Соберите эту схему и измерьте выходное напряжение (напряжение, измеренное между клеммой [[коллектор]]а [[транзистор]]а и «землёй») и входное напряжение (напряжение, измеренное между клеммой [[потенциометр]]а и «землёй») для нескольких положений потенциометра. Я рекомендую определить диапазон выходного напряжения, поскольку потенциометр регулируется во всём его диапазоне, а затем выбрать несколько напряжений, охватывающих этот диапазон выходного сигнала, для проведения измерений.
Соберите эту схему и измерьте выходное напряжение (напряжение, измеренное между клеммой [[коллектор]]а [[транзистор]]а и «землёй») и входное напряжение (напряжение, измеренное между клеммой [[потенциометр]]а и «землёй») для нескольких положений [[потенциометр]]а. Я рекомендую определить диапазон выходного напряжения, поскольку [[потенциометр]] регулируется во всём его диапазоне, а затем выбрать несколько напряжений, охватывающих этот диапазон выходного сигнала, для проведения измерений.
Например, если полное вращение потенциометра приводит к изменению выходного напряжения схемы усилителя от 0,1 вольта (низкое) до 11,7 вольта (высокое), выберите несколько уровней напряжения между этими пределами (1 вольт, 3 вольт, 5 вольт, 7 вольт, 9 вольт и 11 вольт). Измерив выходное напряжение с помощью измерителя, отрегулируйте потенциометр, чтобы получить каждое из этих заранее определённых напряжений на выходе, отмечая точное значение для дальнейшего использования.
Например, если полное вращение [[потенциометр]]а приводит к изменению выходного напряжения схемы усилителя от 0,1 вольта (низкое) до 11,7 вольта (высокое), выберите несколько уровней напряжения между этими пределами (1 вольт, 3 вольт, 5 вольт, 7 вольт, 9 вольт и 11 вольт). Измерив выходное напряжение с помощью измерителя, отрегулируйте [[потенциометр]], чтобы получить каждое из этих заранее определённых напряжений на выходе, отмечая точное значение для дальнейшего использования.
Затем измерьте точное входное напряжение и также запишите это число. В конце у вас должна быть таблица чисел, представляющая несколько различных выходных напряжений вместе с соответствующими входными напряжениями.
Затем измерьте точное входное напряжение и также запишите это число. В конце у вас должна быть таблица чисел, представляющая несколько различных выходных напряжений вместе с соответствующими входными напряжениями.
Строка 48:
Строка 48:
Во-вторых, этот усилитель демонстрирует очень сильный коэффициент усиления по напряжению: небольшое изменение входного напряжения приводит к большому изменению выходного напряжения. Это должно резко контрастировать со схемой усилителя с «повторителем напряжения», [[Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Повторитель напряжения|обсуждавшейся ранее]], которая имела коэффициент усиления по напряжению около 1.
Во-вторых, этот усилитель демонстрирует очень сильный коэффициент усиления по напряжению: небольшое изменение входного напряжения приводит к большому изменению выходного напряжения. Это должно резко контрастировать со схемой усилителя с «повторителем напряжения», [[Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Повторитель напряжения|обсуждавшейся ранее]], которая имела коэффициент усиления по напряжению около 1.
Усилители с общим эмиттером широко используются из-за их высокого коэффициента усиления по напряжению, но они редко используются в такой грубой форме, как эта. Хотя эта схема усилителя служит для демонстрации основной концепции, она очень чувствительна к изменениям температуры.
Усилители с общим [[эмиттер]]ом широко используются из-за их высокого коэффициента усиления по напряжению, но они редко используются в такой грубой форме, как эта. Хотя эта схема усилителя служит для демонстрации основной концепции, она очень чувствительна к изменениям температуры.
Попробуйте оставить потенциометр в одном положении и нагреть транзистор, крепко сжав его рукой, или нагреть каким-либо другим источником тепла, например, электрическим феном ('''Внимание:''' будьте осторожны, чтобы не нагреть его настолько, что пластиковая макетная плата расплавится!).
Попробуйте оставить [[потенциометр]] в одном положении и нагреть [[транзистор]], крепко сжав его рукой, или нагреть каким-либо другим источником тепла, например, электрическим феном ('''Внимание:''' будьте осторожны, чтобы не нагреть его настолько, что пластиковая макетная плата расплавится!).
Вы также можете исследовать температурные эффекты, охлаждая транзистор: прикоснитесь кубиком льда к его поверхности и отметьте изменение выходного напряжения. При изменении температуры транзистора меняются характеристики его диода база/эмиттер, что приводит к разным величинам тока базы при одном и том же входном напряжении.
