Вплив завантажувальної передачі в ланцюзі підсилювача

Я намагаюся зрозуміти цю схему підсилювача "упередженого завантаження". Малюнок нижче адаптований із книги "Транзисторні методи" Дж. Дж. Річі:

Ця схема є зміна «зміщення подільника напруги», з додаванням «початкового завантаження компонентів» і . Автор пояснює, що і використовуються для досягнення більш високого вхідного опору. Автор пояснює це так: C R 3$R_3$$C$$R_3$$C$

З додаванням компонентів завантажувальної ( та ) та при припущенні, що має незначну реактивність на частотах сигналу, значення змінного опору опору випромінювача задається: C $R_3$$C$$C$

$R_E' = R_E || R_1 || R_2$

На практиці це являє собою невелике зменшення .$R_E$

Тепер посилення напруги послідовника випромінювача з опором випромінювача дорівнює , що дуже близьке до одиниці. Отже, із вхідним сигналом застосованим до основи, сигнал із відображеним на випромінювачі ( ) застосовується до нижнього кінця . Тому напруга сигналу, що з’являється через є , що набагато менше, ніж повний вхідний сигнал, і тепер схоже, має ефективне значення (для сигналів змінного струму): . A = R ′ $R_E'$ vinAvinR3R3(1-A)vinR3R′3=R$A=\dfrac{R_E'}{r_e+R_E'}$$v_{in}$$Av_{in}$$R_3$$R_3$$(1-A)v_{in}$$R_3$$R_3'=\dfrac{R_3}{1-A}\gg R_3$

Щоб спробувати зрозуміти це, я зробив модель змінного струму схеми. Ось модель змінного струму:

З моделі змінного струму я можу перевірити твердження автора про те, що опір випромінювача і що напруга у вузлі, позначеному як V, трохи менше вхідної напруги. Я також бачу, що падіння напруги через (задане ) буде дуже малим, це означає, що буде дуже мало струму від входу.R 3 V i n - V R $R_E || R_1 || R_2$$R_3$$V_{in} - V$$R_3$

Однак є 2 речі, які я все ще не зовсім розумію з цього пояснення:

1) Чому ми можемо просто застосувати формулу для посилення напруги емітерного послідовника ( ), нехтуючи ефектом ? R$A=\dfrac{R_E'}{r_e+R_E'}$$R_3$

2) Що означає говорити про те, що схоже, має інше "ефективне значення" для сигналів змінного струму? Я не бачу, чому би значення.R $R_3$$R_3$

Спасибі заздалегідь.

Редагувати

Щоб спробувати зрозуміти поведінку цієї схеми далі, я спробував проаналізувати її, знайшовши її вхідний опір змінного струму двома способами. Обидві спроби я опублікував як відповідь на це питання, для довідки.

Ви поставили кілька хороших запитань, і я відповів вам за це.

Щоб вирішити питання (1) та (2), дозвольте мені уникати малолінійної моделі лінеаризації і просто вам слід поглянути прямо на саму схему, як вона стоїть. Я трохи переробив схематично. Не стільки тому, що я думаю, що це зробить речі чіткішими, ніж ваша власна схема. Але тому, що, можливо, малювання його трохи інакше може викликати іншу думку:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Тепер ви легко бачите, що сигнал змінного струму розміщується безпосередньо в основі . Таким чином, випромінювач буде слідувати за цим сигналом у звичайній поведінці послідовника випромінювача, яку ви так добре знаєте, щоб забезпечити випромінювання у фазі з низьким імпедансом при зміні сигналу змінного струму з коефіцієнтом посилення трохи менше 1. Це багато насправді легко помітити.$Q_1$

Тепер передає цей сигнал (припускаючи, як ви говорите, що значення також є низьким опором для сигналів змінного струму, що цікавлять) від випромінювача, який здатний досить добре запустити цей конденсатор, до базового дільника, куди, завдяки відносно високий імпеданс пари та , цей вузол тепер також отримує копію сигналу змінного струму. (Опір зміщення пари високий, тому ефективний дільник і сам по собі не сильно зменшує сигнал.)$C_{BOOT}$$R_1$$R_2$$C_{BOOT}$$R_{TH}$

Таким чином, сигнал змінного струму, що подається в базі BJT, копіюється по фазі та має лише незначні втрати на шляху до лівої частини . Але правою стороною керується оригінальний сигнал змінного струму через ! Отже, обидві сторони мають однаковий сигнал змінного струму, присутній на обох його сторонах.$R_3$$R_3$$C_1$$R_3$

Подумайте. Якщо зміна напруги, яка з’являється на одній стороні резистора, точно збігається з тією ж зміною напруги, що з’являється на іншій стороні цього резистора, то скільки змін струму відбувається? Нуль, правда? Це взагалі не має ефекту.

