Multi-stage transistorforstærkere

4.1 MultiStage Graph - Dynamic Programming (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Multi-stage transistorforstærkere

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

Hvorfor er det almindeligt for forstærkerkredsløb at bruge flere trin af transistorer, snarere end kun en transistor (eller to transistorer i et push-pull-kredsløb)? Beskriv nogle af fordelene ved at bruge flere transistorfaser.

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig undersøge svaret / svarene på dette spørgsmål alene!

Bemærkninger:

Et ret simpelt spørgsmål, men nyttigt at diskutere alligevel.

Spørgsmål 3

Beskriv funktionen af ​​hver komponent i dette to-trins forstærkerkredsløb:

Vær også rede til at forklare, hvad effekten af ​​en komponents fiasko (enten åben eller kort) har på udgangssignalet.

Reveal svar Skjul svar

R1 = Q1 forspænding
R2 = Q 1 forspænding
R3 = Q 1 belastning
R 4 = Q 1 stabilitet (forhindrer termisk løb)
R5 = Q2-forspænding
R6 = Q2-forspænding
R 7 = Q 2 belastning
R 8 = Q 2 stabilitet (forhindrer termisk afløb)
C 1 = Indgangssignalkobling til Q 1
C 2 = AC bypass for Q 1
C 3 = Kobling mellem forstærkerstrin
C 4 = AC bypass for Q 2
C 5 = Udgangssignalkobling til belastning
Q 1 = First-stage amplifikation
Q 2 = Andet trin amplifikation

Bemærkninger:

Svarene i afsnittet "Svar" er minimal: lige nok til at hjælpe elever, der måske kæmper med begreberne. Under diskussionen ville jeg forvente mere detaljer end disse korte sætninger.

Sørg for at udfordre dine elever med hypotetiske komponentfejl i dette kredsløb. Sørg for at de forstår hver komponents funktion i dette kredsløb, uden at huske en sætning!

Spørgsmål 4

I nogle applikationer, hvor transistorer skal forstærke meget høje strømme, er bipolære transistorer parallelt sammen, så deres nuværende vurderinger tilføjer:

Men hvis transistorer er parallelt parallelt som vist, kan der opstå pålidelighedsproblemer. En bedre måde at "binde" flere transistorer sammen er at forbinde en sværmotstand med lav værdi til hver emitterterminal:

Forklar, hvilket formål disse modstande tjener i et parallelt transistornetværk. Og hvad betyder "Swamping", alligevel "# 4"> Reveal svar Skjul svar

Swamping er et design term, der betyder at indføre en mængde eller mængder i et kredsløb, således at eventuelle indbyrdes forskelle mellem komponenter bliver ubetydelige i sammenligning. I dette kredsløb hjælper svampemodstandene med at sikre, at den totale styrede strøm er mere jævnt fordelt mellem de tre transistorer.

Opfølgningsspørgsmål: Kan du tænke på ulemper ved at bruge svampemodstander i højkredsløbet?

Bemærkninger:

Jeg havde engang ulykken ved at udføre komponentniveau reparation på en stor power inverter (208 volt, trefaset), der brugte store "banker" af direkte parallelle bipolære transistorer til de endelige koblingselementer. Disse omformere havde en dårlig vane med at ødelægge transistorer, og jeg bemærkede, at der altid ville være kun en eller to transistorer ud af omkring et dusin på hver køleskab, der blev blæst - og jeg mener blæste huller sprængte gennem metalmetallet TO-3 sager! - mens resten var helt fint. Disse transistorbanker anvendte ikke svampemodstand, og den nuværende fordeling mellem dem var derfor ganske ubalanceret.

Hvis de studerende spørger, skal du fortælle dem, at svampemodstandene ikke kun bruges i transistorbanker. Store ensretterdiodebanker (hvor flere dioder er parallelle) har også gavn af svampmodstande.

Hvad angår applikationer, hvor svampemodstandene er upraktiske, er det muligt at opnå bedre pålidelighed ved at bruge flere transistorer (eller dioder) end nødvendigt med en jævn strømfordeling. Med andre ord, overbygge kredsløbet.

