小さな信号アンプを設計する方法は？

コンテンツメニュー

● 小さな信号アンプの理解

>> 運用原則

>> 重要なパラメーター

● コンポーネントとその役割

>> 1。トランジスタの選択

>> 2。パッシブコンポーネント

>> 3。電源

● 段階的な設計プロセス

>> 1。仕様を定義します

>> 2。トランジスタの選択

>> 3。DCバイアス計算

>>> a。エミッター抵抗（R3）

>>> b。コレクター抵抗（R2）

>>> c。電圧仕切り（R1/R4）

>>> d。安定性チェック

>> 4。AC分析とゲインの最適化

>> 5。安定性の向上

● 高度な設計技術

>> 1。熱安定性分析

>> 2。ノイズ低減戦略

>> 3。周波数補償

● 実用的なテストとトラブルシューティング

>> 1。ベンチテスト手順

>> 2。一般的な問題と修正

● アプリケーション

>> 1。オーディオプリアンプ

>> 2。センサー信号調整

>> 3。RF受信機

● 結論

● よくある質問

>> 1.温度はアンプのパフォーマンスにどのように影響しますか？

>> 2。バイアスにポテンショメータを使用できますか？

>> 3.カップリングコンデンサの役割は何ですか？

>> 4.なぜ私のアンプは高い入力レベルでクリップをクリップするのですか？

>> 5.入出力インピーダンスを測定するにはどうすればよいですか？

● 引用：

小さな信号アンプは、最新の電子機器の基礎コンポーネントであり、歪みのない弱い信号の増幅を可能にします。このガイドは、 小さな信号アンプ、理論原則の統合、実用的な計算、および実際の最適化戦略。

小さな信号アンプの理解

小信号アンプは、トランジスタの線形領域で動作し、低電圧AC信号（オーディオ、センサー出力、またはRF信号など）を増幅します。パワーアンプとは異なり、彼らは生の出力よりも信号の忠実度を優先します。重要な特性は次のとおりです。

