Küçük bir sinyal amplifikatörü nasıl tasarlanır?

İçerik Menüsü

● Küçük sinyal amplifikatörlerini anlamak

>> İşletme İlkeleri

>> Anahtar parametreler

● Bileşenler ve rolleri

>> 1. Transistör seçimi

>> 2. Pasif bileşenler

>> 3. Güç kaynağı

● Adım adım tasarım süreci

>> 1. Spesifikasyonları tanımla

>> 2. Transistör seçimi

>> 3. DC önyargılı hesaplamalar

>>> A. İmparalar direnci (R3)

>>> B. Toplayıcı Direnç (R2)

>>> C. Voltaj bölücü (R1/R4)

>>> D. Kararlılık Kontrolü

>> 4. AC analizi ve kazanç optimizasyonu

>> 5. Kararlılık Geliştirmeleri

● Gelişmiş Tasarım Teknikleri

>> 1. Termal stabilite analizi

>> 2. Gürültü azaltma stratejileri

>> 3. Frekans tazminatı

● Pratik test ve sorun giderme

>> 1. Tezgah test prosedürü

>> 2. Yaygın sorunlar ve düzeltmeler

● Başvuru

>> 1. ses önsözleri

>> 2. Sensör sinyal koşullandırması

>> 3. RF alıcıları

● Çözüm

● SSS

>> 1. Sıcaklık amplifikatör performansını nasıl etkiler?

>> 2. Önyargı için bir potansiyometre kullanabilir miyim?

>> 3. Kuplaj kapasitörlerinin rolü nedir?

>> 4. Amplifikatörüm neden yüksek giriş seviyelerinde?

>> 5. Giriş/çıkış empedansını nasıl ölçebilirim?

● Alıntılar:

Küçük sinyal amplifikatörleri, modern elektroniklerde temel bileşenlerdir ve bozulma olmadan zayıf sinyallerin amplifikasyonunu sağlar. Bu kılavuz, tasarlamak için kapsamlı, adım adım bir yaklaşım sağlar. Küçük sinyal amplifikatörü , teorik ilkeleri entegre etme, pratik hesaplamalar ve gerçek dünyadaki optimizasyon stratejileri.

Küçük sinyal amplifikatörlerini anlamak

Küçük sinyal amplifikatörleri, düşük voltajlı AC sinyallerini (örn. Ses, sensör çıkışları veya RF sinyalleri) yükseltmek için transistörlerin doğrusal bölgesinde çalışır. Güç amplifikatörlerinden farklı olarak, ham güç çıkışına göre sinyal sadakatine öncelik verirler. Temel özellikler şunları içerir:

İşletme İlkeleri

- Aktif bölge yanlılığı: Transistörler, kesme ve doygunluk arasında çalışmaya önyargılıdır.

- Doğrusallık: Çıkış voltajı giriş voltajıyla orantılı kalır.

- Düşük gürültü: termal veya dış kaynaklardan gelen paraziti en aza indirir.

Anahtar parametreler

- Voltaj kazancı (AV): Çıktının giriş voltajına oranı (tipik olarak 10-100).

- Bant genişliği: Kazancın tutarlı kaldığı frekans aralığı (örneğin, ses için 20Hz - 20kHz).

- Giriş/çıkış empedansı: Maksimum güç aktarımı için kaynak ve yükü eşleştirir.

Bileşenler ve rolleri

1. Transistör seçimi

-Bipolar Kavşak Transistörleri (BJT'ler): Düşük maliyetli, genel amaçlı tasarımlar için idealdir (örn. BC547, 2N3904).

-Alan Etkili Transistörler (FET'ler): Yüksek giriş empedans uygulamaları için tercih edilir (örn. J310 JFET).

- Önyargı Gereksinimleri: Kararlı Q-Point, sıcaklık değişikliklerinde doğrusal çalışmayı sağlar.

2. Pasif bileşenler

- Dirençler:

A. Voltaj bölücü ağı: taban önyargı voltajını ayarlar.

B. İmparator Direnç (R3): DC çalışma noktasını negatif geri bildirim yoluyla stabilize eder.

- Kapasitörler:

A. Birleştirme kapasitörleri (C1/C2): AC sinyallerini geçerken DC'yi bloke edin.

B. Bypass kapasitör (C3): AC kazancını artırmak için yayıcıda kısa devre AC.

3. Güç kaynağı

- Voltaj (VCC): Tipik olarak 5-15V DC.

