Как рассчитать номинал конденсатора в усилителе с общим эмиттером?

Итак, я проектирую усилитель с общим эмиттером, используя BJT, и последние четыре дня это сводило меня с ума. Да, это для задания, и я не прошу, чтобы моя домашняя работа была сделана; моя цель состоит в том, чтобы полностью понять схему и то, как ее спроектировать. Я в основном понимаю это, но есть некоторые предостережения, которые все еще сбивают меня с толку.

Схема выглядит следующим образом:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Я использовал LTSpice для имитации этого. Вот файл LTSpice для тех, кто хочет скачать его и проверить.

Я использовал электронную таблицу для выполнения расчетов. Вот ссылка для тех, кто хочет проверить это.

Итак, вот процесс, через который я прошел, создавая это:

Требования

• $A_v = -100$
• $I_c \leq 5mA$
• $f_c \leq 100Hz$
• $V_{cc} = 10V$
• $Load = 10K\Omega$

Дизайн

• Нахождение$I_CR_C$

$A_v = -g_mR_C$и$g_m = \frac{I_C}{V_T}$

Так,$A_v = - \frac{I_C}{V_T}R_c$, где$V_T = 25mV$при комнатной темп.

Итак,$I_CR_C = -A_vV_T = -(-100)\times 25mV = 2.5V$

• Поиск точки Q

Найдите максимальное и минимальное выходное напряжение. Минимальное выходное напряжение составляет 0,2 В, что соответствует$V_{CE(sat)}$

Максимальное выходное напряжение определяется$R_C$и$R_L$так как нагрузка параллельна$R_C$в модели АС.

$V_{out,max}=V_{cc}\times\frac{R_L}{R_C+R_L} = 9.09V$

Точка Q должна находиться посередине двух границ (это концепция грузовой линии), поэтому:

$Q-Point = \frac{9.09-0.2}{2} = 4.45V$

Теперь вот часть, где я смущен. Мой профессор объясняет это следующим образом: нам нужен симметричный выходной сигнал выше и ниже точки Q, поэтому нам нужно равное падение между точкой Q и напряжением эмиттера, поэтому мы хотим выяснить, какое падение напряжения на транзисторе должно быть. быть. Что он делает, так это KVL от Vcc к земле через Rc, транзистор и Rc, вот так:

$V_{R_E} = V_{cc} - I_CR_C - V_{CE}$где$V_{CE}$равно падению напряжения на коллекторной ветви, определяемому выражением$I_CR_C$быть 2,5В. Добавьте 0,2 В для напряжения насыщения, чтобы избежать этого, и у вас есть$V_{CE} = 2.7V$. Итак, в уравнении KVL выше:

$V_{R_E} = 10 - 2.5 - 2.7 = 4.8V$что не имеет смысла, потому что, если Q-Point находится на уровне 4,45 В, не будет достаточно «места» для полного колебания выходного напряжения под землей.

А затем он продолжил объяснять, что, поскольку Q-Point на 2,5 В ниже Vcc, минимальное напряжение, равное$V_{R_E}$должно быть на 2,5 В ниже точки Q. Я вроде как понимаю, но уравнения, которые он получает, противоречат концепции, которую он объясняет. Падения 2,5В на коллекторе нет. Мы начали с этого, но поскольку Q-Point составляет 4,45, что соответствует напряжению на коллекторе, падение составляет 5,5 В. Его значение для напряжения эмиттера слишком велико. Это сработало для конкретного примера, который он использовал во время лекции, но не сработало для того, что делаю я.

Я думал об этом так: напряжение эмиттера должно быть на 2,7 В ниже Q-Point (связывая его с серединой концепции Load-Line, которую он объяснил), поэтому напряжение эмиттера равно$4.45 - 2.7 = 1.75V = V_{R_E}$и это значение, которое я использовал.

Затем я спроектировал сеть делителя напряжения (VDN), используя правило отражения для RB2, которое должно быть в 10 раз больше RE.

Я смоделировал схему и смог получить достойные результаты с этими значениями. Мой сигнал входного напряжения$40mV_{pp}$и выход$4.3V_{pp}$так что я думаю, что усиление немного выше, чем 100, но я думаю, что это незначительно.

Проблема в том, что$I_C \ge 5mA$и это около 5,3 мА, так что очевидно, что это нарушает требование.

Другая проблема — частотная характеристика, которая подводит меня к следующему пункту — расчету номиналов конденсаторов.

конденсаторы

Я так понимаю, что С1 нужно выбирать исходя из среза низких частот. Я выбрал отсечку низких частот на уровне 20 Гц (произвольно). Используя следующую формулу:

$C_1 = \frac{1}{2\pi R_{in}f}$где$R_{in}$- входное сопротивление, а резисторы ВДН параллельно$r_{\pi}$и подключены последовательно к импедансу источника. Я не могу найти/вычислить выходное сопротивление источника, и обычно оно достаточно мало, поэтому я им пренебрегал. Тогда входное сопротивление становится:

$R_{in} = R_{B1} \parallel R_{B2} \parallel r_{\pi} = 413 \Omega$

и значение конденсатора тогда$19.27 \mu F$

Я использовал ту же формулу для расчета конденсатора связи на выходе, и я получил значение в диапазоне нФ, и это заставило вывод выглядеть как график функции тангенса, ха-ха, поэтому я дал ему стандарт$10\mu F$ценить. Влияет ли конденсатор связи на выходе на отсечку низких частот?

Мне неясно, как выбрать блокировочный конденсатор на эмиттере. Я понимаю, что конденсатор должен иметь меньшее сопротивление, чем сопротивление эмиттера, поскольку в модели переменного тока конденсатор рассматривается как заземление переменного тока и закорачивает резистор эмиттера. Я прочитал что-то более точное на этом сайте :

Следовательно, C3 должен удалять как можно больше переменного тока через RE и поэтому должен иметь низкое реактивное сопротивление на всех звуковых частотах. Поскольку самая низкая частота будет около 20 Гц, C3 должен иметь реактивное сопротивление (XC), которое мало по сравнению со значением RE на всех частотах выше 20 Гц.

Итак, я понимаю причину конденсатора и то, как выбрать его значение. Я читал, что обычно в этом случае используется большой конденсатор. Я не понимаю, почему. Как мне рассчитать стоимость? Есть ли формула для этого?

Итак, со схемой, которая у меня есть до сих пор, я получаю полуприличное усиление, ток коллектора, который немного превышает спецификацию, и частотную характеристику, которая выглядит следующим образом:

Я использую встроенную общую модель для транзистора, поэтому нет среза частоты (или он должен быть, и я просто сделал что-то не так?). С транзистором 2N2222 это выглядит так:

Однако мой переходный ответ выглядит хорошо. Он симметричен относительно земли, хотя отрицательная часть имеет немного большую пиковую амплитуду на 0,3 В.

За последнюю неделю я так много читал об этом усилителе. Я смотрел так много видео на YouTube на эту тему, и я пересматривал наши лекции на эту тему, и я начинаю чувствовать себя сумасшедшим. Там так много противоречивой информации, и кажется, что наш профессор застрял в использовании старых способов, когда он пошел в школу, и я не могу найти формулы для расчета значений, которые мне нужны для этих двух конденсаторов.

Я открыт для всех предложений, рекомендаций, указывающих мне правильное направление или для всего, что следует изменить/исправить в этом отношении. На данный момент я понимаю, как это работает в целом, и хорошо разбираюсь в теме, но, похоже, не хватает нескольких ключевых моментов. Заранее спасибо!