Общееэмиттерный усилитель: Конструкция, измерения и техники обратной связи

Детали и материалы

• Один NPN транзистор (модель 2N2222 или 2N3403 рекомендуется; 15-штучный набор в каталоге Radio Shack #276-1617)
• Два 6-вольтовых аккумулятора
• Один потенциометр 10 кОм, однооборотный, линейный (Radio Shack #271-1715)
• Один резистор 1 МОм
• Один резистор 100 кОм
• Один резистор 10 кОм
• Один резистор 1,5 кОм

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, Chapter 4: Bipolar Junction Transistors

Цели обучения

• Спроектировать простую схему общеэмиттерного усилителя
• Измерить коэффициент усиления по напряжению усилителя
• Различать инвертирующие и неинвертирующие усилители
• Применить отрицательную обратную связь для улучшения стабильности

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Соберите схему и измерьте выходное напряжение (коллектор-земля) и входное напряжение (движок потенциометра-земля) на диапазоне установок потенциометра. Сначала проведите потенциометр от минимального до максимального положения, чтобы определить полный диапазон выходного напряжения. Затем выберите несколько промежуточных целевых напряжений (например, 1 В, 3 В, 5 В, 7 В, 9 В, 11 В) и запишите соответствующие входные напряжения.

По крайней мере с двумя парами данных рассчитайте коэффициент усиления по напряжению как отношение изменения выхода к изменению входа. Например, если 1,5 В входа дают 7,0 В выхода и 1,66 В входа дают 1,0 В выхода, то усиление равно (7,0–1,0)/(1,66–1,5) = 6/0,16 ≈ 37,5.

Выявляются два ключевых наблюдения: инверсия — увеличение входного напряжения производит уменьшение выходного, подтверждая, что усилитель инвертирующий; и большое усиление по напряжению, далеко превышающее единичное усиление повторителя напряжения.

Общееэмиттерные усилители ценятся за высокое усиление, но также чувствительны к температуре. Проверьте это, нагревая транзистор (рукой или феном) и отмечая любый сдвиг выходного напряжения при фиксированном входе. Наоборот, охлаждайте транзистор кубиком льда и наблюдайте изменение. Температурные вариации меняют база-эмиттерный переход, модифицируя базовый ток для данного входа и тем самым влияя на коллекторный ток и выходное напряжение.

Отрицательная обратная связь может смягчить температурный дрейф. Простейший метод добавляет резистор между эмиттером и землей, создавая делитель напряжения, снижающий входную чувствительность. См. диаграмму ниже для справки.

Повторите измерения напряжения с установленным резистором эмиттера 1,5 кОм. Пересчитайте сниженное усиление и снова протестируйте температурную стабильность. Сравните величину вариации выхода с резистором и без него.

Альтернативная техника обратной связи связывает выход обратно ко входу через высокоомный резистор (например, 1 МОм между коллектором и базой). Это также снижает усиление, повышая стабильность, хотя две схемы дают разные выходные диапазоны. Наблюдайте, как полные пределы напряжения при полном проходе потенциометра отличаются между двумя схемами.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Нетлист (создайте текстовый файл со следующим точно):

Common‑emitter amplifier
vsupply 1 0 dc 12
vin 3 0
rc 1 2 10k
rb 3 4 100k
q1 2 4 0 mod1
.model mod1 npn bf=200
.dc vin 0 2 0.05
.plot dc v(2,0) v(3,0)
.end

Эта SPICE симуляция применяет DC sweep от 0 до 2 В на vin и записывает коллекторно-земляное напряжение. Выходной график показывает ступенчатый переход, когда транзистор входит в активную область.

Связанный рабочий лист

• Class A BJT Amplifiers Worksheet