작은 신호 증폭기를 설계하는 방법?

컨텐츠 메뉴

● 작은 신호 증폭기 이해

>> 운영 원리

>> 주요 매개 변수

● 구성 요소와 그 역할

>> 1. 트랜지스터 선택

>> 2. 수동 구성 요소

>> 3. 전원 공급 장치

● 단계별 설계 프로세스

>> 1. 사양을 정의하십시오

>> 2. 트랜지스터 선택

>> 3. DC 바이어싱 계산

>>> 에이. 이미 터 저항 (R3)

>>> 비. 수집기 저항기 (R2)

>>> 기음. 전압 분배기 (R1/R4)

>>> 디. 안정성 점검

>> 4. AC 분석 및 최적화

>> 5. 안정성 향상

● 고급 디자인 기술

>> 1. 열 안정성 분석

>> 2. 소음 감소 전략

>> 3. 주파수 보상

● 실제 테스트 및 문제 해결

>> 1. 벤치 테스트 절차

>> 2. 일반적인 문제와 수정

● 응용 프로그램

>> 1. 오디오 프리 앰프

>> 2. 센서 신호 컨디셔닝

>> 3. RF 수신기

● 결론

● FAQ

>> 1. 온도가 앰프 성능에 어떤 영향을 미칩니 까?

>> 2. 바이어스에 전위차계를 사용할 수 있습니까?

>> 3. 커플 링 커패시터의 역할은 무엇입니까?

>> 4. 앰프가 높은 입력 레벨에서 클립하는 이유는 무엇입니까?

>> 5. 입력/출력 임피던스를 어떻게 측정합니까?

● 인용 :

소형 신호 증폭기는 현대 전자 제품의 기초 구성 요소로, 왜곡없이 약한 신호의 증폭을 가능하게합니다. 이 안내서는 설계에 대한 포괄적이고 단계별 접근 방식을 제공합니다. 소형 신호 증폭기 , 이론적 원리 통합, 실제 계산 및 실제 최적화 전략을 통합합니다.

작은 신호 증폭기 이해

작은 신호 증폭기는 트랜지스터의 선형 영역에서 작동하여 저전압 AC 신호 (예 : 오디오, 센서 출력 또는 RF 신호)를 증폭시킵니다. 전력 증폭기와 달리 원시 전력 출력보다 신호 충실도를 우선시합니다. 주요 특성은 다음과 같습니다.

운영 원리

- 활성 영역 바이어스 : 트랜지스터는 컷오프와 포화 사이의 중간에 작동하도록 바이어스됩니다.

- 선형성 : 출력 전압은 입력 전압에 비례합니다.

- 소음이 적습니다 : 열 또는 외부 소스의 간섭을 최소화합니다.

주요 매개 변수

- 전압 게인 (AV) : 출력 대 입력 전압 비율 (일반적으로 10-100).

- 대역폭 : 게인이 일관성이 유지되는 주파수 범위 (예 : 오디오의 경우 20Hz – 20kHz).

- 입력/출력 임피던스 : 최대 전력 전송을 위해 소스 및로드와 일치합니다.

구성 요소와 그 역할

1. 트랜지스터 선택

-BJTS (Bipolar Junction Transistors) : 저렴한 일반적인 목적 설계에 이상적입니다 (예 : BC547, 2N3904).

-FETS (Field-Effect Transistors) : 고 입력 임피던스 응용 프로그램 (예 : J310 JFET)에 선호됩니다.

- 바이어싱 요구 사항 : 안정적인 Q- 포인트는 온도 변화에 걸쳐 선형 작동을 보장합니다.

2. 수동 구성 요소

- 저항 :

에이. 전압 분배기 네트워크 : 기본 바이어스 전압을 설정합니다.

비. 이미 터 저항 (R3) : 부정적인 피드백을 통해 DC 작동 지점을 안정화시킵니다.

- 커패시터 :

에이. 커플 링 커패시터 (C1/C2) : AC 신호를 전달하는 동안 DC를 차단합니다.

