Klasse B BJT Forstærkere

#113: Basics of Transistor bias point and the class of amplifier operation (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Klasse B BJT Forstærkere

Diskrete halvleder enheder og kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbskonstruktionen, og vælg modstandsværdier, der er høje nok til at skade eventuelle aktive komponenter usandsynligt.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Når elever først lærer om halvlederindretninger, og som mest sandsynligt vil beskadige dem ved at foretage ukorrekte forbindelser i deres kredsløb, anbefaler jeg, at de eksperimenterer med store komponenter med høj wattage (1N4001 rectifying dioder, TO-220 eller TO-3-tilfælde strømtransistorer, osv.), og ved brug af tørcelle batterikilder snarere end en strømforsyning. Dette mindsker sandsynligheden for komponentskader.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading" (i den høje ende) og for at undgå transistor udbrænding (i den lave ende). Jeg anbefaler modstande mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

Kredsløbet vist her er en standard push-pull forstærker, der består af et komplementært par bipolære forbindelsestransistorer:

Sporstrøm i dette kredsløb i perioder hvor den øjeblikkelige spænding af signalkilden (V in ) er positiv, og for de perioder, hvor den er negativ. Bestem, hvornår hver af transistorerne er "på" (ledende strøm).

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Vil du klassificere dette forstærkerkredsløb som almindelig emitter, almindelig samler eller almindelig base "noter skjult"> Noter:

Lad dine elever spore strøm i kredsløbet på et diagram tegnet på tavlen, så alle kan se analysen. Efter at have analyseret dens funktion, spørg dem, hvorfor de tror, ​​at denne forstærker kaldes "push-pull".

En anden måde at nærme sig på dette kredsløb er fra perspektivet af nuværende sourcing og nuværende synkronisering . Hvilken transistor kilder strøm til belastningsmodstanden, og hvilken transistor synker strøm fra belastningsmodstanden?

Spørgsmål 3

Klasse B-forstærkere er stærkt foretrukne i klasse A-design til højtydende applikationer som lydforstærkere. Forklar hvorfor dette er.

Reveal svar Skjul svar

Klasse B forstærkere er meget mere effektive end klasse A forstærkere, hvilket betyder, at de ikke spilder så meget energi i form af varmeafledning.

Bemærkninger:

Diskuter hvorfor Klass B-forstærkere er mere effektive end klasse A-forstærkere med dine elever. Hvad handler det om en klasse A-forstærker, der gør den så ineffektiv til højteknologiske applikationer?

Spørgsmål 4

En elev bygger det følgende push-pull-forstærkerkredsløb og bemærker, at output-bølgeformen er forvrænget fra den oprindelige sinusbølgeform udført af funktionsgeneratoren:

Tænker, at dette kredsløb måske kræver DC-forspænding, ligesom klasse A-forstærkerkredsløb, tænder eleven funktionen "DC offset" i funktionsgeneratoren og introducerer en smule jævnspænding til indgangssignalet. Resultatet er faktisk værre:

Selvfølgelig vil problemet ikke blive rettet ved at forspænde AC-indgangssignalet, så hvad forårsager denne forvrængning i udgangsvågformen "# 4"> Reveal svar Skjul svar

Jeg giver dig et tip: Denne form for forvrængning kaldes crossover-forvrængning, og det er den mest udbredte form for forvrængning i klasse B forstærker design.

Udfordringsspørgsmål: Da denne type transistorforstærker ofte betegnes som et "push-pull" -design, beskriv årsagen til denne forvrængning i form af transistorerne "pushing" og "pulling".

Bemærkninger:

Krydsforvrængning er ret let at forstå, men vanskeligere at klare end de ensidige "clipping" -forvrængningsstuderende er vant til at se i klasse A-forstærkerdesign. Hvis du mener, at det kan hjælpe dine elever med at forstå bedre, så spørg dem, hvordan et push-pull-forstærkerkredsløb vil reagere på en langsomt skiftende DC-indgangsspænding: en, der startede negativ, gik til null volt og derefter øget i positiv retning. Overvåg forsigtigt transistorernes status, da dette indgangssignal langsomt skifter fra negativt til positivt, og grunden til denne form for forvrængning skal være tydelig for alle.