Вы также можете исследовать температурные эффекты, охлаждая [[транзистор]]: прикоснитесь кубиком льда к его поверхности и отметьте изменение выходного напряжения. При изменении температуры [[транзистор]]а меняются характеристики его [[диод]]а [[база]]/[[эмиттер]], что приводит к разным величинам тока базы при одном и том же входном напряжении.
Это, в свою очередь, изменяет контролируемый ток через клемму коллектора, тем самым влияя на выходное напряжение. Такие изменения могут быть сведены к минимуму за счёт использования обратной связи по сигналу, при которой часть выходного напряжения «подаётся обратно» на вход усилителя, чтобы оказывать отрицательное или компенсирующее влияние на коэффициент усиления по напряжению.
Это, в свою очередь, изменяет контролируемый ток через клемму [[коллектор]]а, тем самым влияя на выходное напряжение. Такие изменения могут быть сведены к минимуму за счёт использования обратной связи по сигналу, при которой часть выходного напряжения «подаётся обратно» на вход усилителя, чтобы оказывать отрицательное или компенсирующее влияние на коэффициент усиления по напряжению.
Стабильность улучшена за счёт усиления по напряжению, решение компромиссное, но, тем не менее, практичное. Возможно, самый простой способ добавить отрицательную обратную связь к усилителю с общим эмиттером – это добавить некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй», чтобы входное напряжение было разделено между P-N-переходом база/эмиттер и падением напряжения на новом сопротивлении:
Стабильность улучшена за счёт усиления по напряжению, решение компромиссное, но, тем не менее, практичное. Возможно, самый простой способ добавить отрицательную обратную связь к усилителю с общим [[эмиттер]]ом – это добавить некоторое сопротивление между клеммой [[эмиттер]]а и «землёй», чтобы входное напряжение было разделено между [[P-N-переход]]ом [[база]]/[[эмиттер]] и падением напряжения на новом сопротивлении:
[[File:VI-5_12_3.png|400px|center|thumb|'''Рис. 3.''' Схематическая диаграмма: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».|alt=Рис. 3. Схематическая диаграмма: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».]]
[[File:VI-5_12_3.png|400px|center|thumb|'''Рис. 3.''' Схематическая диаграмма: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».|alt=Рис. 3. Схематическая диаграмма: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».]]
Строка 62:
Строка 62:
[[File:VI-5_12_4.png|400px|center|thumb|'''Рис. 4.''' Иллюстрация: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».|alt=Рис. 4. Иллюстрация: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».]]
[[File:VI-5_12_4.png|400px|center|thumb|'''Рис. 4.''' Иллюстрация: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».|alt=Рис. 4. Иллюстрация: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».]]
Повторите то же упражнение по измерению и записи напряжения с установленным резистором 1,5 кОм, рассчитав новый (уменьшенный) коэффициент усиления по напряжению. Попробуйте снова изменить температуру транзистора и отметьте выходное напряжение для стабильного входного напряжения.
Повторите то же упражнение по измерению и записи напряжения с установленным [[резистор]]ом 1,5 кОм, рассчитав новый (уменьшенный) коэффициент усиления по напряжению. Попробуйте снова изменить температуру [[транзистор]]а и отметьте выходное напряжение для стабильного входного напряжения.
Изменяется больше или меньше, чем без резистора 1,5 кОм? Другой метод введения отрицательной обратной связи в эту схему усилителя состоит в том, чтобы «связать» выход со входом через резистор с бо́льшим сопротивлением. Подключение резистора 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора работает хорошо:
Изменяется больше или меньше, чем без [[резистор]]а 1,5 кОм? Другой метод введения отрицательной обратной связи в эту схему усилителя состоит в том, чтобы «связать» выход со входом через [[резистор]] с бо́льшим [[сопротивление]]м. Подключение [[резистор]]а [[1 МОм]] между выводами [[коллектор]]а и базы [[транзистор]]а работает хорошо:
[[File:VI-5_12_5.png|400px|center|thumb|'''Рис. 5.''' Схематическая диаграмма: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.|alt=Рис. 5. Схематическая диаграмма: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.]]
[[File:VI-5_12_5.png|400px|center|thumb|'''Рис. 5.''' Схематическая диаграмма: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.|alt=Рис. 5. Схематическая диаграмма: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.]]
Строка 70:
Строка 70:
[[File:VI-5_12_6.png|400px|center|thumb|'''Рис. 6.''' Иллюстрация: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.|alt=Рис. 6. Иллюстрация: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.]]
[[File:VI-5_12_6.png|400px|center|thumb|'''Рис. 6.''' Иллюстрация: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.|alt=Рис. 6. Иллюстрация: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.]]
Хотя этот другой метод обратной связи достигает той же цели повышения стабильности за счёт уменьшения усиления, две схемы обратной связи не будут вести себя одинаково. Обратите внимание на диапазон возможных выходных напряжений для каждой схемы обратной связи (значения низкого и высокого напряжения, полученные при полной развёртке потенциометра входного напряжения), и на то, как они различаются между двумя схемами.
