Amplificator Cu Doua Etaje

Bacila Sergiu Dorin XII electro.

2oo8

Amplificator cu 2 etaje

Cap. I - Amplificatoare electronice 1.1GeneralitatiCircuitele electronice sunt acele circuite care contin componente electronice,tuburi electronice sau dispozitive semiconductoare, avand caracteristici current-tensiune neliniare si posibilitatea de a comanda prin semnale electrice parametrii lor. Una din aplicatiile cele mai raspandite ale acestor circuite este amplificarea semnalelor, adica obtinerea la bornele de iesire ale unui montaj , numit amplificator, a unui semnal, de obicei de aceiasi forma si frecventa ca cel aplicat la intrarea lui, dar de amplitudine marita. In cazul general , un amplificator reprezinta un cuadripol activ, prevazut cu doua borne de intrare si doua borne de iesire , capabil sa redea la iesire semnale electrice de putere mult mai mare decat cele de la intrare. [termenul de cuadripol(4 poli) se refera la faptul ca circuitul respective poseda patru borne(doua de intrare si doua de iesire), iar termenul de ACTIV implica faptul ca intre intrare si iesire este intercalata o sursa de energie.] Pentru a indeplini aaceasta functie , un amplificatory trebuie prevazut cu o sursa de energie electrica, pe seama careia se obtine sporulde putere de la iesire si cu elemente active care sa transforme o parte din energia absorbita de la sursa de alimentare in energie de current alternative, variabil in ritmul semnalului. In schemele care nu necesita detalii, amplificatoarele se reprezinta symbolic ca in figura 1.1

1


2oo8


Fig .1 Simbolul unui amplificator cu mai multe etaje

1.2 Clasificarea amplificatoarelorUn amplificator consta din unul sau mai multe etaje de amplificare. Ele se pot clasifica dupa urmatoarele criterii:

Dupa natura semnalului ce preponderenta amplificat, se intalnesc:

- amplificatoare de tensiune - amplificatoare de curent - amplificatoare de putere Primele doua categorii au la intrare semnale electrice de amplitudini relativ mici, fiind numite de semnal mic. Cea de-a treia categorie de amplificatoare trebuie sa furnizeze la iesire puteri mari (cel putin de ordinul watilor), cu un randament acceptabil; ele lucreaza aproape de posibilitatile lor maxime in privinta puterii disipate, a curentilor si a tensiunilor de aceea se numesc amplificatoare de semnal mare. Dupa tipul elementelor active folosite se intalnesc: - amplificatoare cu tuburi electronice - amplificatoare cu semiconductoare - amplificatoare cu circuite integrate (operationale) - amplificatoare magnetice

Dupa valoarea benzii de frecventa a semnalelor amplificate, adica dupa

valorile frecventelor semnalului de intrare, amplificatoarele se pot clasifica astfel: - amplificatoare de curent continuu: amplifica frecvente incepand cu j = 0 (curent continuu)2


2oo8


- amplificatoare de audiofrecventa (joasa frecventa): amplifica semnale de banda audibila intre 20 Hz si 20 kHz - amplificatoarele de foarte inalta frecventa: pentru frecvente cuprinse intre 30 si 300MHz. Banda amplificatoarelor este cel putin egala cu cea a semnalelor redate.

Dupa latimea benzii de frecventa amplificata, se intalnesc:

- amplificatoare de banda ingusta (920 kHz) - amplificatoare de banda larga (amplificatoare de videofrecventa), avand o gama de frecvente amplificate cuprinse intre cativa herti (teoretic 0 Hz) si 5 MHz (teoretic 6 MHz).

Dupa tipul cuplajului folosit intre etaje, se pot intalni:

- amplificatoare cu cuplaj RC; - amplificatoare cu circuite acordate - amplificatoare cu cuplaj prin transformator - amplificatoare cu cuplaj rezistiv (numite si amplificatoare cu cuplaj galvanic sau de curent continuu). De obicei un amplificator apartine simultan mai multor categorii de clasificare. De exemplu, un amplificator de tensiune dintr-un receptor de radio poate fi un amplificator ce tranzistoare, de audiofrecventa, de semnal mic, de banda ingusta, cu cuplaj RC.

