26. BJT gemeinsamer Emitterverstärker

26.1. Zielsetzung

Der Zweck dieses Versuchs ist es, die gängige Emitterkonfiguration des BJT-Transistors zu untersuchen.

26.2. Anmerkungen

In diesen Tutorials verwenden wir die Terminologie aus dem Benutzerhandbuch, wenn es um die Verbindungen zur Red Pitaya STEMlab Board Hardware geht.

Oscilloscope- & Signalgeneratoranwendung wird zum Erzeugen und Beaibachten von Signalen auf der Schaltung verwendet.

Die Erweiterungsstecker-Pins für die Spannungsversorgung +5 V, -3,3 V und +3,3 V sind in der Dokumentation dargestellt.

26.3. Hintergrund

Die in Abb. 26.1 dargestellte Konfiguration zeigt einen npn-Transistor, der als Common-Emitter-Verstärker verwendet wird. Der Ausgangslastwiderstand \(R_L\) ist so gewählt, dass für den gewünschten Kollektornennstrom \(I_C\) etwa ein Drittel der \(+5\,V\) Spannung (\(1,6\,V\)) bei \(V_{CE}\) (DC-Arbeitspunktbedingung) erscheint. Der Widerstand \(R_B\) stellt den Nennarbeitspunkt für den Transistor (Basisstrom \(I_B\)) ein, um den erforderlichen Kollektorstrom \(I_C\) zu senken. Das Eingangssignal ist mit der Basis des Transistors mit dem Kondensator \(C_1\) AC gekoppelt, um die DC-Vorspannung nicht zu stören. Der Spannungsteiler \(\frac{R1}{R2}\) wird gewählt, um einen selbstvorbelasteten DC-Arbeitspunkt bereitzustellen. Der Widerstand \(R_E\) wird zur Addition der Emitterschwankungen (Stromrückführung) verwendet, um den DC-Arbeitspunkt zu stabilisieren.

Der beste Ansatz für die Auswahl von \(R_L\) und \(R_E\) besteht darin, Spannungsabfälle über \(Q_1\), \(R_L\) und \(R_E\) zu ermöglichen, die dem 1/3 des VCC entsprechen (DC-Arbeitspunktbedingungen). Daher \(R_E = R_L\). Das Hinzufügen des Emitter-Degenerationswiderstandes hat die Stabilität des DC-Arbeitspunktes auf Kosten der reduzierten Verstärkung verbessert. Eine höhere Verstärkung für Wechselstromsignale kann bis zu einem gewissen Grad wiederhergestellt werden, indem der Kondensator \(C_E\) über den Degenerationswiderstand \(R_E\) hinzugefügt wird, wodurch der „ \(R_E\) „ Wert für Wechselstromsignale praktisch gegen Null gesetzt wird. Der Kondensator \(C_2\) wird hinzugefügt, um die DC-Komponente des Ausgangssignals zu blockieren.

Bemerkung

Wie man einen Common-Emitter-Verstärker entwickelt, wird in einem Video-Tutorial auf The Signal Path Youtube-Kanal ausführlich erklärt.

Abb. 26.1 Gemeinsame Emitter-Verstärker-Konfiguration

26.4. Schnelle Berechnung des gemeinsamen Emitterverstärkers

Angenommen, wir wollen einen Verstärker mit der Verstärkung \(A=5\) mit einem 2N3904 npn-Transistor und einer Spannungsversorgung von \(V_{CC}=5\,V\) entwerfen.

Für den npn-Transistor 2N3904 können wir davon ausgehen, dass Für den NPN-Transistor 2N3904 können wir folgendes annehmen \(\beta = 100\) und \(v_ {CE_ {sat}} = 0.2 V\). In einem ersten Schritt wird der DC-Arbeitspunkt eingestellt durch Entscheiden von Spannungen über \(R_L\), \(R_E\) und \(Q_1\).:math:beta = 100 und \(V_{CE_{sat}}=0,2\,V\). Der erste Schritt ist die Einstellung des DC-Arbeitspunktes durch die Wahl der Spannungen über \(R_L\), \(R_E\) und \(Q_1\).

