Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Усилитель с общим эмиттером

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Усилитель с общим эмиттером

Оборудование и материалы

• 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)
• Один резистор 1 МОм
• Один резистор 100 кОм
• Один резистор 10 кОм
• Один резистор 1,5 кОм

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том 3 «Полупроводники», глава 4: «Биполярные транзисторы»

Цели эксперимента

• Реализовать проект простой схемы усилителя с общим эмиттером
• Научиться измерять коэффициент усиления по напряжению усилителя
• Выяснить разницу между инвертирующим и неинвертирующим усилителем
• Определить способы введения отрицательной обратной связи в схему усилителя

Принципиальная схема

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 коллектора транзистора 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 диода 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.

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:

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 резистора 1 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.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 7. Схематическая диаграмма для SPICE: усилитель с общим эмиттером.

Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

Common-emitter amplifier * Усилитель с общим эмиттером
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

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.