Problemas de polarización del amplificador diferencial

Question

Este es el circuito que he construido: (los niveles de voltaje deseados se describen al lado del circuito)

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Intenté hacer las condiciones de polarización adecuadas para este circuito, pero no lo logré (ya intenté muchos ejemplos similares). El problema es que hay un Vbe demasiado alto en Q2 y Q3, pero el Vbe de Q1 es realmente negativo; Q2 y Q3 están saturados; Q1 y Q2 están desequilibrados, por supuesto.

Te preguntarás por qué Rc* y Rc** no son lo mismo: he intentado hacer un divisor de tensión para Q3 (para ajustar correctamente el punto Q) con Rc*, por lo que estaría haciendo otro divisor para Q3 (una resistencia menos).

R4 y R5 estaban destinados a una retroalimentación negativa para la experimentación posterior de CA, pero ya fallaron en el punto de polarización.

• Algo está muy mal en este circuito pero no puedo encontrar lo que sería. ¿Puede alguien detectar y describir los errores que he cometido?

Answer 1

Hay varias cosas mal aquí, pero la más fundamental es que tienes retroalimentación positiva. Es por eso que la salida está golpeando a un carril.

No lo has dicho, pero voy a tomar la base de Q1 como la entrada de este circuito, y la salida el emisor de Q3. La señal se invierte de B de Q1 a C de Q1. Q3 proporciona más corriente de accionamiento, pero no invierte. Por lo tanto, la salida está invertida desde la entrada. Esto significa que la base de Q1 es la entrada negativa, lo que hace que la base de Q2 sea la entrada positiva.

A continuación, devuelve parte de la salida a la entrada positiva. La retroalimentación positiva de CC provoca un comportamiento de enclavamiento, que es exactamente lo que se ve.

Añadido en respuesta al comentario

Sí, las entradas positivas y negativas del frontal diferencial de este amplificador son las bases de Q1 y Q2. Cada una de ellas afecta a la salida final de un solo extremo con polaridad opuesta.

Puede haber múltiples inversiones entre la entrada del amplificador diferencial y la salida final. Eso sólo afecta a cuál de las dos entradas se considera la positiva y cuál la negativa. Si se hace bien, son esencialmente simétricos, por lo que simplemente se invierten sus usos para acomodar una inversión neta. Tenga en cuenta que al cambiar el colector del que se toma la señal de un solo extremo también se invierte la polaridad.

Answer 2

Prueba este circuito (con retroalimentación negativa en lugar de positiva).

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Esto es todo lo que necesitas para polarizar correctamente este sencillo circuito.

Y para los experimentos de CC no se necesitan RF2 y C1.

Obsérvese además la facilidad con la que podemos establecer el punto Q para Q1 y Q4.

Debido a que el voltaje de la base de Q1 es de alrededor de 10V la corriente Iee es:

$$Iee = \frac{10V - Vbe}{Re1} \approx 1.9mA $$

Y la corriente de colector de Q1 es

$$I_{C1}\approx \frac{Vbe4}{R_{C1}} \approx 1mA$$

Y como tenemos la retroalimentación negativa a través de la resistencia RF1 el voltaje en el colector de Q4 también será de unos 10V. Por lo tanto, la corriente de colector Q4 es igual a:

$$I_{C4} = \frac{10V}{Rc2}\approx 10mA$$

Espero que veas lo fácil que es.

Para ayudarle a reconocer con qué tipo de retroalimentación estamos tratando, este diagrama puede ayudarle.

1 - Cualquier aumento de la tensión en el punto X hará que la tensión en el punto Z Así que si unimos estos dos puntos ( X y Z ) tendremos un Comentarios positivos en el circuito.

2 - Esta vez, cualquier aumento de la tensión en el punto A corresponde a la caída de tensión en el punto D . Por lo tanto, si unimos estos dos puntos ( A con D ) terminaremos con un Comentarios negativos circuito.

Answer 3

Me gusta pensar en el par de colas largas como si fuera un balancín (para darle una especie de "dinámica"). Para que quede más claro, imagina que construyes este balancín con dos tramos de canalón, unidos con un pliegue, de modo que cuando se equilibra de forma equitativa donde la propia junta se apoya en un punto de apoyo, cada lado tiene una ligera pero igual pendiente hacia abajo. Si inicias un flujo de agua desde una manguera de jardín elevada o una fuente de agua con la abertura justo encima de esta junta, y lo haces perfectamente, entonces habrá una cantidad igual de agua fluyendo por los canalones del lado izquierdo y del derecho.

Ahora, imagínate que coges tu mano y que inclinas ligeramente este balancín. La mayor parte del agua se dirigirá hacia un lado que hacia el otro. Y si lo inclinas lo suficiente, puedes hacer que uno de los canalones se ponga completamente horizontal (o más) y así toda el agua vaya sólo en una dirección, ahora.

