Preliminarii

Amplificatoare de semnal mic

Amplificatora de semnal mare

Amplificatoare electronice

In mod uzual, familia amplificatoarelor ocupa un loc central in clasa circuitelor electronice. Exista trei motive care justifica aceasta afirmatie:

Diversitatea topologica a familiei;

Numarul mare al aplicatiilor;

Preluarea unor structuri topologice din familia amplificatoarelor in alte familii constituente ale clasei circuitelor electronice (oscilatoare stabilizatoare etc.).

Prezentul capitol se ocupa numai de comportarea in regim static si cvasistatic al circuitelor analizate. Structura acestui capitol este urmatoarea:

Subcapitolul 1 introduce definitiile, structurile topologice uzuale, precum si clasificarile utilizate in teoria amplificatoarelor.

Subcapitolul 2 este dedicat prezentarii unor etaje complexe utilizate in amplificatoarele de semnal mic.

Subcapitolul 3 analizeaza etajele de putere clasice.

Subcapitolul 4 prezinta defineste conceptul de reactie negativa precum efectele reactiei negative asupra amplificatoarelor.

1 Preliminarii

Dupa cum a fost mentionat acest subcapitol trateaza principalele notiuni legate de :

1. definitii
2. parametri
3. structura; cuplaj
4. clasificari.

1.1 Definitii

In mod uzual amplificatorul electronic este definit cu ajutorul schemei bloc din figura 1

unde:

x_I   - valoarea instantanee a semnalului de intrare sau excitatie,

x₀   - valoarea instantanee a semnalului de iesire sau raspuns,

a - factor de transfer al amplificatorului (ideal o constanta).

In plus semnalul de iesire trebuie sa reproduca semnalul de iesire ca forma de variatie in timp, si puterea semnalului de iesire trebuie sa fie mai mare decat puterea semnalului de intrare. Prima conditie se poate rescrie:

x_o(t)=ax_i(t-t (1)

unde

reprezinta timpul de intarziere (timpul de tranzit al semnalului prin amplificator)

Intrucat nu s-a specificat natura lui x_I sau x₀, acestea pot reprezenta atat semnal de tensiune cat si de curent. Din acest punct de vedere se definesc patru tipuri distincte de amplificatoare de electronice dupa cum urmeaza:

a.) Amplificator de tensiune. Pentru acest tip de amplificator atat semnalul de excitatie cat si semnalului de raspuns reprezinta tensiuni. Adica:

x_i(t)=v_i(t) (2)

x_o(t)=v_o(t) (3)

Relatia (10 1) devine:

v_o(t)=a_vv_i(t-t (4)

In conditii de semnal mic se poate defini amplificarea in tensiune:

(5)

In practica se foloseste o marime o marime derivata si anume castigul in tensiune, notat G_v, marime pentru care se introduce belul ca unitate de masura. Uzual pentru unitatea de masura a lui G_v se utilizeaza un submultiplu al acestuia - decibelul - definit cu ajutorul relatiei (6)

(6)

Acest amplificator se modeleaza foarte comod prin utilizarea conceptului de sursa de tensiune comandata in tensiune (figura 2)

Se poate observa ca :

(7)

(8)

Unde notatiile sunt cele uzuale si anume:

R_in  rezistenta de intrare

R_o  rezistenta de iesire

b.) Amplificatorul de curent. Excitatia acestui amplificator se face in curent iar raspunsul este dat in curent. Deci:

x_i(t)=i_i(t)  (9)

x_o(t)=i_o(t)  (10)

Ca atare (1) devine:

i_o(t)=a_ii_i(t-t (11)

In conditii de semnal mic se poate defini amplificarea in curent:

(12)

Amplificatorul se modeleaza cu ajutorul sursei de curent comandata in curent (figura 3 reprezinta acest model):

Se poate observa ca de aceasta data :

(13)

(14)

c.) Amplificator transrezistenta (transimpedanta) In acest caz excitatia amplificatorului se face in curent, iar raspunsul este dat in tensiune, adica:

x_i(t)=i_i(t)  (15)

x_o(t)=v_o(t) (16)

De aceasta data (1) devine:

v_o(t)=a_zi_i(t-t (17)

In conditii de semnal mic se poate defini amplificarea transrezistenta:

(18)

Din (18) se poate observa ca unitatea de masura a lui A_z este Ω.(ohmi). Amplificatorul se modeleaza cu ajutorul conceptului de sursa de tensiune comandata in curent ca in figura 3.

Se poate observa ca de aceasta data :

(19)

(20)

d.) Amplificator transconductanta (transadmitanta). In acest caz excitatia se face in tensiune dar raspunsul se da in curent. Deci:

x_i(t)=v_i(t) (21)

x_o(t)=i_o(t) (22)

Rezulta:

i_o(t)=a_yv_i(t-t (23)

In conditii de semnal mic se poate defini amplificarea transconductanta (transadmitanta):

(24)

Din (24) se poate observa ca unitatea de masura a lui A_y este S (siemens). Amplificatorul se modeleaza cu ajutorul conceptului de sursa de curent comandata in tensine(fig 5).

