Transistorvõimendi

Ühise emitteriga võimendusaste ühe NPN-transistoriga. Vali baasi eelpingestamise viis, määra β ja emitteritakistus. Leht arvutab jõudevoolu, võimendusteguri ning väljundsignaali ühe perioodi, kui sisendis on siinus.

Näidisarvutus — Transistorvõimendi

Baasi toide: pingejagaja asendus ühe allikaga	1,8182 V, 8,48 kΩ
Kollektori jõudevool	1,0612 mA
Transistorile jääv pinge	5,9405 V
Ülekandejuhtivus	41,05 mS
Väikese signaali pingevõimendustegur	−4,54
Hinnang kahe takisti järgi	−4,70
Väljundpinge tõus	0,454 V
Väljundpinge langus	0,455 V

Need on väärtused, mida kalkulaator lehe avamisel näitab. Muuda ülal mõnda sisendit, et need ümber arvutada.

Interaktiivse simulatsiooni laadimine...

Õppetund

Teooria — Transistorvõimendi

Bipolaartransistori kollektorivoolu määrab baasi ja emitteri vahelise siirde pinge: I_C = I_Se^V_BE/V_T. Seejuures vajab transistor baasivoolu I_C/β. Ühise emitteriga võimendusastmes antakse signaal baasile ja väljund võetakse kollektorilt, kus R_C muudab voolu muutuse pinge muutuseks. Tööpunkti määravad astme vool ja pinge sisendsignaali puudumisel. Pingevõimendustegur näitab, kui palju muutub kollektoripinge baasi pinge väikese muutuse korral: A = −g_mR_C / (1 + g_mR_E(β+1)/β), kus ülekandejuhtivus on g_m = I_C/V_T.

Mida iga sümbol tähendab

I_C: kollektorivool amprites. Vool läbi R_C, mille väärtuse peab eelpingestus paika seadma
V_BE: baasi ja emitteri vaheline pinge voltides. Väikesel transistoril milliamprise voolu korral ligikaudu 0,65 V; voolu iga kümnekordse kasvu kohta suureneb see 60 mV
V_T: soojuspinge kT/q, temperatuuril 300 K on see 25,85 mV
β: vooluvõimendustegur I_C/I_B. Konkreetse transistori omadus, mille kindlale väärtusele skeemi projekteerides toetuda ei saa
g_m: ülekandejuhtivus I_C/V_T siimensites. Näitab kollektorivoolu muutust baasi ja emitteri vahelise pinge muutuse ühe voldi kohta
R_E: emitteritakisti, takistus oomides. Seda läbib emitterivool ning sellel tekkiv pinge annab sisendile negatiivse tagasiside

Eeldab: Kasutusel on Ebersi–Molli mudel pärisuunalises aktiivpiirkonnas, liige −1 on välja jäetud. β loetakse konkreetse transistori jaoks konstantseks ja Early efekti ei arvestata: kollektorivool ei sõltu V_CE-st, kuigi tegelikus transistoris muutub see mõne protsendi võrra voldi kohta. I_S = 10⁻¹⁴ A ja V_T = 25,85 mV hoitakse muutumatuna, seega mudelis miski ei soojene. Tegelik β muutub nii voolu kui ka temperatuuriga. Kui V_CE langeb alla 0,2 V, loeb leht transistori küllastunuks ega käsitle seda enam võimendina. Signaali perioodi jooksul hoitakse väljundit sellel alampiiril, küllastuse käitumist täpsemalt ei modelleerita. Signaal tuleb sisetakistuseta allikast läbi sidestuskondensaatori, mis tõkestab alalisvoolu ja laseb signaali muutumatult läbi. Kollektoril puudub koormus ning R_E-ga pole rööbiti möödaviigukondensaatorit.

β muutub kolmekordselt, vool 6 % 🖖

Sama tüübitähisega transistori β võib olla 100 või 300: MMBT3904 andmeleht ei taga 10 mA juures kitsamat vahemikku. Vajuta järjest mõlemat Jagaja nuppu. Jõudevool muutub väärtuselt 1,0612 väärtusele 1,1248 mA ja võimendustegur −4,54 pealt −4,58 peale. Seejärel vajuta mõlemat Baasitakisti nuppu: vool muutub väärtuselt 0,5165 väärtusele 1,5455 mA ehk 2,99 korda ning võimendustegur −93,90 pealt −280,99 peale. Üks baasitakisti määrab baasivoolu, mille β korrutab kollektorivooluks. Pingejagaja määrab aga baasi pinge, millest emitteritakisti seab voolu. β mõju jääb väikeseks: sellest sõltub baasivool ja seega pingelang jagaja 8,48 kΩ asendustakistusel.

Emitteritakisti stabiliseerib võimendusteguri, voolu jaoks on vaja pingejagajat 🖖

Kui R_E = 1 kΩ, on võimendustegur −4,54 ja −R_C/R_E annab −4,70. Täpne võimendustegur on −g_mR_C / (1 + g_mR_E(β+1)/β). Kuna g_mR_E on 41, on nimetajas oleva 1 mõju väike ja transistori parameetrid taanduvad avaldisest peaaegu välja. Voolu ja võimendusteguri stabiilsust saab vaadelda eraldi. Vali Üks baasitakisti ja jäta R_E väärtuseks 1 kΩ: kui β muutub 100 pealt 300 peale, muutub vool endiselt 2,75 korda, väärtuselt 0,4938 väärtusele 1,3599 mA. Võimendustegur muutub samal ajal vaid −4,42 pealt −4,60 peale. Tabel näitab ka stabiilsuse hinda. Ilma R_E-ta võimendab aste 21 kuni 61 korda rohkem, kuid lisavõimendus sõltub sellest, milline transistor skeemi panna.

