AMPLIFICATOARE DE SEMNAL MIC

4.1. Parametrii amplificatoarelor de semnal mic

Amplificatorul este un circuit electronic care primeste la intrare un semnal de putere mica si determina la iesire un semnal de aceeasi forma cu semnalul aplicat, dar de putere mai mare.

 

Conditia pentru ca semnalul de la iesire (vezi figura 4.1) sa aiba aceeasi forma este x₀(t)=A x_i(t θ). Observam ca nu este obligatoriu ca timpul sa coincida, in sensul ca amplificatorul poate introduce o întârziere la iesire; ceea ce se traduce în domeniul frecventa printr-un defazaj între semnalul de intrare si semnalul iesire.

Coeficientul "A" se numeste factor de amplificare fiind definit ca raport între marimea de iesire si marimea de intrare [8].

Datorita faptului ca orice semnal periodic poate fi descompus într-o suma de semnale sinusoidale de frecvente diferite si cum în cazul semnalelor sinusoidale cea mai comoda cale de rezolvare a circuitului este 19119u2014t transformarea acestuia în complex rezulta ca factorul de amplificare se exprima în majoritatea situatiilor ca vector complex raport între transformata în complex a semnalului de iesire si transformata în complex a semnalului de intrare

unde este modulul factorului de amplificare iar este faza factorului de amplificare.

Deoarece semnalul de iesire se obtine prin înmultirea semnalului de intrare cu factorul de amplificare, pentru ca toate sinusoidele de iesire sa fie la fel cu cele de la intrare se impune ca A sa fie constant, ceea ce înseamna ca atât modulul lui A=A₀ trebuie sa aiba acelasi valoare pentru orice frecventa, cît si trebuie sa aiba acelasi valoare pentru orice frecventa, ca în figura 4.2.

Spunem ca A este constant între frecventele f _J -numita frecventa limita inferioara (joasa) si f_S - numita frecventa limita superioara, daca modulul factorului de amplificare nu scade sub valoarea de la frecvente medii sub valoarea .

Diferenta celor doua frecvente defineste banda de frecventa amplificatorului

B= f_s - f_j (în care A = A₀).

Amplificatoarele pot fi clasificate în functie de banda de frecvente astfel:

- Audio frecventa f_J = 20 Hz f _S = 20 kHz;

- Medie frecventa f _S = 100 kHz;

- Video frecventa f _S = 700 MHz;

- Microunde f _S = 70 GHz.

- Selective amplifica semnalele dintr-o banda îngusta, în jurul    unei frecvente f₀ centrale cu f_J = f₀ -B/2 si f_S = f₀ +B/2 .

Parametrii amplificatoarelor de semnal mic

Pentru ca un amplificator poate creste amplitudinea tensiunii sau curentului de la iesire fata de intrare se definesc diferiti factori de amplificare, si anume:

factorul de amplificare în tensiune;

factorul de amplificare în curent;

factorul de amplificare în putere;

factorul de transfer, numit transimpedanta, cu

dimensiunea Ω;

factorul de transfer numit transadmitanta , cu

dimensiunea Ω^-1 .

Factorii de amplificare adimensionali se exprima uneori în decibeli (dB)

Spre exemplu o amplificare în tensiune de 80dB înseamna ca tensiunea de iesire este de 10⁴ ori mai mare ca tensiunea de la intrare.

Amplificatoarele mai pot fi clasificate în functie de sarcina astfel:

amplificatoare de tensiune, când sarcina are impedanta mare si

amplificatorul are ;

amplificatoare de curent, când sarcina are impedanta mica si amplificatorul are ;

amplificatoare în putere, când sarcina primeste putere de la amplificator si amplificatorul are .

Pentru un circuit care are drept sarcina amplificatorul dat este important sa cunoasca ce fel de sarcina reprezinta acesta, motiv pentru care s-a introdus notiunea de impedanta de intrare a amplificatorului.

Impedanta de intrare a amplificatorului este un alt parametru al amplificatorului, reprezentând sarcina pe care o vede circuitul din amontele amplificatorului.

Daca circuitul de la intrarea amplificatorului este un generator de tensiune de rezistenta interna R_g, conditia de adaptare a generatorului cu receptorul (amplificatorul) este

Z_i = R_g

pentru ca în aceasta situatie are loc transferul maxim de putere de la generator la receptor (la intrarea amplificatorului).