De aceasta data

(25)

(26)

1.2. Parametrii amplificatoarelor

Dupa cum s-a putut observa in subcapitolul precedent pentru a modela un amplificator este necesar ca sa se cunoasca:

rezistenta de intrare

rezistenta de iesire

functia de transfer a amplificatorului

cu mentiunea ca in regim dinamic rezistentele devin impedante, iar functiile de transfer devin complexe. Pentru aceasta din urma situatie, intrucat in structura unui amplificator exista in mod necesar elemente reactive (condensatoare sau bobine) parametrii mentionati variaza functie de frecventa. Totusi, in cele mai multe cazuri se pot defini anumite domenii de frecventa, (benzi de lucru) pentru care parametrii respectivi pot fi aproximati cu constante. Legat de acest lucru se definesc asa numitele distorsiuni de liniaritate. In plus, intrucat elementele active din compunerea unui amplificator sunt puternic neliniare, semnalul procesat de ele va fi de asemenea deformat. Acest lucru genereaza distorsiuni neliniare. Aceste observatii completeaza tabloul parametrilor de interes pentru amplificatoare. Rezumand, principalii ai amplificatoarelor sunt:

• rezistenta de intrare;
• rezistenta de iesire;
• factorul de amplificare (imitanta de transfer);
• banda de lucru;
• nivelul de distorsiuni.

Definirea parametrilor. Se vor prezenta definitiile pentru regimul cvasistatic de semnal mic. Rezistenta de intrare, rezistenta de iesire precum si imitanta de transfer au prezentate anterior. In continuare se vor prezenta doar definitiile pentru banda de lucru si nivelul de distorsiuni.

a) Frecventele superioare si inferioare de lucru

Pentru determinarea acestor marimi trebuie sa se tina seama de asa numitele efecte de ordin doi efecte introduse de prezenta capacitatilor in montaje. Astfel spus, de aceasta data trebuie tinut cont de defazajele curent-tensiune din schemele reale. Aceasta impune reprezentarea in complex a curentilor si tensiunilor. Astfel toti factorii de amplificare (functii de transfer) devin la randul lor marimi complexe. Acest tip de analiza se face in general asupra amplificarii in tensiune. Reprezentand grafic legatura dintre modulul acestei amplificari si frecventa precum si legatura dintre argumentul acestei functii si frecventa se obtin asa numitele caracteristici de frecventa ale circuitului. Daca frecventa si modulul sunt reprezentate pe scari logaritmice aceste diagrame poarta denumirea de diagrame Bode. Se cunosc doua diagrame Bode:

diagrama amplitudine-frecventa

diagrama faza-frecventa

Marginindu-ne numai la prima diagrama, pentru un amplificator de tensiune ea arata ca in figura (6)

Se observa din aceasta figura ca atat frecventa de jos cat si cea de sus se definesc in punctele in care aceasta caracteristica "cade cu 3dB. Tot cu ajutorul acestei figuri se mai defineste banda de lucru a amplificatorului ca fiind:

B=f_s-f_j  (27)

unde:

B banda de lucru

f_j  frecventa inferioara de lucru;

f_s frecventa superioara de lucru

b) Nivelul distorsiunilor

A fost mentionat ca intr-un amplificator se produc doua tipuri de distorsiuni:

distorsiuni neliniare datorate neliniaritatii caracteristicilor statice ale elementelor active;

distorsiuni liniare datorate neuniformitatii caracteristicilor amplitudine-frecventa, respectiv faza-frecventa

Distorsiunile liniare se pot, de asemenea imparti in doua categori:

distorsiuni de amplitudine datorate amplificarii inegale a spectrului semnalului aplicat la intrare;

distorsiuni de faza datorate modificarii relatiei de faza intre componentele spectrale ale semnalului aplicat la intrare.

Tehnica de determinare a lor porneste de la observatia ca daca la intrarea unui amplificator se aplica un semnal de forma:

, (28)

la iesire rezulta un semnal a carui dezvoltare in serie Fourier este:

(29)

In aceste conditii factorul de distorsiuni se defineste:

(30)

1.3. Structura amplificatoarelor. Cuplaje.

In principiu orice amplificator electronic este alcatuit din mai multe blocuri componente cunoscute in literatura de specialitate sub denumirea de etaje de amplificare. In marea majoritate a cazurilor un asemenea etaj contine unul sau cel mult doua elemente active (tranzistoare). Aceasta solutie a fost impusa de faptul ca este practic imposibil ca prin utilizarea unui singur element activ sa se obtina performantele care sunt de obicei impuse unui amplificator. Trebuie spus ca in general etajul de intrare al unui amplificator are rolul de asigura valoarea impusa pentru impedanta de intrare, etajul de iesire are rolul de asigura valoarea necesara a impedantei de iesire (dar si puterea necesara in sarcina), in timp ce etajele intermediare asigura coeficientul de amplificare. Legatura dintre aceste etaje - sau astfel spus, cuplajul lor - se poate realiza in mai multe feluri. O prima solutie este prezentata in figura 7. Acest tip de cuplaj se numeste cuplaj direct. Caracteristica lui consta in faptul ca etajele sunt cuplate atat din vedere continuu cat si alternativ. Este mult utilizat.

O a doua solutie denumita cuplaj capacitiv sau cuplaj RC, este prezentata in figura 8

unde C', C'', sunt condensatoare de cuplaj.

Acest tip de conectare se caracterizeaza prin faptul ca asigura cuplarea etajelor numai din punctul de vedere al semnalului (alternativ) dar in acelasi timp le separa din punct de vedere continuu. De altfel condensatoarele sunt astfel dimensionate incat sa se comporta ca un scurtcircuit la frecventa de lucru. Este intens utilizat.

Un al treilea tip de cuplaj este cuplajul inductiv (prin transformator). Ca si cuplajul capacitiv acest cuplaj (figura 9) separa etajul din punct de vedere al componentei continue dar lasa sa treaca componenta de semnal. Este putin utilizat si numai in situatii speciale.

In literatura de specialitate sunt prezentate si alte tipuri de cuplaje   (optoelectronice, electromagnetice etc.), insa domeniul de aplicatie este strict limitat.

1.4. Clasificari

Exista trei criterii principale care sunt utilizate pentru clasificarea amplificatoarelor :

marimea semnalului procesat;

frecventa de lucru;

marimea benzii de frecvente.

a)      Functie de marimea semnalului procesat amplificatoarele se impart in:

amplificatoare de semnal mic caracterizate de faptul ca

dispozitivele active lucreaza in conditii de semnal mic;

amplificatorul functioneaza liniar;

analiza lor se face utilizand modele de semnal mic pentru dispozitivele active

amplificatoare de semnal mare caracterizate de faptul ca

dispozitivele active lucreaza neliniar;

se folosesc tehnici speciale pentru limitarea distorsiunilor;

analiza lor se face utilizand modele neliniare de semnal mare.

b)      Functie de frecventa de lucru exista :

amplificatoare care lucreaza in domenii static si cvasistatic (amplificatoare de curent continuu si amplificatoare de joasa frecventa); pentru analiza lor; elementele active se modeleaza folosind scheme echivalente caracteristice regimului cvasistatic

amplificatoare care lucreaza in regim dinamic (frecvente foarte inalte); pentru analiza lor dispozitivele active se modeleaza folosind schemele echivalente caracteristice regimului dinamic

Observatie: Combinand cele doua criterii se ajunge la urmatoarele clasificari :

amplificator de semnal mic regim cvasistatic

amplificatoare de semnal mare regim cvasistatic

amplificator de semnal mic regim dinamic

amplificatoare de semnal mare regim dinamic

Prezenta lucrare analizeaza in principal amplificatoarele din prima si a doua clasa

c)      Functie de marimea benzii de frecventa se utilizeaza urmatoarea impartire:

amplificatoare de banda larga; se mai intalnesc sub denumirea de amplificatoare de impulsuri sau amplificatoare de video frecventa; sunt utilizate la prelucrari de semnale video in special.

amplificatoare de banda ingusta; se mai numesc amplificatoare acordate, sau amplificatoare de radio frecventa; utile la procesarea semnalelor de bande inguste sau filtrare.

In literatura de specialitate se mai intalnesc denumirile de amplificator audio utilizate pentru amplificarea semnalelor din acest domeniu. Banda lor ajunge pana la 20 KHz - 22 KHz dar uzual se opreste la 15 KHz, precum si cel de amplificator de curent continuu util pentru amplificarea semnalelor lent variabile sau de curent continuu.

2. Amplificatoare de semnal mic. Etaj diferential

In gama circuitelor de amplificare, amplificatoarele de semnal mic ocupa un loc privilegiat prin multimea aplicatiilor in care se intalnesc. Marea lor majoritate contin mai multe tranzistoare in structura lor. Desigur ca analiza - in aceste cazuri - se poate face considerand ca fiecare tranzistor constituie un etaj, amplificatorul fiind format din multimea acestor etaje. Exista insa anumite combinatii de doua tranzistoare care au o frecventa mare de aparitie. In cazul acestor combinatii este convenabil ca tratarea sa se faca unitar considerand noua configuratie topologica ca etaj de sine statator. Astfel a aparut in literatura de specialitate conceptul de etaj compus. Aceste etaje compuse includ conexiunile:

• etaj colector comun-emitor comun

etaj colector comun-colector comun (etaj Darlington)

• etaj emitor comun-baza comuna EC-BC (etaj cascoda)
• etaj diferential (perechi cu cuplaj in emitor).

Prezentul subcapitol va prezenta numai etajul diferential

a.) Schema de principiu este prezentata in figura 10

b.) Notatii folosite; rolul elementelor.

v_I1; v_I2 valori instantanee ale tensiunii de intrare

v_O1;v_O2  valori instantanee ale tensiunii de iesire

R_C  rezistente de sarcina

I_E; R_E circuit de polarizare echivalat Norton; poate fi o rezistenta sau o sursa de curent realizata cu tranzistoare.

T₁, T₂  tranzistoare identice; pentru buna functionare a etajului este necesar ca aceste tranzistoare sa aiba caracteristicile cat se poate de apropiate

c.) Analiza de semnal mare Se vor studia caracteristicile de transfer:

v_O1=v_O1(v_I1,v_I2) (31)

v_O2=v_O2(v_I1,v_I2) (32)

Schema echivalenta de semnal mare a circuitului din figura 10 este prezentata in figura 11. Intrucat bazele tranzistoarelor sunt neincarcate, s-a utilizat modelul de ordin doi pentru modelarea lor. Amintim ca acest model tine seama de variatiile tensiunii v_BE.

Calculul lui v_O1, respectiv v_O2, porneste de la:

v_O1=E_C-i_C1R_C (33)

v_O2=E_C-i_C2R_C (34)

Expresiile curentilor de colector sunt:

(35)

respectiv:

(36)

Dar

I_S1=I_S2=I_S (37)

intrucat tranzistoarele sunt presupuse identice. Impartind (36) la (35) se obtine:

(38)

Pe de alta parte scriind teorema a doua a lui Kirchhoff pe conturul punctat din figura 2.36 se obtine:

v_BE1-v_BE2=v_I1-v_I2 (39)

Cu aceasta (38) devine:

(40)

Pentru determinarea celor doi curentii, (40) trebuie completata cu o noua ecuatie pentru a forma un sistem de doua ecuatii cu doua necunoscute. Aceasta noua ecuatie se deduce scriind teorema intai a lui Kirchhoff in emitorul celor doua tranzistoare. Pentru a simplifica calculele se va considera R_E de valoare foarte mare, schema din figura 11 devenind:

In aceste conditii:

i_E1+i_E2=I_E (41)

Amintind ca pentru un tranzistor:

i_C≈i_E (42)

relatia (2.190) se rescrie:

i_C1+i_C2≈I_E (43)

Ecuatiile (2.189) si (2.192) formeaza un sistem de doua ecuatii cu solutiile:

(44)

(45)

Introducand notatia:

v_ID=v_I1-v_I2 (46)

relatiile (44) si (45) devin:

i_C1= (47)

i_C2= (48)

Reprezentarea grafica a acestor doua functii se poate vedea in figura 13

Figura 13 pune in evidenta trei dintre caracteristicile acestui etaj:

Atat limitarea la valoarea superioara (I_E) cat si limitarea la valoarea inferioara (aproximativ zero) a curentilor de colector se face in conditiile in care tranzistoarele raman in regiunea activa normala. Acest lucru confera viteza mare de lucru in circuitele de comutatie.

Curentii de polarizarea ai celor doua tranzistoare sunt egali intre ei si au valoare I_E/2.

Circuitul de comporta liniar pentru diferente intre tensiunile de intrare mai mici de 50 mV.

Expresiile tensiunilor de iesire devin:

v_O1=E_C-R_C (49)

v_O2=E_C-R_C (50)

In multe aplicatii semnalul de interes este dat de semnalul diferential de la iesire:

v_OD=v_O1-v_O2 (51)

Inlocuind (49) si (50) in (51) se obtine:

v_OD=R_EI_Etanh (52)

Aceasta functie este trasata in figura 14. Figura pune in evidenta un alt avantaj al acestui etaj:

Atunci cand v_ID devine zero, si v_OD devine zero, fiind astfel posibila cuplarea directa in cascada a etajelor .

d.) Analiza de semnal mic.

Relatia (52) permite introducerea conceptului de "amplificare pe mod diferential". Prezenta sectiune isi propune sa prezinte modul in care se poate calcula aceasta amplificare.

Analiza pe mod diferential Schema etajului devine:

Circuitul din figura 15 se modeleaza ca in figura 16. Intrucat semnalul aplicat pe baze este de semn opus, iar circuitul este echilibrat, tensiunea din emitoare va ramane nemodificata. Altfel spus, din punct de vedere alternativ acest punct se afla la masa.

Aplicand acum teorema bisectiunii, castigul pe mod diferential se poate calcula analizand doar o parte a circuitului. Acest circuit simplificat este denumit semicircuitul pe mod diferential, fiind foarte util in analiza functionarii etajelor diferentiale.

Definind amplificare pe mod diferential

(53)

Calculul urmeza asfel:

(54)

dar:

(55)

Din (53) si (54) se obtine:

(55)

Ca atare amplificarea pe mod diferential devine:

(56)

3 Amplificatoare de semnal mare. Etaje de putere

Gama amplificatoarelor de semnal mare cuprinde toate amplificatoarele care nu sunt de semnal mic. Din aceasta perspectiva domeniul amplificatoarelor de semnal mare poate fi structurat intr-un numar mare de familii de circuite inrudite functie de domeniul de lucru. Elementul comun al tuturor acestor familii il constituie faptul ca elementele active lucreaza neliniar. Studiul acestor familii se reduce in ultima instanta la studiul efectelor induse de acest regim. Acest studiu este in general prezentat in literatura de specialitate pentru asa numitele etaje de iesire.

Capitolul va fi structurat ca si capitolele anterioare in doua parti mari. Intr-o prima parte se va prezenta comportarea asa numitelor etaje in clasa A, iar in cea de a doua etajele in clasa B.

3.1. Preliminarii

Prezentul subcapitol va prezenta cateva dintre notiunile utilizate in studiul etajelor de iesire. Cunoscute de asemenea sub numele de etaje finale sau etaje de putere au rolul de a transfera sarcinii semnal de o anumita putere in conditii de fidelitate specificate. Din aceasta cauza, in cazul lor apar restrictii suplimentare legata de sarcina, care de cele mai multe ori reprezinta un circuit de tip rezistiv-inductiv de mica impedanta. Aceste restrictii impun - in general - urmatoarele conditii privind realizarea lor:

amplificare mare de curent si eventual de tensiune;

excursie mare de tensiune la iesire;

impedanta mica de iesire;

capacitate paralel mica la iesire pentru a evita efectele de supracrestere a raspunsului in frecventa si posibila instabilitate;

randament ridicat;

liniaritate prin origine (fara zona moarta)

nivel de distorsiuni scazut

Literatura de specialitate prezinta o multitudine de circuite ce reprezinta solutii pentru aceste conditionari. Multimea acestora se poate clasifica dupa doua criterii:

structura topologica;

clasa de functionare.

Din punctul de vedere al structurii topologice etajele de iesire se impart in:

etaje asimetrice (emitor comun, baza comuna, colector comun, etc)

etaje simetrice (emitor comun in contratimp, colector comun in contratimp, diferentiale, cascode diferentiale, etc)

Din punctul de vedere al principiului de functionare, literatura de specialitate prezinta o clasificare - de altfel foarte uzuala - functie de clasa de functionare Din acest punct de vedere, cele mai cunoscute sunt:

etaje clasa A;

etaje clasa AB;

etaje clasa B;

etaje clasa C;

etaje clasa D.