Ilma emitteritakistita moonutab aste juba 10 mV signaali 🖖

Vajuta nuppu 10 mV, emitteritakistita. Väljundpinge langeb 1,146 V ja tõuseb vaid 0,779 V. Kollektorivool on I_Se^V_BE/V_T, kus V_T = 25,85 mV. Pinge tõus 10 mV võrra korrutab voolu teguriga e^10/25,85 = 1,47; langus 10 mV võrra jagab selle sama teguriga 1,47. Eksponentsiaalse sõltuvuse korral on kasv suurem kui kahanemine. Väikese signaali võimendustegur lähendab kõverat tööpunkti puutujaga, mistõttu katkendjoonega prognoos ühtib väljundiga ainult keskosa lähedal. Kui lisada emitteritakisti tagasi, langeb suurem osa sisendpingest lineaarsele takistile ja emitterisiirdele jääb väiksem osa. Pingejagajaga astme puhul langeb väljundpinge 0,2 V sisendsignaali korral 0,911 V ja tõuseb 0,907 V.

Ülesanne täielikult lahendatud

Kahekordne võimendus sama stabiilsusega 6 sammu
Toitepinge on endiselt 12 V ja kollektoritakistus 4,7 kΩ, kuid vaja on võimendustegurit ligikaudu −10. Jõudevool peab jääma 1 mA lähedale iga transistoriga, mille β on vahemikus 100 kuni 300. Vali R_E ja uus pingejagaja.

Ava see ülesanne tööriistas
1. Võimendustegur on ligikaudu −R_C/R_E, seega R_E = 4,7 kΩ / 10 = 470 Ω.
  
  $A \approx - \frac{R _{C}}{R _{E}} \Rightarrow R_{E} = \frac{4 . 7 kΩ}{10} = 470 Ω$
2. Proovi seda esmalt siin lehel. Kui R_E on 470 Ω ja β on 300, läheb aste küllastusse: takistitega arvutades saame vooluks 2,2847 mA ja transistorile jääb 0,184 V. Pingejagaja valiti 1 kΩ emitteritakisti jaoks, nii et seda ei saa muutmata jätta.
  
  $I_{C} = 2.2847 mA, V_{C E} = 0.184 V < 0.2 V$
3. Alusta soovitud voolust 1 mA. Emitterivool on 1,01 mA, seega emitteripinge on 1,01 mA × 470 Ω = 0,475 V. Kollektorivoolule 1 mA vastab V_BE = 25,85 mV × ln(10⁻³/10⁻¹⁴) = 0,655 V. Baasipinge peab olema 1,13 V.
  
  $V_{E} = 1.01 mA \cdot 470 Ω = 0.475 V, V_{B E} = 25.85 mV \cdot ln \frac{1 0 ^{- 3}}{1 0 ^{- 14}} = 0.655 V, V_{B} = 1.13 V$
4. Et β mõju jääks väikeseks, peab pingejagaja asendustakistus olema palju väiksem kui β·R_E. Vahemiku alumisel piiril on see 100 × 470 Ω = 47 kΩ. Vali umbes kümnendik sellest: R_TH ≈ 4,7 kΩ. Kui β = 100, on baasivool 10 µA ja tekitab sellel takistusel pingelangu 0,047 V. Seega peab jagaja tühijooksupinge olema V_TH ≈ 1,18 V.
  
  $R_{T H} \approx \frac{β _{m i n} R _{E}}{10} = \frac{100 \cdot 470}{10} = 4.7 kΩ, V_{T H} = 1.13 + 0.01 mA \cdot 4.7 kΩ \approx 1.18 V$
5. R₁ = R_TH·V_CC/V_TH = 4,7 kΩ × 12 / 1,18 = 47,8 kΩ ja R₂ = R_TH·V_CC/(V_CC − V_TH) = 5,21 kΩ. Lähimad standardväärtused on 47 kΩ ja 5,1 kΩ.
  
  $R_{1} = \frac{R _{T H} V _{C C}}{V _{T H}} = \frac{4 . 7 \cdot 12}{1 . 18} = 47.8 kΩ, R_{2} = \frac{R _{T H} V _{C C}}{V _{C C} - V _{T H}} = 5.21 kΩ$
6. Arvuta nüüd valmis skeemi tööpunkt ja võimendustegur lehe mudeliga. Kui β = 100, on jõudevool 0,9985 mA ja võimendustegur −9,39; kui β = 300, siis vastavalt 1,0644 mA ja −9,48.
  
  $β 100300 I_{C} 0.9985 mA 1.0644 mA A - 9.39 - 9.48$
Vastus

R_E = 470 Ω, R₁ = 47 kΩ, R₂ = 5,1 kΩ. Kui β muutub 100 pealt 300 peale, muutub vool 6,6 % ja võimendustegur 1,0 %. See on lähedane lehe algse astme stabiilsusele, kuigi algse astme võimendus on poole väiksem. Seda skeemi lehel koostada ei saa, sest pingejagaja on fikseeritud. Ülesanne aitab märgata, millal tuleb ka jagaja uuesti valida: lehe algse jagaja ja R_E = 470 Ω korral läheb aste β = 300 juures küllastusse.

$R_{E} = 470 Ω, R_{1} = 47 kΩ, R_{2} = 5.1 kΩ$

Õpitee

Mis ei ole takisti

Allikad (1)

The β spread insight 1 rests on (DC current gain 100 minimum, 300 maximum at 10 mA for one part number), and the 0.2 V saturation floor the page uses: Diodes Incorporated, "MMBT3904: 40V NPN Small-Signal Transistor in SOT23," datasheet DS30036 Rev. 27-2, March 2025. Electrical Characteristics, p. 4.

42Mathi meeskond · Kontrollitud avaldatud allikate põhjal. Parandused on teretulnud.