Ход работы:

I. Управление током коллектора с помощью тока базы.

Примем напряжение питания равным 15 Вольт: U_п=15 В. Зададим коллекторный ток I_K равным 2 мА (ток покоя). Напряжение на выходе в режиме покоя без входного сигнала (точка Out) должна соствлять половину питания: .

Найдем сопротивление R₁. Так как на выходе необходимо получить 7.5 В, а напряжение питания равно 15 В, то падение напряжения на резисторе R₁ можно получить:

Сопротивление R₁ можно рассчитать по закону Ома:

Далее необходимо рассчитать сопротивление резистора базы. Так как падение напряжения на PN-переходе база-эмиттер равно 0.6 В, то падение напряжения на резисторе R₂ должно составлять:

Ток коллектора связан с током базы через безразмерный коэффициент усиления по току β: .

Для модели транзистора 2N3904 примем коэффициент

Теперь мы можем рассчитать сопротивление резистора R₂:

Перенесём полученные значения в схему (рис. 1.1).

Рис. 1.1 - Результаты анализа по постоянному току.

Как видно из результатов анализа, значение напряжения в точке out на выходе схемы отличается от расчетного значения вследствие нестабильности коэффициента усиления , который мы использовали при расчётах.

С помощью подбора номиналов было получено требуемое значение 7,5 В. Таким образом, R₂=1,32 МОм.

Рис. 1.2 – Результаты моделирований в MicroCap с подбором номиналов резисторов.

На практике при сборке схемы для получения U_вых=7,5 В были взяты резисторы со следующими номиналами: R₂=1,2 МОм, R₁=3.89 кОм

На платформе Ni Elvis были получены следующие показания:

Рис. 1.3 – Показания выходного напряжения (6,5 В).

II. Управление током коллектора с помощью напряжения на базе.

1). Напряжение источника питания U₁=15 В, ток коллектора =2 мА, напряжение на выходе в режиме покоя R₃=3750 Ом, R₂ для удобства расчёта делителя напряжения зададим равным 10кОм, R₄ возьмём равным 500 Ом. Делая допущение о равенстве тока эмиттера и коллектора, I_К≈I_Э, можем найти падение напряжение на резисторе R₄:

Далее рассчитаем сопротивление R₁. Для этого нам необходимо задать сопротивление R₂, которое для удобства можно принять равным 10 кОм, и вычислить напряжение на базе транзистора. Падение напряжения на PN-переходе база-эмиттер В. Следовательно, падение напряжения на резисторе R₂ (другими словами, на базе транзистора) можно найти следующим образом: . Дальнейший расчет можно проводить, используя формулу расчёта делителя напряжения, учитывая, что входное напряжение – это питание с батарейки, а выходное – напряжение на базе (рис. 2.6).

отсюда

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению:

Подставим полученные значения в схему (рис. 1.4).

Рис. 1.4 - Схема с рассчитанными значениями.

Все напряжения примерно соответствуют расчетным данным.

При этом на практике были использованы следующие номиналы резисторов: R₁=44,3 кОм, R₂=9,9 кОм, R₃=3,8 кОм, R₄=1,1 кОм.

Выполнив аналогичные расчеты, получаем коэффициент усиления k=3,45.

Рис. 1.5 – Схема с практическими значениями.

2). Далее необходимо проверить работу собранного усилителя в режиме усиления малых входных сигналов. Для этого добавляем в цепь базы развязывающий конденсатор C₁ емкостью в 1 мкФ (который служит в качестве фильтра верхних частот, пропуская только переменную составляющую сигнала и отсекая постоянную составляющую, которую мы не хотим усиливать) и источник синусоидального сигнала Sine Source (для источника задаём следующие параметры: частота 1кГц и амплитуда 500 мВ). Собираем схему с учетом новых компонентов.

Проведем анализ с компонентами, использованными на практике.

Рис. 1.6 - Схема с подключенным источником сигнала.

Далее запустим анализ переходных процессов.

Рис.1.7 - Результаты анализа переходных процессов.

Как видно по графику, происходит инвертирование сигнала, а также усиление амплитуды входного сигнала с 1 В до примерно 3,6 В, коэффициент усиления по напряжению равен примерно 3,6, что совпадает с расчетными данными.

При анализе входного и выходного сигналов коэффициент усиления оказался равным примерно 3,6, что так же соответствует рассчетным данным.

Рис.1.8 - Осциллограмма входного и выходного сигнала.

Показания выходного напряжения при этом:

Рис.1.9 – Показания выходного напряжения.