Figura 1.35. Definirea claselor de functionare A, AB, B si C pentru TB comandat: (a) in tensiune si (b) in curent.

Semnalul v_be, suprapus tensiunii de polarizare V_BE din punctul static de functionare M_O, este redat pe durata unei perioade,  . Raspunsul tranzistorului la semnalul aplicat, curentul i_C, are o forma specifica pentru fiecare clasa de functionare, forma caracterizata de parametrul numit unghi de deschidere (sau de conductie), notat cu q si definit ca jumatatea intervalului unghiular de conductie, , pe care raspunsul este nenul.

Tranzistorul bipolar poate fi comandat si in curent, ceea ce este avantajos pentru tranzistorul bipolar deoarece dispunem de o caracteristica aproximativ liniara, care are, cu aproximatie, ca punct de plecare originea si este limitata de curentul de saturatie (dat de circuitul in care acesta functioneaza). In figura 1.35.b este reprezentata functionarea tranzistorului in cazul atacului in curent pentru cele patru clase de functionare.

Functionarea in clasa A se caracterizeaza printr-un unghi de conductie q de 180^o. Punctul static de functionare al tranzistorului, M_O, se gaseste, de regula, in portiunea centrala a caracteristicii de transfer. Amplitudinea semnalului de iesire nu trebuie sa depaseasca ordonata punctului M_O, adica valoarea de c.c a curentului de colector. Clasa A se caracterizeaza printr-un coeficient de distorsiuni neliniare d mic, dar si printr-un randament h redus. Este specifica functionarii tranzistorului bipolar in etaje de AF si RF de semnal mic.

Functionarea in clasa AB se caracterizeaza printr-un unghi de conductie q cuprins intre 90^o si 180^o. Se trece din clasa A in clasa AB daca se mareste semnalul sau/si se deplaseaza punctul static de functionare al tranzistorului, M_O, catre cotul caracteristicii. Ca urmare, se mareste substantial randamentul h, dar creste moderat si coeficientul de distorsiuni neliniare d. Tranzistoarele din etajele simetrice de AF de semnal mare (la care raspunsul nu contine practic armonici pare) functioneaza de regula in aceasta clasa.

Functionarea in clasa B se obtine atunci cand punctul static M_O se gaseste chiar in cotul caracteristicii de transfer. Se obtine astfel un unghi de conductie q de 90^o.

Functionarea in clasa C se caracterizeaza prin-un unghi de conductie mai mic de 90^o si implica plasarea punctului static al tranzistorului in regiunea caracteristicii de transfer ce corespunde unei abscise V_BE mai mica decat tensiunea de deschidere a jonctiunii baza-emitor a tranzistorului V_BE(on).

Clasele B si C, datorita faptului ca furnizeaza un raspuns caracterizat de un spectru ce contine armonici, nu sunt proprii functionarii tranzistoarelor din amplificatoarele de AF. Datorita randamentului ridicat (de pana la 80%) si posibilitatii de filtrare a armonicilor nedorite, in clasele B si C lucreaza tranzistoarele din circuitele de radiofrecventa, cum sunt amplificatoarele de putere si multiplicatoarele de frecventa.

Observatie

Functionarea in clasele AB, B sau C necesita refacerea formei de unda a semnalului de iesire. Pentru aceasta se folosesc de regula etajele amplificatoare in contratimp ce sunt formate din doua tranzistoare ce conduc alternativ.

2. Etaj cu TB in conexiune EC si cuplaj al sarcinii prin transformator

In radioreceptoare etajul final solicita intotdeauna la intrarea sa o putere de AF de cel putin cativa miliwati, pentru o putere de iesire de sute de miliwati. Aceasta putere de intrare este furnizata etajului final de catre ultimul etaj preamplificator. Cea mai convenabila alegere practica pentru etajul prefinal este etajul cu TB in conexiune EC cu cuplaj prin transformator (vezi figura 1.36.), etaj ce prezinta o serie de avantaje esentiale fata de etajele studiate anterior:

- permite realizarea unei bune adaptari cu etajul final;

- are cea mai mare amplificare in putere;

- datorita transformatorului de cuplaj, cu raport de transformare subunitar, se poate alimenta intrarea etajului final cu un curent de AF relativ mare, fara ca totusi curentul corespunzator de colector al tranzistorului prefinal sa fie prea mare; ca atare, se poate folosi drept amplificator prefinal un tranzistor de putere mica;

- tensiunea continua de colector este aproape egala cu tensiunea sursei de alimentare V_CC si, de aceea, se pot admite amplitudini foarte mari pentru tensiunea de colector de c.a., deci se pot obtine puteri relativ mari la iesire.

