2.1 Amplificatorul de semnal mic cu cuplaj RC

Transcript

1 Lucrarea nr.6 AMPLIFICATOAE DE SEMNAL MIC 1. Scopurile lucrării - ridicarea experimentală a caracteristicilor amplitudine-frecvenţă pentru amplificatorul cu cuplaj C şi amplificatorul selectiv; - determinarea grafică a benzii de frecvenţă; - calculul amplificărilor. 2. Consideraţii teoretice 2.1 Amplificatorul de semnal mic cu cuplaj C In fig. 1 se prezintă schema tipică a unui amplificator de semnal mic cu cuplaj C (cuplaj prin condensator) având tranzistorul în conexiunea emitor-comun. Fig. 1. Amplificatorul se consideră de semnal mic dacă tensiunea in, furnizată de generator, determină o variaţie a tensiunii bază-emitor, u BE, suficient de mică pentru a se putea considera că dependenţa dintre curentul şi tensiunea pe joncţiunea aflată în conducţie este liniară. În aceste condiţii amplificatorul funcţionează liniar şi se păstrează proporţionalitatea semnalului de ieşire cu cel de intrare. Condiţia de semnal mic se exprimă prin relaţia: kt u BE (1) q kt unde este tensiunea termică şi are valoarea de aproximativ 26mV la temperatura de q 300K (27 C). Cuplajul se numeşte C deoarece condensatorul de cuplaj C formează împreună cu rezistenţa de intrare a etajului următor un divizor de tensiune. Acest divizor de tensiune 35

2 asigură separarea în curent continuu (c.c.) între etaje (datorită condensatorului C) şi atenuarea semnalelor la frecvenţe joase (comportare de filtru trece-sus, FTS). În cazul circuitului din fig.1, cuplajul de tip C la intrare este alcătuit din rezistenţa de intrare a amplificatorului, notată cu in şi condensatorul de cuplaj cu generatorul, C G. La ieşirea circuitului din fig. 1, cuplajul de tip C este reprezentat de rezistenţa de sarcină L şi condensatorul de cuplaj cu sarcina C L. Elementul activ al amplificatorului de semnal mic este tranzistorul T din fig. 1. Comportarea amplificatorului de semnal mic se poate descrie cu ajutorul caracteristicilor de frecvenţă (amplitudine-frecvenţă respectiv fază-frecvenţă). Dacă se consideră in ( ω) şi o ( ω ) imaginile în complex ale tensiunilor de intrare, respectiv de ieşire, reprezentarea în complex a amplificării se scrie: A( unde ( ω) o jϕ( ω) ω ) = = A( ω)e (2) in ( ω) A(ω) reprezintă caracteristica amplitudine-frecvenţă, iar ϕ(ω) - caracteristica fază-frecvenţă. In fig. 2 se prezintă caracteristica amplitudine-frecvenţă, A(ω) pentru un amplificator de semnal mic de tipul celui din fig. 1. Fig. 2. Din punct de vedere fiziologic, pentru a se proteja, urechea umană percepe sunetele după o lege de variaţie logaritmică. Astfel urechea sesizează o modificare a intensităţii sonore a unui semnal numai după ce semnalul s-a dublat ca putere sau s-a atenuat de 2 ori. Se obişnuieşte să se exprime rapoartele de puteri sau de tensiuni în decibeli db. P Astfel, un raport de puteri se exprimă în db sub forma 10 log 10, iar un raport de Pmax tensiuni în db se scrie sub forma 20 log 10. Din modul de exprimare max logaritmică a rapoartelor de puteri sau tensiuni, la o scădere la jumătate a puterii unui semnal îi corespunde o micşorare a mărimii semnalului la 1 = 0, 707 din amplitudinea maximă ( 10log10 = 10log10 = 2 ). Exprimat în max max 2 36