(26.1)\[V_{R_L} + (V_{CE} + v_{CE_{sat}}) + V_{R_E} = V_{CC}\]

Wenn wir \(V_{CE_{sat}}\) und 1/3 Verhältnis der Spannungen auf \(R_L\), \(R_E\) und \(Q_1\) berücksichtigen, erhalten wir folgendes:

(26.2)\[1,6 V + 1,6 V + 0,2 V + 1,6 V = 5 V\]

Aus dem Sollwert der Verstärkung A können wir den Wert für \(R_L\) mit den Gleichungen (3) - (7) berechnen.

(26.3)\[A = \beta \frac{R_ {out}}{R_ {in}}.\]

wobei \(R_{out}\) der Widerstand ist, der in Reihe mit dem Kollektor geschaltet ist, und \(R_{in}\) der Widerstand ist, der in Reihe mit der Basis geschaltet ist.

(26.4)\[R_{out} = R_L \quad \text{und} \quad R_{in} = R_{B}\]

Es folgt:

(26.5)\[A = \beta \frac{R_L}{R_B}\]

In diesem Schritt müssen wir die Nennströme unseres Verstärkers einstellen, d.h. wir müssen den IC zur Berechnung des RL wählen.

Setzen wir \(I_C = 5\,mA\), dann folgt

(26.6)\[R_L = \frac{V_{R_L}}{I_C} = \frac{1.6V}{5mA} = 320 \Omega\]

Entspprechend der Gleichung 2, folgt daraus:

(26.7)\[R_E = R_L, \quad \text{d.h.} \quad R_E = \frac{V_{R_L}}{I_C} = 320 \Omega.\]

Jetzt können wir den Wert für \(R_{in}\) bzw. \(R_{B}\) berechnen als:

(26.8)\[R_{B} = \beta \frac{R_L}{A} = 100 \frac{320 \Omega}{5} = 6.4\,k\Omega.\]

Der letzte Schritt ist das Berechnen der Werte der DC-Vorspannungswiderstände \(R_1\) und \(R_2\). \(R_2\) kann aus der in Gleichung (9) angegebenen „Kochbuch“-Beziehung gewonnen werden und somit kann \(R_1\) aus Gleichung (10) berechnet werden.

(26.9)\[R_2 \approx 10 R_E = 3,2 \,k\Omega\]

(26.10)\[R_1 = \frac{V_{CC} - (v_{BE} + V_{R_E})}{\frac{(v_{BE} + V_{R_E})}{R_2}}\]

wo \(V_{BE} = 0.6\,V\)

\[R_1 = \frac{5\,V - (0,6\,V + 1,6\,V)}{\frac{(0,6\,V + 1,6\,V)}{3,2\,k\Omega}} = 4,0\,k\Omega\]

Bemerkung

Die oben gezeigte Berechnung des herkömmlichen Emitterverstärkers sollte als Richtlinie und nicht als definitive Entwurfsgrundlage verwendet werden. Der Grund dafür ist, dass in den meisten Fällen berechnete Werte der Widerstände außerhalb der auf dem Markt verfügbaren Widerstände liegen. Daher sollten die Widerstandswerte gerundet oder geändert werden, um sie an die Endwerte von handelsüblichen Widerständen anzupassen. Es ist eine gute Praxis, \(R_1\) und \(R_B\) als Potentiometer einzustellen, da wir mit diesen beiden Widerständen den Verstärker manuell abstimmen können. Die Abstimmung des Verstärkers ist notwendig, da sich die Transistoren voneinander unterscheiden können.

