10 การออกแบบเครื่องขยายเสียง FET

การออกแบบเครื่องขยายเสียง FET

ตอนนี้เราสำรวจส่วนขยายของการวิเคราะห์แอมพลิฟายเออร์ FET ที่นำเสนอก่อนหน้าในบทนี้เพื่อการออกแบบแอมพลิฟายเออร์ FET เราจะพยายามกำหนดสิ่งแปลกปลอมในปัญหาการออกแบบจากนั้นจึงพัฒนาสมการสำหรับแก้ปัญหาสิ่งแปลกปลอมเหล่านี้ ในการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่จำนวนสมการจะน้อยกว่าจำนวนที่ไม่ทราบ ข้อ จำกัด เพิ่มเติมถูกสร้างขึ้นเพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์โดยรวมบางประการ (เช่นต้นทุนต่ำสุดความผันแปรของประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์)

10.1 CS Amplifier

ขั้นตอนการออกแบบของเครื่องขยายเสียง CS มีการนำเสนอในส่วนนี้ เราจะลด JFET และการออกแบบเครื่องขยายเสียงมอสเฟตแบบสิ้นเปลืองให้เป็นขั้นตอนที่จัดไว้ ในขณะนี้อาจปรากฏว่า

ลดการออกแบบให้เป็นกระบวนการที่เป็นกิจวัตรคุณต้องโน้มน้าวตัวเองว่าคุณเข้าใจที่มาของแต่ละขั้นตอนเนื่องจากอาจต้องใช้รูปแบบต่างๆในภายหลัง หากคุณออกแบบแอมพลิฟายเออร์ CS ได้เพียงแค่“ เสียบปลั๊ก” ตามขั้นตอนที่เรานำเสนออย่างไม่คิดหน้าคิดหลังคุณจะพลาดประเด็นทั้งหมดของการสนทนานี้ ในฐานะวิศวกรคุณกำลังมองหาที่จะทำสิ่งต่างๆ ไม่ กิจวัตรประจำวัน การลดทฤษฏีลงในแนวทางที่เป็นระเบียบคือสิ่งที่คุณจะทำ คุณจะไม่ใช้วิธีการที่คนอื่นทำเพื่อคุณ

แอมพลิฟายเออร์ได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการที่ได้รับโดยสมมติว่าข้อกำหนดที่ต้องการอยู่ในช่วงของทรานซิสเตอร์ โดยปกติจะมีการระบุแรงดันไฟฟ้าความต้านทานโหลดแรงดันไฟฟ้าและความต้านทานอินพุต (หรืออัตราขยายปัจจุบัน) งานของนักออกแบบคือการเลือกค่าความต้านทาน R1, R2, RDและ RS. อ้างถึงรูปที่ 40 ในขณะที่คุณทำตามขั้นตอนในกระบวนการ ขั้นตอนนี้จะถือว่าอุปกรณ์ได้รับการเลือกและมีคุณสมบัติเป็นที่รู้จัก

รูปที่ 40 JFET CS แอมป์

ก่อนอื่นให้เลือกจุด Q ในขอบเขตความอิ่มตัวของเส้นโค้งลักษณะ FET อ้างถึงเส้นโค้งของรูปที่ 40 (b) สำหรับตัวอย่าง สิ่งนี้ระบุว่า VDSQ, VGSQและ IDQ.

ตอนนี้เราแก้ปัญหาสำหรับตัวต้านทานสองตัวในเอาต์พุตลูป RS และ RD. เนื่องจากมีสิ่งแปลกปลอมอยู่สองตัวเราจึงต้องใช้สมการอิสระสองตัว เราเริ่มต้นด้วยการเขียน dc สมการ KVL รอบลูปแหล่งระบาย

 (58)

การหาผลรวมของตัวต้านทานสองตัวจะได้ผลลัพธ์

 (59)

 (60)

ความต้านทาน, RD, เป็นสิ่งเดียวที่ไม่ทราบในสมการนี้ การแก้เพื่อ RD ผลลัพธ์ในสมการกำลังสองที่มีสองวิธีคือหนึ่งลบและหนึ่งบวก หากวิธีการแก้ปัญหาเชิงบวกส่งผลให้ RD > K1จึงเป็นการลบ RSต้องเลือก Q-point ใหม่ (เช่นเริ่มการออกแบบใหม่) หากวิธีการแก้ปัญหาเชิงบวกให้ผลตอบแทน RD < K1เราสามารถดำเนินการต่อ

ตอนนี้ที่ RD เป็นที่รู้จักเราแก้ปัญหา RS ใช้สมการ (59), สมการลูปไปยังแหล่งที่มา

 (61)

กับ RD และ RS ที่รู้จักกันเราต้องการเพียงการค้นหา R1 และ R2.

