem, não será muito eficiente em termos de energia, mas funcionará, e o desempenho do hardware deve corresponder ao da simulação.

É construindo um circuito como este que você aprende por que nenhum amplificador comercial usa um RE_2. Depois de entender o que tudo está fazendo, substituí-lo primeiro por uma fonte atual e, em seguida, a metade inferior da saída push-pull se tornará significativo. A progressão para um estágio de saída push-pull é uma lata de vermes (polarização, distorção cruzada, estabilidade térmica), então eu deixaria isso para muito mais tarde).

Mas antes de fazer qualquer um desses no estágio de saída, há muito que você pode e deve aprender sobre amplificadores básicos com o que você tem lá. Por exemplo, contornar parte de RE com um capacitor para alterar o ganho do primeiro estágio.

Bom aprendizado. Vá devagar. Não tente correr antes de andar, o que pode levar ao desânimo.

Answer 2

Você pode implementar um excelente amplificador classe A (sem distorção cruzada) desta forma.

O segundo estágio (seu buffer) deve ser um transistor Darlington , então seu R _in torna-se bastante alto (>> 10 kohm) e, portanto, seu ganho de stage_1 é bastante preciso em R _c / R _e .

Outro desafio é o preconceito.

Muitas vezes usei DC_feedback do emissor de saída do stage_2, de volta à base do stage_1.

Para fazer isso, opere diretamente a base do stage_2 do coletor do stage_1.

A chave é um 2_resistor 1_capacitor DC_feedback do emissor de saída para a base de entrada.

Use dois resistores em série e um capacitor de derivação de ponto médio.

• Aterre o capacitor (este será o capacitor polarizado), (-) para aterrar; chame o (+) o _viés V ; use 100 µF como valor inicial

• remova seus (dois) resistores de polarização existentes na base de Q ₁

• execute um resistor de 10 kohm da base de Q1 ao nó de _{polarização} V

• execute um resistor de 100 kohm do nó de _{polarização} V para o emissor de saída

Com o capacitor DC_feedback (100 µF) inicialmente sem carga, o coletor de Q1 estará inicialmente em VDD, o que causa uma breve explosão de alta corrente através do seu transistor Darlington e um estalo alto do alto-falante.

Com Q1 precisando de cerca de 1 miliampere de corrente de coletor e cerca de 10 µA de corrente de base, haverá uma queda de 1,1 volts na rede de feedback (10 kΩ + 100 kΩ). Portanto, a base de entrada será 1,1 volts DC menor do que o emissor de saída.

Você pode ajustar isso como (se) desejar.

Answer 3

Como mencionado nos comentários, de fato um estágio de saída de transistor único para acionar um alto-falante de 8 ohms não é uma boa ideia, pode ser feito e funcionará, proporcionando um desempenho decepcionante (volume baixo e distorção quando você aumenta o volume).

Em vez disso, sugiro que você construa um estágio "push pull Classe AB", conforme descrito em muitos tutoriais. Aqui está um que deve ser útil .

..e lidar com o casamento de impedância.

Esse é um mal-entendido comum entre iniciantes. Embora os amplificadores de áudio freqüentemente afirmem que eles têm, por exemplo, uma "saída de 8 ohms", isso não significa que eles tenham impedância compatível . O que isso significa é que o palco foi projetado para acionar uma carga de 8 ohms. A tensão e a corrente que o estágio pode fornecer são otimizadas para uma carga de 8 ohms.

Na realidade, uma saída de amplificador de áudio é projetada para ter uma impedância de saída muito baixa, de modo que se comporte como uma fonte de tensão . O estágio push pull da Classe AB se aproxima desse comportamento.

A correspondência de impedância, onde a impedância de entrada e saída precisa corresponder, geralmente é necessária apenas em circuitos de alta frequência, não em circuitos de áudio, pois as frequências de sinal são muito mais baixas.