Хотя этот другой метод обратной связи достигает той же цели повышения стабильности за счёт уменьшения усиления, две схемы обратной связи не будут вести себя одинаково. Обратите внимание на диапазон возможных выходных напряжений для каждой схемы обратной связи (значения низкого и высокого напряжения, полученные при полной развёртке [[потенциометр]]а входного напряжения), и на то, как они различаются между двумя схемами.
== Компьютерное моделирование ==
== Компьютерное моделирование ==
Схема с номерами узлов SPICE:
Схема с номерами узлов [[SPICE]]:
[[File:VI-5_12_7.png|400px|center|thumb|'''Рис. 7.''' Схематическая диаграмма для SPICE: усилитель с общим эмиттером.|alt=Рис. 7. Схематическая диаграмма для SPICE: усилитель с общим эмиттером.]]
[[File:VI-5_12_7.png|400px|center|thumb|'''Рис. 7.''' Схематическая диаграмма для SPICE: усилитель с общим эмиттером.|alt=Рис. 7. Схематическая диаграмма для SPICE: усилитель с общим эмиттером.]]
Строка 82:
Строка 82:
{{Блок/Инфо2|Список связей SPICE|Common-emitter amplifier * Усилитель с общим эмиттером<br />vsupply 1 0 dc 12<br />vin 3 0 rc 1 2 10k<br />rb 3 4 100k<br />q1 2 4 0 mod1<br />.model mod1 npn bf=200<br />.dc vin 0 2 0.05<br />.plot dc v(2,0) v(3,0)<br />.end}}
{{Блок/Инфо2|Список связей SPICE|Common-emitter amplifier * Усилитель с общим эмиттером<br />vsupply 1 0 dc 12<br />vin 3 0 rc 1 2 10k<br />rb 3 4 100k<br />q1 2 4 0 mod1<br />.model mod1 npn bf=200<br />.dc vin 0 2 0.05<br />.plot dc v(2,0) v(3,0)<br />.end}}
Это SPICE-моделирование устанавливает схему с переменным источником постоянного напряжения ('''vin''') в качестве входного сигнала и измеряет соответствующее выходное напряжение между узлами 2 и 0. Входное напряжение изменяется или «качается» от 0 до 2 вольт (0,05 – это вольтовые приращения на каждом шаге).
Это [[SPICE]]-моделирование устанавливает схему с переменным источником постоянного напряжения ('''vin''') в качестве входного сигнала и измеряет соответствующее выходное напряжение между узлами 2 и 0. Входное напряжение изменяется или «качается» от 0 до 2 вольт (0,05 – это вольтовые приращения на каждом шаге).
Результаты показаны на графике, где входное напряжение отображается в виде прямой линии, а выходное напряжение – в виде «ступенчатой» фигуры, где уровень напряжения начинается и заканчивается, с крутым изменением в середине, когда транзистор находится в активном операционном режиме.
Результаты показаны на графике, где входное напряжение отображается в виде прямой линии, а выходное напряжение – в виде «ступенчатой» фигуры, где уровень напряжения начинается и заканчивается, с крутым изменением в середине, когда [[транзистор]] находится в активном операционном режиме.
Один NPN-транзистор – рекомендуемые модели 2N2222 или 2N3403 (каталог Radio Shack №276-1617 – это набор из пятнадцати NPN-транзисторов, идеально подходящий для этого и других экспериментов)
Две 6-вольтовые батареи
Один потенциометр на 10 кОм, однооборотный, с линейным конусом (каталог Radio Shack №271-1715)
Рис. 1. Схематическая диаграмма: усилитель с общим эмиттером.
Иллюстрации
Рис. 2. Иллюстрация: усилитель с общим эмиттером.
Ход эксперимента
Соберите эту схему и измерьте выходное напряжение (напряжение, измеренное между клеммой коллекторатранзистора и «землёй») и входное напряжение (напряжение, измеренное между клеммой потенциометра и «землёй») для нескольких положений потенциометра. Я рекомендую определить диапазон выходного напряжения, поскольку потенциометр регулируется во всём его диапазоне, а затем выбрать несколько напряжений, охватывающих этот диапазон выходного сигнала, для проведения измерений.
Например, если полное вращение потенциометра приводит к изменению выходного напряжения схемы усилителя от 0,1 вольта (низкое) до 11,7 вольта (высокое), выберите несколько уровней напряжения между этими пределами (1 вольт, 3 вольт, 5 вольт, 7 вольт, 9 вольт и 11 вольт). Измерив выходное напряжение с помощью измерителя, отрегулируйте потенциометр, чтобы получить каждое из этих заранее определённых напряжений на выходе, отмечая точное значение для дальнейшего использования.