Це магія цього завантаження!

Тепер реальність полягає в тому, що сигнал змінного струму трохи зменшується, так що так, в є деякі фактичні зміни . Але виконує завдання по ізоляції бази , оскільки є набагато менші поточні зміни, ніж інакше можна було б очікувати за номіналом. (Насправді, це забезпечує майже «нескінченний» опір між базою і зміною парами при зміні , в той же час дозволяє зміщенню пари (і падінню постійного струму через ) забезпечити належне зміщення постійного струму для .R 3 Q 1 R 3 Q $R_3$$R_3$$Q_1$$R_3$$Q_1$

Це дійсно приємні речі. Я б ніколи не думав використовувати такий підсилювач напруги без завантажувального пристрою, як це. (Хоча я, мабуть, включав би ногу змінного струму на випромінювачі.) Занадто багато користі для таких невеликих зусиль.

Оскільки цей ланцюг завантаження застосовується там, де для підсилювача необхідний високий вхідний опір (як вказує НН), його часто використовують, коли джерело напруги має також відносно високий опір джерела. Тож "Він" часто супроводжується еквівалентною значущістю Тевеніну.
У такому випадку ви можете мати "збільшення басів", коли позитивний зворотний зв'язок через конденсатор змовляється змінити частотну характеристику на низькочастотному кінці, де ви очікуєте відпадання ефекту завантаження. Ваша "модель змінного струму" не враховує цей ефект, оскільки вона виключає конденсатор.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

1) R3 можна знехтувати, оскільки - викликаний ефектом завантаження - він представляє дуже великий резистор R3´, паралельний трьом іншим паралельним резисторам.

2) Правильно. R3 не змінює свого значення - однак, як видно з вхідних даних, воно динамічно збільшується (лише для сигналів, що застосовуються, а не для постійного струму). Це можна побачити у виразі для R3´ = R3 / (1-A) з A, дуже близьким до „1“.

Тут ми маємо позитивні відгуки (коефіцієнт зворотного зв’язку <1), що в першу чергу змінює вхідний опір. Загальний приріст лише незначно змінюється.

Я ОП і нижче - моя власна спроба аналізу цієї схеми (шляхом пошуку її вхідного опору).

У книзі, з якої я отримав це запитання, автор наводить два вирази для вхідного опору ( , або в моделі змінного струму) цієї схеми зміщення завантажувальної програми. Два вирази нижче:v i $r_{in}$$\dfrac{v_{in}}{i_{in}}$

1. $\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{R_3}{1-A} \parallel (r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E ))$

2. $\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi ( R_3 + R_E')}{R_3+r_\pi}$

Вираз 2 отриманий з ретельного аналізу моделі змінного струму схеми (про яку я поставив питання). Вираз 1 використовує більш спрощені припущення, але це дає більше інтуїції щодо поведінки схеми (див. Рішення 1 нижче).

Для довідки, нижче мої спроби знайти обидва вирази для вхідного опору.

Рішення 1

У цьому рішенні я намагаюся знайти, що .$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{R_3}{1-A} \parallel (r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E ))$

Через поведінку схеми як послідовника випромінювача (як пояснено у відповіді jonk), вузол V має напругу приблизно , де A - коефіцієнт посилення послідовника випромінювача (тому A дуже близький до 1).$AV_{in}$

Тому струм через гілку становить приблизно . Оскільки A дуже близький до 1, дуже близький до 0.$R_3$$\dfrac{v_{in} - Av_{in}}{R_3} = \dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3}$$\dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3}$

