Wie entwerfe ich einen kleinen Signalverstärker?

Inhaltsmenü

● Kleine Signalverstärker verstehen

>> Betriebsprinzipien

>> Schlüsselparameter

● Komponenten und ihre Rollen

>> 1. Transistorauswahl

>> 2. Passive Komponenten

>> 3. Stromversorgung

● Schritt-für-Schritt-Designprozess

>> 1. Definieren Sie Spezifikationen

>> 2. Auswahl der Transistor

>> 3. DC -Vorspannungsberechnungen

>>> A. Emitterwiderstand (R3)

>>> B. Sammlerwiderstand (R2)

>>> C. Spannungsteiler (R1/R4)

>>> D. Stabilitätsprüfung

>> 4. Wechselstromanalyse und Gewinnoptimierung

>> 5. Stabilitätsverbesserungen

● Erweiterte Designtechniken

>> 1. Thermalstabilitätsanalyse

>> 2. Strategien zur Rauschreduzierung

>> 3.. Frequenzkompensation

● Praktische Tests und Fehlerbehebung

>> 1. Verfahren zur Bankprüfung

>> 2. Häufige Probleme und Korrekturen

● Anwendungen

>> 1. Audiovorverstärker

>> 2. Sensorsignalkonditionierung

>> 3. RF -Empfänger

● Abschluss

● FAQ

>> 1. Wie wirkt sich die Temperatur auf die Verstärkerleistung aus?

>> 2. Kann ich ein Potentiometer zur Verzerrung verwenden?

>> 3. Welche Rolle spielt die Kopplungskondensatoren?

>> 4. Warum klammert sich mein Verstärker bei hohen Eingangsniveaus?

>> 5. Wie messe ich die Eingangs-/Ausgangsimpedanz?

● Zitate:

Kleine Signalverstärker sind grundlegende Komponenten in der modernen Elektronik, die die Verstärkung schwacher Signale ohne Verzerrung ermöglichen. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden, Schritt-für-Schritt-Ansatz zum Entwerfen von a Kleiner Signalverstärker , integrierende theoretische Prinzipien, praktische Berechnungen und reale Optimierungsstrategien.

Kleine Signalverstärker verstehen

Kleine Signalverstärker arbeiten im linearen Bereich der Transistoren, um Niedrigspannungs-Wechselstromsignale (z. B. Audio-, Sensorausgänge oder HF-Signale) zu verstärken. Im Gegensatz zu Leistungsverstärkern priorisieren sie die Signaltreue gegenüber der Rohleistung. Die wichtigsten Merkmale sind:

Betriebsprinzipien

- Tendenz der aktiven Region: Transistoren sind verzerrt, um mitten zwischen Grenzwert und Sättigung zu betreiben.

- Linearität: Die Ausgangsspannung bleibt proportional zur Eingangsspannung.

- Niedriges Rauschen: Minimiert die Störung aus thermischen oder externen Quellen.

Schlüsselparameter

- Spannungsverstärkung (AV): Ausgangsverhältnis zur Eingangsspannung (typischerweise 10–100).

- Bandbreite: Frequenzbereich, in dem die Verstärkung konsistent bleibt (z. B. 20 Hz - 20 kHz für Audio).

- Eingangs-/Ausgangsimpedanz: Übereinstimmung mit der Quelle und der Last für die maximale Stromübertragung.

Komponenten und ihre Rollen

1. Transistorauswahl

-Bipolare Junction-Transistoren (BJTs): Ideal für kostengünstige allgemeine Konstruktionen (z. B. BC547, 2N3904).

-Feldeffekttransistoren (FETs): Bevorzugt für Impedanzanwendungen mit hohem Eingang (z. B. J310 JFET).

- Vorspannungsanforderungen: Stabiler Q-Punkt sorgt für den linearen Betrieb über die Temperaturänderungen hinweg.

