Diseñe un amplificador con ganancia máxima de voltaje

Si la pregunta real es "complete los valores de los componentes para obtener el máximo voltaje de salida sin saturación para la señal de entrada dada". , entonces esta pregunta no se puede responder, excepto en el caso específico de haciendo C4 cero (eliminándolo). ¿Puedes ver por qué? Además, no tienes ninguna opción sobre la ganancia de CD. Puede hacer que la ganancia de CA sea mayor que 1, pero si está atascado con esta topología de circuito, realmente no puede hacerlo tan predecible. ¿Puedes ver por qué es eso?

Si me dieran este problema, probablemente escribiría una respuesta explicando por qué esta topología no es razonable para lograr el objetivo, que también es demasiado vago para ser una especificación real. Lo respaldaría con un análisis detallado y una crítica del circuito, explicando exactamente cuáles son los problemas, qué especificaciones importantes faltan y por qué no es posible obtener un resultado predecible. Tal vez reprobé la pregunta, o tal vez obtuve crédito adicional. Sin embargo, no voy a involucrarme en ingeniería irresponsable solo para decirle al instructor lo que la mayoría asumirá que él quiere escuchar.

Creo que lo que el instructor quiere que se dé cuenta es primero qué ganancia realmente necesita, luego cómo ajustar los valores de los componentes para lograr esa ganancia.

Primero veamos la ganancia requerida. La entrada solo se especifica como "10 mV". Eso deja mucho sin decir. Probablemente lo tomaría como una señal de CA 10 mV RMS. Cuando se mira el recorte del amplificador, lo que importa son los picos. Lo primero en lo que debe pensar es qué voltaje pico a pico está implícito en "10 mV" en este caso. Considero que es al menos una onda sinusoidal, pero si es algo como una señal de audio, necesitará algo de margen para superar el pico de una onda sinusoidal para el voltaje RMS dado. Piense en esto con cuidado. ¿Qué voltaje de entrada pico a pico vas a asumir?

A continuación, mire lo que puede hacer la salida. Q2 está polarizado por la conexión a tierra, por lo que la tensión del colector será aproximadamente desde la conexión a tierra hasta el suministro de 10 V. Para un buen diseño, probablemente dejaría un poco de espacio para que la entrada pico-pico en el peor de los casos resultara en aproximadamente 9Vpp fuera.

A partir de los dos análisis anteriores, debería poder decidir la ganancia de voltaje que necesita este amplificador. Como otros ya han señalado, la primera etapa es un seguidor de emisores, que tendrá una ganancia de voltaje básicamente de 1. Se puede usar para disminuir la impedancia de la señal de entrada, pero no proporcionará ninguna amplificación de voltaje. ¿Realmente todas las partes necesitan estar ahí? Dicho de otra manera, considera que podrías especificar valores de parte como 0 (corto) o infinito (abierto). Considere qué es exactamente lo que RC1 está haciendo por usted, por ejemplo.

Toda la ganancia de voltaje provendrá de la segunda etapa (el circuito alrededor de Q2). C2 ayuda a que desacopla los puntos de operación de CC de la primera y la segunda etapa. ¿Puede ver cómo realmente no tiene muchas opciones sobre la ganancia de voltaje de CC de esta etapa y cómo no tiene ninguna opción sobre la ganancia de CC de todo el amplificador? De hecho, no obtendrás más de una ganancia de CD de aproximadamente 1 en esta etapa. Esto puede no ser tan obvio. Míralo con cuidado y cuéntanos por qué.

C4 puede afectar la ganancia de voltaje de CA, pero ¿puedes hacer eso predecible y no una función de la frecuencia?

En general, este es un problema mucho más difícil de lo que otros parecen tomarlo. Sospecho que el instructor cometió un error o hay especificaciones adicionales que no nos ha dado. O posiblemente el instructor quiere que encuentres los problemas en lo que parece una tarea sencilla a primera vista.

  

Av = vo / vi = gm * RE1

     

Tengo la sensación de que este resultado no parece correcto.

Su error aquí es que en este circuito v _gs y v _i no son lo mismo. El voltaje de entrada se aplica a través de la combinación de la rama de la puerta-fuente del transistor y la resistencia de fuente RE1.

  

Estoy buscando en la hoja de datos del fabricante para el MOSFET que estoy usando, y no hay ningún valor para el parámetro de transconductancia ...

No estoy seguro de qué parámetro está buscando, pero la transconductancia en sí se da como una especificación:

Sin embargo, como puede ver, el valor solo se especifica para una condición de operación particular, y solo se da como un valor típico.

Finalmente, un par de consejos:

1. Reconozca que la primera etapa es un seguidor de la fuente (asumiendo que trabajamos con MOSFET en lugar de BJT), no una etapa de fuente común. Por lo tanto, siempre que elija valores razonables para RE1 y RC1, la ganancia de voltaje simplemente será 1.

2. Cuando llegue a la 2ª etapa, tenga en cuenta que si C4 estuviera ausente, no necesitaría saber g _m para obtener la ganancia aproximada de el escenario. Sin embargo, con C4 presente (suponiendo que se elija para dar una baja impedancia a la frecuencia de operación), esto desaparece y creo que tendrá que tener un límite máximo de g _m para poder garantizar ninguna saturación. Dado que esa especificación (o su equivalente, max \ $ \ beta \ $ en BJTs) rara vez se da en dispositivos del mundo real, el problema en sí no parece estar bien diseñado.

3. Cuando hablas de saturación, hablas de un efecto de gran señal. Los modelos de pequeña señal solo lo llevarán hasta el momento con la predicción de este comportamiento. Para responder a este problema en el mundo real, querría construir un modelo SPICE y hacer un análisis de tolerancia para asegurarse de que no haya saturación con la variación del peor caso de todos sus componentes.