Progetto di un semplice amplificatore

Siccome martedì 8 Aprile, durante l'ora di ricevimento il Prof. Capponi ha mostrato i passaggi richiesti per la progettazione di un semplice amplificatore a partire dalle specifiche (un tipo di esercizio che non troverete sul Sedra Smith, ma che si avvicina molto di più a ciò che vi sarà chiesto in sede di esame), abbiamo ritenuto utile rendere disponibile a tutti il dettaglio dei vari passaggi, attraverso un documento che potete scaricare e stampare. Vi ho messo anche a disposizione il listato che potete importare nell’applet di simulazione, risparmiandovi di costruire il circuito da zero. Vi basterà copiare il testo (aggiungete un “a capo” alla fine) ed incollarlo nella finestra che vi si apre quando selezionate il menu File->Import.
Se ci fosse bisogno di chiarimenti sono a disposizione.
Buon divertimento.

Gentile prof, le volevo chiedere qualcosa in merito all'esercizio sulla progettazione.
Abbiamo visto 3 modi possibili di polarizzare le base.
Con i valori da lei ricavari R1= 32k e R2=4k allora il loro parallelo sarà Rb=3,6k, quindi se al posto del partitore metto Vbb=1v e Rb=3,6 dovrei ottenere una configurazione del genere:
$ 1 5.0E-6 14.891916095149892 55 5.0 50
t 240 272 272 272 0 1 0.5293511799637589 0.5562059271809316 100.0
t 320 208 352 208 0 1 -8.069061569745672 0.1792643660135299 100.0
t 400 160 432 160 0 1 -0.7516739862352928 0.6564226516599687 100.0
r 272 208 272 80 0 29600.0
r 272 288 272 352 0 400.0
r 352 192 352 80 0 3000.0
r 432 176 432 240 0 300.0
r 352 240 352 352 0 600.0
w 272 80 352 80 0
w 352 80 432 80 0
w 432 240 432 352 0
w 272 352 352 352 0
w 352 352 432 352 0
c 432 176 512 176 0 9.999999999999999E-5 7.59190336678385
g 352 352 352 400 0
g 512 256 512 304 0
r 512 176 512 256 0 1000.0
w 432 80 432 144 0
R 352 80 352 32 0 0 40.0 9.0 0.0 0.0 0.5
w 352 192 400 192 0
w 400 192 400 160 0
w 272 256 272 208 0
w 272 208 320 208 0
w 352 240 352 224 0
v 112 336 112 272 0 1 50.0 0.0010 0.0 0.0 0.5
w 240 272 192 272 0
w 192 240 192 272 0
c 192 272 112 272 0 9.999999999999999E-5 0.7077175950382163
g 112 336 112 368 0
r 192 240 192 128 0 3600.0
R 192 128 192 48 0 0 40.0 1.0 0.0 0.0 0.5
o 24 64 0 34 0.0048828125 9.765625E-5 0 -1
o 16 64 0 34 7.62939453125E-5 9.765625E-5 1 -1

mentre se utilizzo il secondo caso per la polarizzazione mantenendo Rb=3,6k ottendo la seguente configurazione:

$ 1 5.0E-6 14.891916095149892 55 5.0 50
t 240 272 272 272 0 1 -0.01490678690748859 0.543630622780853 100.0
t 320 208 352 208 0 1 -6.984704591133958 0.537775502951478 100.0
t 400 160 432 160 0 1 -1.345612679862822 0.6543766513810922 100.0
r 272 208 272 80 0 29600.0
r 272 288 272 352 0 400.0
r 352 192 352 80 0 3000.0
r 432 176 432 240 0 300.0
r 352 240 352 352 0 600.0
w 272 80 352 80 0
w 352 80 432 80 0
w 432 240 432 352 0
w 272 352 352 352 0
w 352 352 432 352 0
c 432 176 512 176 0 9.999999999999999E-5 7.015623684518928
g 352 352 352 400 0
g 512 256 512 304 0
r 512 176 512 256 0 1000.0
w 432 80 432 144 0
r 240 240 192 240 0 3600.0
R 352 80 352 32 0 0 40.0 9.0 0.0 0.0 0.5
w 352 192 400 192 0
w 400 192 400 160 0
w 272 208 320 208 0
w 352 240 352 224 0
v 112 336 112 272 0 1 50.0 0.0010 0.0 0.0 0.5
w 240 272 192 272 0
w 192 240 192 272 0
c 192 272 112 272 0 9.999999999999999E-5 0.6555176838284403
g 112 336 112 368 0
w 240 240 272 240 0
w 272 208 272 240 0
w 272 240 272 256 0
o 24 64 0 34 0.0048828125 9.765625E-5 0 -1
o 16 64 0 34 0.15625 9.765625E-5 1 -1

Ora teoricamnte dovrebbero essere tutte equivalemti, ma anche dai grafici riportati dall'applet non mi sembra così.
Dove stanno le differenze o meglio dove sbaglio?
Grazie
Giorgio

dimenticavo... il mio ragionamento parte che le 3 polarizzazioni sono equivalenti in prima approssimazione ma e per questo Rb l'ho mantenuto uguale mentre nelle sue slide ha fatto delle considerazioni sulla retroazione e quindi ricavando Rb=40k.
Se avessi fatto nel modo sopra indicato avrei sbagliato?