Spørgsmål 5

I nogle applikationer, hvor transistorer skal forstærke meget høje strømme, bipolar transistorer er parallelt sammen, så deres nuværende vurderinger tilføjer. Når dette er gjort, er det en god ide at bruge svampemotorer ved transistoremitterforbindelserne for at sikre en jævn afbalancering af strømme:

Men hvis vi bruger MOSFET'er i stedet for BJT'er, behøver vi ikke bruge svampemotorer:

Forklar, hvorfor MOSFET'er ikke kræver swamping modstande for at hjælpe jævnt fordelt strøm, mens BJTs gør.

Reveal svar Skjul svar

Mængden af ​​styrespænding varierer med temperaturen for BJT, men ikke for MOSFET.

Bemærkninger:

Svaret her er målrettet vagt. Lad dine elever lave den nødvendige forskning! Fortæl dem, at producenternes ansøgningsnotater er værdifulde informationskilder til spørgsmål som dette.

Spørgsmål 6

Det første forstærkerkredsløb vist her er direkte koblet, mens det andet er kapacitivt koblet .

Hvilke af disse to designs ville være mere egnede til brug i et DC voltmeter kredsløb (forstærker en målt DC spænding) "# 6"> Reveal svar Skjul svar

Det direkte koblede forstærkerkreds båndbredde strækker sig ned til 0 Hz, i modsætning til den anden forstærker. Dette gør det egnet til DC signalforstærkning. Det kapacitive koblede forstærkerkredsløb ville være bedre egnet til applikationer, hvor AC-signaler udelukkende behandles.

Opfølgningsspørgsmål: I hver af disse forstærkerkredse skal du identificere det punkt, hvor signalets fase forskydes med 180 o . Med andre ord, hvor spændingssignalet bliver omvendt og derefter omvendt, så at udgangen er i fase med indgangen.

Bemærkninger:

Et godt spørgsmål at spørge dine elever er, "Hvad er båndbredde ?" Det er vigtigt, at dine elever forstår det grundlæggende begrebet "båndbredde", og hvilke faktorer påvirker det i et kredsløb.

Bed dine elever om at foreslå mulige værdier (i mikrofarader) for koblingskondensatoren i det andet kredsløb baseret på fælles modstandsværdier (mellem 1 kΩ og 100 kΩ) og et beskedent lydfrekvensområde (1 kHz til 20 kHz). Der er ikke brug for nogen nøjagtige værdier her, men det er vigtigt, at de kan foretage en omtrentlig vurdering af den nødvendige (minimum) kapacitans, hvis den ikke af anden grund end at demonstrere deres forståelse af koblingskondensatorens formål.

Spørgsmål 7

Et af problemerne med kapacitivt koblede forstærkerkredsløb er dårlig lavfrekvent respons: da indgangssignalfrekvensen falder, øges alle kapacitive reaktanser, hvilket fører til en nedsat spændingsgevinst. En løsning på dette problem er tilføjelsen af ​​en kondensator i kollektorstrømbanen for den oprindelige transistor fase:

Forklar, hvordan tilstedeværelsen af ​​denne "kompenserende" kondensator hjælper med at overvinde tabet af forstærkning normalt oplevet som et resultat af de andre kondensatorer i kredsløbet.

Reveal svar Skjul svar

Den ekstra kondensatorens stigende reaktans ved lave frekvenser øger forstærkningen af ​​det første transistor stadium ved at øge impedansen fra den første transistorens samler til + V strømforsyningsskinnen.

Bemærkninger:

Denne teknik anvendes almindeligvis i videoforstærkerkredsløb, selvom et komplet videoforstærkerkredsløb ikke ville være denne rå (ingen peakspoler).

Spørgsmål 8

Denne to-trins transistorforstærker kredsløb er transformer-koblet :

Hvilken fordel (er) har en transformer-koblet forstærker overkredsløb ved hjælp af andre metoder til kobling "# 8"> Reveal svar Skjul svar

Transformatorer tillader impedansomdannelse mellem stadier, såvel som faseinversion (hvis ønsket). Imidlertid kan deres parasitiske (lækage) induktans og inter-viklingskapacitans føre til, at forstærkeren har mærkelige frekvensresponsegenskaber.

Opfølgningsspørgsmål: Mærk transformatorens polaritet ved hjælp af "dot" notation for at opnå ingen omvendt signal fra input til output (som vist).

Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvilken impedansomdannelse er, og hvorfor det er vigtigt, især i forstærkerkredsløb. Dette vil være en god gennemgang af både transformatorteori og den maksimale strømoverførselsteorem.