เราเริ่มต้นด้วยการเขียนสมการ KVL สำหรับวนลูปเกตแหล่งใหม่

 (62)

แรงดันไฟฟ้า VGSเป็นขั้วที่ตรงกันข้ามจาก VDD. ดังนั้นคำว่า IDQRS ต้องมากกว่า VGSQ ในขนาด มิฉะนั้น, VGG จะมีขั้วตรงข้ามจาก VDDซึ่งไม่สามารถทำได้ตาม Equation (62)

ตอนนี้เราแก้หา R1 และ R2 สมมติว่า VGG พบว่ามี ขั้วเดียวกัน as VDD. ค่าตัวต้านทานเหล่านี้จะถูกเลือกโดยการหาค่าของ RG จากสมการกระแส - ได้รับหรือจากความต้านทานอินพุต เราแก้หา R1 และ R2.

 (63)

สมมุติว่า Equation (62) ให้ผลลัพธ์เป็น a VGG ที่มี ขั้วตรงข้าม of VDD. มันเป็นไปไม่ได้ที่จะแก้ปัญหา R1 และ R2. วิธีปฏิบัติในการดำเนินการคือการให้ VGG = 0 V. ดังนั้น   . ตั้งแต่ VGG ถูกระบุโดย Equation (62) ซึ่งเป็นค่าที่คำนวณไว้ก่อนหน้าของ RS ตอนนี้ต้องมีการแก้ไข

รูปที่ 41 - เครื่องขยายเสียง CS

ในรูปที่ 41 ที่ตัวเก็บประจุถูกใช้เพื่อข้ามส่วนหนึ่งของ RSเราพัฒนาคุณค่าใหม่ของ RS ดังต่อไปนี้:

 (64)

คุณค่าของ Rsdc is RS1 + RS2 และคุณค่าของ Rถุง is RS1.

ตอนนี้เรามีใหม่ Rsdcเราต้องทำซ้ำหลายขั้นตอนก่อนหน้านี้ในการออกแบบ เราพิจารณาอีกครั้ง RD การใช้ KVL สำหรับการวนลูปไปสู่ซอร์ส

 (65)

ปัญหาการออกแบบตอนนี้กลายเป็นหนึ่งในการคำนวณทั้งคู่ RS1 และ RS2 แทนที่จะค้นหาตัวต้านทานแหล่งเดียวเท่านั้น

ด้วยค่าใหม่สำหรับ RD of K1 - รsdcเราไปที่การแสดงออกของแรงดันไฟฟ้าของ Equation (60) ด้วย Rถุง ใช้สำหรับสิ่งนี้ ac สมการมากกว่า RS. ต้องเพิ่มขั้นตอนเพิ่มเติมต่อไปนี้ในขั้นตอนการออกแบบ:

เราพบว่า Rถุง (ซึ่งเป็นเพียง RS1) จากสมการแรงดันไฟฟ้า

 (66)

Rถุง เป็นสิ่งเดียวที่ไม่ทราบในสมการนี้ การแก้ปัญหานี้เราพบ

 (67)

สมมติว่าตอนนี้ Rถุง พบว่าเป็นบวก แต่น้อยกว่า Rsdc. นี่คือเงื่อนไขที่พึงประสงค์ตั้งแต่

 (68)

จากนั้นการออกแบบของเราจะเสร็จสมบูรณ์และ

  (69)

สมมติว่า Rถุง พบว่าเป็นบวก แต่ มากขึ้น กว่า Rsdc. แอมพลิฟายเออร์ไม่สามารถออกแบบได้ด้วยแรงดันไฟฟ้าและค่า Q-point ตามที่เลือก ต้องเลือก Q-point ใหม่ หากแรงดันไฟฟ้ามีค่าสูงเกินไปอาจเป็นไปไม่ได้ที่จะมีผลต่อการออกแบบด้วยจุด Q ใด ๆ อาจจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ที่แตกต่างกันหรืออาจต้องใช้สองขั้นตอนแยกกัน