Esa es la pareja de cola larga que se muestra aquí:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

La fuente actual es esa manguera de jardín. Establece el flujo de agua. También podría ser una resistencia (si se intenta estabilizar la tensión a través de ella, para que la corriente que la atraviesa sea útilmente estable). Los colectores son las canaletas izquierda y derecha por donde pasa el flujo. Si \$V_L=V_R\$ entonces el balancín está equilibrado y la corriente en \$I_1\$ se divide exactamente por la mitad, de modo que ambas corrientes de colector son iguales entre sí y cada una de ellas será la mitad de \$I_1\$ . Pero el más mínimo cambio en los valores de tensión relativa de \$V_L\$ y \$V_R\$ significará que la corriente se "desvía" un poco y las dos corrientes de colector ya no serán iguales entre sí.

Sólo hace falta una diferencia muy ligera de tensión entre las dos entradas para que haya una gran diferencia entre los flujos. Si usted arregla las cosas de manera que \$\mid\:V_L-V_R\:\mid=60\:\textrm{mV}\$ entonces habrá una diferencia de 10:1 en las corrientes de colector. Mirando el esquema anterior, si \$V_L=V_R+60\:\textrm{mV}\$ entonces \$Q_2\$ será aproximadamente 10 veces la corriente de colector de \$Q_1\$ .

Nota: Por lo general, no se conduce un par de cola larga como este, sin embargo, porque es demasiado fácil de terminar saturando uno de los BJTs y empezar a dibujar una corriente de base significativa. (Puedes probar esto fácilmente con un opamp de tipo BJT, donde la "regla" de que las entradas dibujan una corriente insignificante se viola rápidamente si no permites que el opamp mantenga los dos voltajes de entrada muy cerca del valor del voltaje del otro).

Puedes insertar resistencias en cualquiera de las patas del colector (o en ambas) si quieres convertir estas corrientes dirigidas en voltajes resultantes. (Siempre que tengas las tensiones de cumplimiento requeridas, por supuesto.) Pero no es necesario.

Eso es todo. Ahora tienes la visualización necesaria para ver lo que ha fallado en tu esquema. He desconectado algunas cosas en tu esquema y he resaltado el par de cola larga rodeándolo con un recuadro:

simular este circuito

(Ni siquiera estoy seguro de lo que \$R_3\$ se supone que debe hacer, por lo que no me inclino a volver a conectarlo después).

En este punto se puede ver que el lado izquierdo tiene \$Q_1\$ conectada a un divisor de tensión. El voltaje allí es fácil de calcular ya que es \$10\:\textrm{V}\$ . Así que la única pregunta que queda es "¿Qué pasa cuando \$Q_2\$ se mueve ligeramente por encima o por debajo \$10\:\textrm{V}\$ ?" Si es así, entonces \$Q_2\$ atraerá más corriente hacia su colector, dejando menos para \$Q_1\$ del coleccionista. Por lo tanto, la caída de tensión a través de \$Q_2\$ aumenta la resistencia de colector (disminuyendo su tensión de colector) y la caída de tensión en \$Q_1\$ disminuye la resistencia de colector (aumentando su tensión de colector).

Así que, mirando el esquema anterior, imagina mentalmente que conectas la base de \$Q_3\$ hasta el colector de \$Q_1\$ . Hacerlo significa que el emisor de \$Q_3\$ seguirá la tensión en el colector de \$Q_1\$ . Aquí se aplica un divisor y se retroalimenta esta tensión dividida a la base de \$Q_2\$ . (Tenga en cuenta que tiene un divisor de tensión en la base de \$Q_1\$ ya que proporciona una "tensión de referencia" que [esperemos] no cambie mientras consideramos el resto aquí). Si por alguna razón la base de \$Q_2\$ se elevó hasta quedar ligeramente por encima de \$10\:\textrm{V}\$ Entonces, esto aumentaría \$Q_2\$ y disminuye la corriente de colector de \$Q_1\$ de la corriente de colector. Una disminución de \$Q_1\$ de la corriente de colector significa un aumento de \$Q_1\$ de la tensión del colector. Un aumento de \$Q_1\$ de la tensión de colector, eleva \$Q_3\$ 's base, elevando también su emisor. Pero en el aumento de \$Q_3\$ significa un aumento de la tensión dividida en la base de \$Q_2\$ . Dado que todo este proceso comenzó con un hipotético, pero muy ligero, aumento de la tensión en la base de \$Q_2\$ y como hemos calculado que el circuito sigue este "evento" respondiendo con un aumento de la tensión en la base de \$Q_2\$ Creo que ahora puedes darte cuenta fácilmente de que lo que has hecho es crear una "retroalimentación positiva" para las "perturbaciones de tensión". El resultado es que el circuito se desplaza rápidamente a un punto de reposo en el que se queda sin margen de tensión (y la realimentación negativa de ese nuevo efecto [y no analizado en este punto] detiene el proceso).

