Усилитель с общим эмиттером

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

Цель¶

Собрать транзисторный усилительный каскад, найти его рабочую точку и коэффициент усиления по напряжению.

Установка¶

Источник 9 В питает транзистор n-p-n (\(\beta\) = 100): коллектор — через резистор 2,2 кОм, базу — через резистор смещения 470 кОм, эмиттер — через резистор 470 Ом на общий провод. Источник переменного напряжения (синусоида, амплитуда 0,2 В, 1 кГц) подаёт сигнал на базу через конденсатор 10 мкФ. Осциллограф: КАН 1 — выход источника переменного напряжения (100 мВ/дел), КАН 2 — коллектор (500 мВ/дел, вход AC), 0,5 мс/дел.

Ход работы¶

После открытия лабораторной работы подождите пару секунд: конденсатор зарядится, и рабочая точка установится. Сравните две осциллограммы: размах и фазу сигнала на входе и на коллекторе.
Найдите коэффициент усиления по напряжению: отношение размаха на коллекторе к размаху на входе.
На КАН 2 выберите вход DC и 2 В/дел и оцените постоянное напряжение на коллекторе.
Увеличьте амплитуду источника переменного напряжения до 1 В и переключите КАН 1 на 0,5 В/дел.
В карточке параметров резистора эмиттера замените 470 Ом на 220 Ом и снова установите амплитуду источника переменного напряжения 0,2 В.

Ожидаемый результат

Сигнал на коллекторе больше входного и находится с ним в противофазе: размах около 1,8 В против 0,4 В, коэффициент усиления по напряжению около 4,5 — близко к отношению сопротивлений резисторов коллектора и эмиттера, 2,2 кОм / 470 Ом. Постоянное напряжение на коллекторе около 5,4 В. По расчёту ток коллектора около 1,6 мА, а напряжение на эмиттере около 0,77 В — установка этих значений не показывает. При амплитуде 1 В выходная синусоида обрезается: сверху транзистор закрывается, снизу, около напряжения эмиттера, транзистор входит в насыщение. С резистором эмиттера 220 Ом коэффициент усиления по напряжению примерно удваивается, а рабочая точка смещается. Один резистор смещения задаёт ток базы, а ток коллектора в \(\beta\) раз больше, поэтому рабочая точка зависит от \(\beta\). У реальных транзисторов одного типа \(\beta\) разный, от 100 до 300. Задайте в карточке параметров транзистора коэффициент усиления β = 300: теперь смещение требует тока коллектора около 4 мА — больше, чем могут пропустить резисторы 2,2 кОм и 470 Ом, и транзистор насыщается при токе около 3,3 мА. Без сигнала напряжение на коллекторе около 1,7 В, всего на 0,2 В выше, чем на эмиттере; с сигналом 0,2 В нижние полуволны уже обрезаны, а среднее напряжение на коллекторе около 2,7 В. Поэтому в реальных усилителях смещение на базу подают с делителя из двух резисторов.

Вопросы¶

Почему выходной сигнал находится в противофазе с входным?
Зачем нужен конденсатор между источником переменного напряжения и базой?
Почему нельзя удвоить коэффициент усиления по напряжению, просто взяв вдвое больший резистор коллектора, 4,4 кОм? Где окажется рабочая точка?

Ответы

Когда входное напряжение растёт, растут ток базы и ток коллектора, а с ними и падение напряжения на резисторе коллектора 2,2 кОм. Напряжение на коллекторе равно 9 В минус это падение, поэтому оно уменьшается, когда входное напряжение растёт.
Конденсатор пропускает сигнал 1 кГц (его реактивное сопротивление всего около 16 Ом) и не пропускает постоянный ток. Второй вывод источника переменного напряжения подключён к общему проводу, поэтому без конденсатора источник через своё малое сопротивление удерживал бы базу около 0 В: смещение от резистора 470 кОм пропало бы, и транзистор оставался бы закрытым, потому что сигнал 0,2 В слишком мал, чтобы его открыть.
Ток коллектора задаётся током базы и остаётся около 1,6 мА, поэтому на резисторе 4,4 кОм падало бы около 1,6 мА · 4,4 кОм ≈ 7,0 В, и напряжение на коллекторе было бы около 2 В, всего примерно на 1,2 В выше, чем на эмиттере. Рабочая точка сместилась бы близко к насыщению. Выходной сигнал, размах которого теперь около 3,6 В, не уместился бы в оставшийся ниже неё запас, и его нижние полуволны обрезались бы уже при входном сигнале 0,2 В.