Тепер давайте виразимо через (струм через гілку ). Оскільки струм через дуже малий порівняно з поточним через , я гілкою для наступного обчислення і припускаю, що весь струм випромінювача ( ) йде через комбінацію . Таким чином, можна обчислити як напругу через (що є ) плюс напругу через (яка$v_{in}$$i_b$$r_\pi$$R_3$$R_2 \parallel R_1 \parallel R_E$$R_3$$(\beta+1)i_b$$R_2 \parallel R_1 \parallel R_E$$v_{in}$$r_\pi$$i_br_\pi$$R_2 \parallel R_1 \parallel R_E$$(\beta+1)i_b( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )$ ):

$v_{in} = i_br_\pi + (\beta+1)i_b( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )$

Отже, струм через можна виразити так:$r_\pi$

$i_b = \dfrac{v_{in}}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}$

Тепер давайте обчислимо . Його можна обчислити як суму струмів через та :$i_{in}$$R_3$$r_\pi$

$i_{in} = \dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3} + \dfrac{v_{in}}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}$

Тепер давайте обчислимо :$\dfrac{v_{in}}{i_{in}}$

$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{v_{in}}{\dfrac{(1-A)v_{in}}{R_3} + \dfrac{v_{in}}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}}$

$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{1}{\dfrac{(1-A)}{R_3} + \dfrac{1}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}}$

$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{1}{\dfrac{1}{\dfrac{R_3}{1-A}} + \dfrac{1}{ r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E )}}$

$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{R_3}{1-A} \parallel (r_\pi + (\beta+1)( R_2 \parallel R_1 \parallel R_E ))$

У цьому наближеному виразі ми можемо чітко визначити, що одна з паралельних компонентів - це, мабуть, дуже великий "ефективний опір", на який посилався автор.$\dfrac{R_3}{1-A}$

Рішення 2

У цьому рішенні я намагаюся знайти, що .$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi ( R_3 + R_E')}{R_3+r_\pi}$

Застосування KCL на вузлі, позначеному V (струм, що надходить у цей вузол від транзисторного випромінювача, є ):$(\beta+1)i_b$

$(\beta+1)i_b = \dfrac{V}{R_1}+\dfrac{V}{R_2}+\dfrac{V}{R_E} + \dfrac{V-v_{in}}{R_3}$

$(\beta+1)i_b = V\left ( \dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_E} \right ) + \dfrac{V-v_{in}}{R_3}$

Створення :$\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_E} = R_E'$

$(\beta+1)i_b = \dfrac{V}{R_E'} + \dfrac{V-v_{in}}{R_3}$

Тепер, висловивши у виразах та :$V$$v_{in}$$i_b$

$V=v_{in}-i_br_\pi$

Внесення у рівняння вузла:$V=v_{in}-i_br_\pi$

$(\beta+1)i_b = \dfrac{v_{in}-i_br_\pi}{R_E'} + \dfrac{v_{in}-i_br_\pi-v_{in}}{R_3}$

$v_{in} = i_b\left [(\beta+1) R_E' + r_\pi + \dfrac{r_\pi R_E'}{R_3} \right ]$

Підключення цього до формули :$v_{in}$$V=v_{in}-i_br_\pi$

$V = v_{in} - i_br_\pi = i_b\left [(\beta+1) R_E' + \dfrac{r_\pi R_E'}{R_3} \right ]$

Тепер, виражаючи як суму струмів через і :$i_{in}$$r_\pi$$R_3$

$i_{in} = i_b+\dfrac{v_{in}-V}{R_3}$

Підключення до виразів, знайдених для і в частині :$V$$v_{in}$$i_b$

$i_{in} = i_b+\dfrac{i_br_\pi}{R_3}=i_b\left ( \dfrac{R_3+r_\pi}{R_3} \right )$

$i_{in} = i_b+\dfrac{i_br_\pi}{R_3}=i_b\left ( \dfrac{R_3+r_\pi}{R_3} \right )$

Нарешті, обчислення вхідного опору ( ):$\dfrac{v_{in}}{i_{in}}$

$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{i_b\left [(\beta+1) R_E' + r_\pi + \dfrac{r_\pi R_E'}{R_3} \right ]}{i_b\left ( \dfrac{R_3+r_\pi}{R_3} \right )}$

$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \left (\dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi R_3 + r_\pi R_E'}{R_3} \right )\left ( \dfrac{R_3}{R_3+r_\pi} \right )$

$\dfrac{v_{in}}{i_{in}} = \dfrac{(\beta+1) R_E'R_3 + r_\pi ( R_3 + R_E')}{R_3+r_\pi}$