Die Auswahl der Werte der Kondensatoren \(C_1\), \(C_2\) und \(C_E\) erfolgt durch die Verwendung hochwertiger Kondensatoren, wobei die maximale Nennspannung der Kondensatoren größer als VCC sein muss. Üblicherweise werden Elektrolytkondensatoren in den Bereichen von \(\mu F\) verwendet. Wenn wir die Impedanz (für AC) nahe Null bringen wollen, dann muss \(C_E\) so groß wie möglich sein. Auch \(C_1\), \(C_2\) sollte groß sein, um große Spannungsabfälle über ihnen zu vermeiden.

26.5. Materialien

• Red Pitaya STEMlab

• 2x \(470\,\Omega\) Widerstand

• 2x \(10\,k\Omega\) Widerstand

• 1x \(10\,k\Omega\) Trimer

• 1x \(1\,k\Omega\) Widerstand

• 1x \(10\,\mu F\) Kondensator

• 2x \(4,7\,\mu F\) Kondensator

• 1x kleinsignal NPN-Transistor (2N3904)

• 1x lötfreies Steckbrett

26.6. Verfahren

Nach den oben genannten Berechnungen und Vorgaben haben wir einen gemeinsamen Emitterverstärker gebaut, der in Abb. 26.2 dargestellt ist. Wir hatten einen \(470\,\Omega\) Widerstand zur Verfügung und diese Widerstände wurden für \(R_L\) und \(R_E\) verwendet. Nach der Auswahl von \(R_L\) und \(R_E\) wurden die anderen Komponenten berechnet und ausgewählt.

Abb. 26.2 Common - Emitter - Verstärker mit ermittelten Komponentenwerten

1. Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 26.2 auf dem Steckbrett auf.

   

   Abb. 26.3 Gemeinsamer Emitter-Verstärker auf dem Steckbrett

2. Starten Sie die Anwendung Oszilloskop & Signalgenerator

3. Stellen Sie im Einstellungsmenü OUT1 den Amplitudenwert auf \(0,1\,V\), DC-Offset auf ein \(0\,V\) und die Frequenz auf \(10\,kHz\) zum Anlegen der Eingangsspannung. Von dem Waveform-Menü wählen Sie SINE, deaktivieren Sie die SHOW-Taste und wählen Sie Enable.

4. Vergewissern Sie sich auf der linken Seite des Bildschirms, dass IN1 und IN2 \(V/div\) sind auf \(200\,mV/div\) eingestellt (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und vertikale +/- Reglern verwenden)

5. Setzen Sie \(t/div\) Wert auf \(20\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Reglern einstellen)

6. Wählen Sie im Triggermenü Einstellungen und dann NORMAL

7. Wählen Sie im Messmenü P2P für IN1 und IN2

   

   Abb. 26.4 Gemeinsame Emitterverstärker-Messungen

In Abb. 26.3 sind die Messungen des Common - Emitter - Verstärkers dargestellt. Aus den P2P-Messungen können wir den erzielten Gewinn berechnen. Dieser liegt bei etwa \(A \approx 9\).

26.7. Fragen

1. Versuchen Sie, den Wert des \(R_{B_{pot}}\) zu ändern und beobachten Sie die Veränderung des Gewinn?

2. Wie hoch ist der maximale Spannungshub des Ausgangssignals?

3. Erhöhen Sie die OUT1-Frequenz und versuchen Sie, die Verstärkerbandbreite zu messen.

Für Frage 2 folgen Sie als nächstes:

Stellen Sie die IN2-Scope-Sonde auf x10, im IN2-Menü die Sondendämpfung auf 10 und die OUT1-Amplitude auf \(0,2\,V\). Was ist der P2P-Wert des IN2?

Bei Verstärkung \(A = 9\) und dem Eingangssignal P2P mit der Amplitude \(0,4\,V\) sollte der Ausgangswert P2P(IN2) \(0,4 \times 9 = 3,6\,V\) ! sein. Aber das ist es nicht? Das Signal ist unterbrochen! Können Sie erklären, warum?

Hinweis

Überprüfen Sie die obigen Berechnungen und Spannungen über \(V_{CE}\)