10.2 เครื่องขยายเสียงซีดี

ตอนนี้เรานำเสนอขั้นตอนการออกแบบสำหรับเครื่องขยายเสียง CD JFET มีการระบุปริมาณต่อไปนี้: อัตราขยายปัจจุบัน, ความต้านทานโหลดและ VDD. อาจระบุความต้านทานอินพุตแทนอัตราขยายปัจจุบัน อ้างถึงวงจรของรูปที่ 39 เมื่อคุณศึกษาขั้นตอนต่อไปนี้ เราขอเตือนคุณอีกครั้งว่ากระบวนการลดทฤษฎีเป็นชุดขั้นตอนเป็นส่วนสำคัญของการสนทนานี้ไม่ใช่ขั้นตอนจริง

ขั้นแรกให้เลือกจุด Q ที่กึ่งกลางของเส้นโค้งลักษณะ FET โดยใช้รูปที่ 20 (“ บทที่ 3: ทรานซิสเตอร์สนามเอฟเฟกต์สนธิ (JFET)”) ขั้นตอนนี้กำหนด VDSQ, VGSQ, IDQ และ gm.

เราสามารถแก้ปัญหาสำหรับตัวต้านทานที่เชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดโดยการเขียน dc สมการของ KVL รอบลูปไปสู่แหล่งที่มา

 (70)

จากที่เราพบ dc ค่าของ RS,

 (71)

ต่อไปเราจะพบ ac ค่าความต้านทาน Rถุงจากสมการที่ได้รับปัจจุบันที่จัดใหม่สมการ (55)

 (72)

ที่ไหน RG = Rin. หากไม่ได้ระบุความต้านทานอินพุตให้ Rถุง = Rsdc และคำนวณความต้านทานอินพุตจากสมการ (72) หากความต้านทานอินพุตไม่สูงพออาจจำเป็นต้องเปลี่ยนตำแหน่ง Q-point

If Rin ระบุไว้มีความจำเป็นต้องคำนวณ Rถุง จากสมการ (72) ในกรณีดังกล่าว, Rถุง แตกต่างจาก Rsdcดังนั้นเราจึงข้ามส่วนของ RS กับตัวเก็บประจุ

ตอนนี้เราหันความสนใจไปที่วงจรไบอัสอินพุต เราพิจารณาแล้ว VGG ใช้สมการ

 (73)

ไม่มีการผลิตเฟสผกผันในตัวขยายสัญญาณ FET และ VGG โดยปกติแล้วมีขั้วเดียวกับแรงดันไฟฟ้า

ตอนนี้ที่ VGG เป็นที่รู้จักกันเรากำหนดค่าของ R1 และ R2 จาก Thevenin ที่เท่ากันของวงจรอคติ

 (74)

โดยปกติจะมีกระแสไฟไหลออกเพียงพอใน SF เพื่อพัฒนาแรงดันไฟฟ้าขั้วตรงข้ามที่จำเป็นในการชดเชยแรงดันไฟฟ้าเชิงลบที่ประตู JFET ต้องการ ดังนั้นการให้น้ำหนักแบบแบ่งแรงดันปกติสามารถใช้

รูปที่ 44 - เครื่องขยายเสียง CD พร้อมชิ้นส่วนของ RS ที่เลี่ยงผ่าน

ตอนนี้เรากลับไปที่ปัญหาของการระบุความต้านทานอินพุต เราสามารถสันนิษฐานได้ว่าส่วนหนึ่งของ RS ถูกข้ามเช่นเดียวกับในรูปที่ 44 ซึ่งนำไปสู่ค่าต่างๆของ Rถุง และ Rsdc. เราใช้สมการ (71) เพื่อแก้ปัญหา Rsdc. ต่อไปเราปล่อย RG เท่ากับค่าที่ระบุของ Rinและใช้ Equation (72) เพื่อแก้ไข Rถุง.