비. 바이 패스 커패시터 (C3) : AC 게인을 높이기 위해 이미 터의 단락 AC.

3. 전원 공급 장치

- 전압 (VCC) : 일반적으로 5–15V DC.

- 디커플링 : VCC와 평행 한 100NF 커패시터는 전원 공급 장치 노이즈를 줄입니다.

단계별 설계 프로세스

1. 사양을 정의하십시오

예제 요구 사항 :

-입력 신호 : 30MV 피크-피크 (1kHz 사인파).

-원하는 출력 : 500MV 피크-피크 (전압 게인 ≈ 16.7).

- 대역폭 : 100Hz – 10kHz (± 3dB).

- 전원 공급 장치 : 12V DC.

2. 트랜지스터 선택

BC549 NPN 트랜지스터 :

-HFE (β) : 110–800 (최소 β = 100에 대한 설계).

- 최대 수집기 전류 (IC) : 100MA.

- 전환 주파수 (FT) : 300MHz (오디오 및 RF에 충분).

3. DC 바이어싱 계산

목표 : IC = 2MA, VCE = 6V (12V 공급 중간)에서 Q-Point를 설정하십시오.

에이. 이미 터 저항 (R3)

R3 = V _E /I _E = 1V /2MA = 500Ω (표준 값 : 470Ω)

비. 수집기 저항기 (R2)

R2 = V _CC -V _C /I _C = 12V -7V /2MA = 2.5KΩ (표준 값 : 2.4kΩ)

기음. 전압 분배기 (R1/R4)

- 기본 전압 (VB) : V _E +V _Be = 1V +0.7V = 1.7V.

- 분배기 전류 (i_ {div}) : 0.1 × i _c = 0.2ma.

r4 = v _b /i _div = 1.7v /0.2ma = 8.5kΩ (표준 값 : 8.2kΩ)

R1 = V _CC -V _B /I _DIV = 12V − 1.7V /0.2MA = 51.5kΩ (표준 값 : 47kΩ)

디. 안정성 점검

- Q- 포인트 : V _C = 12V- (2MA × 2.4KΩ) = 7.2V.

- 이미 터 전압 : V _E = 2MA × 470Ω = 0.94V.

4. AC 분석 및 최적화

전압 게인 :

av = -r2rrl/r3 = -2.4kΩ/470Ω≈5.1

2 단계 디자인 :

총 16.7의 이득을 얻으려면 각각 -4.1의 이득으로 두 단계를 거쳐서 Cascade :

A _{v (총)} = (-4.1) ²= 16.8

주파수 응답 :

- 하단 컷오프 (F_L) : 커플 링 커패시터에 의해 결정됩니다.

fl = 1/2π (r _in +r _소스 ) C1

C1 = 10μf 및 r _in = 47kΩ 8.2kΩ ≈7kΩ :

fl = 1/2π (7kΩ) (10μf) ≈2.3Hz

- 상단 컷오프 (F_H) : 트랜지스터 커패시턴스 및 밀러 효과에 의해 제한됩니다.

5. 안정성 향상

- 바이 패스 커패시터 (C3) : R3을 가로 지르는 100μf 커패시터는 AC 게인을 AV = -R2/R3 ∥X _{C3 로 향상시킵니다.}.

- 부정적인 피드백 : 고주파 진동을 억제하기 위해 수집기와베이스 사이에 100pf 커패시터를 추가하십시오.

고급 디자인 기술

1. 열 안정성 분석

안정성 계수 :

S = 1+R _Th /1+β (R ₃/R3+R _Th )

여기서 r _th는 기본 분배기의 Thevenin 저항입니다.

2. 소음 감소 전략

- 저음 트랜지스터 : FET 또는 전문 BJTS (예 : 2N5089)를 사용합니다.

- 별 접지 : 별도의 신호 및 전력 접지 경로.

- 차폐 : 금속 케이싱에 입력 단계를 동봉하십시오.

3. 주파수 보상

- 지배적 인 극 보상 : 수집기 기반 접합부를 가로 질러 커패시터 (C4)를 추가합니다.