3


2oo8


1.3 Parametrii amplificatoarelorPerformantele amplificatoarelor se exprima prin anumite caracteristici sau parametrii. Marimile fundamentale caracteristice pentru functionarea unu amplificator sunt: - coeficientul de amplificare (amplificarea, castigul) - distorsiunile - caracteristicile amplitudine-frecventa si faza-frecventa; -raportul semnnal/zgomot - gama dinamica - sensibilitatea

1.3.1 Coeficientul de amplificare (amplificarea)Amplificarea este cea mai importanta marime caracteristica a unui amplificator. Ea reprezinta raportul dintre o marime electrica de la iesirea amplificatorului si marimea corespunzatoare de la intrare. In functie de natura acestei marimi electrice, se pot defini: - amplificarea in tensiune:Au = U ies U int r

(fig.2)

- amplificarea in curent:Ai = I ies I int r

(fig.3)

- amplificarea in putere:

4

Bacila Sergiu Dorin XII electro.Ap = Pies Pint r

2oo8


( fig.4)

Deoarece semnalul de iesire poate fi defazat fata de cel de intrare, inseamna ca amplificarea in tensiune si cea in curent sunt numere complexe, avand un modul |A| si o faza ; amplificarea in putere este un numar real, deoarece puterea este o marime scalara. La un amplificator cu mai multe etaje (fig.2), amplificarea totala este egala cu produsul amplificarilor fiecarui etaj. In adevar, se observa usor ca (de exemplu, amplificator cu trei etaje):Au = U ies U U U = 2 3 ies = Au1 Au 2 Au 3 U int r U int r U 2 U 3

(fig.5)

In electronica si telecomunicatii, pentru exprimarea valorii amplificarii se folosesc unitatile logaritmice. Unitatea bazata pe logaritmii zecimali se numeste decibel (dB), iar cea bazata pe logaritmii naturali se numeste neper (Np). Introducerea lor se bazeaza pe necesitatea de a trasa grafice intr-un domeniu mare de variatie a amplitudinilor semnalelor precum si intr-un domeniu mare de frecventa. Exprimarile amplificarilor, in aceste conditii, sunt:U ies U ; Au [ Np ] = ln ies U int r U int r I ies I ; Ai [ Np ] = ln ies I int r I int r Pies P 1 ; A p [ Np ] = ln ies Pint r 2 Pint r

Au [dB ] = 20 log Ai [dB ] = 20 log A p [dB ] = 20 log

(fig.6) (fig.7) (fig.8)

in care: 1Np = 8.686 dB (fig.9)

5


2oo8


1.3.2 DistorsiunileReproducerea inexacta a semnalului de iesire data de cel de intrare, datorita fie variatiei amplitudinii cu frecventa, fie a unor frecvente noi introduse, poarta numele de distorsiuni. Dupa tipul lor, ele pot fi: - distorsiuni ale amplitudinii in functie de frecventa; - distorsiuni ale fazei in finctie de frecventa - distorsiuni armonice - distorsiuni de intermodulatie

Fig.10 dependenta de frecventa a aplificarii: a.caracteristica amplitudine-frecventa b.caracteristica faza-frecventa

Primele doua categorii se numesc distorsiuni de frecventa sau liniare, iar ultimele doua categorii se numesc distorsiuni neliniare. Distorsiunile de frecventa sunt foarte importante in etajele de semnal mic. Distorsiunile amplitudinii in functie de frecventa redau abaterile caracteristicii reale de la caracteristica ideala; se evalueaza cantitativ prin relatia:M = | A( f ) | (fig.11) | A0 |

in care: M este factorul de distorsiuni de amplitudine

6


2oo8


|A0| - amplificarea la frecvente medii |A(f)| - amplificarea la anumita frecventa f Banda de frecventa a unui amplificator este domeniul de frecvente cuprinse intre o frecventa limita superioara fs si o frecventa limita inferioara fi, a caror amplitudine reprezinta1 2

= 0.707 din amplitudinea frecventelor medii. La aceste

frecvente amplificarea scade cu 3 dB fata de A0 (amplitudinea frecventelor medii). Distorsiunile de baza. Abaterile caracteristice faza-frecventa (fig.10 b) fata de caracteristica unui amplificator ideal (o dreapta de ecuatie =-kf) reprezinta distorsiunile de faza. Datorita neliniaritatii caracteristicii de perceptie auditiva umana, ele sunt mai putin importante in audiofrecventa, dar sunt foarte importante in amplificatoarele de videofrecventa. Distorsiunile neliniare armonice. Prin distorsiuni neliniare armonice se inteleg acele deformari ale semnalului de la iesirea unui amplificator care sunt produse de caracteristicile elementelor neliniare: tuburi electronice, tranzistoare, miezuri magnetice (fig. 12)