Se mai defineste un alt parametru al amplificatorului numit impedanta de iesire

,

care caracterizeaza amplificatorul pentru circuitele din avalul acestuia.

Ipoteze simplificatoare

Termenul "de semnal mic" se refera la faptul ca amplitudinea

semnalului aplicat la intrarea amplificatorului este suficient de mic pentru ca punctul de functionare al oricarui element activ de circuit (din componenta schemei) sa nu paraseasca zona liniara a caracteristicilor statice.

Astfel va fi îndeplinita conditia privind liniaritatea relatiei dintre marimea de iesire si marimea de la intrarea amplificatorului.

Banda de frecventa a semnalului de intrare si frecventele

limita nu determina cresterea impedantelor din schema echivalenta a tranzistorului pentru ca sa se impuna a fi luate în consideratie. Aceasta limitare permite utilizarea schemelor cuadripolare ale elementelor active de circuit cu parametrii de cuadripol independenti de frecventa.

De fapt toate aceste limitari sunt impuse pentru ca semnalul de la iesirea schemei sa fie de aceeasi forma cu semnalul de la intrare, adica schema electronica sa îndeplineasca functia de amplificare a semnalului de la intrare.

În realitate nimic nu este perfect, motiv pentru care spunem ca o schema de amplificator este liniara daca distorsiunile semnalului de la iesire sunt acceptabile (se încadreaza într-un domeniu impus de aplicatia data). Spre exemplu un amplificator liniar în domeniul 300,..., 12.000 Hz este sper-performant daca se utilizeaza la realizarea unui megafon si este execrabil daca este utilizat la realizarea unui lant audio "HF".

Luând în consideratie faptul ca reactia (transferul unei parti

din semnalul de la iesire la intrare) se trateaza în cadrul unui capitol separat, în cadrul prezentului capitol vom considera tranzistori unilaterali.

Aceasta limitare simplifica schema echivalenta a elementelor de circuit, în sensul eliminarii tuturor componentelor care transfera semnalul de la iesire la intrare, ceea ce permite tratarea separata a circuitului de la intrare si separat circuitul de la iesirea amplificatorului.

Schema echivalenta a TBP

Tranzistorul bipolar poate fi utilizat în conexiune emitor comun (EC), în conexiune colector comun (CC) sau în conexiune baza comuna (BC) determinând tot atâtea topologii de amplificatoare, denumite dupa modul de conectare a tranzistorului.

În toate calculele se va considera schema echivalenta cuadripolara a tranzistorului bipolar în conexiune emitor comun, prezentata în figura 4.3, indiferent de modul de asezare a tranzistorului (BC, CC, sau EC) în cadrul amplificatorului.

4.2. Amplificatorul cu tranzistor bipolar în conexiune EC

În figura 4.4 este prezentata schema unui amplificator cu TBP în conexiune emitor comun EC.

Polarizarea bazei tranzistorului se face prin intermediul divizorului de tensiune, realizat cu rezistorii R_B1 si R_B2, care stabilesc un potential al bazei

.

Jonctiunea baza - emitor primeste tensiunea

Cunoscuti fiind parametrii de cuadripol ai celor doi tranzistori, în continuare se vor determina parametrii de cuadripol ai tranzistorului echivalent.

Ecuatiile de cuadripol sunt cele corespunzatoare exprimarii cu parametrii "h"

Parametrul h numit admitanta de iesire se constata, comparând cele doua scheme, ca este determinat de tranzistorul T₂

h₀= h₀₂

Impedanta de intrare se defineste prin relatia

,

unde s-au folosit relatiile dintre curenti

, .

Factorul de amplificare în curent este

.

Suma curentilor în nodul de la iesire

Pentru V₀ = 0 avem

Concluzii:

- impedanta de intrare are valori mari ;

- factorul de amplificare este mare, fiind egal cu produsul factorilor de amplificare;

- impedanta de iesire este data de T₂.

Un circuit des utilizat este tranzistorul Darlington, montaj format din doi tranzistori cuplati, ambii, în conexiune colector comun, ca în figura 4.16.

Schema din fig. 4.16b contine un rezistor care sa preia o parte din curentul de emitor al T₁, pentru ca acesta sa poata lucra la curenti de emitor mai mari decât curentul de baza al T₂.

 

În figura 4.18 este prezentata o alta modalitate de polarizare a tranzistorilor din montajul cascod [8, 25]. Sunt utilizate rezistoarele R_B1, R_B2 si R_B3 .