- 피크 인덕터 : R2와 직렬로 작은 인덕터가 RF 응답을 향상시킵니다.

실제 테스트 및 문제 해결

1. 벤치 테스트 절차

1. DC 바이어스 점검 : _C , V _E 및 V _{B를 측정합니다.} 입력 신호가없는 V

2.

3. 왜곡 분석 : 스펙트럼 분석기를 사용하여 THD를 측정합니다 (<5% 허용 가능).

2. 일반적인 문제와 수정

- 낮은 게인 :

에이. R2를 증가 시키거나 R3을 줄입니다.

비. R3을 통해 바이 패스 커패시터를 추가하십시오.

- 진동 :

에이. 베이스와 직렬로 100Ω 저항을 삽입하십시오.

비. 빵 보드의 리드 길이를 줄입니다.

응용 프로그램

1. 오디오 프리 앰프

- 마이크 증폭기 : 동적 마이크 (2MV)에서 라인 레벨 (1V)까지 신호를 부스트합니다.

- 이퀄라이제이션 회로 : 톤 제어 네트워크와 통합.

2. 센서 신호 컨디셔닝

- 열전대 증폭기 : Arduino/Raspberry Pi의 10μV/° C 신호를 증폭시킵니다.

- 포토 디오드 회로 : NA 레벨 전류를 측정 가능한 전압으로 변환합니다.

3. RF 수신기

- 앰프 인 경우 : AM 라디오에서 455kHz 중간 주파수를 부스트하십시오.

-LNA (저음 증폭기) : 위성 통신에서 SNR을 향상시킵니다.

결론

작은 신호 증폭기를 설계하려면 신중한 구성 요소, 정확한 DC 바이어싱 및 반복 테스트가 필요합니다. 엔지니어는 게인, 대역폭 및 안정성의 균형을 유지함으로써 다양한 응용 분야를위한 강력한 증폭기를 만들 수 있습니다. 향후 설계는 성능 향상을 위해 통합 회로 (예 : OP-AMPS)를 활용할 수 있지만, 이산 트랜지스터 증폭기는 교육 및 고주파 컨텍스트에 필수적입니다.

FAQ

1. 온도가 앰프 성능에 어떤 영향을 미칩니 까?

온도가 증가하면 V _가 감소하고 β가 상승하여 Q- 점을 이동시킵니다. 이미 터 피드백 저항 및 실리콘 트랜지스터가이를 완화시킵니다.

2. 바이어스에 전위차계를 사용할 수 있습니까?

예, R1 대신 10kΩ 트리머를 사용하면 테스트 중에 수동 Q- 포인트 조정이 가능합니다.

3. 커플 링 커패시터의 역할은 무엇입니까?

AC 신호가 통과 할 수 있도록 단계 간의 DC 전압을 차단하여 바이어스 전압 간섭을 방지합니다.

4. 앰프가 높은 입력 레벨에서 클립하는 이유는 무엇입니까?

입력은 선형 범위를 초과하여 입력 신호를 줄이거 나 VCC를 증가시킵니다.

5. 입력/출력 임피던스를 어떻게 측정합니까?

- 입력 임피던스 : 전위차계를 입력과 직렬로 연결합니다. 출력이 50%떨어질 때까지 조정하십시오.

- 출력 임피던스 : 개방 회로 전압을 측정 한 다음 하중을 연결하십시오. 전압 분할을 사용하여 계산합니다.

인용 :

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

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

[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.madeeasy.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-small-signal-mall-mplifier-design.260801/

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

[22] https://ece.poriyaan.in/topic/important-two-marks-questions-with-answers-on-mplifiers-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-mplifier-design-question.136872/

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

[27] https://web.eece.maine.edu/~hummels/classes/ece342/docs/2009_test3_solution.pdf

[28] https://electronics.stackexchange.com/questions/81530/small-signal-rf-mplifer-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/engn211-2002/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-144mhz-small-signal-mplifier-not-amplifing