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 īntārziere la iesire; ceea ce se traduce īn domeniul frecventa printr-un defazaj īntre semnalul de intrare si semnalul iesire.

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

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

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

Deoarece semnalul de iesire se obtine prin īnmultirea 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 īnseamna ca atāt modulul lui A=A₀ trebuie sa aiba acelasi valoare pentru orice frecventa, cīt si trebuie sa aiba acelasi valoare pentru orice frecventa, ca īn figura 4.2.

Spunem ca A este constant īntre 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 (īn care A = A₀).

Amplificatoarele pot fi clasificate īn 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 īngusta, īn 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 īn tensiune;

factorul de amplificare īn curent;

factorul de amplificare īn 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 īn decibeli (dB)

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

Amplificatoarele mai pot fi clasificate īn functie de sarcina astfel:

amplificatoare de tensiune, cānd sarcina are impedanta mare si

amplificatorul are ;

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

amplificatoare īn putere, cānd 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, reprezentānd 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 īn 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 īndeplinita 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 īn 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 īndeplineasca functia de amplificare a semnalului de la intrare.

Īn 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 īncadreaza īntr-un domeniu impus de aplicatia data). Spre exemplu un amplificator liniar īn 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".

Luānd īn consideratie faptul ca reactia (transferul unei parti

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

Aceasta limitare simplifica schema echivalenta a elementelor de circuit, īn 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 īn conexiune emitor comun (EC), īn conexiune colector comun (CC) sau īn conexiune baza comuna (BC) determinānd tot atātea topologii de amplificatoare, denumite dupa modul de conectare a tranzistorului.

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

4.2. Amplificatorul cu tranzistor bipolar īn conexiune EC

Īn figura 4.4 este prezentata schema unui amplificator cu TBP īn 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, īn 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, comparānd 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 īn curent este

.

Suma curentilor īn 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, īn conexiune colector comun, ca īn 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 decāt curentul de baza al T₂.

 

Īn 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 īn regim de curent alternativ valabila pentru ambele montaje cascod este prezentata īn figura 4.19.

	Fig. 4.19.

Pentru a efectua calculele necesare stabilirii parametrilor montajului se īnlocuiesc 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 cāmp

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

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

	Fig. 4.20.

Reluānd tensiunea V₀ avem

.

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

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

Spre exemplu īn figura 4.21 este prezentata una din schemele montajului cascod cu doi tranzistori diferiti, īn care tranzistorul bipolar este īn conexiune emitor comun iar tranzistorul cu efect de cāmp este īn 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 īn figura 4.22.

	Fig. 4.22.

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

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

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

	Fig. 4.23.

Metoda urmaririi de potential consta īn modificarea circuitului de polarizare astfel īncāt potentialul bazei sa urmareasca potentialul emitorului.

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

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

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

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 īnlocuirea tranzistorului cu schema lui echivalenta, īn figura 4.27.

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

Prin īnlocuirea relatiei dintre curenti se obtine expresia tensiunii V_I īn 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), calculānd factorul de amplificare īn tensiune pentru schema din figura 4.30b īn conditiile anularii rezistentei R = 0.

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

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