Затем измерьте точное входное напряжение и также запишите это число. В конце у вас должна быть таблица чисел, представляющая несколько различных выходных напряжений вместе с соответствующими входными напряжениями.
Возьмите любые две пары значений напряжения и рассчитайте коэффициент усиления по напряжению, разделив разницу выходных напряжений на разницу входных напряжений. Например, если входное напряжение 1,5 В даёт выходное напряжение 7,0 В, а входное напряжение 1,66 В даёт выходное напряжение 1,0 В, коэффициент усиления усилителя по напряжению составляет (7,0 - 1,0)/(1,66 - 1,5) или 6, делённое на 0,16: таким образом, коэффициент усиления равен 37,50.
Вы должны сразу же заметить две характерные особенности при проведении этих измерений напряжения: во-первых, эффект «обратного входа-выхода»; то есть увеличение входного напряжения приводит к уменьшению выходного напряжения. Этот эффект известен как инверсия сигнала, а такой усилитель как инвертирующий усилитель.
Во-вторых, этот усилитель демонстрирует очень сильный коэффициент усиления по напряжению: небольшое изменение входного напряжения приводит к большому изменению выходного напряжения. Это должно резко контрастировать со схемой усилителя с «повторителем напряжения», обсуждавшейся ранее, которая имела коэффициент усиления по напряжению около 1.
Усилители с общим эмиттером широко используются из-за их высокого коэффициента усиления по напряжению, но они редко используются в такой грубой форме, как эта. Хотя эта схема усилителя служит для демонстрации основной концепции, она очень чувствительна к изменениям температуры.
Попробуйте оставить потенциометр в одном положении и нагреть транзистор, крепко сжав его рукой, или нагреть каким-либо другим источником тепла, например, электрическим феном (Внимание: будьте осторожны, чтобы не нагреть его настолько, что пластиковая макетная плата расплавится!).
Вы также можете исследовать температурные эффекты, охлаждая транзистор: прикоснитесь кубиком льда к его поверхности и отметьте изменение выходного напряжения. При изменении температуры транзистора меняются характеристики его диодабаза/эмиттер, что приводит к разным величинам тока базы при одном и том же входном напряжении.
Это, в свою очередь, изменяет контролируемый ток через клемму коллектора, тем самым влияя на выходное напряжение. Такие изменения могут быть сведены к минимуму за счёт использования обратной связи по сигналу, при которой часть выходного напряжения «подаётся обратно» на вход усилителя, чтобы оказывать отрицательное или компенсирующее влияние на коэффициент усиления по напряжению.
Стабильность улучшена за счёт усиления по напряжению, решение компромиссное, но, тем не менее, практичное. Возможно, самый простой способ добавить отрицательную обратную связь к усилителю с общим эмиттером – это добавить некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй», чтобы входное напряжение было разделено между P-N-переходомбаза/эмиттер и падением напряжения на новом сопротивлении:
Рис. 3. Схематическая диаграмма: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».Рис. 4. Иллюстрация: добавим некоторое сопротивление между клеммой эмиттера и «землёй».
Повторите то же упражнение по измерению и записи напряжения с установленным резистором 1,5 кОм, рассчитав новый (уменьшенный) коэффициент усиления по напряжению. Попробуйте снова изменить температуру транзистора и отметьте выходное напряжение для стабильного входного напряжения.
Изменяется больше или меньше, чем без резистора 1,5 кОм? Другой метод введения отрицательной обратной связи в эту схему усилителя состоит в том, чтобы «связать» выход со входом через резистор с бо́льшим сопротивлением. Подключение резистора1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора работает хорошо:
Рис. 5. Схематическая диаграмма: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.Рис. 6. Иллюстрация: подключаем резистор 1 МОм между выводами коллектора и базы транзистора.
Хотя этот другой метод обратной связи достигает той же цели повышения стабильности за счёт уменьшения усиления, две схемы обратной связи не будут вести себя одинаково. Обратите внимание на диапазон возможных выходных напряжений для каждой схемы обратной связи (значения низкого и высокого напряжения, полученные при полной развёртке потенциометра входного напряжения), и на то, как они различаются между двумя схемами.
Это SPICE-моделирование устанавливает схему с переменным источником постоянного напряжения (vin) в качестве входного сигнала и измеряет соответствующее выходное напряжение между узлами 2 и 0. Входное напряжение изменяется или «качается» от 0 до 2 вольт (0,05 – это вольтовые приращения на каждом шаге).
Результаты показаны на графике, где входное напряжение отображается в виде прямой линии, а выходное напряжение – в виде «ступенчатой» фигуры, где уровень напряжения начинается и заканчивается, с крутым изменением в середине, когда транзистор находится в активном операционном режиме.