Spørgsmål 5

Hvad ville der ske med udgangsspændingsbølgeformen for denne forstærker, hvis NPN-transistoren ikke var åben mellem samler og emitter?

Reveal svar Skjul svar

Den positive halvdel af bølgeformen ville være "missing":

Bemærkninger:

Bed dine elever om at identificere hvilken transistor "kilder", der er aktuelle for belastningen, og hvilken transistor "synker" strøm fra belastningen, og svaret skal være let at forstå.

Spørgsmål 6

En simpel, men upraktisk måde at eliminere crossover forvrængning i en klasse B forstærker er at tilføje to små spændingskilder til kredsløbet som dette:

Forklar hvorfor denne løsning virker for at eliminere crossover forvrængning.

Forklar også, hvilket praktisk formål dette push-pull-forstærkerkredsløb kan tjene, da dets spændingsforøgelse kun er 1 (0 dB).

Reveal svar Skjul svar

Hver spændingskilde forstyrrer sin respektive transistor til at være ved randen for at tænde, når den øjeblikkelige spænding af indgangen (V i ) er 0 volt.

Sådanne forstærkerkredsløb anvendes typisk som spændingsbuffere : Effektivt mindskelse af udgangssimpedansen af ​​kilden (forstærkning af dens nuværende sourcing / synkronisering), således at den kan give mere strøm til en belastning.

Udfordringsspørgsmål: Hvordan ville du estimere outputimpedansen af ​​et sådant forstærkerkredsløb "noter skjult"> Noter:

Bed dine elever om at relatere disse bias spændingskilder til de DC bias spændinger, der tidligere er set i klasse A forstærker design. Hvor meget spænding tror de ville være nødvendigt for at korrekt forspænde hver transistor?

Spørgsmål 7

To metoder til forspænding af push-pull-transistorpar er vist her:

Hvilke af disse to metoder foretrækkes, og hvorfor "# 7"> Reveal svar Skjul svar

Forspænding med dioder foretrækkes, fordi biaspændingen forbliver stabil på trods af udsving i strømforsyningsspændingsspændinger.

Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvad der er specielt ved en diode, der giver lige den rigtige mængde forspænding for transistorerne.

Spørgsmål 8

I et korrekt forspændt klasse B forstærker kredsløb, hvor meget spænding skal være mellem punkterne A og B ?

Reveal svar Skjul svar

0 volt, til enhver tid!

Opfølgningsspørgsmål: Forklar hvordan denne kendsgerning kan være nyttig ved fejlfinding af push-pull-forstærkerkredsløb, og forklar også, hvordan denne omstændighed viser, at forstærkeren har en spændingsgevinst på enhed (1).

Bemærkninger:

Udfordre dine elever til at anvende Kirchhoffs Spændingslove på "Loops" omkring disse to punkter som sådan:

At vide, at spændingen mellem punkt A og B er nul, spørg dine elever, hvad spændingsfaldet skal være over forspændingsmodstandene. Dette spørgsmål foreshadows begrebet "virtuel jord" i operationelle forstærkerkredse. Det er tanken om, at to eller flere punkter i et kredsløb kan holdes på samme potentiale uden at være reelt forbundet. Med andre ord er punkterne næsten almindelige snarere end at være faktisk fælles med hinanden.

Spørgsmål 9

En måde at kraftigt øge den nuværende forstærkning (A I ) af en klasse B push-pull forstærker er at bruge Darlington par i stedet for enkelt transistorer:

Det eneste problem med Darlington parforstærkerkredsløbet vist er, at det oprindelige forspændingsnetværk ikke længere vil være tilstrækkeligt. Medmindre andet er ændret i dette kredsløb, vil forstærkeren udvise en vis crossover-forvrængning.

Tegn de nødvendige modifikationer af kredsløbet for korrekt forspænding af de nye transistorer, og forklar hvorfor disse ændringer er nødvendige.

