У першому досвіді ми визначимо коефіцієнт посилення по напрузі найпростішого каскаду підсилення на транзисторі

Транзистор 2N2222A я вибрав, як казав вище, тільки тому, що багато програм симуляції мають модель цього транзистора

Можливо, для експериментів потрібно інша модель транзистора, тоді ми визначимося і з нею

Рис 1813 Схема першого досвіду з транзистором

Перш, ніж перепоювати макетну плату, розрахуємо значення резисторів R1 і R2, визначимося з ємністю конденсатора C1

Розрахунок (орієнтовний) ми почнемо з завдання опору резистора R2 Я вибрав значення 1 кОм (можна взяти 2 або 3 кОм, яке є опір) З міркування максимального (без великих спотворень) вихідного сигналу струм колектора я вибираю таким, щоб падіння напруги на колекторі було, приблизно, дорівнює половині напруги живлення Тобто, струм колектора вибираємо рівним 25 мА (за законом Ома 25 * 1 = 25 В, струм я взяв у мА, а опір в кілоомах) Типове значення статичного коефіцієнта підсилення транзистора по струму в схемі з загальним емітером 200 Але я вимірюю його за допомогою мультиметра, мій мультиметр вимірює hFE, і отримую коефіцієнт посилення рівний 177 Тепер визначаємо струм бази, розділивши струм колектора на це значення: 25/177 = 14 мкА Струм бази протікає по резистору R1 і ланцюги база-емітер Падіння напруги на переході база-емітер таке ж, як і у діода Будемо вважати, що це 05 В Тоді на резистори R1 буде падати напруга (закон Кірхгофа) 45В: (5 – 05) / 14 (мкА) = 320 (кОм) Під рукою у мене є резистор 300 кОм, його я і використовую Вхідний опір каскаду посилення, я підозрюю, невелике Тому конденсатор

ємністю 100 мкФ цілком підходящий кандидат на проведення експериментів У підсумку схема виглядає так:

Рис 1814 Схема першого експерименту з номіналами деталей Для монтажу буде потрібно цоколевка транзистора

Рис 1815 Цоколевка транзистора 2N2222A

І макетна плата може виглядати якось так:

Рис 1816 Макетна плата для проведення першого експерименту з транзистором

Генератор в моєму випадку може відтворити мінімальний сигнал (від піку до піку) 100 мВ Є побоювання, що цей сигнал «завеликий» Тому додамо ще і дільник напруги з резисторів 10 кОм і 100 Ом перед входом каскаду на транзисторі У вашому випадку теж слід вжити заходів до того, щоб сигнал на вході був близько 1 мВ (ефективне або від піку до піку)

Остаточно схема буде виглядати наступним чином:

Рис 1817 Остаточна схема для проведення першого експерименту І результат експерименту

Рис 1818 Експеримент з вимірювання коефіцієнта посилення по напрузі

На малюнку відзначено напруга, що подається з генератора, тобто, 01 В (100 мВ) З урахуванням дільника (дільник ділить вхідну напругу в 100 разів) вхідна напруга 1 мВ І вихідна напруга, виміряне в ефективному значенні 01 В (100 мВ) Таким чином, коефіцієнт посилення каскаду по напрузі дорівнює 100 Але нас цікавить, скажімо, смуга пропускання

Рис 1819 Експеримент з визначення смуги пропускання каскаду

Верхня частота зрізу за рівнем – 3 дБ, як це видно з малюнка, близько 700 кГц Можна зараз подивитися і спектр сигналу, оцінивши нелінійні спотворення

Рис 1820 Спектр сигналу на частоті 500 Гц при вхідному сигналі 1 мВ

Щоб подивитися, як змінюється спектр сигналу (як зростають нелінійні спотворення), збільшимо напругу вхідного сигналу з генератора в 10 разів

Рис 1821 Спектр сигналу при вхідному сигналі 10 мВ

Різниця досить помітна – крім того, що амплітуда другої гармоніки (1 кГц) збільшилася, стала помітна і третя гармоніка

Цього, втім, і слід було очікувати Перед проведенням досвіду, перш ніж включити свою випробувальну лабораторію, я перевірив мультіметром напруга на колекторі транзистора Воно виявилося одно 256 В (Власне, як і планувалося, напруга рівне половині напруги живлення) Сигнал на виході при вхідній напрузі 10 мВ стає дорівнює (посилення, нагадаю, ми отримали 100) приблизно 1 В А це цілком порівнянно з обраним напругою на колекторі в робочій точці

Ось як виглядає в цьому випадку вихідний сигнал

Рис 1822 Вихідний сигнал при вхідній напрузі 10 мВ

Верхня частина синусоїди явно «завалена» Якщо у вас є, ніж перевірити, то спробуйте змінити положення робочої точки так, щоб покращити вигляд синусоїди, і порівняйте спектр сигналу з попереднім

І, нарешті, якщо ви памятаєте, ми говорили про те, що сигнали на вході і виході транзистора знаходяться в протифазі Подивимося, чи так це