- Ayrıştırma: VCC'ye paralel 100NF kapasitör güç kaynağı gürültüsünü azaltır.

Adım adım tasarım süreci

1. Spesifikasyonları tanımla

Örnek Gereksinimler:

-Giriş sinyali: 30mv tepeden tepeye (1kHz sinüs dalgası).

-İstenen çıkış: 500mv tepeden tepeye (voltaj kazancı ≈ 16.7).

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

- Güç kaynağı: 12V DC.

2. Transistör seçimi

BC549 NPN Transistör:

- HFE (β): 110-800 (minimum β = 100 için tasarım).

- Max Toplayıcı Akımı (IC): 100mA.

- Geçiş frekansı (ft): 300MHz (ses ve RF için yeterli).

3. DC önyargılı hesaplamalar

Amaç: Q-Point'i IC = 2MA, VCE = 6V olarak ayarlayın (12V beslemede ortada).

A. İmparalar direnci (R3)

R3 = V _E /I _E = 1V /2MA = 500Ω (Standart Değer: 470Ω)

B. Toplayıcı Direnç (R2)

R2 = V _CC −V _C /I _C = 12V - 7V /2mA = 2.5KΩ (Standart Değer: 2.4kΩ)

C. Voltaj bölücü (R1/R4)

- Baz voltajı (VB): V _E +V _BE = 1V +0.7V = 1.7V.

- bölücü akımı (i_ {div}): 0.1 × i _c = 0.2mA.

R4 = V _B /I _DIV = 1.7V /0.2mA = 8.5KΩ (Standart Değer: 8.2KΩ)

R1 = V _CC −V _B /I _Div = 12V - 1.7V /0.2mA = 51.5kΩ (Standart Değer: 47KΩ)

D. Kararlılık Kontrolü

- Q-Point: V _C = 12V− (2mA × 2.4kΩ) = 7.2V.

- İmparalar: V _E = 2mA × 470Ω = 0.94V.

4. AC analizi ve kazanç optimizasyonu

Voltaj Kazanç:

AV = −r2∥rl/r3 = −2.4kΩ/470ω≈ - 5.1

İki aşamalı tasarım:

Toplam 16.7 kazanç elde etmek için, her biri -4.1 kazançlı iki aşamayı bastırma:

A _{V (Toplam)} = ( - 4.1) ²= 16.8

Frekans yanıtı:

- Alt kesim (F_L): Kapasitörlerin birleştirilmesi ile belirlenir.

FL = 1/2π (R ₊ R _Kaynağı ) C1

C1 için = 10μf ve r ₌ 47kΩ∥ 8.2kΩ ≈7kΩ:

fl = 1/2π (7kΩ) (10μf) ≈2.3Hz

- Üst kesim (F_H): Transistör kapasitans ve Miller etkisi ile sınırlı.

5. Kararlılık Geliştirmeleri

- Bypass kapasitör (C3): R3 boyunca 100μF kapasitör AC kazancını av = −r2/r3∥x _{c3'e güçlendirir}.

- Negatif geri bildirim: Yüksek frekanslı salınımları bastırmak için koleksiyoncu ve taban arasında 100pf kapasitör ekleyin.

Gelişmiş Tasarım Teknikleri

1. Termal stabilite analizi

İstikrar faktörü (ler):

S = 1+r _th /1+β (r ₃/r3+r _th )

Burada r _th, taban bölücünün Thevenin direncidir.

2. Gürültü azaltma stratejileri

- Düşük gürültü transistörleri: FET'ler veya özel BJT'ler kullanın (örn. 2N5089).

- Yıldız Topraklama: Ayrı Sinyal ve Güç Toprak Yolları.

- Koruma: Giriş aşamalarını metal bir gövdede kaplayın.

3. Frekans tazminatı

- Baskın kutup telafisi: Toplayıcı bazında bir kavşak boyunca bir kapasitör (C4) ekleyin.

- zirve indüktörleri: R2 ile seri küçük indüktörler RF yanıtını iyileştirir.