Clasa de functionare este determinata de pozitia punctului static de functionare si nivelul semnalului. Astfel:

clasa A elementul activ (tranzistorul) conduce pe durata intregii perioade; se spune ca unghiul de conductie este 360⁰; figura 18 pune in evidenta acest lucru.

clasa AB - unghiul de conductie este mai mare de 180⁰ si mai mic decat 360⁰; figura 19 exemplifica acasta situatie.

Clasa B; unghiul de conductie este 180⁰; figura 20 exemplifica aceasta situatie.

Clasa C: unghiul de conductie este mai mic decat 180⁰; figura 21 exemplifica acasta situatie.

Clasa D elementul activ lucreaza in regim de comutatie; acest tip de amplificator nu face obiectul prezentei lucrari.

3.2. Etaj de putere in clasa A

Se va prezenta un etaj de putere in clasa A structurat pe conexiunea emitor comun a tranzistorului final.

a.) Schema este prezentata in figura 22

b.) Rol elemente, notatii folosite.

R_B1;R_B2 divizor de polarizare; asigura in baza potentialul necesar functionarii in regiunea activa normala;

R_E  stabilizare termica;

C₁  condensator de cuplaj; separa in curent continuu etajul blocand componenta continua, dar lasand sa treaca componenta alternativa;

C_E  condensator de decuplare; in curent alternativ pune emitorul la masa; in curent continuu nu are niciun efect;

Tr  transformator de iesire (de adaptare); are rolul de a asigura transferul maxim de putere in sarcina;

R_L   sarcina;

v_IN   valoare instantanee totala a tensiunii de intrare;

v_O   valoare instantanee totala a tensiunii de iesire;

i_IN valoare instantanee totala a curentului de intrare.

c.) Analiza de semnal mare

Problemele care prezinta interes in cadrul acestui tip de analiza sunt:

alegerea punctului static de functionare;

puterea de iesire si randamentul.

Pentru a simplifica calculele ce vor urma se vor face urmatoarele ipoteze simplificatoare.

randamentul transformatorului de adaptare se considera unitar;

rezistenta primarului se considera nula (nu exista cadere de tensiune continua pe primar);

se neglijeaza cadere de tensiune pe rezistenta R_E.

c₁.) alegerea punctului static de functionare

Este o problema esentiala intrucat de solutia ei depind in mod direct performantele etajului. O analiza cat mai exacta se face in planul caracteristicilor u_CE-i_C. Figura 23 prezinta aceste caracteristici. Exista trei conditii care trebuie respectate in aceasta alegere:

punctul static de functionare trebuie sa se afle in regiunea de siguranta figura 23;

punctul static de functionare trebuie sa asigure excursia maxima de tensiune;

punctul static de functionare trebuie sa asigure excursia maxima de tensiune.

In continuare se vor adauga urmatoarele doua ipoteze simplificatoare:

nu se va lua in calcul extinderea regiunii de saturatie

nu se va lua in calcul extinderea regiunii de blocare

Aceste ipoteze permit simplificarea figurii 23. Astfel in figura 24 nu mai este figurata regiunea de saturatie si nici regiunea de blocare. Analiza figurii pune in evidenta dreapta de sarcina dinamica, dreapta care reprezinta locul geometric al punctelor de functionare in regim dinamic. In figura este reprezentata de segmentul .

Punctul static de functionare, in figura notat cu M, trebuie pozitionat astfel incat sa respecte urmatoarele doua restrictii:

sa fie situat pe hiperbola de disipatie maxima (pentru a asigura maximizarea puterii);

sa fie situat pe dreapta de sarcina astfel incat sa se realizeze conditia:

(57)

ceea ce duce la asigurarea excursiei maxime in curent si tensiune.

c₂.) calculul randamentului

Definitia uzuala a randamentului este:

(58)

unde:

puterea medie debitata in sarcina

puterea medie absorbita de la sursa

Explicitarea expresiilor analitice ale celor doua puteri presupune explicitarea expresiilor curentior si tensiunilor. Astfel prin simpla inspectie a figurii se poate constata ca:

I_c=I_C (59)

V_ce=V_CE (60)

Pe de alta parte, trebuie observat ca intre valoartea instantanee a curentului si a valoarea instantanee a tensiunii pe tranzistor exista un defazaj de 180⁰. Acest lucru se evidentiaza comod prin intermediul dreptei de sarcina. Spre exemplu valorii maxime a tensiuni ii corespunde valoarea minima a curentului (punctul B din planul v_CE, i_C). In urma acestor observatii se pot scrie expresiile instantanee ale curentilor si tensiunilor atat pe sarcina cat si pe transiztor

Expresiile instantanee ale curentului si tensiunii pe tranzistor

i_C=I_C-I_csin(wt)  (61)

v_CE=V_CE+V_cesin(wt)  (62)

notatiile fiind cele clasice:

litera mica, indice mare valoare instantanee totala;

litera mare, indice mare valoare de curent continuu;

litera mare, indice mic amplitudinea semnalului;

litera mica, indice mic valoare instantanee a semnalului.

Expresiile instantanee ale curentului si tensiunii pe sarcina. Se vor scrie aceste valori numai pentru primarul transformatorului. Deoarece randamentul transformatorului se considera unitar, se vor folosi aceste expresii pentru calculul puterii debitata in sarcina. Din punctul de vedere al semnalului, bucla de iesire a circuitului din figura 22 se modeleaza ca in figura 25

unde   R_L' valoarea rezistentei de sarcina reflectata in primar.