In figura 1.36. se prezinta schema unui astfel de etaj. Practic, daca etajul este utilizat ca prefinal, deci ca etaj de semnal mic, tranzistorul T va functiona in clasa A.    In acest caz, analiza functionarii acestuia si determinarea performantelor oferite se poate face utilizand parametrii de semnal mic ai tranzistorului.

Trebuie subliniat faptul ca acest etaj poate fi utilizat si ca etaj final clasa A si, in ciuda faptului ca tranzistorul T lucreaza la semnal mare, analiza functionarii etajului se accepta a se face tot cu parametrii de semnal mic.

Transformatorul Tr impreuna cu rezistenta de intrare a etajului final reprezinta sarcina utila din circuitul de colector. Raportul de transformare al transformatorului, definit ca raportul intre numarul de spire din secundar si numarul de spire din primar ( ), se deduce din conditia de adaptare a rezistentei de intrare a etajului final R_in, respectiv a rezistentei de sarcina R_L in cazul in care este utilizat ca etaj final, cu rezistenta pe care tranzistorul trebuie sa o „simta' in colector:

(1.146)

in care este randamentul transformatorului cu o valoare cuprinsa intre 0,7 si 0,9.

Figura 1.36. Etaj cu TB in conexiune TC si cuplaj al sarcinii prin transformator

In prezenta semnalului de intrare, adica in regim dinamic, punctul de functionare al tranzistorului se deplaseaza pe caracteristica dinamica a carei ecuatie este:

(1.147)

Semnul minus din relatia (1.147) reflecta antifaza intre variatiile tensiunii v_CE si cele ale curentului de colector i_C.

De regula, punctul static de functionare si panta caracteristicii statice se aleg astfel incat sa se obtina semnal de iesire maxim nedistorsionat. Aceasta implica

, (1.148)

in care I_C reprezinta valoarea curentul de colector de c.c. (corespunzator punctului static de functionare), iar I_c,max si V_ce,max amplitudinile maxime ale componentelor de c.a. ale curentului de colector si tensiunii v_CE.

Din relatia (1.148) deducem valoarea optima a , :

(1.149)

Puterea utila maxima va fi in acest caz:

(1.150)

Daca se renunta la rezistenta de emitor atunci obtinem:

’ (1.151)

iar randamentul maxim corespunzator este:

(1.152)

Performantele dinamice ale acestui etaj in banda de frecvente sunt similare cu cele ale unui etaj cu TB in conexiunea EC ce are ca rezistenta in colector .

Limita de jos a benzii de frecvente se deduce din relatia:

(1.153)

in care este amplificarea in tensiune in banda si este amplificarea la frecvente joase.

Frecventa limita inferioara este:

(1.154)

Amplificatoare selective

Amplificatoarele care amplifica semnale ce au frecvente cuprinse intr-o gama ingusta de frecvente se numesc amplificatoare selective [ABR99]. Ele se caracterizeaza prin sarcini sau circuite de cuplaj selective si de intalnesc in variantele cu circuite rezonante LC si cu punte dublu T. Dintre aceste se va prezenta in continuare numai prima varianta.

3.1. Etaj cu TB in conexiune EC si circuit rezonant derivatie in colector

In figura 1.37.a este prezentata schema unui etaj selectiv cu TB in conexiune EC si circuit rezonant derivatie in colector. Pierderile circuitului sunt reprezentate printr-o rezistenta in paralel, presupusa independenta de frecventa. Pentru protectia la strapungere a jonctiunii colector-baza a tranzistorului se poate introduce o dioda in serie cu circuitul rezonant.

