Проектирование высоковольтного многоступенчатого общеэмиттерного усилителя с отрицательной обратной связью

В этом уроке мы построим трехступенчатый общеэмиттерный усилитель, демонстрирующий, как отрицательная обратная связь может укротить высокое напряженное усиление и улучшить стабильность.

Детали и материалы

• Три NPN транзистора (2N2222 или 2N3403; Radio Shack #276-1617 — удобный 15-штучный набор)
• Два 6-вольтовых аккумулятора (или один 12-вольтовый источник)
• Один однооборотный линейный потенциометр 10 кОм (Radio Shack #271-1715)
• Один резистор 1 МОм
• Три резистора 100 кОм
• Три резистора 10 кОм

Перекрестные ссылки

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

Цели обучения

• Спроектировать многоступенчатый, прямо-связанный общеэмиттерный усилитель
• Понять влияние отрицательной обратной связи на характеристики усилителя

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Соедините три общеэмиттерные ступени последовательно: коллектор каждого транзистора управляет базой следующего через резистор 10 кОм. Это расположение перемножает индивидуальные коэффициенты усиления ступеней, давая очень высокое общее напряженное усиление.

Начните с опускания резистора обратной связи 1 МОм. С параметрами транзисторов, установленными на максимум, вы увидите почти неограниченное усиление, которое загоняет выход на рельсы питания даже при скромных входных сигналах. Если вы не можете настроить потенциометр на стабильный выход в активной области, базовая инверсионная характеристика все равно будет очевидна: по мере роста входа выход падает и наоборот.

Поскольку каждая общеэмиттерная ступень инвертирует, четное число ступеней дает неинвертирующий общий отклик, а нечетное — инвертирующий. Проверьте это, измеряя коллекторно-земляное напряжение на каждом транзисторе при прогоне входного потенциометра и наблюдая, поднимается ли выход или падает при увеличении входа.

Теперь добавьте резистор обратной связи 1 МОм от коллектора последнего транзистора обратно к базе первого. Поскольку трехступенчатый усилитель инвертирует, сигнал обратной связи по своей природе отрицателен и стабилизирует схему, драматически снижая чувствительность к вариациям входа.

С обратной связью усилитель ведет себя гораздо более предсказуемо. Запишите таблицу входных и выходных напряжений и рассчитайте коэффициент усиления по напряжению. Попробуйте разные значения резистора обратной связи: уменьшение его повысит усиление, а увеличение — понизит. Результат — предсказуемое, резистор-зависимое усиление вместо того, которое варьируется с допусками транзисторов.

На практике реальные многоступенчатые усилители включают эмиттерно-земельные резисторы для смещения стабильности, емкостную связь между ступенями и делители напряжения для смещения. Высокочастотные дизайны часто используют трансформаторы с резонансными конденсаторами. Тем не менее, принципы, продемонстрированные здесь, лежат в основе работы операционных усилителей и многих профессиональных усилительных схем.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Нетлист (скопируйте следующий текст дословно в .cir файл):

Multi-stage amplifier
vsupply 1 0 dc 12
vin 2 0
r1 2 3 100k
r2 1 4 10k
q1 4 3 0 mod1
r3 4 7 100k
r4 1 5 10k
q2 5 7 0 mod1
r5 5 8 100k
r6 1 6 10k
q3 6 8 0 mod1
rf 3 6 1meg
.model mod1 npn bf=200
.dc vin 0 2.5 0.1
.plot dc v(6,0) v(2,0)
.end

Эта симуляция строит выходное напряжение против входного, позволяя численно вычислить коэффициент усиления по напряжению. Экспериментируйте с разными значениями rf и наблюдайте, как меняется общее усиление. Усиление можно приближенно вычислить, используя только значения сопротивлений r1 и rf.

Связанный рабочий лист

• Multi‑Stage Transistor Amplifiers Worksheet