Med hensyn til faseinversion er en sjov udfordring her at få eleverne til at angive den "dot convention", der er nødvendig for denne særlige transformer for at opnå den ikke-inverterende karakteristik af dette to-trins forstærkerkredsløb. Med andre ord, få dem til at trække prikker nær transformatorviklingerne (med det korrekte relative forhold) for at frembringe faseringen vist ved sinusbølge symbolerne i diagrammet.

Spørgsmål 9

Antag to ingeniører at diskutere, hvor man skal placere et potentiometer i dette lydforstærkerkredsløb, der skal bruges som en volumenkontrol:

Hvilken mulighed ville være bedre, og hvorfor "# 9"> Reveal svar Skjul svar

Alternativ 1 er absolut det bedre valg, fordi potentiometerets indstilling ikke vil påvirke forspændingen af ​​Q 2 som den ville i valg nr. 2.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at gøre eleverne klar over, at forspændingen af ​​hver transistor fase er vigtig i en multi-fase forstærker. En af de store udfordringer ved at designe en multi-fase forstærker er at sikre tilstrækkelig signalkobling mellem trin uden at skabe biasproblemer.

Spørgsmål 10

Radiofrekvensforstærkere bruger ofte små spoler, der kaldes spidsspoler i koblingskredsløbet mellem transistorfaser. Beskriv formålet med disse induktorer.

Reveal svar Skjul svar

Peakspoler sættes til forstærkerkredsløb for at modvirke kapacitiv reaktans ved høje frekvenser.

Bemærkninger:

Svaret jeg gav til dette spørgsmål er meget minimal, og er bare nok til at give dine elever et tip. Bed dine elever om at forklare, hvorfor kapacitiv reaktans er et problem i højfrekvente transistorforstærkerkredsløb, og hvorfor en inductor ville blive brugt til at modvirke X C. Spørg også, om der er ulemper ved at indsætte spidsspoler i forstærkerkredsløb.

Spørgsmål 11

Et design med push-pull lydforstærker bruger to identiske transistorer og en center-tappet transformer til at forbinde strøm til belastningen (normalt en højttaler i et lydfrekvenssystem):

I modsætning til komplementære par push-pull forstærker kredsløb kræver dette kredsløb absolut et forforstærker stadium kaldet en fase splitter, der her består af transistor Q 1 og modstande R3 og R4.

Forklar, hvad formålet med "fase splitter" kredsløbet er, og hvorfor det er nødvendigt at drive strømtransistorerne Q 2 og Q 3 korrekt.

Hint: Bestem fasebetingelserne for spændingssignalerne ved basis-, kollektor- og emitterterminalerne af transistor Q 1 med hensyn til jord.

Reveal svar Skjul svar

Et "fase splitter" kredsløb producerer to komplementære udgangsspændinger (180 o faseskiftet fra hinanden), som det er nødvendigt for at drive strømtransistorerne på modsatte tidspunkter i lydbølgeformcyklussen.

Opfølgningsspørgsmål: Typisk er kollektor- og emitterresistenserne i fasespaltningskredsløbet (R3 og R4 i dette eksempel) lige store. Forklar hvorfor.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at kvalitativt analysere spændingssignalbølgeformene på alle dele af dette kredsløb. Hvornår udfører Q 1 nuværende "panelpanelets standardpanel" på arbejdsarkpanelet

Spørgsmål 12

Undersøg dette push-pull lydforstærker kredsløb:

Svar på følgende spørgsmål om dette kredsløb baseret på din analyse af det:

Hvordan udføres faseopdeling i dette kredsløb "# 12"> Reveal svar Skjul svar

Indgangstransformatoren T 1 giver faseopdeling.
R1 etablerer Q-punktet for begge transistorer.
Hvis R 1 mislykkedes, ville begge transistorer gå i cutoff-tilstand.
Hvis ledningen, der forbinder basen af ​​transistor Q2 til indgangstransformeren (T1), skulle svigte åben, ville halvdelen af ​​udgangsbølgeformen blive klippet.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at give detaljerede grunde til deres svar. Svarene til dette spørgsmål er minimal - det er dit job som instruktør at sikre, at eleverne tænker sig gennem dette spørgsmål og ikke bare gentager noget, de har læst eller hørt fra andre.

Spørgsmål 13

Følgende forstærkerkreds har et problem. På trods af tilstedeværelsen af ​​et stærkt indgangssignal (som bekræftet af en oscilloskopmåling ved TP1), er der ingen lyd fra højttaleren:

Forklar en logisk, trin-for-trin tilgang til at identificere kilden til problemet ved at tage spændingssignalmålinger. Husk, jo mere effektiv din fejlfindingsteknik er (jo færre målinger tages), desto bedre!

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig have det sjovt at bestemme dine egne strategier her!

Bemærkninger:

Dette spørgsmål kan nemt besætte en stor del af din diskussionstid, så sørg for at gøre plads til det i din tidsplan!

En god måde at hjælpe eleverne med at forstå de begreber, der er involveret i dette kredsløb, samt forbedre deres fejlfindingsteknik, er at lave et storskala demonstrationskort i dette kredsløb, som du kan fejl på bagsiden ved at afbryde ledninger, åbnings- eller lukkekontakter osv. Så skal eleverne tage et oscilloskop og praktisere at finde problemer i kredsløbet kun ved spændingsmåling. Jeg har lavet lignende demonstrationstavler i mit eget klasseværelse, og har fundet dem til at være yderst nyttige til opbygning og vurdering af fejlfinding.

Spørgsmål 14

Et fælles wideband transistorforstærker kredsløb er cascode design, der bruger common-emitter og common-base transistor faser:

Hvilken fordel (er) har cascode forstærkeren over "normale" enkelt- eller multistegs forstærker design "# 14"> Reveal svar Skjul svar

Kombinationen af ​​en første kollektors første fase og en fælles-base anden fase reducerer signifikant de svækkende virkninger af interjunktionskapacitans inden for de to transistorer. De fleste cascode forstærkere kræver ingen neutralisering, enten: et testament til effektiviteten af ​​designet.

Bemærkninger:

Dette er et af de få populære applikationer for den fælles base transistor forstærker konfiguration, og det er en løsning, der er implementeret med felt-effekt transistorer samt bipolære transistorer (og endda elektronrør før det!). Bed dine elever om at forklare, hvordan kredsløbet virker, specielt notering af spændingsforstærkningen for hvert trin og placeringen af ​​interjunction (Miller-effekt) kapacitanser i kredsløbet.

Spørgsmål 15

Antag, at følgende tre-trins transistorforstærker var konstrueret:

Med ingen emitter swamp modstande overalt i dette kredsløb, er spændingsgevinsten for hvert trin garanteret at være stor, men ustabil også. Med tre trin arrangeret som dette, en fodring ind i det næste, vil den endelige spændingsgevinst være meget stor og meget ustabil.

Men hvis vi tilføjer en anden modstand til kredsløbet (R feedback ), finder noget meget interessant sted. Pludselig bliver forstærkerkredsets samlede spændingsforøgelse reduceret, men stabiliteten af ​​denne forstærkning bliver meget forbedret:

Interessant nok vil spændingsforstæringen af ​​et sådant kredsløb være næsten lig med kvotienten for de to fremhævede modstande, R feedback og R i :

A V R feedback


R in

Denne tilnærmelse gælder for store variationer i individuelle transistorforstærkninger (β) såvel som temperatur og andre faktorer, som normalt ville forårsage kaos i kredsløbet uden tilbagevendende modstand på plads.

Beskriv hvilken rolle tilbagemeldingsmodstanden spiller i dette kredsløb, og forklar, hvordan tilføjelsen af ​​negativ feedback er en generel fordel for dette kredsløbs ydeevne. Forklar også, hvordan du kan se, at denne feedback er negativ i naturen ("degenerativ").

Reveal svar Skjul svar

Feedbackmodstanden giver en signalvej for negativ tilbagemelding, som "tæller" den ustyrlige forstærkning og ustabilitet, der ellers er forbundet med et sådant tre-trins transistorforstærkerkredsløb.

Vi kan fortælle, at tilbagemeldingen er negativ i naturen, fordi den kommer fra et ulige antal inverterende forstærkerstrin (der er stadig et omvendt forhold mellem output og input).

Opfølgningsspørgsmål: Hvor meget effekt antager du, at udskiftning af en transistor med en lidt anderledes β eller r'e parameter vil påvirke hvert kredsløb "noter skjult"> Noter:

Selv om det viste kredsløb er lidt for rå til at være praktisk, illustrerer det kraften af ​​negativ feedback som en stabiliserende indflydelse.

Spørgsmålet om feedbackens generative karakter er en vigtig. Diskuter med dine elever, hvordan man ikke blot kunne hente feedbacksignalet fra hvor som helst i kredsløbet!

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →