Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera

Podstawy programowe: Sek II, A-level (Electronics), electronics courses

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Zbudować tranzystorowy stopień wzmacniający, wyznaczyć jego punkt pracy i wzmocnienie napięciowe.

Układ

Źródło 9 V zasila tranzystor NPN (\(\beta\) = 100): kolektor przez opornik 2,2 kΩ, bazę przez opornik polaryzujący 470 kΩ, emiter przez opornik 470 Ω do przewodu wspólnego. Źródło napięcia przemiennego (sinusoida, amplituda 0,2 V, 1 kHz) podaje sygnał na bazę przez kondensator 10 µF. Oscyloskop: CH1 — wyjście źródła napięcia przemiennego (100 mV/dz), CH2 — kolektor (500 mV/dz, sprzężenie AC), 0,5 ms/dz.

Przebieg doświadczenia

1. Po otwarciu doświadczenia odczekać parę sekund: kondensator się ładuje i punkt pracy się ustala. Porównać oba przebiegi: wartość międzyszczytową i fazę sygnału na wejściu i na kolektorze.
2. Wyznaczyć wzmocnienie napięciowe: stosunek wartości międzyszczytowej na kolektorze do wartości międzyszczytowej na wejściu.
3. Na CH2 wybrać sprzężenie DC i 2 V/dz i oszacować napięcie stałe na kolektorze.
4. Zwiększyć amplitudę źródła napięcia przemiennego do 1 V i przełączyć CH1 na 0,5 V/dz.
5. Na karcie parametrów opornika emiterowego zmienić 470 Ω na 220 Ω i przywrócić amplitudę źródła napięcia przemiennego 0,2 V.

Oczekiwany wynik

Sygnał na kolektorze jest większy od wejściowego i jest z nim w przeciwfazie: około 1,8 V międzyszczytowo wobec 0,4 V, wzmocnienie około 4,5 — bliskie stosunkowi oporów kolektora i emitera, 2,2 kΩ / 470 Ω. Napięcie stałe na kolektorze wynosi około 5,4 V. Z obliczeń prąd kolektora wynosi około 1,6 mA, a emiter jest na potencjale około 0,77 V — układ nie pokazuje tych wartości. Przy amplitudzie 1 V wyjściowa sinusoida jest obcięta: u góry tranzystor się zatyka, u dołu, w pobliżu napięcia emitera, tranzystor wchodzi w stan nasycenia. Z opornikiem emiterowym 220 Ω wzmocnienie mniej więcej się podwaja, a punkt pracy się przesuwa. Pojedynczy opornik polaryzujący ustala prąd bazy, a prąd kolektora jest \(\beta\) razy większy, więc punkt pracy zależy od \(\beta\). Rzeczywiste tranzystory tego samego typu mają różne \(\beta\), od 100 do 300. Na karcie parametrów tranzystora wpisać Wzmocnienie prądowe β = 300: polaryzacja wymaga teraz prądu kolektora około 4 mA, czyli więcej, niż mogą przepuścić oporniki 2,2 kΩ i 470 Ω, i tranzystor nasyca się przy około 3,3 mA. Bez sygnału kolektor ma około 1,7 V, tylko 0,2 V powyżej emitera; z sygnałem 0,2 V dolne połówki są już obcięte, a średnie napięcie kolektora wynosi około 2,7 V. Dlatego w rzeczywistych wzmacniaczach bazę polaryzuje się dzielnikiem z dwóch oporników.

Pytania

1. Dlaczego sygnał wyjściowy jest w przeciwfazie z wejściowym?
2. Po co między źródłem napięcia przemiennego a bazą jest kondensator?
3. Dlaczego nie można podwoić wzmocnienia, stosując po prostu dwa razy większy opornik kolektorowy, 4,4 kΩ? Gdzie znalazłby się punkt pracy?

Odpowiedzi

1. Gdy napięcie wejściowe rośnie, rosną prąd bazy i prąd kolektora, a wraz z nimi spadek napięcia na oporniku kolektorowym 2,2 kΩ. Napięcie kolektora to 9 V minus ten spadek, więc maleje, gdy napięcie wejściowe rośnie.
2. Kondensator przepuszcza sygnał 1 kHz (jego reaktancja wynosi tylko około 16 Ω) i blokuje prąd stały. Drugi zacisk źródła napięcia przemiennego jest na przewodzie wspólnym, więc bez kondensatora źródło swoim małym oporem utrzymywałoby bazę w pobliżu 0 V: polaryzacja z opornika 470 kΩ zostałaby utracona, a tranzystor pozostałby zatkany, bo sygnał 0,2 V jest za mały, aby go otworzyć.
3. Prąd kolektora jest wyznaczony przez prąd bazy i pozostaje równy około 1,6 mA, więc na oporniku 4,4 kΩ odkładałoby się około 1,6 mA · 4,4 kΩ ≈ 7,0 V, a kolektor miałby około 2 V, tylko około 1,2 V powyżej emitera. Punkt pracy przesunąłby się blisko nasycenia. Sygnał wyjściowy, teraz około 3,6 V międzyszczytowo, nie zmieściłby się w zakresie, który pozostaje poniżej punktu pracy, i jego dolne połówki byłyby obcięte już przy 0,2 V na wejściu.