2. Passive Komponenten

- Widerstände:

A. Spannungsteiler Netzwerk: Legt die Basisspannung fest.

B. Emitterwiderstand (R3): Stabilisiert DC -Betriebspunkt durch negatives Feedback.

- Kondensatoren:

A. Kopplungskondensatoren (C1/C2): Block DC, während Wechselstromsignale bestehen.

B. Bypass-Kondensator (C3): Kurzschluss-Wechselstrom am Emitter, um die Wechselstromverstärkung zu steigern.

3. Stromversorgung

- Spannung (VCC): Typischerweise 5–15 V DC.

- Entkopplung: Ein 100 -NF -Kondensator parallel zur VCC reduziert das Netzteil.

Schritt-für-Schritt-Designprozess

1. Definieren Sie Spezifikationen

Beispielanforderungen:

-Eingangssignal: 30 mV Peak-to-Peak (1 kHz Sinuswelle).

-gewünschter Ausgang: 500 mV Peak-to-Peak (Spannungsverstärkung ≈ 16,7).

- Bandbreite: 100 Hz - 10 kHz (± 3 dB).

- Stromversorgung: 12 V DC.

2. Auswahl der Transistor

BC549 NPN Transistor:

- HFE (β): 110–800 (Design für minimales β = 100).

- Max -Sammlerstrom (IC): 100 mA.

- Übergangsfrequenz (FT): 300 MHz (ausreichend für Audio und RF).

3. DC -Vorspannungsberechnungen

Ziel: Setzen Sie den Q-Punkt auf IC = 2MA, VCE = 6 V (Midway in 12-V-Versorgung).

A. Emitterwiderstand (R3)

R3 = v _e /i _e = 1V /2ma = 500 Ω (Standardwert: 470 Ω)

B. Sammlerwiderstand (R2)

R2 = V _cc –v _C /I _C = 12V - 7 V /2MA = 2,5 kΩ (Standardwert: 2,4 kΩ)

C. Spannungsteiler (R1/R4)

- Basisspannung (VB): V _E +V _be = 1V +0,7 V = 1,7 V.

- Teilerstrom (i_ {div}): 0,1 × i _c = 0,2 mA.

R4 = V _b /i _div = 1,7 V /0,2 mA = 8,5 kΩ (Standardwert: 8,2 kΩ)

R1 = V _cc −v _b /i _div = 12V - 1,7 V /0,2 mA = 51,5 kΩ (Standardwert: 47 kΩ)

D. Stabilitätsprüfung

- Q-Punkt: V _C = 12 V– (2 mA × 2,4 kΩ) = 7,2 V.

- Emitterspannung: V _e = 2 × 470 Ω = 0,94 V.

4. Wechselstromanalyse und Gewinnoptimierung

Spannungsverstärkung:

AV = −r2∥rl/r3 = –2,4kΩ/470 Ωeicht,5.1

Zweistufiges Design:

Um einen Gesamtgewinn von 16,7 zu erzielen, kaskade zwei Stufen mit Gewinnen von -4,1 jeweils:

A _{V (Gesamt)} = ( - 4,1) ²= 16,8

Frequenzgang:

- Niedrigere Cutoff (F_L): Bestimmt durch Kopplungskondensatoren.

FL = 1/2π (r _in +r _Quelle ) C1

Für C1 = 10 μF und R _in = 47 kΩ∥ 8,2 kΩ ~ 7 kΩ:

FL = 1/2π (7k Ω) (10 μF) ~ 2,3 Hz

- Oberes Cutoff (F_H): Begrenzt durch Transistorkapazität und Miller -Effekt.

5. Stabilitätsverbesserungen

- Bypass -Kondensator (C3): Ein 100 μF -Kondensator über R3 steigert die Wechselstromverstärkung auf AV = –R2/R3∥x _C3.

- Negatives Feedback: Fügen Sie einen 100pF-Kondensator zwischen Kollektor und Basis hinzu, um Hochfrequenzschwingungen zu unterdrücken.

Erweiterte Designtechniken

1. Thermalstabilitätsanalyse

Stabilitätsfaktor (en):

S = 1+r _th /1+β (r ₃/r3+r _th )

Wo r _th ist der thevenin -Widerstand des Basisteilers.

2. Strategien zur Rauschreduzierung

- Transistoren mit niedriger Nutzung: Verwenden Sie FETs oder spezialisierte BJTs (z. B. 2N5089).