Fig.12 aparitia distorsiunilor neliniare intr-un etaj amplificator cu tranzistor

7


2oo8


1.3.3 Caracteristica amplitudine frecventaIn cazul unui amplificator ideal, un semnal de amplitudine consta si de diferite frecvente, aplicat la intrare, este redat la iesire tot cu amplitudine constanta (marita ca valore), aceeasi pentru toate frecventele. In cazul amplificatoarelor reale, amplitudinea semnalelor de diferite frecvente de la iesire nu mai este constanta, fiind mai mica spre capetele benzii (la frecvente inferioare si la cele superioare), datorita urmatoarelor cauze: - elementele reactive din circuit (condensatoare, bobine) prezinta reactante ce variaza cu frecventa; - factorii de amplificare (, ), ai tranzistoarelor depind de frecventa (peste o anumita valoare a frecventei); - dependenta amplificarii de frecventa este caracterizata prin curbele de variatie cu frecventa modulului si , respectiv a fazei amplificarii, deoarece amplificarea este un numar complex. Curba |A| = A(f)| se numeste caracteristica amplitudine frecventa (fig.10). Se observa ca atat la frecvente inalte, cat si la frecvente joase. amplificarea este independenta de frecventa (cu valori constante) intr-o regiune numita a frecventelor medii si scade

1.3.4 Raportul semnal/zgomotReprezinta raportul intre tensiunea de iesire produsa de semnalul amplificat si tensiunea de zgomot propriu. Tensiunea de zgomot a unui amplificator este semnalul aleator (cu variatia haotica in timp) produs de elementele componente ale amplificatorului: rezistoare, tranzistoare, datorita structurii discontinue a curentului electric. Ea se masoara la iesirea amplificatorului, scurcircuitand bornele sale de la intrarea amplificatorului. Acesta reprezinta valoarea tensiunii de intrare care ar crea la iesire tensiunea propie de zgomot.

8


2oo8


Pentru ca semnalul de intrare sa nu fie perturbat in mod suparator este necesar ca ele sa depaseasca de un numar de ori nivelul zgomotului, deci sa se realizeze un anumit raport semnal/zgomot. La un amplificator cu mai multe etaje zgomotul provine mai ales, din circuitul de intrare si din primul etaj. Zgomotele provin din rezistoare, din elemente active si se pot datora si unor cauze constructive: filtrarea insuficienta a tensiunii de alimentare, ecranare necorespunzatoare a circuitelor etc. Valoarea raportului semnal/zgomot se reda sub forma: raport semnal/zgomot = 20 logU sies (fig.13) U zies

1.3.5 Gama dinamicaReprezinta raportul intre semnalul de putere maxima si cel de putere minima pe care le poate reda amplificatorul. Nivelul semnalului amplificat este limitat superior de catre puterea etajului final si inferior de raportul semnal/zgomot al amplificatorului. De retinut ca amplificatoarele la care nu se iau precautii speciale pt reduce gama dinamica a unui program.

1.3.6 SensibilitateaSensibilitatea unui amplificator reprezinta tensiunea necesara la intrarea acestuia pentru a obtine la iesire tensiune sau putere nominala. Cunoscand amplificarea si puterea nominala se poate calcula sensibilitatea. Ea caracterizeaza mai ales etajele amplificatoare de putere si se exprima in unitati de tensiune (V, mV, V).

1.4 Etaje de amplificareAmplificatoarele de audiofrecventa (de joasa frecventa) sunt destinate amplificarii semnalelor cu frecvente cuprinse intre zeci de herti si zeci de kiloherti. Excitate cu semnale mici, ele trebuie de obicei sa furnizeze puteri relativ mari pe impedante de sarcina, de obicei pur rezistive.

9


2oo8


Amplificatoarele de audiofrecventa sunt constituite intr-un numar de amplificatoare in tensiune si dintr-un etaj final care amplifica in putere. Pentru puteri mari, chiar etajul care precede etajul final amplifica in putere.

1.5. Amplificatoare de putereIn cazul amplificatoarelor de putere prezinta interes nu numai amplitudinea semnalului de la bornele de iesire ale amplificatorului, ci si puterea debitata de acest semnal in sarcina. In mod obisnui, pentru a obtine o anumita putere la iesirea etajului final al amplificatorului, trebuie aplicata o anumita putere la intrarea lui, deci acest tip de amplificatoare se caracterizeaza printr-o anumita amplifcare de putere. In principiu exista, doua deosebiri principale intre amplificatoarele de tensiune si cele de putere, in privinta conditiilor specifice de functionare: - nivelul semnalului necesar la intrare: semnal mic la amplificatoarele de tensiune (AU) si semnal mare la cele de putere (AP) - valorea impedantei de sarcina; relativ mare (Zint ~ h11 = sute de ohmi pana lakiloohmi) pentru AU, mica (Rdifuzor = cativa ) pentru AP.