Lo obvio aquí sería conectar la base de \$Q_3\$ al recaudador de \$Q_2\$ En su lugar. Dado que la tensión de colector en \$Q_2\$ disminuye a medida que se dirige más corriente a su colector (cuando su tensión de base aumenta debido a una perturbación), esto hará que la tensión en el emisor de \$Q_3\$ para disminuir también. Así que esto responderá contrarrestando (bajando) la perturbación. Sin ningún cálculo, se puede ver que hay una retroalimentación negativa para contrarrestar las perturbaciones. Por sí mismo, eso no es suficiente para calcular hacia dónde irán las cosas. Pero cualitativamente, al menos, la idea es sólida.

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Ahora, vamos a reconectar las cosas de nuevo y deshacernos de \$R_3\$ :

simular este circuito

Una pregunta aquí podría ser: "¿Cuál es el punto de funcionamiento estable de este circuito?" El planteamiento no es difícil, pero la solución cerrada requiere la función LambertW (que evitaré.)

Este es el enfoque. Empezando por el colector de \$Q_2\$ podemos decir que en la tensión hay \$20\:\textrm{V}-I_{C_2}\cdot R_{C_2}\$ . Ahora restamos de esto \$V_{BE_3}\approx 700\:\textrm{mV}\$ para llegar al emisor de \$Q_3\$ . A continuación, aplicar el divisor de tensión allí para obtener la tensión de base de \$Q_2\$ como:

$$V_{B_2}=\left(20\:\textrm{V}-I_{C_2}\cdot R_{C_2}-V_{BE_3}\right)\cdot\frac{R_5}{R_4+R_5}$$

También sabemos que la relación de las dos corrientes, \$I_{C_1}\$ y \$I_{C_2}\$ es: \$\frac{I_{C_2}}{I_{C_1}}\approx e^\frac{V_{B_2}-10\:\textrm{V}}{V_T}\$ . Si ahora calculamos que el sumidero de corriente representado por \$R_E\$ es \$I_{R_E}=\frac{10\:\textrm{V}-V_{BE_1}}{R_E}\$ entonces podemos escribir en su lugar:

$$\frac{I_{C_2}}{I_{R_E}-I_{C_2}}\approx e^\frac{V_{B_2}-10\:\textrm{V}}{V_T}$$

Y resuelve para \$I_{C_2}\$ :

$$I_{C_2}=\frac{I_{R_E}}{1+e^\frac{10\:\textrm{V}-V_{B_2}}{V_T}}$$

Ahora podemos sustituir, para obtener:

$$V_{B_2}=\left(20\:\textrm{V}-\frac{I_{R_E}\cdot R_{C_2}}{1+e^\frac{10\:\textrm{V}-V_{B_2}}{V_T}}-V_{BE_3}\right)\cdot\frac{R_5}{R_4+R_5}$$

Con \$V_{B_2}\$ en ambos lados de la ecuación y que implica un exponente, se requiere la función LambertW para una solución cerrada. Además, si se utiliza la iteración con la forma anterior, es probable que diverja y no converja. Así que hay que resolver para el otros \$V_{B_2}\$ :

$$V_{B_2}=10\:\textrm{V}-V_T\cdot\operatorname{ln}\left(\frac{I_{R_E} R_{C_2}-\left[20\:\textrm{V}-700\:\textrm{mV}-V_{B_2}\left(1+\frac{R_4}{R_5}\right)\right]}{20\:\textrm{V}-700\:\textrm{mV}-V_{B_2}\left(1+\frac{R_4}{R_5}\right)}\right)$$

Pero puedes introducir algunos valores supuestos y ver a dónde te lleva después de un par de iteraciones. Empieza con \$V_{B_2}=10\:\textrm{V}\$ y una estimación para \$I_{R_E}\$ y obtendrá \$V_{B_2}\approx 10.028431\:\textrm{V}\$ . Enchúfalo y obtén \$V_{B_2}\approx 10.028042\:\textrm{V}\$ . Otra vez y se obtiene \$V_{B_2}\approx 10.028047\:\textrm{V}\$ . Se puede ver que se asienta bastante rápido.

Nota: Por supuesto, he tomado el valor estándar para \$V_{BE}\$ . El valor real depende de las corrientes de colector de cada BJT y será algo diferente. Además, se supone que los dos BJT utilizados en el par de cola larga son dispositivos idénticos. Si compra BJTs discretos (no en pares emparejados), entonces un circuito real se asentará también en otro lugar. Los valores de las resistencias varían. etc. Tenga en cuenta que esto ha sido una discusión teórica que hace suposiciones generales. Pero muestra el enfoque general con el que se podría empezar, para tener una idea de cómo acercarse a una predicción aproximada.

Y ahora ya sabes que hay cerca de un \$28\:\textrm{mV}\$ diferencia en los voltajes base cuando su modificado circuito (no \$R_3\$ y una conexión de colector diferente) se encuentra en reposo.