- Sternboden: Trennende Signal- und Leistungsmodellen.

- Abschirmung: Eingeben Sie Eingangsphasen in einem Metallgehäuse ein.

3.. Frequenzkompensation

- Dominante Polkompensation: Fügen Sie einen Kondensator (C4) über den Collector-Base-Übergang hinzu.

- Peaking -Induktoren: Kleine Induktoren in Reihe mit R2 verbessern die HF -Reaktion.

Praktische Tests und Fehlerbehebung

1. Verfahren zur Bankprüfung

1. DC -Vorspannungsprüfung: Maßnahme V _C , V _E und V _B ohne Eingangssignal.

2. AC-Signalinjektion: Tragen Sie eine 30 mVP-P-Sinuswelle auf und überprüfen Sie den Ausgang auf einem Oszilloskop.

3.. Verzerrungsanalyse: Verwenden Sie einen Spektrumanalysator, um THD zu messen (<5% akzeptabel).

2. Häufige Probleme und Korrekturen

- niedriger Gewinn:

A. Erhöhen Sie R2 oder reduzieren Sie R3.

B. Fügen Sie einen Bypass -Kondensator über R3 hinzu.

- Oszillationen:

A. Setzen Sie einen 100ω -Widerstand in Reihe mit der Basis ein.

B. Reduzieren Sie die Bleilängen auf dem Brot.

Anwendungen

1. Audiovorverstärker

- Mikrofonverstärker: Steigern Signale von dynamischen Mikrofonen (2MV) auf Linienebene (1 V).

- Equalization Circuits: Integrieren Sie in Ton-Kontroll-Netzwerke.

2. Sensorsignalkonditionierung

- Thermoelementverstärker: Amplifizieren Sie 10 μV/° C -Signale für Arduino/Raspberry Pi.

- Photodiodenschaltungen: Konvertieren von Strömen auf Na-Ebenen in messbare Spannungen.

3. RF -Empfänger

- Wenn Verstärker: 455 kHz mittlere Frequenz in AM -Radios steigern.

- LNA (Verstärker mit niedrigem Nutzen): Verbesserung der SNR in der Satellitenkommunikation.

Abschluss

Das Design eines kleinen Signalverstärkers erfordert eine sorgfältige Auswahl der Komponenten, eine präzise DC -Vorurteile und iterative Tests. Durch das Ausgleich von Gewinn, Bandbreite und Stabilität können Ingenieure robuste Verstärker für verschiedene Anwendungen erstellen. Zukünftige Entwürfe können integrierte Schaltkreise (z. B. OP-AMPS) für eine verbesserte Leistung nutzen, diskrete Transistorverstärker sind jedoch für Bildungs- und Hochfrequenzkontexte von entscheidender Bedeutung.

FAQ

1. Wie wirkt sich die Temperatur auf die Verstärkerleistung aus?

Temperaturerhöhungen führen dazu, dass V _abnimmt und β steigt und den Q-Punkt verschiebt. Emitter -Feedback -Widerstände und Siliziumtransistoren mindern dies.

2. Kann ich ein Potentiometer zur Verzerrung verwenden?

Ja, ein 10-kΩ-Trimmer anstelle von R1 ermöglicht die manuelle Q-Punkt-Einstellung während des Tests.

3. Welche Rolle spielt die Kopplungskondensatoren?

Sie blockieren DC -Spannungen zwischen den Stufen und ermöglichen es, Wechselstromsignale zu bestehen, wodurch die Störung der Verzerrungspannung verhindert wird.

4. Warum klammert sich mein Verstärker bei hohen Eingangsniveaus?

Der Eingang überschreitet den linearen Bereich - reduzieren Sie das Eingangssignal oder erhöhen Sie VCC.

5. Wie messe ich die Eingangs-/Ausgangsimpedanz?

- Eingangsimpedanz: Schließen Sie ein Potentiometer in Reihe mit dem Eingang an. Einstellen, bis der Ausgang um 50%sinkt.