Schema echivalenta in curent alternativ este prezentata in figura 1.37.b. Aceasta releva faptul ca tranzistorul T se comporta ca un generator de curent ce ataca circuitul rezonant. Tensiunea de iesire este:

(1.155)

in care este impedanta circuitului rezonant:

(1.156)

La rezonanta, partea imaginara a impedantei se anuleaza, obtinandu-se:

(1.157)

R

R

D

Rg

Vg

+VCC

T

RE

CE

CB

R

L

C

V

CC

T

Rg

Vg

R

L

C

(a)

(b)

I

Figura 1.37. Etaj cu TB in conexiune EC si circuit rezonant derivatie: (a) schema de polarizare, (b) schema de semnal mic.

Pentru determinarea curbei de rezonanta a sarcinii acordate notam cu:

(1.158)

diferenta fata de pulsatia de rezonanta si presupunand relatia (1.156) devine:

(1.159)

Tensiunea de iesire a etajului devine:

(1.160)

● Daca pulsatia de rezonanta ω₀ este suficient de joasa pentru a se putea neglija capacitatile interne ale tranzistorului bipolar, atunci

(1.161)

si variatia amplificarii in tensiune in jurul frecventei de rezonanta o va reproduce pe cea a impedantei .

Caracteristica modul-frecventa a amplificarii este prezentata in figura 1.38. Modulul amplificarii scade la din valoarea sa maxima, corespunzatoare rezonantei, la pulsatia:

. (1.162)

│AV│

f

f

AVmax

0,707AVmax

fs

fj

B=fs-fj

Figura 1.38. Caracteristica de frecventa a circuitului

Ca atare banda de frecvente a circuitului este:

(1.163)

Factorul de calitate Q al circuitului se defineste ca raportul dintre frecventa de rezonanta (frecventa centrala) f₀ si largimea benzii de frecvente a circuitului B:

(1.164)

Deoarece, de regula, raportul este mai mic decat 1,5, amplificatorul este de banda ingusta (selectiv).

● Daca pulsatia de rezonanta ω₀ este la frecvente mai inalte, capacitatile interne ale tranzistorului nu mai pot fi neglijate. Practic, frecventa de rezonanta a circuitului este afectata si in plus efectul reactiei interne Z_μ, ce nu mai poate fi neglijat, poate conduce la instabilitate. Aceste probleme sunt cunoscute sub denumirea de [ABR99]:

- aliniere – acordul pe aceeasi frecventa a mai multor circuite rezonante in cadrul aceluiasi amplificator;

- instabilitate – aparitia oscilatiilor in amplificator.

3.2. Alinierea si instabilitatea

Intr-un amplificator de RF exista mai multe etaje cu circuite rezonante. Pentru a avea o buna selectivitate (proprietatea de a amplifica semnale sinusoidale ce au o frecventa cuprinsa numai intr-o banda ingusta) a amplificatorului de RF, trebuie ca toate aceste circuite sa fie aliniate, adica sa fie acordate pe aceeasi frecventa. Daca circuitele rezonante nu vor fi acordate, amplificarea pe frecventa dorita va fi mai mica, iar caracteristica modul frecventa nu va mai fi simetrica, fapt ce va determina distorsionarea semnalelor modulate ce trec prin amplificator.

Pentru a analiza modul in care poate fi realizata alinierea in cadrul unui amplificator RF, sa consideram doua etaje selective conectate in cascada. Schema echivalenta de semnal mic a acestei cascade este prezentata in figura 1.39.

R

V

Ic

yi,T2

y0,T2

V

yie2

Y

L

C

I

yoe2

R

L

C

Y

Etaj I

Etaj II

Figura 1.39. Schema echivalenta de semnal mic a unui amplificator format din doua etaje selective cascadate

Primul etaj a fost reprezentat sub forma unui circuit rezonant RLC atacat de un generator de curent . Elementele circuitului rezonant incorporeaza admitanta de iesire a tranzistorului primului etaj. Tranzistorul celui de-al doilea etaj a fost reprezentat printr-un circuit echivalent cu parametri admitanta.