	Fig. 4.18.

Schema echivalenta în regim de curent alternativ valabila pentru ambele montaje cascod este prezentata în figura 4.19.

	Fig. 4.19.

Pentru a efectua calculele necesare stabilirii parametrilor montajului se înlocuiesc tranzistorii cu modelul lor cuadripolar, expresia rezistentei de iesire fiind

.

Se constata ca rezistenta de iesire a montajului a crescut de h_f ori fata de valoarea rezistentei de iesire a tranzistorului.

Etajul cascod cu doi tranzistori cu efect de câmp

În figura 4.20 este prezentata schema de principiu a unui etaj cascod realizat cu doi tranzistori cu efect de câmp (SC+GC), unde TEC₁ constituie etajul de intrare în conexiune sursa comuna, iar TEC₂ realizeaza amplificatorul în conexiune grila comuna.

Condensatorii C_B si C_S sunt condensatori de decuplare a rezistoarelor pe care sunt conectati în paralel, iar C_C sunt condensatori de cuplaj. De fapt C_B decupleaza ambele rezistoare R_B2 paralel cu R_B3.

	Fig. 4.20.

Reluând tensiunea V₀ avem

.

Se constata ca rezistenta de iesire a montajului este foarte mare.

Se mai întâlnesc doua scheme electronice ale montajului cascod, obtinute din schema din figura 4.17 prin înlocuirea unuia din tranzistorii cu efect de câmp cu un tranzistor bipolar.

Spre exemplu în figura 4.21 este prezentata una din schemele montajului cascod cu doi tranzistori diferiti, în care tranzistorul bipolar este în conexiune emitor comun iar tranzistorul cu efect de câmp este în conexiunea sursa comuna.

		Fig. 4.21.

Impedanta de iesire a montajului este

, unde intervine conductanta de iesire h₀ a tranzistorului bipolar.

Etaje cuplate prin emitor

Sunt etaje la care emitorii celor doi tranzistori sunt cuplati printr-o rezistenta unica, ca în figura 4.22.

	Fig. 4.22.

Tranzistorul T₁ este în conexiunea colector comun iar T₂, datorita condensatorului de decuplare C_B () , este în conexiunea baza comuna.

Schema de c.a. a montajului este prezentata în figura 4.23.

Rezistentele de polarizare a bazei T₁, în curent alternativ sunt în paralel, motiv pentru care în schema echivalenta apare o singura rezistenta ( a grupului).

	Fig. 4.23.

Metoda urmaririi de potential consta în modificarea circuitului de polarizare astfel încât potentialul bazei sa urmareasca potentialul emitorului.

Schema de polarizare în zona activa a tranzistorului, corespunzatore metodei urmaririi de potential este prezentata în figura 4.25. , iar în figura 4.26 sunt prezentate schemele echivalente.

Se constata ca prin intermediul condensatorului de cuplaj C_C1 se realizeaza o legatura, în curent alternativ, directa între baza si emitorul tranzistorului. În regim variabil potentialul emitorului va urmari potentialul bazei (si reciproc) .

Constatam ca condensatorul de scurcircuitare C_C conecteaza R_B1 si R_B în || cu R_E, dar R_E<<R_B1, R_B2 astfel încât

R_AM = R_E || R_B || R_B ~ R_E

Impedanta de intrare se calculeaza pe desenul din figura 4.26b, care se redeseneaza, dupa înlocuirea tranzistorului cu schema lui echivalenta, în figura 4.27.

Se aplica teoremele lui Kirchoff pentru schema din figura 4.26b, care determina relatiile între tensiuni si respectiv între curenti

Prin înlocuirea relatiei dintre curenti se obtine expresia tensiunii V_I în functie de curentul de intrare I₁

Pentru schema echivalenta din figura 4.30b se pot scrie relatiile

Expresia de mai sus se poate obtine si pe baza schemei generale a urmaririi de potential (din figura 4.28), calculând factorul de amplificare în tensiune pentru schema din figura 4.30b în conditiile anularii rezistentei R = 0.

Pentru cresterea impedantei de intrare, datorita faptului ca R_S se transfera la intrare înmultita cu factorul de amplificare, se recurge la utilizarea unei rezistente R_S care sa aiba o valoare mare în regim de c.a. si o valoare mai mica în regim de c.c.

Acest lucru se realizeaza prin înlocuirea R_S cu o sursa de curent constant.