Se constata imediat:

i_l=I_lsin(wt)=I_csin(wt)  (63)

v_l=V_lsin(wt)=V_cesin(wt) (64)

Pentru calculul ce urmeaza este necesar ca aceste marimi sa fie exprimate functie de pozitia punctului static. Tinand cont de:

V_CE=E_C (65)

expresiile pentru curent si tensiune devin:

i_C=I_C-I_csin(wt) (66)

v_CE=E_C+E_csin(wt) (67)

i_l=I_csin(wt) (68)

v_l=E_Csin(wt)  (69)

In aceste conditii valoarea medie a puterii absorbita de la sursa este:

(70)

Rezolvand integrala se obtine:

(71)

Valoarea medie a puterii debitata in sarcina este:

(72)

Se obtine in final:

(73)

Inlocuind (71) si (73) in (58) expresia randamentului devine:

(74)

Intrucat simplificarile acceptate nu se intalnesc in situatii reale, valoarea uzuala a randamentului unui etaj in clasa A cu transformator de iesire este de aproximativ 40%.

3.3. Etaje de putere in clasa B si AB

Literatura de specialitate prezinta o gama larga de variante constructive. Solutiile moderne apeleaza la tranzistoare complementare.

a.) Schema de principiu este prezentata in figura 26

b.) Rolul elementelor, notatii folosite.

R_L  - rezistenta de sarcina;

u_IN  - tensiune de intrare;

v_O  - tensiune de iesire;

T₁  - tranzistor npn in conexiunea colector comun ce amplifica alternanta pozitiva;

T₂ - tranzistor pnp in conexiunea colector comun ce amplifica alternanta negativa.

c.) analiza de semnal mare

Ca si in cazul celorlalte etaje aceasta analiza va cuprinde:

determinarea caracteristicii de transfer;

calculul puterii de iesire;

calculul randamentului.

c₁.) determinarea caracteristicii de transfer

Constructia acestei caracteristici poate pleca de la observatia ca acest etaj este in ultima instanta construit din doua etaje colector comun. Pentru tensiuni pozitive T₁ conduce iar T₂ se blocheaza in timp ce pentru tensiuni negative T₂ conduce iar T₁ se blocheaza. Ca atare caracterisca etajului se poate construi pornind de la caracteristica etajului colector comun. Alura caracteristii globale este prezentata in figura 27

Observatia cea mai importanta referitoare la aceasta caracteristica de transfer consta in evidentierea unei zone moarte de marime 2V_g centrata pe v_IN=0. Aceasta zona moarta determina aparitia distorsiunilor de racordare, distorsiunii ce caracterizeaza acest etaj si limiteaza utilizarea lui in practica. Figura 28 ilustreaza modul in care se produc acestea. Se poate observa ca acest tip de etaj nu poate amplifica decat semnale de intrare a caror amplitudine este mai mare decat valoarea V_g

Eliminarea acestor dezavantaje se face cel mai comod prin prepolarizarea tranzitoarelor T₁,T₂. Astfel, daca aceste tranzistoare ar fi usor deschise (polarizate in absenta semnalului cu o tensiune aproximativ egala cu V_g), zona moarta din caracteristica 27 ar disparea si deci ar fi eliminate aceste distorsiuni de racordare. Solutia tehnica consta in introducerea unui circuit suplimentar de polarizare in montajul prezentat in figura 26. Se ajunge la schema de principiu din figura 29

Figura 29 prezinta asa numitul etaj de iesire in clasa AB. Comparand aceasta schema cu cea din figura 26, se constata ca circuitul suplimentar de polarizare este format din generatorul de curent I_D si diodele D₁,D₂. In fapt Functionarea este urmatoarea: generatorul I_D forteaza polarizarea in direct a diodelor. Deoarece aceste diode sunt legate in paralel pe jonctiunile baza emitor ale tranzistoarelor, rezulta ca acestea vor fi prepolarizate cu tensiune egala cu cea de la bornele diodelor.

In schemele reale diodele se inlocuiesc cu circuite mai performante. De retinut este faptul ca prin varierea valorii curentului I_D, se poate modifica nivelul tensiunii de prepolarizare al tranzistoarelor Caracteristica de transfer a noului etaj este prezentata in figura 30

c₂.) calculul puterii de iesire, randamentul

Pentru calculul randamentului se va folosi relatia (58). Este deci necesar calculul marimilor (puterea medie debitata in sarcina), si (puterea medie absorbita de la sursa). La randul lor aceste marimi necesita explicitarea expresiilor analitice ale curentilor si tensiunilor din montaj. Figura 31 arata pozitionarea punctului static de functionare pentru un etaj clasa B.

Prin inspectia figurii se pot deduce expresiile instantanee ale curentului si tensiunii din anumite puncte. Astfel P.S.F.-ul este definit de dubletul . Rezulta imediat ca amplitudinea tensiunii alternative de pe sarcina este:

V_c=E_C  (75)

Amplitudinea curentului din sarcina este notata in figura 31 cu I_c Expresiile instantanee ale curentului si tensiunii pe sarcina devin:

i_C(t)=I_csin(wt)  (76)

v_c(t)=V_csin(wt)  (77)

Expresia instantanee a curentului debitat de sursa este:

i_S(t)=I_c sin(wt) (78)

In aceste conditii valoarea medie a puterii absorbita de la sursa este:

(79)

Rezolvand integrala se obtine:

(80)

Valoarea medie a puterii debitata in sarcina este:

(81)

Se obtine in final:

(82)

Inlocuind (81) si (82) in (58) expresia randamentului devine:

(83)