- Ausgangsimpedanz: Messen Sie die Spannung mit offener Kreislauf und schließen Sie dann eine Last an; Berechnen Sie mit der Spannungsabteilung.

Zitate:

[1] https://www.eleccircuit.com/designing-small-signal-amplifier-circuit-transistor/

[2] https://www.fibossensor.com/what-is-a-small-signal-amplifier.html

[3] https://resources.system-analysis.cadence.com/blog/msa2021-Ssingle-stage-small-signal-rf-amplifier-designs

[4] https://www.electronics-tutorials.com/amplifiers/small-signal-amplifiers.htm

[5] https://www.youtube.com/watch?v=tdhbljtgttau

[6] https://www.phy.uniri.hr/files/ustroj/djelatnici/tomislav_jurkic/erasmus/electronic_lab_assignment5.pdf

[7] https://www.multisim.com/content/crgwgp87ga7gnsukbxyxy4/small-signal-amplifier/

[8] https://www.reddit.com/r/askelectronics/commentments/tq8fxt/im_attemption_to_design_a_23_stage_smallsignal/

[9] https://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_1.html

[10] https://study.madeasy.in/ec/analog-circuits/small-signal-model/

[11] https://www.youtube.com/watch?v=eqdhq1g_3we

[12] https://uomus.edu.iq/img/lectures21/muclecture_2024_3931591.pdf

[13] https://www.pinterest.com/pin/658581 14551033314 4/

[14] https://www.youtube.com/watch?v=vthctjz0jr4

[15] https://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_8.html

[16] https://www.pinterest.com/pin/automatic-water-level-controller-1035124295594326700/

[17] https://www.youtube.com/watch?v=wgokpf8lka8

[18] https://www.youtube.com/watch?v=4fycrrmzqgo

[19] https://audioxpress.com/article/a-look-inside-douglas- self-small-signal-audio-design-4th-edition

[20] https://www.diyaudio.com/community/threads/next-steps-to-learn-small-signal-amplifier-design.260801/

[21] https://forum.allaboutcircuits.com/threads/help-neded-with-small-signal-amplifier-design.181070/

[22] https://ece.poriyaan.in/topic/important-two-marks-questions-sith-answers-on-amplifiers-20235/

[23] https://www.site.uottawa.ca/~rhabash/elg3331he1.pdf

[24] https://pages.hmc.edu/mspencer/e151/small_signal_tricks.pdf

[25] https://www.eng-tips.com/threads/low-noise-small-signal-amplifier-design-question.136872/

[26] https://www.circuitlab.com/questions/k33gfud2/small--signal-amplifier/

[27] https://web.eece.maine.edu/~hummels/classes/ece342/docs/2009_test3_Solution.pdf

[28] https://electronics.stackexchange.com/questions/81530/small-signal-Rf-amplifer-limitations

[29] https://archive.nptel.ac.in/content/storage2/courses/115102014/downloads/module3.pdf

[30] http://www.solidfluid.co.uk/sfsite.php/00000270

[31] https://pe2bz.philpem.me.uk/comm/-%20-%20misc/-%20amp/info-901-amptutorial/smallsignal/small-signal-amplifier.htm

[32] https://www.youtube.com/watch?v=6bka-llrxfs

[33] https://www.youtube.com/watch?v=or0q5_gvcdc

[34] https://bmsce.ac.in/content/it/small_--signal_operation_and_models_of_mosfets.pdf

[35] https://quicksmith.online/help/examples/examples/example_7.html

[36] https://www.youtube.com/watch?v=evekdy2_dyw

[37] https://www.youtube.com/watch?v=8kvuhcnqs_s

[38] https://users.cecs.anu.edu.au/~matthew.james/engn2211-2002/notes/bjtnode12.html

[39] https://www.venture-mfg.com/what-is-amplifier-pcb/

[40] https://resources.system-analysis.cadence.com/blog/msa2021-Ssingle-stage-small-signal-rf-amplifier-designs

[41] https://cdn.macom.com/applicationnotes/an215a.pdf

[42] https://electronics.stackexchange.com/questions/539683/help-with-144mhz-small-signal-amplifier-not-amplifying