Рис 1823 Вхідний і вихідний сигнали транзисторного підсилювача

Сигнали дійсно противофазно Таким чином, якщо резистор, що задає зсув, R1 перенести з плюса харчування на колектор транзистора (змінивши його опір відповідним чином), то ми отримаємо негативний зворотний звязок Цей резистор подасть на вхід транзистора частина протівофазного вихідного сигналу, яка визначається дільником R1 і вхідним опором каскаду

Дуже цікавим мені здається питання про те, що зміниться, якщо ми змінимо опір навантаження каскаду (R2 на схемі проведення експерименту)

Нове значення я вибрав 62 кОм, що зажадало зміни резистора зміщення R1 до 2 Мом

Рис 1824 Вимірювання коефіцієнта посилення по напрузі

Як ви бачите, практично посилення по напрузі не змінилося, залишаючись у межах похибок вимірювання Але є і ще одне питання, а що з амплітудно-частотної характеристикою Ви памятаєте, ми говорили, що каскад посилення схожий на інтегруючу RC ланцюг Опір ми змінили, що з верхньої граничної частотою

Рис 1825 АЧХ каскаду із зміненим опором навантаження

А ось АЧХ змінилася, верхня гранична частота зменшилася разу на 3

Про зміну верхньої граничної частоти інтегруючого RC ланцюга ми могли судити, провівши розрахунок, при якому розглядали б RC ланцюг як дільник змінної напруги, складений з резистора і конденсатора Опір конденсатора зменшується із зростанням частоти, і ми можемо визначити частоту, на якій напруга зменшиться на 3 дБ

Напруга генератора U, а напруга на конденсаторі Uc і становить частину всього напруги Верхня гранична частота вимірюється за рівнем – 3 дБ (а це по відношенню напруг буде 141) Це можна розрахувати за формулою КДБ = 20 log (U1/U2), але я сам, зізнатися користуюся таблицею, взятої з старенького довідника

Рис 1826 Таблиця переведення децибелів у відносини

Рис 1827 RC ланцюг як дільник напруги

Запишемо відношення напруг: U / Uс = 141 Оскільки струм нікуди не відгалужується, він однаковий і для резистора і для конденсатора

Тому записане вище відношення можна переписати в термінах опорів:

(R1 + Xc) / Xc = 141, де Xc = 1/2πfC або R1/Xc +1 = 141 або R1/Xc = 041 або R1 = 041Xc

Визначимо частоту з виразу R1 = 041 (1/2πfC1) 2πfC1R1 = 041 f = 041/2πC1R1 Величину резистора R1 ми знаємо, це 10000 Ом, ємність конденсатора C1 теж знаємо, це 01 * 10-6 Ф Підставивши значення, отримуємо .. 65 Гц

Стоп Ми ж вимірювали частоту приладом, отримавши значення 144 Гц Звичайно, номінали резистора і конденсатора при обчисленнях бралися без урахування розкиду реальних значень, точність елементів не враховувалася Але помилка не могла бути настільки велика

Добре, перевіримо за допомогою програми симуляції Qucs проведений експеримент по визначенню верхньої граничної частоти

Рис 1828 Повторення експерименту з визначення частоти зрізу в Qucs

Виділена маркером частота 159 Гц набагато ближче до тієї, що отримана за допомогою приладів, ніж результат наведеного вище розрахунку Де помилка

Згадаймо, що коли ми говорили про реактивному опорі, ми відзначали – між струмом і напругою є фазовий зсув

Згадаймо, що коли ми говорили про верхньої граничної частоті фільтра низьких частот (інтегруючого RC ланцюга), ми навіть вимірювали зрушення фаз на цій частоті, який, як йому і належить, виявився рівним 45 градусів

Цього ми не враховували в міркуваннях про дільнику напруги Спробуємо врахувати зсув фаз При наявності конденсатора повний опір ланцюга визначається не простим додаванням активного і реактивного опору, а інакше: Z2 = R2 + Xc2

Визначимо опір конденсатора на частоті 160 Гц, взявши цю частоту з досвіду в Qucs У цьому випадку опір дорівнює 10 кОм Обчислимо повний опір як корінь квадратний із суми квадратів опору резистора 10 кОм і отриманого значення ємнісного опору Воно буде дорівнює 141 кОм При напрузі генератора 1 В, струм в ланцюзі дорівнює 007 мА А падіння напруги на конденсаторі Uc = 007 * 10-3 * 104 або Uc = 07 В

Ставлення всього напруги до напруги на конденсаторі складе: 1/07 = 141 або 3 дБ

Я навів приклад того, як обчислення «на вскидку» можуть дати невірний результат Перш, ніж приймати його, слід все добре обдумати, перевірити, виміряти І ще раз обміркувати

Джерело: Гололобов ВН, – Самовчитель гри на паяльнику (Про електроніці для школярів і не тільки), – Москва 2012