4. Reactia in amplificatoare.

Definita ca fenomenul prin care este preluata o parte a semnalului de iesire si aducerea acesteia la intrare, reactia este folosita pe scara larga in amplificatoare. Se constata astfel ca prin reactie, semnalul de iesire influenteaza semnalul de intrare. Pentru a fi posibil acest lucru este necesar ca in structura amplificatoarelor sa se introduca o noua cale pentru transmisia inversa a semnalului. Amplificatoarele cu reactie sunt deci bilaterale, adica transmit semnalul in ambele sensuri, spre deosebire de etajele de amplificare studiate anterior. Motivele care stau la baza utilizarii pe scara larga a acestui procedeu sunt:

stabilizarea castigului amplificatorului fata de:

imbatranire;

dispersia parametrilor dispozitivelor active;

variatia temperaturii;

modificarea impedantelor de intrare si iesire in mod comod;

reducerea distorsiunilor neliniare;

cresterea benzii de trecere;

reducerea raportului semnal/zgomot.

Pretul platit pentru avantajele mentionate consta in:

reducerea amplificarii;

aparitia tendintei de oscilatie.

Subcapitolul este constituit din doua sectiuni:

Sectiunea 1. Se ocupa de studiul reactiei ideale. Astfel se va dezvolta ecuatia reactiei ideale.

Sectiunea 2. Se ocupa de principalele topologii de reactie.

4.1. Reactia ideala

Structura generala a unui amplificator cu reactie este prezentata in figura 32

unde:

X_i   semnal de intrare;

X_o   semnal de iesire;

X_e semnal de eroare;

X_f  semnal de reactie;

A functia de transfer a amplificatorului cu reactie;

a functia de transfer a amplificatorului de baza;

f functia de transfer a retelei de reactie;

sumator.

Se observa ca:

(84)

si

(85)

circuitul sumator realizeaza functia

X_e=X_i+X_f (86)

iar

(87)

In plus se mai fac urmatoarele patru ipoteze simplificatoare:

I₁ Functiile de transfer ale blocurilor componente sunt independente de frecventa. Analiza se face in regim cvasistatic.

I₂ Atat amplificatorul de baza cat si reteaua de reactie lucreaza liniar. Astfel spus, analiza se face in semnal mic.

I₃ Reteaua de reactia nu incarca amplificatorul si nici amplificatorul nu incarca reteaua de reactie.

I₄   Bucla de reactie poate fi parcursa numai de sensul indicat de sagetile din figura.

a.) Ecuatia fundamentala a reactiei ideale

Ecuatia reactiei ideale expliciteaza functia:

A=A(a,t) (87)

Altfel spus aceasta ecuatie rezolva urmatoarea problema:

Problema Considerand cunoscuta functiale de transfer a amplificatorului de baza "a", precum si functia de transfer a retelei de reactie "f", se cere sa se determine expresia functia de transfer a amplificatorului cu reactie "A".

Solutia problemei:

Impartind relatia (86) prin X₀ se obtine:

(88)

Tinand cont de definitiile (84), (85) si (87), (88) se rescrie:

(89)

Rezulta imediat:

(90)

Relatia (90) reprezinta ecuatia fundamentala a reactiei ideale. Cu ajutorul acestei relatii se introduc doua noi concepte:

reactia pozitiva, definita de situatia:

(91)

sau

(92)

reactia negativa, definita de:

(93)

sau

(94)

In amplificatoare se foloseste in mod exclusiv reactia negativa. Reactia pozitiva este caracteristica oscilatoarelor. Trebuie de asemenea adaugat ca:

(95)

reprezinta "transmisia pe bucla". Daca:

T>>1 (96)

caz suficient de des intalnit in practica, (90) devine:

(97)

Acest ultim rezultat este extrem de important. Se constanta ca amplificarea amplificatorului cu reactie este in mod exclusiv dictata de reteaua cu reactie. Tinand cont de faptul ca in general reteaua cu reactie este formata din componente pasive, caracterizate printr-o dispersie controlata (mica) a parametrilor, rezulta ca amplificarea globala nu depinde de dispersia parametrilor (mare) caracteristica dispozitivelor active din amplificatorul de baza. Mai mult, se poate deduce o metoda rapida de calcul a transmitantei pentru amplificatoarele cu reactie:

Se identifica reteaua de reactie;

Se calculeaza trasmitanta f

Se aplica relatia (97) pentru determinarea amplificarii,

Aceasta metoda este valabila in cazul reactiei negative puternice. Se poate observa ca in acest calcul nu intervine in niciun fel amplificatorul de baza.

b) Avantajele folosirii reactiei negative la amplificatoarele electronice.

Utilizarea reactiei negative in amplifcatoare are urmatoarele efecte benifice:

• Desensibilizarea amplificatorului cu reactie; reactia negativa reduce in mod semnificativ efectul temperaturii, dispersiei parametrilor sau al imbatranirii asupra amplificatorului cu reactie.
• Imbunatatirea raportului semnal zgomot
• Reducerea distorsiunilor neliniare.

Cresterea benzii de trecere.

Modificarea impedantelorde intrare

• Modificarea impedantelor de iesire

c.) Dezavantajele utilizarii reactiei negative in amplificatoare.

Dupa cum a fost mentionat deja, exista doua efecte neplacute datorate reactiei negative:

Aparitia tendintei de oscilatie - situatie care se inlatura printr-o proiectare ingrijita, si

Scaderea amplificarii.