3 1 db, acest lucru înseamnă o atenuare cu 3dB ( 10log10 = 3dB). Frecvenţa 2 corespunzătoare acestei situaţii se numeşte frecvenţă la 3dB sau frecvenţă limită. Banda de frecvenţă, B a unui amplificator de semnal mic este: B = f s f i (3) unde f i reprezintă frecvenţa limită inferioară iar f s - frecvenţa limită superioară. Amplificarea în tensiune la frecvenţe medii se poate calcula pe schema echivalentă din fig. 3, pe care tranzistorul s-a înlocuit cu o rezistenţa între bază şi emitor şi un generator de curent între colector şi emitor. Prin frecvenţe medii, dacă ne referim la domeniul de audiofrecvenţă cuprins între 20 Hz şi 20 khz, se înţeleg semnalele a căror frecvenţă este egală cu aproximativ 1000 Hz (fig. 2). Fig. 3. Se presupune că la frecvenţele medii reactanţele capacitive ale condensatoarelor C G, C L şi C E sunt egale cu zero (capacităţile au valori mari), deci reprezintă scurtcircuit în curent alternativ. Tot scurtcircuit în curent alternativ este şi sursa de curent continuu de alimentare E C. Dacă se consideră generatorul de tensiune de la intrare ideal, ceea ce presupune G =0, se poate demonstra că amplificarea la frecvenţe medii este: A β ( ) o C L med = = (4) in rπ unde I I B β rπ = 40 - rezistenţa dinamică a joncţiunii bază-emitor a tranzistorului. C β = reprezintă factorul de amplificare în curent al tranzistorului iar I C Semnul minus arată că tensiunea de ieşire este în opoziţie de fază cu cea de intrare (defazată cu -180 faţă de cea de intrare). La amplificatorul de semnal mic din fig. 1, amplificarea la frecvenţe medii, A med depinde de parametrii β şi r π ai tranzistorului. Aceste mărimi au o dispersie mare de la un tip de tranzistor la altul şi chiar la acelaşi tip de tranzistor între exemplare diferite. 37

4 2.2 Amplificatorul de semnal mic cu cuplaj C şi cu reacţie negativă eacţia constă în preluarea unei părţi bine determinate din semnalul de ieşire al amplificatorului şi aducerea acesteia la intrare. eacţia se numeşte negativă dacă din semnalul de intrare se scade cel de reacţie. Montajul din fig. 1 devine un amplificator cu reacţie negativă dacă se deconectează condensatorul C E. În acest caz se poate demonstra că amplificarea cu reacţie negativă se scrie: A r med deoarece β( C L ) = r + ( β + 1) π π E C ( β + 1) E r iar β + 1 β. Dacă amplificatorul lucrează în gol ( L ), atunci A r med E E L ) C (6) ezultă că amplificarea cu reacţie nu mai depinde de tranzistor ci de valorile unor rezistenţe. Dacă se aleg rezistoare de precizie, atunci amplificarea se poate controla cu exactitate mare. n alt efect important al reacţiei negative constă în creşterea benzii de frecvenţă a amplificatorului cu reacţie faţă de cel fără reacţie. 2.3 Amplificatorul selectiv (acordat) (5) a) b) Fig. 4. Amplificatorul selectiv din fig. 4a este un amplificator de semnal mic, realizat cu tranzistorul în conexiunea cu emitor comun, cu circuit rezonant derivaţie în colector (LC). Tranzistorul se comportă ca un generator de curent care atacă circuitul rezonant. Tensiunea de ieşire este o = Z I, unde Z este impedanţa circuitului rezonant. Pentru schema echivalentă de curent alternativ din fig. 4b se poate scrie: 38

5 1 Z 1 = Y = G + jω C + (7) jω L unde Y este admitanţa iar G = 1 reprezintă conductanţa circuitului.. La frecvenţa de rezonanţă: 1 f o = (8) 2π LC rezultă Y=G, deoarece reactanţa inductivă devine egală cu cea capacitivă şi sarcina din colector se comportă rezistiv. La rezonanţă, impedanţa Z a circuitului oscilant derivaţie este pur activă şi are o valoare maximă. ezultă că şi tensiunea care apare la bornele circuitului oscilant este maximă. Astfel rezonanţa se poate detecta măsurând tensiunea la bornele circuitului oscilant. aportul dintre mărimea reactanţei la rezonanţă şi rezistenţa activă din circuit se numeşte factor de calitate, se notează cu Q şi este exprimat prin relaţia: ωol f o Q = = (9) B unde B reprezintă banda de frecvenţă a amplificatorului selectiv, definită cu o expresie de forma relaţiei (3). In fig. 5 se prezintă caracteristica amplitudine-frecvenţă o = o (f) a unui amplificator selectiv. 3. Desfăşurarea lucrării Fig. 5. Aparatura necesară: sursă simplă de tensiune (c.c.), 0 7,5V; generator de semnal sinusoidal, 1Hz 1MHz; voltmetre de curent alternativ (voltmetre electronice); osciloscop; montajul de laborator AMPLIFICATOAE DE SEMNAL MIC ; 39

