Hochverstärkender Mehrstufen-Common-Emitter-Verstärker mit negativer Gegenkopplung

In diesem Tutorial bauen wir einen dreistufigen Common-Emitter-Verstärker, der demonstriert, wie negative Gegenkopplung hohe Spannungsverstärkung zähmt und die Stabilität verbessert.

Bauteile & Materialien

• Drei NPN-Transistoren (2N2222 oder 2N3403; Radio Shack #276-1617 ist ein praktisches 15er-Kit)
• Zwei 6-V-Batterien (oder einzelne 12-V-Versorgung)
• Ein 10-kΩ-Eingangs-Potentiometer, eingängig, linear (Radio Shack #271-1715)
• Ein 1-MΩ-Widerstand
• Drei 100-kΩ-Widerstände
• Drei 10-kΩ-Widerstände

Querverweise

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

Lernziele

• Einen mehrstufigen, direkt gekoppelten Common-Emitter-Verstärker entwerfen
• Auswirkungen negativer Gegenkopplung auf Verstärkerleistung verstehen

Schaltplan

 

 

Aufbauillustration

 

 

Anleitung

Verbinden Sie drei Common-Emitter-Stufen in Reihe: Der Kollektor jedes Transistors treibt die Basis des nächsten über einen 10-kΩ-Widerstand an. Diese Anordnung multipliziert die einzelnen Stufenverstärkungen zu einer sehr hohen Gesamtspannungsverstärkung.

Beginnen Sie ohne den 1-MΩ-Gegenkopplungswiderstand. Mit auf Maximum eingestellten Transistorparametern sehen Sie eine nahezu unbegrenzte Verstärkung, die den Ausgang für bescheidene Eingangssignale an die Versorgungsschienen sättigt. Falls Sie das Potentiometer nicht auf einen stabilen Arbeitspunkt im aktiven Bereich einstellen können, ist die grundlegende Invertierungseigenschaft dennoch evident: Steigt der Eingang, fällt der Ausgang und umgekehrt.

Da jede Common-Emitter-Stufe invertiert, ergibt eine gerade Stufenzahl eine nicht-invertierende Gesamtreaktion, eine ungerade Zahl eine invertierte Ausgabe. Prüfen Sie dies, indem Sie die Kollektor-zu-Masse-Spannung an jedem Transistor messen, während Sie das Eingangs-Potentiometer variieren, und beobachten, ob der Ausgang bei Eingangserhöhung steigt oder fällt.

Fügen Sie nun den 1-MΩ-Gegenkopplungswiderstand vom Kollektor des letzten Transistors zurück zur Basis des ersten hinzu. Da der dreistufige Verstärker invertiert, ist das Rückkopplungssignal inhärent negativ und stabilisiert den Kreis, wodurch die Empfindlichkeit auf Eingangsschwankungen drastisch sinkt.

Mit Gegenkopplung verhält sich der Verstärker weitaus vorhersehbarer. Protokollieren Sie eine Tabelle von Eingangs- vs. Ausgangsspannungen und berechnen Sie die Spannungsverstärkung. Probieren Sie verschiedene Werte für den Gegenkopplungswiderstand: Eine Verringerung erhöht die Verstärkung, eine Erhöhung senkt sie. Das Ergebnis ist eine vorhersagbare, widerstandsabhängige Verstärkung statt einer, die mit Transistorstreuungen variiert.

In der Praxis integrieren echte Mehrstufenverstärker Emitter-Masse-Widerstände für Bias-Stabilität, kapazitive Kopplung zwischen Stufen und Spannungsteiler für Bias. Hochfrequenzdesigns nutzen oft Transformatoren mit Resonanzkondensatoren. Dennoch bilden die hier demonstrierten Prinzipien die Grundlage von Operationsverstärkern und vielen professionellen Verstärkerschaltungen.

Computersimulation

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

 

 

Netlist (folgenden Text wörtlich in eine .cir-Datei kopieren):

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

Diese Simulation plottet Ausgangsspannung gegen Eingangsspannung, sodass Sie die Spannungsverstärkung numerisch bestimmen können. Experimentieren Sie mit verschiedenen Werten von rf und beobachten Sie, wie sich die Gesamtverstärkung ändert. Die Verstärkung lässt sich annähernd allein aus den Widerstandswerten von r1 und rf abschätzen.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Multi-Stage Transistor Amplifiers Worksheet