4.2. Topologii de reactie.

Figura 32 figura care a folosit pentru definirea conceptului de reactie negativa in amplificatoare a utilizat notatia X pentru semnalele prezente in schema bloc. Aceasta notatie poate desemna fie un semnal de curent, fie un semnal de tensiune. In schemele reale acest lucru trebuie precizat in mod expres. Exista, astfel, patru structuri posibile pentru circuitele in reactie. Clasificarea se face functie de tipul de semnal (tensiune, curent) cules de reteaua de reactie precum si functie de tipul de semnal raspuns al circuitului de reactie. Din punct de vedere topologic trebuie adaugat ca in conditiile in care reteaua de reactie culege informatie in tensiune, ea trebuie conectata in paralel cu sarcina amplificatorului. Daca reteaua de reactie culege informatie in curent de la iesirea amplificatorului atunci ea se conecteaza in serie cu sarcina amplificatorului. Daca raspunsul retelei este sub forma de tensiune atunci ea se conecteaza in serie cu intrarea amplificatorului. Daca raspunsul retelei de reactie este sub forma de curent atunci el trebuie introdus in paralel cu intrarea amplificatorului. Cu aceste precizari cele patru structuri de reactie sunt:

I.) Serie-paralel. Se mai numeste reactie de tensiune-serie. Culege informatie de tensiune iar raspunsul este in tensiune (fig.33)

Identificand principalele marimi electrice prin raportarea acestei scheme la schema din figura 32 obtine:

marimea de intrare X_in=V_in tensiune

marimea de iesire X_o=V_o tensiune

semnalul de reactie X_f=V_f tensiune

semnalul de eroare. X_e=V_e tensiune

Rezulta imediat:

Functia de transfer a amplificatorului de baza este:

(98)

si este reprezentata de amplificarea in tensiune.

Functia de transfer a caii de reactie este:

(99)

si este reprezentata tot de amplificarea in tensiune.

Amplificarea amplificatorului cu reactie se obtine prin aplicarea formulei (90) este:

(100)

Exemplu de aplicare al teoriei.

Exemplul tipic este reprezentat de circuitul din figura 34 Reactia este asigurata de reteaua rezistiva R_E, R_F

Calculul functiei de transfer pentru circuitul f se realizeaza cu ajutorul circuitului din figura 35. Prin simpla inspectie rezulta:

(101)

(102)

In aceste conditii calculul functiei de transfer pentru amplificatorul cu reactie se reduce la:

(103)

II.) Paralel-paralel. Se mai numeste reactie de tensiune paralel (fig.36) Culege informatie de tensiune iar raspunsul este in curent.

Schema bloc este prezentata in figura 36. Prin identificarea principalelor marimi electrice se obtine:

marimea de intrare X_in=I_in curent

marimea de iesire X_o=V_o tensiune

semnalul de reactie X_f=I_f curent

semnalul de eroare. X_e=I_e curent

Rezulta imediat:

Functia de transfer a amplificatorului de baza este:

(104)

si este reprezentata de o transrezistenta.

Functia de transfer a caii de reactie este:

(105)

si este reprezentata de o transconductanta.

Amplificarea amplificatorului cu reactie se obtine prin aplicarea formulei (5.8) si este tot o transrezistenta:

(106)

Exemplu de aplicare a teoriei Fie circuitul din figura 37.

Reactia este asigurata de rezistorul R_F. Circuitul f este reprezentat in figura 38. Prin simpla inspectie rezulta:

(107)

In aceste conditii amplificarea amplificatorului cu reactie devine:

(108)

III.) Paralel-serie. Se mai numeste reactie de curent paralel (fig. 39) Culege informatie de curent iar raspunsul este in curent.

Identificand principalele marimi electrice prin raportarea acestei scheme la schema din figura 32. se obtine:

marimea de intrare X_i=I_i curent

marimea de iesire X_o=I_o curent

semnalul de reactie X_f=I_f curent

semnalul de eroare. X_e=I_e curent

Rezulta imediat:

Functia de transfer a amplificatorului de baza este:

(109)

si este reprezentata de amplificarea in curent.

Functia de transfer a caii de reactie este:

(110)

si este reprezentata de tot de amplificarea in curent.

Amplificarea amplificatorului cu reactie se obtine prin aplicarea formulei (90) si este tot amplificare in curent:

(111)

Exemplu de aplicare a teoriei Circuitul tipic este prezentat in figura 40. Reactia este asigurata de reteaua rezistiva R_E, R_F.(figura 41)_.

Prin simpla inspectie rezulta:

(112)

(113)

In aceste conditii, amplificarea in curent a amplificatorului cu reactie devine:

(114)

IV.) Serie-serie. Se mai numeste reactie de curent serie. Schema bloc a unui amplificator cu reactie serie-serie este prezentata in figura 42 Se obsev ca reactia culege informatie in curent iar raspunsul este in tensiune.

Prin identificare se observa ca:

marimea de intrare X_i=V_i tensiune

marimea de iesire X_o=I_o curent

semnalul de reactie X_f=V_f tensiune

semnalul de eroare. X_e=V_e tensiune

Rezulta imediat:

Functia de transfer a amplificatorului de baza este:

(115)

si este reprezentata de o transadmitanta.

Functia de transfer a caii de reactie este:

(116)

si este reprezentata de o transimpedanta.

Amplificarea amplificatorului cu reactie are expresia:

(117)

Exemplu de aplicare a teoriei. Circuitul tipic este prezentat in figura 43

Reactia este asigurata de reteaua rezistiva R_E1, R_F.R_E2.(figura 44).Prin simpla inspectie rezulta:

(118)

(119)

Functia de transfer pentru amplificatorul cu reactie devine:

(120)

Tabelele de mai jos prezinta in sinteza modalitatile de calcul ale functiilor de transfer pentru fiecare tip de reactie in parte