6 Montajul experimental este prezentat în fig Amplificator C fără reacţie Fig. 6. Se ridică experimental caracteristica amplitudine-frecvenţă, se determină grafic banda de frecvenţă, B 1 şi se calculează A med1 cu relaţia: o,max A med1 = (10) in În acest scop: se scurtcircuitează (se fac legăturile între) bornele 3-4 şi 6-7; la intrare, între bornele 1 şi 2 se conectează generatorul de semnal sinusoidal şi un voltmetru (V 1 ) de c.a.; la ieşire, între bornele 4 şi 13,se conectează un voltmetru (V 2 ) de c.a. se alimentează montajul de la sursa simplă de tensiune, conectând borna + a sursei cu borna 12 (+7,5V) şi borna - a sursei cu borna 13; se reglează de la generator nivelul semnalului astfel încât valoarea efectivă a tensiunii de intrare, măsurată cu voltmetrul V 1 să fie de 10 mv ( in1 =10mV); se modifică de la generatorul de semnal frecvenţa la valorile indicate în tabelul 1, linia 1 (menţinând constantă in1 pentru toate frecvenţele) şi se măsoară pentru fiecare valoare a frecvenţei, valoarea efectivă a tensiunii de ieşire o1 cu voltmetrul V2, completându-se tabelul 1, linia a 2-a. 3.2 Amplificator C cu reacţie negativă în emitor Se ridică experimental caracteristica amplitudine-frecvenţă, se determină grafic banda de frecvenţă, B 2, se calculează A med2 cu relaţia (10) şi se compară cu rezultatul dat de relaţia (6). În acest scop se procedează ca la punctul 3.1 faţă de care apar următoarele modificări: se desface legătura dintre bornele 6 şi 7; 40

7 f [khz] o1 [V] o2 [V] nivelul semnalului de la generator se reglează astfel încât in2 =100mV; se completează tabelul 1, linia a 3-a. Tabelul 1 0,02 0,05 0,1 0,2 0, Amplificator selectiv (cu reacţie negativă în emitor) Se ridică experimental caracteristica amplitudine-frecvenţă, se determină valoarea frecvenţei de rezonanţă a circuitului, f o, se determină grafic banda de frecvenţă, B şi se calculează valoarea factorului de calitate Q, în cazul circuitului acordat care are o sarcină de 15kΩ (fig. 6). În acest scop se foloseşte schema de montaj de la punctul 3.2 la care: se desface legătura dintre bornele 3 şi 4; se face legătura între bornele 4 şi 5; nivelul semnalului de la generator se reglează astfel încât in3 = 0,3V şi se menţine constant pentru toate frecvenţele de măsură; se modifică frecvenţa semnalului de intrare începând de la 10kHz şi se determină frecvenţa de rezonanţă f o care corespunde la valoarea maximă a tensiunii de ieşire, notându-se valoarea lui f o în tabelul 2; se modifică frecvenţa semnalului de intrare în jurul celei de rezonanţă de la f o - 5kHz la f o +5kHz şi se completează tabelul 2. Tabelul 2 f o ±n khz f o -5 f o -4 f o -3 f o -2 f o -1 f o f o +1 f o +2 f o +3 f o +4 f o +5 f [khz] o [V] 4. Conţinutul referatului schema montajului de lucru; desfăşurarea lucrării şi tabelele pentru rezultatele experimentale; caracteristicile o1 (f) şi o2 (f), reprezentate pe hârtie milimetrică (sau foaie de matematică) şi construite pentru o scară logaritmică de frecvenţă (vezi fig. 2); determinarea grafică a benzilor de frecvenţă B 1 şi B 2 pentru amplificatorul fără reacţie, respectiv cel cu reacţie; se verifică dacă B 2 >B 1 ; 41

8 calculul amplificărilor A med1 şi A med2 cu relaţia (10); amplificarea A med2 se compară cu valoarea dată de relaţia (6); caracteristica de frecvenţă a amplificatorului selectiv; determinarea grafică a benzii de frecvenţă B a amplificatorului selectiv; calculul factorului de calitate Q cu relaţia (9) pentru circuitul acordat care are o sarcină de 15kΩ, B fiind mărimea determinată anterior iar f o se ia din tabelul 2; calculul factorului de calitate Q cu relaţia (9) pentru circuitul acordat care are o sarcină de 1Ω (fig. 6 se face legătura între bornele 10 şi 11). Se repetă măsurările de la punctul 3.3 pentru o gamă de frecvenţă mai largă în jurul frecvenţei de rezonanţă; observaţii şi concluzii personale. 42