運用原則

- アクティブ領域バイアス：トランジスタは、カットオフと飽和の中間に動作するように偏っています。

- 線形性：出力電圧は、入力電圧に比例したままです。

- 低ノイズ：熱ソースまたは外部ソースからの干渉を最小限に抑えます。

重要なパラメーター

- 電圧ゲイン（AV）：出力と入力電圧の比（通常は10〜100）。

- 帯域幅：ゲインが一貫している周波数範囲（たとえば、オーディオの場合は20Hz〜20kHz）。

- 入力/出力インピーダンス：ソースと負荷を一致させて、最大の電力伝達を行います。

コンポーネントとその役割

1。トランジスタの選択

- 双極ジャンクショントランジスタ（BJTS）：低コストの汎用設計に最適です（例：BC547、2N3904）。

- フィールドエフェクトトランジスタ（FET）：高入力インピーダンスアプリケーション（例：J310 JFET）を好む。

- バイアス要件：安定したQポイントにより、温度変化全体の線形動作が保証されます。

2。パッシブコンポーネント

- 抵抗器：

a。電圧分割ネットワーク：ベースバイアス電圧を設定します。

b。エミッタ抵抗（R3）：負のフィードバックを介してDC動作点を安定させます。

- コンデンサ：

a。カップリングコンデンサ（C1/C2）：AC信号を通過しながらDCをブロックします。

b。バイパスコンデンサ（C3）：エミッタでの短絡AC ACがACゲインを高めます。

3。電源

- 電圧（VCC）：通常、5〜15V DC。

- デカップリング：VCCに平行な100NFコンデンサは、電源ノイズを減らします。

段階的な設計プロセス

1。仕様を定義します

要件の例：

- 入力信号：30mVピークからピーク（1kHz正弦波）。

- 目的の出力：500mVピークからピーク（電圧ゲイン≈16.7）。

- 帯域幅：100Hz〜10kHz（±3dB）。

- 電源：12V DC。

2。トランジスタの選択

BC549 NPNトランジスタ：

-HFE（β）：110–800（最小β= 100の設計）。

-maxコレクター電流（IC）：100MA。

- 遷移周波数（FT）：300MHz（オーディオとRFに十分）。

3。DCバイアス計算

目的：IC = 2MA、VCE = 6VでQポイントを設定します（12V供給の中間）。

a。エミッター抵抗（R3）

r3 = v _e /i _e = 1V /2ma =500Ω（標準値：470Ω）

b。コレクター抵抗（R2）

R2 = V _CC -V _C /I _C = 12V -7V /2MA =2.5KΩ（標準値：2.4KΩ）

c。電圧仕切り（R1/R4）

- ベース電圧（VB）：V _e +v _be = 1V +0.7V = 1.7V。

- 仕切り電流（i_ {div}）：0.1×i _c = 0.2ma。

R4 = V _b /i _div = 1.7v /0.2ma =8.5kΩ（標準値：8.2kΩ）

R1 = V _cc −V _b /i _div = 12V − 1.7V /0.2MA =51.5kΩ（標準値：47kΩ）

d。安定性チェック

-Qポイント：V _C = 12V-（2MA×2.4KΩ）= 7.2V。

- エミッタ電圧：V _E = 2MA×470Ω= 0.94V。

4。AC分析とゲインの最適化

電圧ゲイン：

av = −r2∥rl/r3 = −2.4kΩ/470Ω≈ -5.1

2段階のデザイン：

合計16.7の増加を達成するために、それぞれ-4.1の増加で2つのステージをカスケードします。

A _{V（合計）} =（ - 4.1） ²= 16.8

周波数応答：

- 下位カットオフ（F_L）：結合コンデンサによって決定されます。

fl = 1/2π（r _in +r _source ）c1

c1 =10μfおよびr _in =47kΩ∥8.2kΩ≈7kΩの場合：

FL = 1/2π（7kΩ）（10μF）≈2.3Hz

- 上部カットオフ（F_H）：トランジスタの容量とミラー効果により制限されています。

5。安定性の向上

- バイパスコンデンサ（C3）：R3を横切る100μFコンデンサは、ACゲインをAV = -R2/R3∥xC3にブーストし_ます.

- 負のフィードバック：コレクターとベースの間に100pfコンデンサを追加して、高周波振動を抑制します。

高度な設計技術

1。熱安定性分析

安定係数：

s = 1+r _th /1+β（r ₃/r3+r _th ）

ここで、r _thは ベースディバイダーのテブニン抵抗です。

2。ノイズ低減戦略

- 低ノイズトランジスタ：FETまたは特殊なBJTを使用します（たとえば、2N5089）。

- スターグラウンド：個別の信号と電力接地パス。

- シールド：金属ケーシングの入力段階を囲みます。

3。周波数補償

- 支配的な極補正：コレクターベースジャンクション全体にコンデンサ（C4）を追加します。

- ピーキングインダクタ：R2を使用した直列の小さなインダクタがRF応答を改善します。

実用的なテストとトラブルシューティング

1。ベンチテスト手順

1。DCバイアスチェック：_C 、V _E 、およびV _{Bを測定します。} 入力信号なしでV

2。ACシグナル注入：30MVP-Pサイン波を適用し、オシロスコープの出力を検証します。

3。歪み分析：スペクトルアナライザーを使用してTHDを測定します（5％<5％許容）。

2。一般的な問題と修正

- 低ゲイン：

a。 R2を増やすか、R3を減らします。

b。 R3にバイパスコンデンサを追加します。

- 振動：

a。ベースと直列に100Ω抵抗器を挿入します。

b。ブレッドボードの鉛の長さを短縮します。

アプリケーション

1。オーディオプリアンプ

- マイクアンプ：ダイナミックマイク（2MV）からラインレベル（1V）までのブースト信号。

- イコライゼーションサーキット：トーンコントロールネットワークと統合します。

2。センサー信号調整

- 熱電対アンプ：Arduino/Raspberry Piの10μV/°C信号を増幅します。

- フォトダイオード回路：NAレベルの電流を測定可能な電圧に変換します。

3。RF受信機

- アンプの場合：AMラジオで455kHz中間周波数をブーストします。

-LNA（低ノイズアンプ）：衛星通信でSNRを改善します。

結論

小さな信号アンプの設計には、コンポーネントの慎重な選択、正確なDCバイアス、および反復テストが必要です。ゲイン、帯域幅、および安定性のバランスをとることにより、エンジニアは多様なアプリケーションに堅牢なアンプを作成できます。将来の設計は、統合回路（例えば、OP-AMP）を活用してパフォーマンスを向上させる可能性がありますが、教育的および高周波コンテキストには離散トランジスタアンプが不可欠です。

よくある質問

1.温度はアンプのパフォーマンスにどのように影響しますか？

温度が上昇すると、V_は 減少し、βが上昇し、Qポイントをシフトします。エミッターフィードバック抵抗器とシリコントランジスタはこれを軽減します。

2。バイアスにポテンショメータを使用できますか？

はい、R1の代わりに10kΩトリマーを使用すると、テスト中に手動でQポイント調整が可能になります。

3.カップリングコンデンサの役割は何ですか？

AC信号が通過できるようにしながら、ステージ間のDC電圧をブロックし、バイアス電圧干渉を防ぎます。

4.なぜ私のアンプは高い入力レベルでクリップをクリップするのですか？

入力は線形範囲を超えています。入力信号を緩和するか、VCCを増加させます。

5.入出力インピーダンスを測定するにはどうすればよいですか？

- 入力インピーダンス：ポテンショメータを入力と直列に接続します。出力が50％減少するまで調整します。

- 出力インピーダンス：開いた回路電圧を測定し、負荷を接続します。電圧分割を使用して計算します。

引用：

[1] https://www.eleccircuit.com/desinging-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-single-stage-small-signal-signal-rf-amplifier-designs

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

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

[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/comments/tq8fxt/im_attempting_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-ssels-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-needed-with-small-signal-amplifier-design.181070/

[22] https://ece.poriyaan.in/topic/important-two-marks-questions-with-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/-%20-20-20misc/-%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-single-stage-small-signal-signal-rf-amplifier-designs

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

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