Gegentaktverstärker (Common-Emitter): Design, Messung und Gegenkopplungstechniken

Bauteile & Materialien

• Ein NPN-Transistor (Modell 2N2222 oder 2N3403 empfohlen; 15er-Pack Radio Shack #276-1617)
• Zwei 6-V-Batterien
• Ein 10-kΩ-Potentiometer, eingängig, linear (Radio Shack #271-1715)
• Ein 1-MΩ-Widerstand
• Ein 100-kΩ-Widerstand
• Ein 10-kΩ-Widerstand
• Ein 1,5-kΩ-Widerstand

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 4: Bipolar Junction Transistors

Lernziele

• Einen einfachen Common-Emitter-Verstärker entwerfen
• Verstärkerspannungsverstärkung messen
• Invertierende und nicht-invertierende Verstärker unterscheiden
• Negative Gegenkopplung zur Stabilitätsverbesserung anwenden

Schaltplan

 

Aufbauillustration

 

Anleitung

Bauen Sie die Schaltung auf und messen Sie die Ausgangsspannung (Kollektor-zu-Masse) und Eingangsspannung (Potentiometer-Schleifer-zu-Masse) über einen Bereich von Potentiometerstellungen. Fahren Sie zuerst das Potentiometer von unterster bis oberster Position, um den vollen Ausgangsspannungsbereich zu ermitteln. Wählen Sie dann mehrere Zwischenziele (z. B. 1 V, 3 V, 5 V, 7 V, 9 V, 11 V) und notieren Sie die zugehörigen Eingangsspannungen.

Mit mindestens zwei Datenpaaren berechnen Sie die Spannungsverstärkung als Verhältnis der Ausgangsänderung zur Eingangsänderung. Beispiel: Ergeben 1,5 V Eingang 7,0 V Ausgang und 1,66 V Eingang 1,0 V Ausgang, beträgt die Verstärkung (7,0–1,0)/(1,66–1,5) = 6/0,16 ≈ 37,5.

Zwei zentrale Beobachtungen ergeben sich: Invertierung – steigende Eingangsspannung erzeugt fallende Ausgangsspannung, was den Verstärker als invertierend bestätigt; und eine große Spannungsverstärkung, die die Einheitsverstärkung eines Spannungsfolgers weit übertrifft.

Common-Emitter-Verstärker sind für ihre hohe Verstärkung geschätzt, aber auch temperaturempfindlich. Testen Sie dies, indem Sie den Transistor erwärmen (Hand oder Föhn) und jede Verschiebung der Ausgangsspannung bei festem Eingang notieren. Kühlen Sie den TransistorConversely mit einem Eiswürfel und beobachten Sie die Änderung. Temperaturschwankungen verändern die Basis-Emitter-Strecke, modifizieren den Basisstrom für einen gegebenen Eingang und beeinflussen dadurch Kollektorstrom und Ausgangsspannung.

Negative Gegenkopplung kann Temperaturlabilität mindern. Die einfachste Methode fügt einen Widerstand zwischen Emitter und Masse ein, der einen Spannungsteiler bildet und die Eingangsempfindlichkeit reduziert. Siehe Diagramm unten als Referenz.

 

 

 

Wiederholen Sie die Spannungsmessungen mit eingebautem 1,5-kΩ-Emitterwiderstand. Berechnen Sie die reduzierte Verstärkung neu und testen Sie die Temperaturstabilität erneut. Vergleichen Sie das Ausmaß der Ausgangsschwankung mit und ohne Emitterwiderstand.

Eine alternative Gegenkopplungstechnik koppelt den Ausgang über einen hochohmigen Widerstand (z. B. 1 MΩ zwischen Kollektor und Basis) zurück zum Eingang. Dies senkt ebenfalls die Verstärkung und erhöht die Stabilität, wobei die beiden Schemata unterschiedliche Ausgangsbereiche ergeben. Beobachten Sie, wie sich die Volllauf-Spannungsgrenzen zwischen den beiden Schaltungen unterscheiden.

 

 

 

Computersimulation

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

 

 

Netlist (Textdatei mit folgendem exakten Inhalt erstellen):

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

Diese SPICE-Simulation wendet einen DC-Sweep von 0 bis 2 V auf vin an und zeichnet die Kollektor-zu-Masse-Spannung auf. Der Ausgabeplot zeigt einen stufenartigen Übergang, wenn der Transistor in seinen aktiven Bereich eintritt.

 

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Class A BJT Amplifiers Worksheet