ถ้า Rถุง คำนวณข้างต้นมีขนาดเล็กกว่า Rsdcการออกแบบสามารถทำได้โดยการข้าม RS2 กับตัวเก็บประจุ จำไว้ Rถุง = RS1 และ Rsdc = RS1 + RS2. ถ้าในอีกทางหนึ่ง Rถุง มีขนาดใหญ่กว่า Rsdcต้องย้ายจุด Q ไปยังตำแหน่งอื่น เราเลือกขนาดที่เล็กกว่า VDS จึงทำให้แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นจะลดลง RS1 + RS2ซึ่งทำให้ Rsdc ที่มีขนาดใหญ่ ถ้า VDS ไม่สามารถลดได้อย่างเพียงพอที่จะทำ Rsdc ใหญ่กว่า Rถุงจากนั้นไม่สามารถออกแบบเครื่องขยายเสียงด้วยอัตราขยายปัจจุบันที่กำหนด Rinและประเภท FET หนึ่งในสามของคุณสมบัติเหล่านี้ต้องเปลี่ยนหรือต้องใช้แอมพลิฟายเออร์สเตจที่สองเพื่อให้ได้มาซึ่งที่ต้องการ

10.3 เครื่องขยายสัญญาณ Boot SF

ตอนนี้เราตรวจสอบความแตกต่างของแอมพลิฟายเออร์ซีดีที่รู้จักในชื่อ บูตเครื่องขยายเสียง SF (หรือ CD) FET. วงจรนี้เป็นกรณีพิเศษของ SF ที่เรียกว่า วงจร bootstrap และแสดงไว้ในรูปที่ 45

ที่นี่อคติได้รับการพัฒนาข้ามส่วนหนึ่งของตัวต้านทานแหล่งที่มา สิ่งนี้จะช่วยลดความจำเป็นในการบายพาสตัวเก็บประจุข้ามส่วนของตัวต้านทานแหล่งจ่ายไฟและทำให้ได้ความต้านทานอินพุตที่มากกว่าปกติ การออกแบบนี้ช่วยให้เราสามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติความต้านทานสูงของ FET โดยไม่ต้องใช้ตัวต้านทานประตูค่าสูง RG.

วงจรสมมูลของรูป 46 ใช้สำหรับประเมินการทำงานของวงจร

Bootstrap source follower

รูปที่ 45 - ผู้ติดตามซอร์ส Bootstrap

เราคิดว่า iin มีขนาดเล็กพอที่จะประมาณกระแสใน RS2 as i1. แรงดันขาออกนั้นจะพบว่าเป็น

 (75)

ที่ไหน

 (76)

หากข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับ iin ไม่ถูกต้องถูกแทนที่ด้วยนิพจน์

 (77)

สมการ KVL ที่อัตราผลตอบแทนเข้า vin ดังต่อไปนี้:

 (78)

ปัจจุบัน, i1พบจากความสัมพันธ์ที่แบ่งปัจจุบัน

 (79)

การรวมสมการ (79) และ (78)

 (80)

สมการที่สองสำหรับ vin ได้รับการพัฒนารอบวงผ่าน RG และ RS2 ดังต่อไปนี้

 (81)

เรากำจัด vin โดยการตั้งค่าสมการ (80) เท่ากับสมการ (81) และแก้หา iin ที่จะได้รับ

 (82)

ความต้านทานอินพุต Rin = vin/iinพบโดยการหารสมการ (81) โดยสมการ (82) กับผลลัพธ์

 (83)

RG เป็นสิ่งเดียวที่ไม่ทราบในสมการนี้ดังนั้นเราจึงสามารถหาได้

 (84)

กำไรในปัจจุบันคือ

 (85)

ตอนนี้เราสามารถใช้สมการที่ได้มาก่อนหน้านี้พร้อมกับการสังเกตว่า RS - RS2 = RS1 เพื่อที่จะแก้ปัญหาเพื่อให้ได้กำไรในปัจจุบัน

 (86)

แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นคือ

 (87)

โปรดทราบว่าตัวหารในสมการ (84) มีขนาดใหญ่กว่าตัวเศษจึงแสดงให้เห็นว่า RG <(Rin-RS2) นี่เป็นการพิสูจน์ว่าสามารถต้านทานการป้อนข้อมูลขนาดใหญ่ได้โดยไม่ต้องมีขนาดเท่ากัน RG.