So che magari sarò pesante ma le devo chiedere un altra cosa:
per quanto riguarda la controreazione.
Da quanto detto in aula emerge che:
Se Vb aumenta allora Vc diminuisce e Ve aumenta.
Se Vb diminuisce allora Vc aumenta e Ve diminuisce.
Ma queste relazioni da dove nascono?

naturalmente se il prof temporaneamente non puo rispondere ma qualche collega sa chiarirmi i dubbi può tranquillamente rispondere.
Grazie
Giorgio

Bravo. Smanettando ti sei scontrato proprio sulla ragione per cui, in pratica, si usano configurazioni di retroazione per polarizzare la base. Tieni conto che nel progetto abbiamo trovato per Q1 un punto di lavoro abbastanza estremo (V_CE1=1,3V), il che ci fa presagire che la stima delle polarizzazioni corrette sarà difficile con le approssimazioni in gioco. Chiaramente più la configurazione che scelgo sarà stabile (come quella retroazionata), più sarà probabile che anche una configurazione approssimata funzionerà, mentre meno la configurazione scelta sarà stabile (come quella col partitore), più il punto di lavoro sarà critico, richiedendo per la sua determinazione precisioni non accessibili alle stime approssimate che si fanno in genere. E dunque non rimane che smanettare ulteriormente nel nostro laboratorio virtuale per determinare i valori più appropriati delle resistenze. Confrontando le due simulazioni del caso del partitore calcolato in teoria con quella del caso retroazionato, salta subito all'occhio che la prima non funziona e presenta una VB1 sensibilmente maggiore di quella che fa funzionare il secondo caso. Dunque dobbiamo diminuire il potenziale della base foino a raggiungere lo stesso punto di lavoro per Q1, per esempio abbassando R2 fino a 2,5 K. Come vedi

$ 1 5.0E-6 314.6906602856942 55 5.0 50
t 240 272 272 272 0 1 -0.491044976287602 0.5418674402820003 100.0
t 320 208 352 208 0 1 -4.5808094988712345 0.5740309457418024 100.0
t 400 160 432 160 0 1 -3.2827015060373803 0.6461429328419861 100.0
r 272 208 272 80 0 29600.0
r 272 288 272 352 0 400.0
r 352 192 352 80 0 3000.0
r 432 176 432 240 0 300.0
r 352 240 352 352 0 600.0
w 272 80 352 80 0
w 352 80 432 80 0
w 432 240 432 352 0
w 272 352 352 352 0
w 352 352 432 352 0
c 432 176 512 176 0 9.999999999999999E-5 5.200398286528012
g 352 352 352 400 0
g 512 256 512 304 0
r 512 176 512 256 0 1000.0
w 432 80 432 144 0
r 192 80 192 240 0 32000.0
R 352 80 352 32 0 0 40.0 9.0 0.0 0.0 0.5
w 352 192 400 192 0
w 400 192 400 160 0
w 272 256 272 208 0
w 272 208 320 208 0
w 352 240 352 224 0
v 112 336 112 272 0 1 50.0 0.0010 0.0 0.0 0.5
w 240 272 192 272 0
w 192 240 192 272 0
c 192 272 112 272 0 9.999999999999999E-5 0.6461847060467643
g 112 336 112 368 0
w 192 80 272 80 0
r 192 272 192 352 0 2500.0
g 192 352 192 384 0
o 25 64 0 34 0.0048828125 9.765625E-5 0 -1
o 16 64 0 34 1.25 9.765625E-5 1 -1

ora tutto funziona.

Allo stesso modo se volessimo polarizzare la base con un un generatore ad 1V no possiamo più fidarci della stima del circuito equivalente e smanettare sulla resistenza fino a raggiungere la V_B1 voluta:

$ 1 5.0E-6 314.6906602856942 55 5.0 50
t 240 272 272 272 0 1 -0.8173886132740977 0.5402742363325261 100.0
t 320 208 352 208 0 1 -2.875412197909452 0.584932827178386 100.0
t 400 160 432 160 0 1 -4.6697431895043735 0.63824232472916 100.0
r 272 208 272 80 0 29600.0
r 272 288 272 352 0 400.0
r 352 192 352 80 0 3000.0
r 432 176 432 240 0 300.0
r 352 240 352 352 0 600.0
w 272 80 352 80 0
w 352 80 432 80 0
w 432 240 432 352 0
w 272 352 352 352 0
w 352 352 432 352 0
c 432 176 512 176 0 9.999999999999999E-5 3.7693396263053423
g 352 352 352 400 0
g 512 256 512 304 0
r 512 176 512 256 0 1000.0
w 432 80 432 144 0
R 352 80 352 32 0 0 40.0 9.0 0.0 0.0 0.5
w 352 192 400 192 0
w 400 192 400 160 0
w 272 256 272 208 0
w 272 208 320 208 0
w 352 240 352 224 0
v 112 336 112 272 0 1 50.0 0.0010 0.0 0.0 0.5
w 240 272 192 272 0
w 192 240 192 272 0
c 192 272 112 272 0 9.999999999999999E-6 0.6378831992675594
g 112 336 112 368 0
r 192 240 192 128 0 150000.0
R 192 128 192 48 0 0 40.0 1.0 0.0 0.0 0.5
o 24 64 0 34 0.00244140625 9.765625E-5 0 -1
o 16 64 0 34 0.625 9.765625E-5 1 -1

Per quanto riguarda invece la retroazione dal collettore C1, vorrei farti notare che R_B va calcolata opportunamente in modo da garantire la caduta 1,6-1, da cui risulta R_B=25K:

$ 1 5.0E-6 314.6906602856942 55 5.0 50
t 240 272 272 272 0 1 -0.05548572570554289 0.5436286032424367 100.0
t 320 208 352 208 0 1 -6.785901168540238 0.5436178498956479 100.0
t 400 160 432 160 0 1 -1.5038481613166947 0.653878165905291 100.0
r 272 208 272 80 0 29600.0
r 272 288 272 352 0 400.0
r 352 192 352 80 0 3000.0
r 432 176 432 240 0 300.0
r 352 240 352 352 0 600.0
w 272 80 352 80 0
w 352 80 432 80 0
w 432 240 432 352 0
w 272 352 352 352 0
w 352 352 432 352 0
c 432 176 512 176 0 9.999999999999999E-5 6.792434525612354
g 352 352 352 400 0
g 512 256 512 304 0
r 512 176 512 256 0 1000.0
w 432 80 432 144 0
r 240 240 192 240 0 25000.0
R 352 80 352 32 0 0 40.0 9.0 0.0 0.0 0.5
w 352 192 400 192 0
w 400 192 400 160 0
w 272 208 320 208 0
w 352 240 352 224 0
v 112 336 112 272 0 1 50.0 0.0010 0.0 0.0 0.5
w 240 272 192 272 0
w 192 240 192 272 0
c 192 272 112 272 0 9.999999999999999E-6 0.6544469774104683
g 112 336 112 368 0
w 240 240 272 240 0
w 272 208 272 240 0
w 272 240 272 256 0
o 24 64 0 34 0.0048828125 9.765625E-5 0 -1
o 16 64 0 35 0.625 7.8125E-4 1 -1

Come vedi così funziona, ma se guardi la V_B1, essa risulta ancora leggermente superiore rispetto a quella del caso ottimale. In effetti se aumenti RB fino a 250K vedrai che le prestazioni dell'ampli migliorano.

Tutti questi esempi servono a farvi capire che con oggetti nonlineari come il BJT i calcoli teorici (inevitabilmente approssimati) servono solo a fare delle stime, ed è dunque sempre necessaria una fase di simulazione per raffinare il progetto.

giorgiociaccio ha scritto:Gentile prof, le volevo chiedere qualcosa in merito all'esercizio sulla progettazione.
Abbiamo visto 3 modi possibili di polarizzare le base.
Con i valori da lei ricavari R1= 32k e R2=4k allora il loro parallelo sarà Rb=3,6k, quindi se al posto del partitore metto Vbb=1v e Rb=3,6 dovrei ottenere una configurazione del genere:
[...]
mentre se utilizzo il secondo caso per la polarizzazione mantenendo Rb=3,6k ottendo la seguente configurazione:
[...]
Ora teoricamnte dovrebbero essere tutte equivalemti, ma anche dai grafici riportati dall'applet non mi sembra così.
Dove stanno le differenze o meglio dove sbaglio?
Grazie
Giorgio

Le resistenze per la polarizzazione della base vanno chiaramente valutate caso per caso e comunque poi sempre verificate nella fase di simulazione...

giorgiociaccio ha scritto:dimenticavo... il mio ragionamento parte che le 3 polarizzazioni sono equivalenti in prima approssimazione ma e per questo Rb l'ho mantenuto uguale mentre nelle sue slide ha fatto delle considerazioni sulla retroazione e quindi ricavando Rb=40k.
Se avessi fatto nel modo sopra indicato avrei sbagliato?

Sono una banale conseguenza delle relazioni fra I_B=
I_E/(β+1)=I_C/β.
Se aumento V_B aumento I_B e dunque I_C ed I_E e dunque la caduta di tensione su R_B e su R_E...

giorgiociaccio ha scritto:So che magari sarò pesante ma le devo chiedere un altra cosa:
per quanto riguarda la controreazione.
Da quanto detto in aula emerge che:
Se Vb aumenta allora Vc diminuisce e Ve aumenta.
Se Vb diminuisce allora Vc aumenta e Ve diminuisce.
Ma queste relazioni da dove nascono?