Admitanta de intrare in cel de-al doilea tranzistor este:

, (1.165)

in care raportul a fost dedus din ecuatia obtinuta prin aplicarea teoremei lui Kirchhoff nodului de iesire:

(1.166)

Relatia (1.165) releva faptul ca daca nu se poate neglija reactia interna in tranzistor, adica , atunci admitanta de intrare in cel de-al doilea tranzistor depinde de admitanta circuitului rezonant de iesire. Practic, acordul circuitului din colector modifica acordul circuitului din baza, deoarece admitanta circuitului rezonant de iesire variaza puternic in jurul frecventei de rezonanta.

Admitanta de la iesirea primului etaj este:

(1.167)

Efectul admitantei asupra acordului circuitului rezonant al primului etaj poate fi redus, chiar neglijat, daca:

(1.168)

In continuare, se analizeaza influenta acordului circuitului rezonant al primului etaj asupra acordului circuitului rezonant al celui de al doilea etaj. Pentru aceasta se determina admitanta de iesire a celui de al doilea tranzistor:

(1.169)

in care raportul a fost dedus din ecuatia obtinuta prin aplicarea teoremei lui Kirchhoff nodului de intrare, in conditiile pasivizarii sursei de semnal:

(1.170)

Se observa ca, si in acest caz, daca nu se poate neglija reactia interna in tranzistor, adica , atunci admitanta de iesire din cel de-al doilea tranzistor depinde de admitanta circuitului rezonant al primului etaj si, practic acordul circuitului primului etaj modifica acordul circuitului celui de-al doilea etaj:

(1.171)

Efectul admitantei asupra acordului circuitului rezonant al celui de-al doilea etaj poate fi redus, chiar neglijat, daca:

(1.172)

Relatiile (1.168) si (1.172) releva conditia de reducere a interactiunii intre cele doua etaje

, (1.173)

care, pentru a putea fi utilizata mai usor in practica ca o conditie de proiectare, poate fi adusa sub forma:

, (1.174)

Pentru a explica modul in care instabilitatea poate sa apara intr-un amplificator de RF, consideram de asemenea cascada formata din doua etaje selective cu TB in conexiune EC, concentrandu-ne asupra partii reale a admitantei vazute in colectorul primului tranzistor, . Daca notam cu partea reala a admitantei de intrare in cel de-al doilea tranzistor, conductanta se poate exprima ca:

(1.175)

Datorita faptului ca nu este o conductanta propriu zisa ci un efect electronic pot sa apara urmatoarele situatii:

- , caz in care circuitul este stabil daca conductanta de intrare in primul etaj este de asemenea pozitiva;

- , caz in care pierderile corespunzatoare circuitului atacat de sunt nule, deci pot persista in amplificator oscilatii neamortizate in absenta generatorului de semnal;

, caz in care se genereaza putere de semnal la intrarea celui de-al doilea etaj, adica etajul autooscileaza determinand instabilitatea amplificatorului.

Legatura intre parametrii naturali ai unui tranzistor si parametrii admitanta se determina din analiza modelului de semnal mic al unui tranzistor bipolar (prezentat in figura 1.40):

(1.176)

Inlocuind (1.175) in (1.165) obtinem

, (1.177)

in care partea reala este

(1.178)

Relatia (1.178) arata posibilitatea obtinerii unei conductante negative si deci posibilitatea ca amplificatorul sa devina instabil.

r

r

Vbe

V

V

i

C

C

I

i

I

Figura 1.40. Modelul natural al TB utilizat pentru determinarea expresiilor parametrilor admitanta

Analiza de mai sus evidentiaza importanta reducerii efectului capacitatii de reactie si deci necesitatea utilizarii etajelor cascod in locul celor cu TB in conexiune EC.

Pentru a putea compara cele doua situatii evaluam utilizand teorema lui Miller:

(1.179)

Se observa cum efectul de conductanta negativa este inlaturat prin utilizarea unui etaj cascod.