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Bed dine elever om at estimere den ekstra forspændingsspænding, der er nødvendig med de to (nye) transistorer, der er føjet til kredsløbet. Hvor meget forspændingsspænding, per transistor, var nødvendig med kun to transistorer i kredsløbet "panelpanelets standardpanel"

Spørgsmål 10

PNP-transistorer med høj effekt har en tendens til at være mindre og dyrere end NPN-transistorer med høj effekt, hvilket komplicerer konstruktionen af ​​en høj-effekt komplementær push-pull-forstærkerkredsløb. En genial løsning på dette problem er at ændre det grundlæggende Darlington push-pull kredsløb, der erstatter den endelige PNP transistor med en NPN transistor, som denne:

Den cascaded kombination af en NPN og PNP transistor kaldes et Sziklai-par, eller et komplementært Darlington-par . I dette tilfælde styrer den lille PNP-transistor den større NPN-strømtransistor i Sziklai-paret, der udfører samme grundlæggende funktion som et PNP Darlington-par.

Modificer kredsløbet vist her for at bruge dioder i forspændingsnetværket i stedet for bare modstande. Løsningen er ikke helt den samme for dette kredsløb, som det er til et konventionelt Darlington push-pull-kredsløb!

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Diskuter forskellen mellem de to halvdele af dette forstærkerkredsløb (den øvre Darlington-halvdel og den nedre Sziklai-halvdel), idet der lægges særlig vægt på antallet af PN-krydsninger mellem base og (endelige) emitterterminaler.

Spørgsmål 11

En populær variation af Klasse B forstærkeren er Class AB- forstærkeren, designet til at eliminere ethvert spor af crossover-forvrængning. Hvad gør forskellen mellem en klasse B og en klasse AB forstærker "# 11"> Reveal svar Skjul svar

Den grundlæggende forskel mellem klasse B og klasse AB-drift er forspænding: begge transistorer er "på" for et kort øjeblik i nærheden af ​​nulpunktet i et klasse AB kredsløb, hvor kun en transistor skal være på et hvilket som helst tidspunkt i et klasse B kredsløb.

Forstærkere, der arbejder i klasse AB-tilstand, er mindre effektive end ren klasse B-drift.

Bemærkninger:

Bed dine elever om specifikt at identificere de ændringer, der skulle foretages i følgende klasse B kredsløb for at gøre det fungere som en klasse AB forstærker:

Diskuter hvorfor navnet "klasse AB" gives til denne driftsform. Hvordan adskiller klasse AB-drift fra ren klasse A eller ren klasse B "panelpanel-panelets standardpanel"

Spørgsmål 12

En interessant tilføjelse til den grundlæggende klasse B push-pull forstærker kredsløb er overstrøm beskyttelse, i form af to flere transistorer og to modstande tilføjet til kredsløbet:

Denne form for overstrømsbeskyttelse er almindelig i spændingsreguleret jævnstrømforsyningskredsløb, men det fungerer også godt i forstærkerkredsløb. Forklar, hvordan de ekstra transistorer og modstande arbejder sammen for at beskytte de vigtigste strømtransistorer mod skade i tilfælde af overbelastning.

Reveal svar Skjul svar

Hvis der sker en for stor strøm gennem en strømtransistor, vil spændingsfaldet over den pågældende emitterresistens være tilstrækkeligt til at tænde hjælpetransistoren, som så "skunter" den overbelastede strømtransistorens basestrøm til belastningen.

Udfordringsspørgsmål: Hvilken matematisk procedure vil du bruge til at dimensionere emittermodstandene "noter gemt"> Noter:

Hvis eleverne har svært ved at forstå, hvordan dette kredsløb fungerer, kan det være umagen værd at vise dem dette kredsløb (fra en reguleret DC-strømforsyning):

Spørg dem, hvordan transistor Q2 i dette kredsløb virker for at beskytte transistor Q1 mod overbelastning.

En interessant måde at forklare driften af ​​denne form for overstrømsbeskyttelse på er at sige, at når hjælptransistoren begynder at udføre (kortere basestrøm væk fra hovedstrømstransistoren), reduceres det effektivt β af hovedstrømstransistoren. Ved pludselig at gøre hovedstrømstransistoren mindre effektiv til forstærkning, føles signalkilden mere af belastningen. Dette får signalkildens spænding til at falde, hvilket i sidste ende begrænser belastningsstrømmen i processen.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →