Усилитель-повторитель напряжения: Проектирование, сборка и измерения

Детали и материалы

• Один NPN транзистор — модели 2N2222 или 2N3403 рекомендуются. 15-штучная упаковка (Radio Shack #276-1617) идеальна для этого и других проектов.
• Два 6-вольтовых аккумулятора
• Два резистора 1 кОм
• Однооборотный линейный потенциометр 10 кОм (Radio Shack #271-1715)

Распиновка транзисторов варьируется даже среди визуально идентичных корпусов. Всегда консультируйтесь с даташитом производителя перед монтажом. Быстрая проверка с функцией диодного теста мультиметра настоятельно рекомендуется.

Для пошагового руководства по идентификации выводов биполярного транзистора мультиметром см. главу 4 серии Semiconductor Volume III.

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapter 4: «Bipolar Junction Transistors».

Цели обучения

• Понять роль «земли» схемы, когда нет соединения с землей
• Использовать шунтирующий резистор для измерения тока вольтметром
• Определить коэффициент усиления по напряжению усилителя
• Определить коэффициент усиления по току усилителя
• Исследовать преобразование импеданса в усилителе

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Поскольку выбранный транзистор может не иметь распиновку, показанную здесь, макет на макетной плате в иллюстрации может потребовать корректировки. На рисунках все транзисторы TO-92 подписаны «CBE» — Коллектор, База, Эмиттер — слева направо. Это применимо к 2N2222 и похожим деталям, но не к каждому NPN прибору. Проверьте назначения выводов для конкретного используемого компонента.

С биполярными транзисторами мультиметр может быстро подтвердить распиновку. Усилитель-повторитель напряжения — самая простая и безопасная транзисторная схема усиления для сборки.

Его цель — доставлять такое же напряжение к нагрузке, как на входе, но с значительно большей токовой способностью. У него нет усиления по напряжению, но он предлагает существенное усиление по току.

На схеме отрицательный полюс источника питания отмечен как «земля». Эта опорная точка не обязательно соединена с землей; она лишь определяет базовую линию напряжения для схемы.

Например, базовое напряжение (V_B) измеряется относительно этой опорной земли. Хотя речь о напряжении «в» одной точке обычно бессмысленна, общая опорная точка делает такие утверждения полезными.

Соберите схему и запишите выходное напряжение против входного для нескольких установок потенциометра. Входное напряжение — это напряжение на движке потенциометра относительно земли; выходное напряжение — напряжение на нагрузочном резисторе (или эмиттерное напряжение).

Вы должны наблюдать тесную корреляцию: изменение входа производит почти равное изменение выхода, с небольшим падением (~0,6 В) из-за насыщения транзистора. Это 1:1 отношение указывает на коэффициент усиления по переменному напряжению примерно единицу.

Далее сравните базовый ток (вход) с нагрузочным током (выход). Вместо вставки амперметра измерьте напряжение на резисторах 1 кОм и используйте закон Ома (I = E/R). С резисторами 1 кОм, 1 мА течет на вольт падения.

Для максимальной точности измерьте фактическое значение каждого резистора, хотя вариации обычно пренебрежимы для этого эксперимента. Эти шунтирующие резисторы преобразуют ток в измеримое напряжение.

Вы найдете большое различие между входным и выходным токами — коэффициенты усиления по току часто превышают 200 на низких уровнях сигналов. Это основное преимущество повторителя напряжения: он усиливает ток, не меняя напряжение.

В терминах импеданса усилитель представляет высокий входной импеданс (минимальный потребляемый ток) и низкий выходной импеданс (способный выдавать высокий ток). Это делает его идеальным для буферизации сигналов между каскадами.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

Нетлист (скопируйте следующий текст в .cir файл и запустите с SPICE):

Voltage follower
v1 1 0
rpot1 1 2 5k
rpot2 2 0 5k
rbase 2 3 1k
rload 4 0 1k
q1 1 3 4 mod1
.model mod1 npn bf=200
.dc v1 12 12 1
.print dc v(2,0) v(4,0) v(2,3)
.end

Симуляция выдает входное напряжение 5,937 В и выходное 5,095 В, с входным током 25,35 мкА (от резистора 1 кОм в базе) и выходным током 5,095 мА (от нагрузки 1 кОм). Изменение значений потенциометра (R_pot1 и R_pot2) с сохранением их суммы 10 кОм меняет входное напряжение соответственно.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet