Mehrstufiger Verstärker

TEILE UND MATERIALIEN

• Drei NPN-Transistoren – Modell 2N2222 oder 2N3403 empfohlen (Radio Shack-Katalog Nr. 276-1617 ist ein Paket von fünfzehn NPN-Transistoren, ideal für dieses und andere Experimente)
• Zwei 6-Volt-Batterien
• Ein 10 kΩ Potentiometer, Singleturn, Linearkegel (Radio Shack Katalog # 271-1715)
• Ein 1 MΩ Widerstand
• Drei 100-kΩ-Widerstände
• Drei 10 kΩ Widerstände

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 4:„Bipolar-Junction-Transistoren“

LERNZIELE

• Entwurf einer mehrstufigen, direkt gekoppelten Verstärkerschaltung in Emitterschaltung
• Auswirkung negativer Rückkopplung in einer Verstärkerschaltung

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Durch Verbinden von drei Verstärkerschaltungen mit gemeinsamer Emitterschaltung – dem Kollektoranschluss des vorherigen Transistors mit der Basis (Widerstand) des nächsten Transistors – ergeben die Spannungsverstärkungen jeder Stufe eine sehr hohe Gesamtspannungsverstärkung. Ich empfehle, diese Schaltung ohne zu bauen den 1 MΩ Rückkopplungswiderstand, um zu sehen, wie hoch die uneingeschränkte Spannungsverstärkung ist.

Möglicherweise können Sie das Potentiometer nicht auf eine stabile Ausgangsspannung einstellen (die bei voller Versorgungsspannung oder Null nicht gesättigt ist), die Verstärkung ist so hoch. Auch wenn Sie die Eingangsspannung nicht fein genug einstellen können, um die Ausgangsspannung im aktiven Bereich des letzten Transistors zu stabilisieren, sollten Sie erkennen können, dass die Beziehung zwischen Ausgang und Eingang invertiert ist; das heißt, der Ausgang neigt dazu, auf eine hohe Spannung zu steigen, wenn der Eingang niedrig wird, und umgekehrt.

Da jede der "Stufen" mit gemeinsamem Emitter in sich selbst invertiert, ergibt eine gerade Anzahl von gestuften Verstärkern mit gemeinsamem Emitter ein nichtinvertierendes Ansprechverhalten, während eine ungerade Anzahl von Stufen eine Invertierung ergibt. Sie können diese Beziehungen erfahren, indem Sie die Kollektor-Erde-Spannung an jedem Transistor messen während Sie das Potentiometer für die Eingangsspannung einstellen, beachten Sie, ob die Ausgangsspannung mit einer Erhöhung der Eingangsspannung zu- oder abnimmt.

Schließen Sie den 1 MΩ Rückkopplungswiderstand in den Stromkreis an und verbinden Sie den Kollektor des letzten Transistors mit der Basis des ersten. Da die Gesamtantwort dieses dreistufigen Verstärkers invertiert ist, sollte das Rückkopplungssignal, das über den 1 MΩ-Widerstand vom Ausgang des letzten Transistors zum Eingang des ersten geliefert wird, negativ sein in der Natur.

Als solches wirkt es, um die Reaktion des Verstärkers zu stabilisieren und die Spannungsverstärkung zu minimieren. Sie sollten die Verringerung der Verstärkung sofort an der geringeren Empfindlichkeit des Ausgangssignals bei Änderungen des Eingangssignals (Änderungen der Potentiometerposition) bemerken.

Einfach ausgedrückt ist der Verstärker nicht annähernd so "empfindlich" wie er ohne den Rückkopplungswiderstand war. Wie bei dem einfachen Verstärker mit gemeinsamem Emitter, der in einem früheren Experiment besprochen wurde, ist es hier eine gute Idee, eine Tabelle mit Eingangs- und Ausgangsspannungswerten zu erstellen, mit der Sie die Spannungsverstärkung berechnen können.

Experimentieren Sie mit verschiedenen Werten des Rückkopplungswiderstands. Welchen Effekt meinen Sie, eine Abnahme im Rückkopplungswiderstand hat eine Spannungsverstärkung? Wie wäre es mit einer Erhöhung im Rückkopplungswiderstand? Probieren Sie es aus und finden Sie es heraus!

Ein Vorteil der Verwendung von negativer Rückkopplung zum „Zähmen“ einer Verstärkerschaltung mit hoher Verstärkung besteht darin, dass die resultierende Spannungsverstärkung stärker von den Widerstandswerten und weniger von den Eigenschaften der einzelnen Transistoren abhängt. Das ist gut, weil es viel einfacher ist, konsistente Widerstände herzustellen als konsistente Transistoren.

Somit ist es einfacher, einen Verstärker mit vorhersagbarer Verstärkung zu entwerfen, indem ein gestuftes Netzwerk von Transistoren mit einer beliebig hohen Spannungsverstärkung aufgebaut wird, und diese Verstärkung dann genau durch negative Rückkopplung abzuschwächen. Es ist das gleiche Prinzip, das verwendet wird, um Operationsverstärker . herzustellen Schaltungen verhalten sich so vorhersehbar.

Diese Verstärkerschaltung ist etwas vereinfacht gegenüber dem, was Sie normalerweise in praktischen mehrstufigen Schaltungen finden. Selten wird eine reine Emitter-Konfiguration (dh ohne Emitter-Erde-Widerstand) verwendet, und wenn der Verstärker für Wechselstromsignale verwendet wird, ist die Kopplung zwischen den Stufen oft kapazitiv mit Spannungsteilernetzwerken, die ordnungsgemäß mit jeder Transistorbasis verbunden sind Voreingenommenheit jeder Stufe.

Hochfrequenzverstärkerschaltungen sind oft transformatorgekoppelt, wobei Kondensatoren zur Resonanzabstimmung parallel zu den Transformatorwicklungen geschaltet sind.

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Mehrstufiger Verstärker 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 

Diese Simulation stellt die Ausgangsspannung gegen die Eingangsspannung auf und ermöglicht den Vergleich zwischen diesen Variablen in numerischer Form:eine Liste von Spannungswerten, die links neben dem Diagramm gedruckt sind. Sie können die Spannungsverstärkung berechnen, indem Sie zwei beliebige Analysepunkte nehmen und die Differenz der Ausgangsspannungen durch die Differenz der Eingangsspannungen teilen, genau wie bei der realen Schaltung.

Experimentieren Sie mit verschiedenen Rückkopplungswiderstandswerten (rf ) und sehen Sie sich die Auswirkungen auf die Gesamtspannungsverstärkung an. Bemerken Sie ein Muster? Hier ist ein Hinweis:Die Gesamtspannungsverstärkung kann mithilfe der Widerstandswerte von r1 . gut angenähert werden und rf , ohne Bezug auf andere Schaltungskomponenten!

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für mehrstufige Transistorverstärker