Pratik test ve sorun giderme

1. Tezgah test prosedürü

1. DC Bias Kontrolü: _C , V _E ve V _{B'yi ölçün.} Giriş sinyali olmadan V

2. AC sinyal enjeksiyonu: 30MVP-P sinüs dalgası uygulayın ve bir osiloskop üzerinde çıkışı doğrulayın.

3. Distorsiyon Analizi: THD'yi ölçmek için bir spektrum analizörü kullanın (<% 5 kabul edilebilir).

2. Yaygın sorunlar ve düzeltmeler

- Düşük Kazanç:

A. R2'yi artırın veya R3'ü azaltın.

B. R3'e bir bypass kapasitör ekleyin.

- Salınımlar:

A. Taban ile seri olarak 100Ω bir direnç yerleştirin.

B. Breadboard'daki kurşun uzunluklarını azaltın.

Başvuru

1. ses önsözleri

- Mikrofon amplifikatörleri: Dinamik mikrofonlardan (2MV) çizgi seviyesine (1V) kadar sinyalleri artırın.

- Eşitleme devreleri: Ton kontrol ağlarıyla entegre.

2. Sensör sinyal koşullandırması

- Termokupl amplifikatörleri: Arduino/Raspberry Pi için 10μV/° C sinyalleri yükseltir.

- Fotodiyot devreleri: NA seviyesi akımlarını ölçülebilir voltajlara dönüştürün.

3. RF alıcıları

- Amplifikatörler ise: AM radyolarında 455kHz ara frekansı artırın.

- LNA (düşük gürültü amplifikatörleri): Uydu iletişiminde SNR'yi geliştirin.

Çözüm

Küçük bir sinyal amplifikatörünün tasarlanması, bileşenlerin dikkatli seçilmesini, hassas DC yanlılığını ve yinelemeli testleri gerektirir. Kazanç, bant genişliği ve istikrarı dengeleyerek, mühendisler farklı uygulamalar için sağlam amplifikatörler oluşturabilirler. Gelecekteki tasarımlar, gelişmiş performans için entegre devrelerden (örn. Op-amps) yararlanabilir, ancak ayrık transistör amplifikatörleri eğitim ve yüksek frekanslı bağlamlar için hayati öneme sahiptir.

SSS

1. Sıcaklık amplifikatör performansını nasıl etkiler?

Sıcaklık artışları v'nin azalmasına ve β yükselmesine neden olur _ve Q noktasını kaydırır. İmparalar geri besleme dirençleri ve silikon transistörler bunu hafifletir.

2. Önyargı için bir potansiyometre kullanabilir miyim?

Evet, R1 yerine 10KΩ düzeltici, test sırasında manuel Q-noktalı ayarlamaya izin verir.

3. Kuplaj kapasitörlerinin rolü nedir?

AC sinyallerinin geçmesine izin verirken DC voltajlarını aşamalar arasında engelleyerek yanlılık voltajı parazitini engeller.

4. Amplifikatörüm neden yüksek giriş seviyelerinde?

Giriş doğrusal aralığını aşar - giriş sinyalini azaltın veya VCC'yi artırın.

5. Giriş/çıkış empedansını nasıl ölçebilirim?

- Giriş Empedansı: Girişle seri olarak bir potansiyometre bağlayın; Çıktı%50 düşene kadar ayarlayın.

- Çıkış empedansı: Açık devre voltajını ölçün, ardından bir yük bağlayın; Voltaj bölümünü kullanarak hesaplayın.

Alıntılar:

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

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

[3] https://resources.system-analysis.cadence.com/blog/msa2021-single-sage-small-signal-rf-amplifier-digns

[4] https://www.electronics-tutorials.com/mpliferiers/sell-signal-amplifericers.htm

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

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

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

[8] https://www.reddit.com/r/askelectronics/comments/tq8fxt/im_attemting_to_design_a_23_stage_smallsignal/

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

[10] https://study.madeasy.in/ec/analog-circuits/sell-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/ampifier/amp_8.html

[16] https://www.pinterest.com/pin/automatic-water-level-celtroller-103512429594326700/

[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-elf-s-s-smal-signal-audio-decign-4th-dition

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

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

[22] https://ece.poriyaan.in/topic/important-two-marks-questions-with-wenswers-on-amplifikatörler-20235/

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

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

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

[26] https://www.circuquitlab.com/questions/k33gfud2/sell-signal-amplifier/

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

[28] https://electronics.stackexchange.com/questions/81530/sell-signal-rf-amplifer-lemitasyonlar

[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/sellsignal/sell-signal-amplifikatör.htm

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

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

[34] https://bmsce.ac.in/content/it/sell_-_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/~matthe.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-rf-amplifier-digns

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

[42] https://electronics.stackexchange.com/questions/539683/help-with