Un alt aspect important in cadrul acestor etaje este acela al randamentului, care trebuie sa fie cat mai ridicat.Etajul absoarbe de la sursa de alimentare o anumita putere Pa , din care o parte foloseste ca putere utila P , dezvoltata pe rezistenta de u sarcina si o parte se pierde pe tranzistor si elementele rezistive ale schemei prin care circula componente continue (putere disipata, Pd ); puterea disipata pe tranzistor trebuie sa nu depaseasca Pd max admisibila a acestuia.

10


2oo8


1.5.1 Clase de functionare pentru amplificatoare de putereIn functie de tensiunea continua de polarizare baza emitor si de amplitudinea semnalului de excitatie, un tranzitor poate fi utilizat in mai multe regimuri de lucru, numite clase de functionare. (fig.16)

Fig.16 definirea claselor de functionare ale unui amplificator de putere cu un tranzistor

Amplificator de putere in clasa A Schema celui mai simplu amplificator de putere cu tranzistor in conexiune EC, clasa A, si caracteristica dinamica a acestuia, sunt prezentate in (fig.17). Punctul static11


2oo8


de functionare poate fi ales in domeniul limitat de curentul de colector maxim admisibil Pc max , tensiunea colector emitor maxim admisibila U CE max si hiperbola de disipatie corespunzatoare puterii care poate fi disipata de tranzistor , fara a depasiP mx d a

. Pentru obtinerea unei puteri cat mai mari , se recomanda ca acest punct sa se la intrare , punctul de functionare se

aleaga cat mai aproape de hiperbola de disipatie, printr-o polarizare adecvata a bazei . La aplicarea unui semnal sinusoidal deplaseaza pe caracteristica dinamica descriind doua segmente respectiv egale MN si MP , la care corespund amplitudinile curentului de colector I CM , respectiv a tensiunii de colector U CM . Avantajul acestui tip de etaj este ca reda la iesire un semnal de aceeasi forma cu a celui de intrare, deci ca nu introduce distorsiuni neliniare. Dezavantajul lui este ca in absenta semnalului se consuma putere in circuitul tranzistorului (Ico 0), ceea ce duce la un consum ridicat al sursei de alimentare.

Fig.17 Amplificator de putere clasa A: a.schema etajului b.caracteristica dinamica

12


2oo8


Amplificator de putere in clasa B Dezavantajul etajelor clasa A poate fi evitat folosint la amplificatoarele de putere clasa B de functionare. In acest caz, insa, datorita reproducerii la iesire a unei singure alternante din semnalul sinusoidal aplicat la intrare, este necesara folosirea a doua tranzistoare care sa reproduca pe rand cate una din alternante. Acest sistem se numeste in contratimp. Schemele de amplificare de putere in contratimp (clasa B) cu tranzistoare se pot clasifica dupa urmatoarele criterii: -dupa tranzistorele folosite: >de acelasi tip (ambele pnp sau npn ) >complementare(unul pnp si celalalt npn) -dupa modul de cuplaj cu etajul precedent : >prin transformator >prin condensator -dupa modelul de cuplaj cu sarcina (de obicei difuzorul): >prin transformator >prin condensator Cele mai reprezentative scheme de amplificare de putere functionand in clasa B sunt: -cu tranzistoare de acelasi tip, in montaj simetric -cu tranzitor de tip opus, in montaj complementar -cu tranzistoare identice, in montajul cvasicomplementar

13


2oo8


Fig.18 caracteristica dinamica a etajului

1.5.2. Reactia in amplificatoarePrin reactie in amplificare se intelege aplicarea unei tensiuni proportionala cu unul din parametrii de iesire ai amplificatorului, inapoi la intrarea lui, impreuna cu semnalul de intrare.Dupa natura parametrului de iesire se disting reactia de tensiune si reactia de curent. Tensiunea de reactie se reaplica la intrare prin intermediul unui circuit de reactie, in cazul general de tip cuadripol. Amplificatorul, la randul sau, poate fi si el privit ca un cuadripol. In aceste conditii, se pot distinge urmatoarele tipuri generale de ractie: de tip serie si de tip paralel. In acest fel se pot distinge patru categorii de scheme de reactie: serie-serie, serieparalel, paralel-serie, paralel-paralel.(fig.21). Cele mai frecvente tipuri sunt cele cu reactie de tip serie paralel si paralel-serie, denumite pe scurt amplificatoare cu reactie serie, respectiv amplificatoare cu reactie paralel.

14


2oo8


Fig.19 tipuri de reactie

1.5.3 Influienta reactiei negative asupra parametrilor amplificatoruluia.Influena reaciei negative asupra amplificatorului Reacia negativ micoreaz amplificare dar mrete stabilitatea ei. n adevr s considerm c dintr-o cauz oarecare (de exemplu variaia temperaturii) s-a produs o variaie A

Documents

Amplificator Cu Doua Etaje