Een Hoog‑Versterking Multi‑Trap Common‑Emitter Versterker Ontwerpen met Negatieve Terugkoppeling

In deze tutorial bouwen we een drie‑trap common‑emitter versterker die demonstreert hoe negatieve terugkoppeling hoge spanningsversterking kan temmen en stabiliteit verbeteren.

Onderdelen en Materialen

• Drie NPN transistoren (2N2222 of 2N3403; Radio Shack catalogus #276‑1617 is een handig 15‑stuk kit).
• Twee 6‑V batterijen (of een enkele 12‑V voeding).
• Eén 10 kΩ enkelvoudige, lineaire potentiometer (Radio Shack catalogus #271‑1715).
• Eén 1 MΩ weerstand.
• Drie 100 kΩ weerstanden.
• Drie 10 kΩ weerstanden.

Naslagwerken

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, hoofdstuk 4: "Bipolar Junction Transistors".

Leerdoelen

• Een multi‑trap, direct‑gekoppelde common‑emitter versterkerschakeling ontwerpen.
• De impact van negatieve terugkoppeling op versterkerprestaties begrijpen.

Schema

Illustratie

Instructies

Sluit drie common‑emitter trappen in serie: de collector van elke transistor stuurt de basis van de volgende aan via een 10 kΩ weerstand. Deze rangschikking vermenigvuldigt de individuele trapversterkingen om een zeer hoge algehele spanningsversterking te produceren.

Begin met het weglaten van de 1 MΩ terugkoppelweerstand. Met de transistorparameters op hun maximum ingesteld, zult u een bijna oneindige versterking zien die de uitgang verzadigt aan de voedingsrails voor bescheiden invoersignalen. Als u de potentiometer niet kunt afstemmen op een stabiele uitgang in de actieve regio, zal de basis inversie‑karakteristiek nog steeds duidelijk zijn: naarmate de invoer stijgt, daalt de uitgang en vice versa.

Omdat elke common‑emitter trap invertd, levert een even aantal trappen een niet‑inverterende algehele respons op terwijl een oneven aantal een geïnverteerde uitgang geeft. Verifieer dit door de collector‑naar‑grond spanning bij elke transistor te meten tijdens het zwiepen van de invoerpotentiometer en te observeren of de uitgang stijgt of daalt met een toename in invoer.

Voeg nu de 1 MΩ terugkoppelweerstand toe van de collector van de laatste transistor terug naar de basis van de eerste. Aangezien de drie‑trap versterker geïnverteerd is, is het terugkoppelsignaal inherent negatief en zal het de schakeling stabiliseren, wat de gevoeligheid voor invoervariaties dramatisch vermindert.

Met terugkoppeling op zijn plaats, gedraagt de versterker zich veel voorspelbaarder. Noteer een tabel van invoer‑vs‑uitgangsspanningen en bereken de spanningsversterking. Probeer verschillende waarden voor de terugkoppelweerstand: het verlagen ervan zal de versterking verhogen, terwijl het verhogen ervan de versterking zal verlagen. Het resultaat is een voorspelbare, weerstands‑afhankelijke versterking in plaats van een die varieert met transistor tolerenties.

In de praktijk incorporeren echte multi‑trap versterkers emitter‑naar‑grond weerstanden voor bias stabiliteit, capacitieve koppeling tussen trappen, en spanningsdelers voor biasing. Hoog‑frequente ontwerpen gebruiken vaak transformatoren met resonante condensators. Niettemin, de principes die hier gedemonstreerd worden, liggen ten grondslag aan de werking van operationele versterkers en veel professionele versterkerschakelingen.

Computersimulatie

Schema met SPICE knoopnummers:

Netlist (kopieer de volgende tekst letterlijk in een .cir bestand):

Multi‑trap versterker
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

Deze simulatie plottet uitgangsspanning versus invoerspanning, zodat u de spanningsversterking numeriek kunt berekenen. Experimenteer met verschillende waarden van rf en observeer hoe de algehele versterking verandert. De versterking kan benaderd worden met alleen de weerstandswaarden van r1 en rf.

Gerelateerd Werkblad

• Multi‑Trap Transistor Versterkers Werkblad